李福英 鄧西川 趙智超 陳全

關鍵詞： 血氣分析儀; 管路故障; 智能排障; 故障診斷; 專家系統(tǒng); 信息采集

中圖分類號： TN702?34; TB391 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0032?04

Design of intelligent pipeline fault removal system for portable blood gas analyzer

LI Fuying1， DENG Xichuan1， ZHAO Zhichao2， CHEN Quan1

（1. Chongqing Medical University， Chongqing 400016， China; 2. Jiamusi University， Jiamusi 154007， China）

Abstract： The blood gas analyzer is one of the most commonly?used clinical instruments at present， and can effectively detect the pH value of the body and other indexes. Therefore， an intelligent pipeline fault removal system is designed for the portable blood gas analyzer to effectively remove pipeline faults of the portable blood gas analyzer and improve its working quality. The pipeline information acquisition module is used to collect voltage and current signals of pipelines by using the SCM to control the voltage and current signal acquisition circuit. The main control unit is used to drive the filter to filter out the noises in these signals， so as to obtain effective pipeline voltage and current signals which are transmitted to the fault diagnosis module. The expert system method is used to diagnose the fault information according to the fault diagnosis process. The fault information is sent to the fault removal module， so as to remove faults according to the reasonable fault removal method. The experimental results show that the system can accurately remove the pipeline faults of the portable blood gas analyzer in less than 2 ms， and has a good operation performance.

Keywords： blood gas analyzer; pipeline fault; intelligent troubleshooting; fault diagnosis; expert system; information acquisition

血氣分析儀是通過電極測定人體全身血液中酸堿度值、二氧化碳分壓值以及養(yǎng)分壓值等各項指標的儀器[1]。將血氣分析儀測出的參數(shù)與各項標準值進行比較即可了解人體血液中的輸氧狀態(tài)以及酸堿平衡情況，為臨床中疾病診斷與確定治療方案提供了有效的科學依據(jù)[2]。血氣分析儀可應用于人類昏迷、嚴重外傷、甚至休克等病?；颊叩呐R床搶救與手術過程中的監(jiān)控和臨床治療過程中的觀測與研究[3]。血氣分析儀主要由電極系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)三大部分組成。其中管路系統(tǒng)較為復雜，其主要功能為自動定標、自動測量與自動沖洗，是血氣分析儀的重要組成部分[4]。便攜式血氣分析儀因為其有攜帶與使用方便等優(yōu)點漸漸被廣泛使用，但是其管路系統(tǒng)復雜，出現(xiàn)故障會導致其無法使用。因此設計一種便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)，能快速排除血氣分析儀故障，便于血氣分析儀快速恢復正常，提高工作質(zhì)量[5]。

1 ?便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)

1.1 ?系統(tǒng)總體結構

便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由主控單元、管路信息采集模塊、故障診斷模塊和故障排除模塊構成[6]。其中：主控單元包括載波通信單元與數(shù)據(jù)處理單元;管路信息采集模塊包括管路檢測部分與載波通信部分，管路檢測部分包括故障檢測單元與傳感器，載波通信部分包括載波通信單元與地址編碼單元[7]。整個管路故障智能排除系統(tǒng)除主控單元、管路信息采集模塊、故障診斷模塊和故障排除模塊外，還包括隔離變壓器與電力線接口單元等。

便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)的主控單元完成整個管路故障智能排除系統(tǒng)的監(jiān)視與控制功能以及當前管路故障信息上位機展示[8];管路信息采集模塊設置在便攜式血氣分析儀與隔離變壓器二次端之間，采集便攜式血氣分析儀管路工作狀態(tài)，并將獲取的管路電流、電壓信號上傳;故障診斷模塊和故障排除模塊得到的管路故障診斷信息和排除效果，通過上位機中的顯示器展示。

