指揮控制系統(tǒng)智能故障診斷技術研究

劉斌斌，胡建旺

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

0 引 言

指揮控制系統(tǒng)（communication，command，control and intelligence systems，C3I system）是軍隊指揮自動化系統(tǒng)的核心，隨著科學技術的發(fā)展，指控系統(tǒng)的信息化程度不斷提高，其性能及結構也更加完善和復雜，任何一個元器件的故障都可能導致系統(tǒng)部分功能失效或整個系統(tǒng)失靈，使得指揮控制系統(tǒng)的故障診斷成為一項復雜、困難的工作。目前研究的故障診斷中的單一診斷技術已無法滿足指控系統(tǒng)的測試診斷需求[1]。結合智能診斷的理論，設計一種以故障診斷專家系統(tǒng)為基礎、以二叉樹為推理機制的測試軟件并進行驗證。

1 概 述

1.1 故障樹方法概述

故障樹分析法是一種將系統(tǒng)故障形成原因按樹枝逐步細化的圖形演繹方法，以系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件，然后尋找導致頂事件發(fā)生的直接原因，再由上而下逐級分解，一直分解到不能分解為止。這樣，就可以檢測出系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的硬件失效、軟件差錯、環(huán)境影響等方面的原因?qū)е孪到y(tǒng)故障的邏輯關系，把所有事件結合起來形成完整的故障樹[2]。二叉樹是故障樹中一種特殊的樹形結構，其由結點的有限集合構成，這個有限集合或者為空，或者是由一個根結點及兩顆互不相交的分別稱之為右子樹和左子樹的二叉樹組成[3]。

1.2 專家系統(tǒng)方法概述

專家系統(tǒng)的診斷方法不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，而是根據(jù)人們長期的實踐經(jīng)驗和大量的故障信息知識設計出的一套智能計算機程序，以此來解決復雜系統(tǒng)的故障診斷問題[4]。專家系統(tǒng)一般由人機接口模塊、知識庫和數(shù)據(jù)庫管理模塊、診斷推理模塊、診斷信息獲取模塊、解釋機構模塊和知識獲取及學習模塊等6個主要功能模塊組成，其結構如圖1所示。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)結構圖

人機接口模塊是整個系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)機構；知識庫和數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能是對診斷必需的知識和數(shù)據(jù)進行建立、增加、刪除、修改、檢查等操作；診斷推理模塊是診斷系統(tǒng)的核心，負責運用診斷信息和相關知識完成診斷任務；診斷信息獲取模塊通過主、被動和交互等方式獲取有價值的診斷信息;解釋機構模塊的任務是向用戶提供診斷咨詢及診斷推理過程的中間結果，幫助用戶了解診斷對象及診斷過程；知識獲取和機器學習模塊用于完善系統(tǒng)的知識庫，以提高系統(tǒng)的診斷能力[5-6]。

基于故障樹技術的故障診斷專家系統(tǒng)的優(yōu)點：

（1）邏輯性強，不易遺漏故障原因，從故障樹頂事件開始，經(jīng)過邏輯嚴密的分析，凡能夠引起該故障的原因都能找到，并針對該原因提供相應的專家意見。

（2）引起故障的原因一目了然，引起故障的各個因素都可以從故障樹上獲得，可避免檢測故障時的盲目性，提高診斷效率[7]。

（3）利用關系數(shù)據(jù)庫的特點，可以快速地瀏覽及修改知識庫；將知識存儲在關系數(shù)據(jù)庫中，可以實現(xiàn)知識庫、推理機和應用程序的分離，有助于維護整個專家系統(tǒng)[8]。

2 基于故障樹的故障診斷專家系統(tǒng)

經(jīng)過對指控系統(tǒng)故障的整理分析，可以得出指控系統(tǒng)中每種故障現(xiàn)象存在至少一種一級故障原因與之相對應，而且每種一級原因又可能存在二級、三級原因，直至定位到單元板上的某個器件，基本符合數(shù)據(jù)結構中樹的基本要素和特點[9]。所以在本系統(tǒng)中采用了故障樹這種數(shù)據(jù)結構的表現(xiàn)形式來完成專家系統(tǒng)中推理機的構建。針對現(xiàn)有診斷任務的特點，本文采用二叉樹的分析方法將診斷流程二叉樹化，設計二叉樹模式診斷推理機制，從而實現(xiàn)診斷任務的高效完成。

