基于故障树和规则推理的穿梭车故障诊断研究
0 引言
穿梭车作为自动化物流系统中一种智能型轨道导引搬运设备，在自动化物流系统中的应用日益广泛。它具有沿着固定路径动态移载的功能，可实现物料在不同站点之间的传送，使得自动化输送系统的设备布局更加紧凑、简捷。然而，实际工程应用中穿梭车的正常运行完全依赖于各组件装置的固有可靠性，对穿梭车缺少有效的状态监测与故障诊断，时常出现故障误报、漏报等现象，而且一旦发生故障，维修人员只能凭借个人经验逐一排查找出故障原因，故障处理效率低下，严重影响了整个物流系统的工作效率。
故障诊断技术已越来越多地在自动化物流系统领域得到应用。章採品等研究了基于故障树分析法的堆垛机故障诊断专家系统，重点阐述了专家系统知识获取与表示方式；李小平等建立了一种基于Internet、OPC以及故障树技术的堆垛机远程故障诊断及维修系统，对堆垛机信息的采集、传输、故障分析等相关技术进行了介绍；聂峰提出运用上位和下位监控系统对穿梭车在应用过程中发生的常见故障进行诊断分析，并通过监控系统和设计的作业跟踪与设备任务管理功能进行故障定位的方法，该方法实现了穿梭车故障远程诊断功能，但是对于故障原因分析仍需要人工查询确认，存在故障定位不精确、故障报警信息不明确等缺陷。
本文针对某卷烟厂出入库穿梭车时常因当前站点信息丢失或激光脱靶等故障而无法正常运行的实际问题，提出了一种组合条码识别与激光测距的冗余定位方法，以增强定位的可靠性；设计了一种基于故障树与规则的穿梭车故障诊断系统，以实现故障自诊断功能，使用Visual Studio2010和Microsoft SQL 2008开发的原型系统在该卷烟厂穿梭车的故障诊断中得到了成功应用。
1 定位技术分析
定位技术作为穿梭车控制技术中的关键技术，直接关系着穿梭车的安全性和运行效率，一旦定位出现偏差、错误等故障，极易导致物料出入库不正常、物料跌落损毁等事故的发生。穿梭车的定位方法主要有：1) 认址片定位，即采用沿着穿梭车的行进方向设置认址片，控制器通过检测认址片来判断穿梭车位置和站点位置；2) 认址片编码器定位，即在方法1) 的基础上引入编码器对认址片进行校验，从而提供定位可靠性；3) 激光定位，即采用激光测距器进行定位；4) 激光认址片定位，即在方法3) 的基础上采用认址片对激光定位进行校验，提高定位可靠性；5) 条码定位，即采用在穿梭车底部安装条码阅读器，在条码阅读器的正前方、轨道的外侧边安装条码带，穿梭车运行过程中通过扫描条码带获取位置信息进行定位；6) 磁栅定位，即采用静磁栅位移传感器和静磁栅尺替换方法5) 中的条码阅读器与条码带，实现精确定位。表1对几种定位方法进行了对比分析。
2 冗余定位系统
本文提出的组合条码识别和激光测距的穿梭车冗余定位系统，由激光测距模块、条码识别模块和控制模块组成，系统结构如图1所示，其中激光测距传感器选用SICK DL50-P2225，测量精度为3mm，响应时间为10ms；条码阅读器选用SICKCLV650-0000，其扫描空间为200mm～1600mm，采用增强型SMART条码重组技术，对于破损、污损、打印质量差或对比度差的条码有良好的读取性能。
通过激光测距模块对穿梭车当前位置信息进行实时跟踪采集，并将得到的位置信息传递给控制模块；然后控制模块根据当前位置信息和目标站点的位置信息对穿梭车进行位置和速度控制；最后当穿梭车定位运行停止后，控制模块通过条码定位校验模块扫描获取距离穿梭车最近站点的条码标签信息，根据标签信息是否有效对激光测距定位进行校验，判断穿梭车定位是否精准可靠。
3 穿梭车故障诊断设计