1.2 ?硬件設計

1.2.1 ?電流電壓信號采樣

管路信息采集模塊通過單片機調(diào)控信號采集電路，采集便攜式血氣分析儀管路的信號。信號采集電路圖見圖2。

1.2.2 ?故障診斷模塊

故障診斷模塊是便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)的核心部分，故障診斷模塊采用接收到濾波器反饋的管路電流和電壓信號，利用知識庫依次推理，獲取便攜式血氣分析儀管路故障部位以及置信度，并將這些診斷信息發(fā)送至故障排除模塊中進行管路故障的有效排除。故障診斷模塊結構圖如圖3所示。

故障診斷模塊采取專家系統(tǒng)方法實現(xiàn)診斷。專家系統(tǒng)由推理機、知識庫、解釋系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)庫、知識獲取系統(tǒng)與人機接口等構成。專家系統(tǒng)和專家工程師通過人機接口與用戶實現(xiàn)知識交互。推理機可通過診斷信息模擬專家思維在知識庫中查找知識進行推理，找出故障解決方法[9]。知識庫是存放便攜式血氣分析儀管路故障相關的原理性知識、實際故障問題以及專家經(jīng)驗性解決故障方法的存儲器。綜合數(shù)據(jù)庫中存儲便攜式血氣分析儀管路的故障問題、相關的故障描述以及推理機推理過程的故障狀態(tài)與處理結果[10]。將從知識工程師與訓練數(shù)據(jù)中獲取的知識存儲到知識獲取系統(tǒng)中，并將其發(fā)送至知識庫內(nèi)，保障整體系統(tǒng)知識的一致;用戶通過解釋系統(tǒng)明確故障的具體診斷過程，領域?qū)＜彝ㄟ^人機接口和知識獲取系統(tǒng)進行知識的交互。

1.3 ?軟件設計

1.3.1 ?故障診斷流程

圖4為故障診斷模塊進行分析儀管路故障診斷的詳細流程，具體描述如下：

1） 建立存放故障規(guī)則前件和相應規(guī)則概率，以及故障診斷結果和相應概率的臨時數(shù)據(jù)庫。

2） 將臨時數(shù)據(jù)庫初始化，匹配故障代碼與故障規(guī)則前件組成故障規(guī)則集，采取寬度優(yōu)先搜索方法，對規(guī)則集內(nèi)規(guī)則依次推理。將推理結果與推理結果相應概率分別加入存儲結果數(shù)組與存儲結果概率數(shù)組內(nèi)，將推理操作與推理操作相應概率分別加入存儲規(guī)則前件與存儲規(guī)則前件概率數(shù)組內(nèi)。由以上數(shù)組組成新事實集繼續(xù)推理。

3） 重復步驟2），直至存儲規(guī)則前件數(shù)組無規(guī)則可匹配。

4） 故障診斷失敗，回到“推理失敗”;故障診斷成功，將推理結果中同類項合并，并將相應概率相加，清除診斷結果中概率小于0.1的項。最后將推理過程與結果發(fā)送至“實例數(shù)據(jù)庫”，故障診斷結束。

1.3.2 ?故障排除方法

便攜式血氣分析儀管路故障排除系統(tǒng)中故障排除模塊接收到故障診斷模塊的診斷結果信息后，采用以下故障排除方法進行管路故障排除。

1） 便攜式血氣分析儀系統(tǒng)信息中顯示“沖洗錯誤”，這種故障情況在便攜式血氣分析儀中較為常見，主要是由于以下故障造成。

① 便攜式血氣分析儀管路系統(tǒng)中液體感知器未感知到清洗液。檢測清洗液瓶，發(fā)現(xiàn)其液體足夠，清洗液瓶體主泵可正常運轉(zhuǎn)，主泵下側(cè)有液體流出，檢測主泵管可見泵管已破裂，4個滾柱與主泵連接推動主泵運轉(zhuǎn)，檢測4個滾柱發(fā)現(xiàn)其中一個滾柱無法轉(zhuǎn)動，主泵與泵管間摩擦力過大導致泵管破損，將無法轉(zhuǎn)動的滾柱仔細清洗至可靈活轉(zhuǎn)動，去掉破裂泵管并安裝新泵管，故障排除。