2.1 診斷流程的二叉樹化

二叉樹是一種重要的樹形結構，其特點是每個節(jié)點最多有兩個子樹，它允許樹中結點的快速排序和用二分法快速找到樹中的最近節(jié)點，并且結構簡單。結合指控裝備的故障特點和二叉樹的自身特性，將指控設備的故障診斷分解為多個相對獨立的二叉樹：將故障的頂現(xiàn)象作為二叉樹的根結點，故障中間現(xiàn)象和中間原因作為子結點，底原因作為葉子結點，用二叉樹的左子樹表示某故障現(xiàn)象或原因的下一級故障中間原因或底原因，對應右子樹表示同級的故障中間原因或底原因[10]。以頻率合成器的故障為例，其二叉樹結構如圖2所示。

由頻率合成器診斷二叉樹流程可看出，基于二叉樹的診斷流程使得所有的故障的測試診斷流程都可以存儲于同一棵二叉樹中，從而簡化了診斷過程，同時可以反映各級故障現(xiàn)象原因之間的聯(lián)系。

圖2 頻率合成器診斷二叉樹流程

2.2 診斷推理機的設計

診斷推理機構是整個系統(tǒng)的核心，它利用計算機程序控制、協(xié)調(diào)整個專家系統(tǒng)的工作，并根據(jù)當前的輸入數(shù)據(jù)或信息，利用知識庫中的知識按一定的推理策略去處理解決當前存在的問題[11]。基于前面建立的二叉樹診斷流程模型，將二叉樹引入故障診斷推理機中，采用基于產(chǎn)生式規(guī)則和人機交互反饋結果的混合式模型，結合二叉樹診斷流程模型、測試數(shù)據(jù)和用戶經(jīng)驗逐步查找故障原因，若當前測試點的測試結果符合該點的正常范圍，則進行“是”跳轉(zhuǎn)繼續(xù)查找故障原因，否則進行“否”跳轉(zhuǎn)，最終得到故障原因。

2.3 基于故障樹的專家系統(tǒng)故障診斷結構

基于故障樹模型的專家診斷系統(tǒng)以二叉樹作為推理機制，具有高效的人機交換界面的自動測試軟件，其結構框圖如圖3所示。測試診斷程序根據(jù)用戶的診斷指令，讀取、解析信號描述文檔中的測試診斷用信號，同時通過函數(shù)調(diào)用二叉樹診斷推理模型，可通過自動或人機交互完成設備的診斷，得到診斷結果。為了方便用戶的使用，開發(fā)了“被測對象信號描述及適配器描述工具”和“測試診斷流程輸入工具”，用戶可通過這兩種工具方便地配置診斷用信號和建立二叉樹診斷流程模型。

圖3 系統(tǒng)故障診斷結構圖

3 系統(tǒng)開發(fā)

XML是一種標記語言，具有格式簡單、可擴展性、可移植性和自描述性等特點。XML具有DTD和Schema兩種機制對所建立的文檔進行建模和驗證，對信息的結構化描述具有良好格式，數(shù)據(jù)處理便捷，具有完善的解碼方式和面向?qū)ο蟮奶匦裕瑫r支持作為數(shù)據(jù)源可以被其他應用程序訪問和處理，具備完善的技術體系且標準開放，可以方便地確保數(shù)據(jù)的一致性、完整性和可靠性，簡化測試系統(tǒng)內(nèi)部以及測試系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的工作，并能與現(xiàn)存的系統(tǒng)和標準很好地兼容。因此在系統(tǒng)開發(fā)中，采用XML Schema機制完成對被測對象信號和故障樹的描述，從而為系統(tǒng)的可移植性打下基礎。

因為LabWindows/CVI開發(fā)工具支持對組件的使用，并提供了對ActiveX控件的支持能力，可以在LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境中使用標準的ActiveX控件；另外，對XML文件解析也提供了cvixml.fp輔助工具包，所以本文選用LabWindows/CVI作為測試診斷軟件及兩種工具的開發(fā)環(huán)境。

3.1 被測對象信號描述及適配器描述工具

傳統(tǒng)的測試診斷軟件在開發(fā)過程中將測試診斷用信號參數(shù)和結果固化在測試診斷程序中，當測試診斷對象發(fā)生改變時，需要對測試診斷程序進行大量的修改，降低了軟件的開發(fā)效率。因此，采用基于數(shù)據(jù)庫的開發(fā)模型，開發(fā)被測對象信號描述及適配器描述工具，建立信號配置數(shù)據(jù)庫，使得診斷數(shù)據(jù)和診斷流程能夠分離，可以很好地解決軟件通用性、可擴展性的問題。

