無人機(jī)健康診斷知識庫建立研究

何　敏，呂當(dāng)俠，朱明晨，付　磊，嚴(yán)　杰

（中航工業(yè)　成都飛機(jī)工業(yè)?。瘓F(tuán)）有限責(zé)任公司，成都　610091）

無人機(jī)健康診斷知識庫建立研究

何敏，呂當(dāng)俠，朱明晨，付磊，嚴(yán)杰

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610091）

針對無人機(jī)健康診斷系統(tǒng)的設(shè)計，研究了健康診斷專家知識庫的建立方法；介紹了基于規(guī)則的專家知識庫的含義及其對無人機(jī)設(shè)計的要求，闡述了故障樹與故障模式判據(jù)表的形成方法；故障樹分析基于故障因果邏輯，逐層找出故障事件的原因，保證專家知識邏輯上的完備性；故障模式判據(jù)表將抽象的專家知識具體化為多個能夠在工程上應(yīng)用的要素；提出了一種故障樹分析與故障判據(jù)規(guī)則相結(jié)合的建立健康診斷專家知識庫的方法；從某型大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成及原理出發(fā)，以大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)真空速失效為頂事件，構(gòu)造了故障樹和故障模式判據(jù)表；結(jié)果表明，結(jié)合故障樹和故障模式判據(jù)表格構(gòu)造的專家知識庫清晰、簡潔，具有很高的工程實(shí)用價值，能夠應(yīng)用于無人機(jī)健康診斷系統(tǒng)的設(shè)計。

健康診斷；專家知識庫；故障樹；故障判據(jù)

0　引言

大型無人機(jī)的構(gòu)型復(fù)雜，系統(tǒng)緊湊，子系統(tǒng)相互交聯(lián)，可靠性工作要求極高。為了保證每次安全正常飛行，無人機(jī)平臺的健康診斷系統(tǒng)的研究成為關(guān)鍵問題。無人機(jī)健康診斷系統(tǒng)的設(shè)計主要包含兩個目的：1）在新機(jī)型各個設(shè)備或子系統(tǒng)的設(shè)計階段就考慮其在使用階段的故障診斷和處置；2）為提高機(jī)載系統(tǒng)安全性、完好性和飛行平臺任務(wù)成功性提供一個實(shí)用性較強(qiáng)的監(jiān)測手段。

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，各個領(lǐng)域都在建立自己領(lǐng)域的健康診斷系統(tǒng)。健康診斷方法主要有基于信號處理的診斷、基于解析模型的診斷、和基于知識的診斷［1］。基于知識的診斷可以充分的利用專家的經(jīng)驗，比較適合復(fù)雜裝備系統(tǒng)的分析和研究。曹文遠(yuǎn)針對波音747飛機(jī)的PW4000發(fā)動機(jī)的故障診斷問題，設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)［2］。常琦研究了基于飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康監(jiān)測、診斷與管理問題［3］。李國勝針對民航飛機(jī)的空中交通警戒與防撞系統(tǒng) （TCAS），建立了一套故障診斷專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對TCAS故障的診斷，降低了維修成本［4］。劉江將基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)與故障樹分析法相結(jié)合，研究了通用航空器故障診斷專家系統(tǒng)［5］。

國內(nèi)基于規(guī)則的健康診斷專家系統(tǒng)最突出弱點(diǎn)是專家知識庫的建立。因此，尋求簡潔、有效、通用的專家知識庫建立方法一直是科技人員的研究熱點(diǎn)。本文詳細(xì)闡述了專家知識庫的建立過程，包括故障樹與故障模式判據(jù)表格的形成，并以大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)為例，建立了健康診斷專家知識庫。

1　專家知識庫簡介

無人機(jī)系統(tǒng)的專家知識庫是以無人機(jī)系統(tǒng)參數(shù)信息為基礎(chǔ)、無人機(jī)全系統(tǒng)工作原理為依據(jù)建立飛行平臺上各個故障模式判據(jù)的集合。

通過對以往飛機(jī)出現(xiàn)故障現(xiàn)象時的排故程序和經(jīng)驗進(jìn)行分析研究，按故障產(chǎn)生機(jī)理的層次，建立相應(yīng)的故障模式判定故障樹；并根據(jù)系統(tǒng)工作原理以及故障模式判定故障樹建立能被健康診斷系統(tǒng)識別的數(shù)學(xué)模型，即專家知識庫中的判據(jù)數(shù)學(xué)公式。通過該方法實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的故障診斷系統(tǒng)的專家知識庫的建立。

建立健康診斷專家知識庫需要無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計符合三點(diǎn)要求：（1）采用三級維修體制（即基地級、中繼級、基層級）進(jìn)行飛行平臺的設(shè)計；（2）無人機(jī)系統(tǒng)的機(jī)載設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了機(jī)內(nèi)測試（BIT）設(shè)計；（3）無人機(jī)的航電系統(tǒng)采用總線體制，大部分系統(tǒng)都可以用相應(yīng)的參數(shù)信息表達(dá)其工作情況。

2　專家知識庫的建立方法

健康診斷專家知識庫的眾多要素中最為關(guān)鍵的要素是故障樹與故障判據(jù)數(shù)學(xué)公式的形成。這兩項要素集合了設(shè)計人員的智慧與經(jīng)驗。

2.1故障樹的形成

根據(jù)系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)邏輯而建立的，用來表明產(chǎn)品某些部分的故障、外界事件或它們的組合將導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生一定故障的邏輯圖叫做故障樹。它是一種倒立的樹型結(jié)構(gòu)，從一組無次序、無規(guī)律的事例中推理出樹狀形式表示的分類規(guī)則。故障樹是一種邏輯因果關(guān)系圖，構(gòu)圖的元素是事件和邏輯門。圖中的事件用來描述系統(tǒng)和元、部件故障的狀態(tài)，邏輯門把事件聯(lián)系起來，表示事件之間的邏輯關(guān)系。