② 管路系統(tǒng)中電磁閥異常導致“沖洗錯誤”。與管路系統(tǒng)沖洗系統(tǒng)相連接的電磁閥分別為V1，V5，V9，V11。進行沖洗程序時，兩個液體感知器之間發(fā)光管狀態(tài)異常，檢修過程中發(fā)現(xiàn)電磁閥V11與電磁閥V1，V5，V9狀態(tài)不同，電磁閥V1，V5，V9均正常運行，電磁閥V11無反應。解決方案為：將便攜式血氣分析儀關機，拆掉電磁閥V11，測試V11兩端線圈連通是否正常，電磁閥V11撥動后無法動作，將電磁閥V11拆開，可見芯片與閥體見存在銹蝕，因而電磁閥無法動作，將電磁閥銹蝕清除后重新安裝，“沖洗錯誤”故障排除。

③ 閥管滲漏導致“沖洗錯誤”。便攜式血氣分析儀管路系統(tǒng)中存在4個短小閥管，閥管與電磁閥相連接，電磁閥頻繁運動導致閥管受擠壓破損，更換破損閥管，排除故障，管路系統(tǒng)恢復正常。

2） 便攜式血氣分析儀顯示“pH電極超出范圍”或“不穩(wěn)定”。便攜式血氣分析儀利用pH電極與參比電極實現(xiàn)pH檢測，參比電極中應充滿氯化鉀溶液。檢測發(fā)現(xiàn)管路系統(tǒng)參比電極中氯化鉀溶液過少導致pH值測定不準確，鹽橋泵與電磁閥V10正常運行，參比電極與氯化鉀回流管連接處發(fā)現(xiàn)氯化鉀結晶，將回流管拔下，回流管與電極連接管存在異物，將異物取出，氯化鉀溶液可正常循環(huán)，故障排除。

2 ?實驗分析

為了檢測便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)排除管路故障情況，在某市醫(yī)院采集管路故障便攜式血氣分析儀10臺。將以上血氣分析儀通過本文系統(tǒng)進行管路故障排除，并將本文系統(tǒng)與支持向量機系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)進行對比，對比結果見表1。從表1能夠看出，本文系統(tǒng)能夠?qū)?0臺便攜式血氣分析儀出現(xiàn)的各種管路故障都準確診斷出，并成功排除掉;而其他兩個系統(tǒng)無法準確診斷出部分管路故障，并且也不能有效排除相應管路故障，故障排除效果差。

統(tǒng)計本文系統(tǒng)排除上述出現(xiàn)的9種便攜式血氣分析儀管路故障性能，并將本文系統(tǒng)故障排除性能與支持向量機系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)進行對比。系統(tǒng)吞吐率為系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)包與發(fā)送數(shù)據(jù)包對比結果，系統(tǒng)能耗為系統(tǒng)進行故障排除過程所耗費的能量。系統(tǒng)的吞吐率和能耗是評價故障排除系統(tǒng)性能的重要指標。

統(tǒng)計三種系統(tǒng)在排除便攜式血氣分析儀管路故障過程中的吞吐率和能耗，評價本文系統(tǒng)排除便攜式血氣分析儀管路故障的性能，統(tǒng)計結果見圖5、圖6。

由圖5可看出：本文系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量大小為2 000條以內(nèi)時，吞吐率均為99.5%以上;而支持向量機系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量為2 000條時，吞吐率僅為81.1%和66.8%?？芍疚南到y(tǒng)接收數(shù)據(jù)量能力較強，增加了系統(tǒng)排除故障的準確性。

由圖6可以看出，本文系統(tǒng)在檢測管路故障數(shù)量為50個時，能耗僅為199 J，而支持向量機系統(tǒng)和TIP系統(tǒng)在檢測管路故障數(shù)量為50個時，所用能耗高達715 J與741 J?？芍疚南到y(tǒng)耗能較低，是一種高效的故障排除系統(tǒng)。

3 ?結 ?論

本文設計一種便攜式血氣分析儀管路故障智能排除系統(tǒng)，并通過大量實驗對其排除故障性能進行了檢測。實驗結果表明，本文系統(tǒng)可準確排除便攜式血氣分析儀管路故障，并通過吞吐率、能耗指標驗證了本文系統(tǒng)排除故障過程中，具有占用率低、耗能低等優(yōu)勢，系統(tǒng)運行效果佳。

注：本文通訊作者為陳全。

參考文獻

[1] 高志琪，王清濤，康熙雄，等.血氣分析儀智能化質(zhì)量管理系統(tǒng)臨床多中心比對研究[J].中華檢驗醫(yī)學雜志，2018，41（6）：475?480.