被測對象信號描述及適配器描述工具輔助裝備工程師根據(jù)被測裝備的測試信息，完成被測對象信號描述；根據(jù)適配器硬件電路設計，完成適配器信號的轉(zhuǎn)接、信號調(diào)理及控制信號信息的描述，并生成相應的XML描述文檔。這將有助于幫助裝備工程師進行測試流程文檔的規(guī)范編寫、檢查適配器內(nèi)信號轉(zhuǎn)接、信號調(diào)理及控制信號設計是否正確、完成測試程序的編程。配置界面如圖4所示。

圖4 被測對象信號描述配置界面

3.2 測試診斷流程輸入工具

測試流程輸入工具的主要內(nèi)容是裝備工程師對測試流程的詳盡描述，根據(jù)輸入工具的指定格式描述測試流程信息的過程即完成建立XML文檔的過程。測試流程輸入工具主要基于測試流程描述，以輔助裝備工程師完成，根據(jù)被測裝備的測試過程信息，完成具體測試流程描述，并生成相應的XML描述文檔，供測試診斷程序調(diào)用。

輸入工具配置主面板主要包括流程屬性、節(jié)點屬性、激勵信號、響應信號、是跳轉(zhuǎn)屬性和否跳轉(zhuǎn)屬性等6項設置子面板。通過配置各子面板的信息，完成故障樹診斷流程的錄入工作，最后將診斷流程保存為XML格式的文件。當測試程序需要調(diào)用診斷流程時，通過測試程序中的相關函數(shù)選擇需要調(diào)用的診斷流程并進行解析。

在故障診斷中有時待測試點在電路內(nèi)部，程序不能進行檢測，這就需要進行人為地檢測。為了更好地進行人際交互，在測試診斷流程輸入工具中，每個診斷點都會有提示圖片和提示信息，指示測試人員需要進行的測試點和測試中的注意事項。

4 應用驗證

以通信指揮系統(tǒng)中的頻率合成器電路板故障診斷為例，驗證本系統(tǒng)的可行性，說明系統(tǒng)故障診斷的實現(xiàn)過程。

運行測試程序?qū)︻l率合成器進行測試，假設檢測出該電路板發(fā)生故障，進而轉(zhuǎn)入基于二叉樹的故障診斷流程，在對頻率合成器進行分析的基礎上，運用測試流程輸入工具建立故障診斷二叉樹。通過分析可以建立如圖2所示的故障樹診斷流程。

對頻率合成器的診斷信號需求如下：

（1）激勵信號

直流工作電壓：-2.7V、5V、-10V、12V；

模擬激勵信號：1.5V、1 kHz的正弦波。

（2）響應信號

G1晶振輸出3.2MHz射頻信號；

R38靠近FPGA端輸出16kHz TTL方波信號；

R39靠近FPGA端輸出25kHz TTL方波信號；

D5中 3、6、10腳的電壓分別為：0V、5V、5V；

D5中 4、5、11腳的電壓分別為：0V、15V、0V。

按照上述的診斷信號需求，通過被測對象信號描述工具對所需信號進行配置，在配置好診斷信號信息后，即可進行裝備的測試診斷。運行測試程序，在測試裝備種類、型號、適配器目錄下選擇測試項目“頻率合成器”，從而進入程序界面，即可進行測試診斷工作，選擇從第一步開始進行單步或自動測試診斷，系統(tǒng)會按照預定的測試流程單步或自動進行故障診斷，直至定位故障點“FPGA故障”，如圖5所示。

5 結束語

本文從推理機制的研究出發(fā)，基于故障樹和專家系統(tǒng)的理論和方法，對指控系統(tǒng)的診斷專家系統(tǒng)推理機進行了分級，將故障樹分析法引入到推理機制中，形成了基于故障樹的專家系統(tǒng)故障診斷模型，并在CVI環(huán)境下設計兩種通用性的工具。利用該故障診斷系統(tǒng)模型可以及時、準確地對指控裝備中各種故障狀態(tài)做出診斷，并定位到可更換的元器件，提高了指控系統(tǒng)的診斷效率，從而也提高指控裝備的保障能力，滿足現(xiàn)代化高技術戰(zhàn)爭的需要。

圖5 頻率合成器診斷結果

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