穿梭车作为自动化物流系统中的关键设备，其故障具有随机性、不确定性。若穿梭车发生故障，将直接影响整个物流系统的正常运转。为此，对穿梭车进行故障分析、诊断十分必要。故障树分析法（Fault Tree Analysis FTA）是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐渐细化的分析方法，具有便于分析系统结构、刻画系统各事件关联性的优点。规则推理通过把相关领域的专家知识形式化描述出来，形成系统规则进行检索推理，符合人类思维习惯，具有推理直观、快速的优点。结合二者的优势，本文设计了一种基于故障树与规则的故障诊断系统，采用故障树分析法对穿梭车故障进行分析，确定故障原因及其发生概率，按照相关准则将故障树转化为规则，形成规则知识库，并根据穿梭车故障发生的特点，设计合理的规则推理机制，最终实现穿梭车故障自诊断功能。
3.1 穿梭车故障树分析
故障树分析就是将故障原因从整体到局部逐步细化，自上而下逐层分解，从而对故障系统的可靠性进行评价和分析。根据穿梭车主要结构和工作原理，本文按下述步骤建立以穿梭车不能正常运行T作为顶事件的穿梭车主故障树。
3.2 故障树转化为规则
采用故障树对穿梭车故障进行分析处理，即是通过研究穿梭车结构、功能和行为的因果关系，理清故障传播的层次和父、子节点间的因果关系。根据文献提出的故障树转化为产生式规则的三条准则，可以采用IF THEN型的诊断规则来体现各个父、子节点间的正向因果关系链，以此来表示故障原因及故障传播逻辑关系。
3.3 规则推理
收集统计某卷烟厂穿梭车历史故障信息，在2013年期间穿梭车主故障发生频次中：行走故障2次、移载故障6次、滑触线故障4次、控制故障0次、定位故障15次，定位故障发生比例高达约56%，说明导致穿梭车无法正常运行的原因一般都是由定位失效引起。因此，在一般规则推理的基础上，根据主故障不同频次分级建立子规则库，即主故障频次越高对应的子规则库优先级越高，推理过程中按优先级进行规则检索，从而提高故障诊断效率。
4 实例分析
针对某卷烟厂出入库穿梭车使用过程中因当前站点信息丢失或激光脱靶等故障而无法正常运行的实际问题，完成了对穿梭车定位方法的改进。实际应用中根据图4所示的定位校验诊断模型，改进后的冗余定位系统实现了穿梭车当前站点信息的实时跟踪，有效防止了在因激光测距误差增大等原因穿梭车移载链机与站点输送链机对位不准的情况下，盲目进行上下货任务导致货物堵塞、跌落甚至损毁等事故的发生，提高了系统定位的可靠性。
此外，基于Visual Studio 2010和Microsoft SQL2008开发工具，采用C#开发的基于故障树与规则的穿梭车故障诊断系统也在该卷烟厂得到了成功应用，所开发故障诊断系统结构。
运用该故障诊断系统，不仅实现了穿梭车运行状态的远程监测，状态参数监测界面；而且根据设计构造的规则库和分级优先推理机制，通过将获取的状态参数与推理规则进行实时匹配，不仅保证了故障发生时系统的及时响应，而且实现了穿梭车故障快速诊断功能，故障诊断界面如图7所示。借助于系统得出的故障诊断信息，维护人员对于突发故障可以第一时间获取详细的故障信息，从而提高了故障维修效率，减少了穿梭车故障停机时间。
5 结论
本文分析了现有穿梭车定位技术的优缺点，构建了一种组合条码识别和激光测距的冗余定位系统，并通过实际应用证明该定位系统可以有效提高穿梭车定位的可靠性。综合故障树便于知识获取与分析、规则推理直观高效的优点，以及穿梭车故障发生的特点，设计开发了一种基于故障树与规则的穿梭车故障诊断系统，通过在某卷烟厂的成功应用说明了该系统具有良好性能，有助于提高故障维修效率。