GAO Zhiqi， WANG Qingtao， KANG Xixiong， et al. The multi?center validation of an intelligent blood gas analyzer quality management system [J]. Chinese journal of laboratory medicine， 2018， 41（6）： 475?480.

[2] 王泉，孫海洋，邵志陽，等.一種基于FPGA實現(xiàn)的ARINC659總線分析儀設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2016，42（10）：146?148.

WANG Quan， SUN Haiyang， SHAO Zhiyang， et al. A design and implementation of ARINC659 protocol analyzer based on FPGA [J]. Application of electronic technique， 2016， 42（10）： 146?148.

[3] 程剛，許偉，陳于濤，等.動態(tài)多連片貝葉斯網(wǎng)絡在復雜管路系統(tǒng)故障診斷中的應用研究[J].海軍工程大學學報，2016，28（2）：36?39.

CHENG Gang， XU Wei， CHEN Yutao， et al. Fault diagnosis of complex pipeline system based on multiple sectioned dynamic Bayesian networks [J]. Journal of Naval University of Engineering， 2016， 28（2）： 36?39.

[4] 司景萍，馬繼昌，牛家驊，等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的智能故障診斷專家系統(tǒng)[J].振動與沖擊，2017，36（4）：164?171.

SI Jingping， MA Jichang， NIU Jiahua， et al. An intelligent fault diagnosis expert system based on fuzzy neural network [J]. Journal of vibration and shock， 2017， 36（4）： 164?171.

[5] 朱永慶，黃新宇，唐宏，等.利用大數(shù)據(jù)分析技術的智能化網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)[J].電訊技術，2018，58（10）：1115?1120.

ZHU Yongqing， HUANG Xinyu， TANG Hong， et al. An intelligent network fault diagnosis system via big data analysis technique [J]. Telecommunication engineering， 2018， 58（10）： 1115?1120.

[6] 文陽，楊媛，高勇.數(shù)字化IGBT智能驅(qū)動與故障監(jiān)測存儲系統(tǒng)設計[J].電氣傳動，2016，46（7）：73?76.

WEN Yang， YANG Yuan， GAO Yong. Digital IGBT intelligent drive and fault monitoring storage system design [J]. Electric drive， 2016， 46（7）： 73?76.

[7] 楊金鵬，梁東，楊濤，等.無人機雙余度電動舵機角度傳感器故障檢測方法[J].電子技術應用，2017，43（5）：86?89.

YANG Jinpeng， LIANG Dong， YANG Tao， et al. Fault detection method for angular transducer of UAV redundancy actuator [J]. Application of electronic technique， 2017， 43（5）： 86?89.

[8] 崔陽，張柯，姜斌.具有切換拓撲結構的多智能體系統(tǒng)故障估計[J].山東大學學報（工學版），2017，47（5）：263?270.

CUI Yang， ZHANG Ke， JIANG Bin. Fault estimation design for linear multi?agent systems with switching topologies [J]. Journal of Shandong University （Engineering science）， 2017， 47（5）： 263?270.

[9] 李永麗，李瑞鵬，盧揚，等.斷路器操作回路的智能化監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電力自動化設備，2017，37（10）：211?217.

LI Yongli， LI Ruipeng， LU Yang， et al. Intelligent monitoring system design for circuit breaker operating circuit [J]. Electric power automation equipment， 2017， 37（10）： 211?217.

[10] 韓艷，帕孜來·馬合木提.閉環(huán)狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器故障診斷[J].電子技術應用，2019，45（1）：122?126.

HAN Yan， Pazilai Mahemuti. Grid?connected inverter fault diagnosis in closed loop [J]. Application of electronic technique， 2019， 45（1）： 122?126.