無人機(jī)上各個機(jī)載設(shè)備為一個獨(dú)立單元LRU（即可在工作現(xiàn)場（基層級）從無人機(jī)飛行平臺上拆卸并更換的單元，又叫做外場可更換單元。），各個LRU都是由幾個SRU（即可從LRU上拆卸并更換的單元，又叫內(nèi)場可更換單元。）組成。

對于層次簡單的子系統(tǒng)，以一個子系統(tǒng)為頂事件，與此子系統(tǒng)對應(yīng)的各個設(shè)備定義為中間事件、各個設(shè)備的SRU設(shè)定為底事件；對于復(fù)雜構(gòu)型的子系統(tǒng)，以子系統(tǒng)中的部件為頂事件，部件內(nèi)的各個LRU為中間事件，LRU內(nèi)的SRU為底事件。根據(jù)需求的不同，也可以子系統(tǒng)的功能模塊作為頂事件，基于功能建立故障樹。采用樹來表述頂事件、中間事件、底事件之間邏輯關(guān)系的構(gòu)型，詳見圖1。圖1中符號說明：為頂事件；為中間事件；為底事件；為邏輯“與”；為邏輯“或”；為邏輯“非”。

故障樹中的節(jié)點(diǎn)代號包括頂事件、中間事件和底事件代號。頂事件用“T1、T2…”表示；一級中間事件用 “A1、A2…”，二級事件用“B1、B2…”表示，依此類推；底事件用“X1、X2、X3…”表示；事件編號需按照從左至右的順序編號，一個故障樹中每個底事件必須是唯一的。

圖1　故障樹示例

2.2故障模式判據(jù)表的形成

故障樹形成后，需對故障樹中劃分的各個事件的知識進(jìn)行豐富，形成可供健康診斷系統(tǒng)使用的信息，即故障模式判據(jù)表。故障模式判據(jù)表包含的信息有故障代碼、故障名稱、參數(shù)來源、故障判據(jù)描述、數(shù)學(xué)模型（故障判據(jù)數(shù)學(xué)公式）、判據(jù)參數(shù)說明、顯示參數(shù) （與故障相關(guān)的參數(shù)，供飛行員或地勤參考）、處置建議（飛行任務(wù)中的處置應(yīng)參照《飛行員操作手冊》，地面處置為排故措施建議）等。

參數(shù)來源是指故障診斷使用的參數(shù)的獲得途徑，對于無人機(jī)系統(tǒng)，一般有3種：航前診斷通過綜檢車獲得參數(shù)，航時診斷通過測控鏈路獲得參數(shù)，航后診斷通過飛參記錄的數(shù)據(jù)獲得參數(shù)。

為方便健康診斷系統(tǒng)使用，故障判據(jù)數(shù)學(xué)公式采用邏輯符號表達(dá)，基本邏輯符號定義見表1。

表1　基本邏輯符號定義

3　健康診斷專家知識庫建立示例

采用前述的方法，以某型無人機(jī)上大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)真空速失效為例，說明專家知識庫的建立過程。某型無人機(jī)上大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)由直桿型總、靜壓受感器、L型總、靜壓受感器、總溫傳感器、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)1、大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)2和總、靜壓管路組成。系統(tǒng)感受飛機(jī)總壓、靜壓、總溫、攻角、側(cè)滑角，解算得出無人機(jī)飛行平臺其他系統(tǒng)所需要的各種大氣參數(shù)，通過RS-422總線將這些參數(shù)輸出。其中L型總、靜壓受感器及大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)2作為備份。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)組成見表2，系統(tǒng)原理框圖見圖2。

表2　大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)成品

圖2　大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)上述工作原理，建立大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)真空速失效模式判據(jù)樹及失效模式判據(jù)表，詳見圖3及表3。

圖3　大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)真空速失效模式判據(jù)樹

表3　大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)真空速失效模式判據(jù)表

4　結(jié)束語

本文從專家知識概念入手，詳細(xì)闡述了健康診斷知識庫的建立過程，工程應(yīng)用性強(qiáng)?；诠收蠘渑c故障模式判據(jù)表相結(jié)合的描述的專家知識庫描述方法清晰、簡潔，健康診斷系統(tǒng)使用其專家知識庫，就可以將以往設(shè)計階段的故障模式分析報告等技術(shù)資料智能化的帶給用戶，同時給智能維修保障系統(tǒng)提供維修輸入。

［1］李向前.復(fù)雜裝備故障預(yù)測與健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2014.

［2］曹文遠(yuǎn).基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［3］常琦.基于知識的結(jié)構(gòu)健康管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［4］李國勝.TCAS故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.天津：中國民用航空飛行學(xué)院，2009.

［5］劉江.基于故障樹的通用航空器故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.天津：中國民用航空飛行學(xué)院，2011.

Research on Building of UAV Health Diagnosis Knowledge Base

He Min，LüDangxia，Zhu Mingchen，F(xiàn)u Lei，Yan Jie
（AVIC Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.，Ltd.，Chengdu610091，China）

The way of building health diagnosis knowledge base is researched for designing health diagnosis system of UAV.The signification of expert knowledge base and its demand for UAV is introduced.The method building fault tree and criterion table of failure mode is explained.Fault tree analysis can ensure expert knowledge to be complete in logic by finding reasons of event layer-to-layer through causeand-effect logic.Criterion table of failure mode translate expert knowledge to several elements that can be used in engineering.A method combining fault tree analysis with fault criterion rules is proposed to build health diagnosis knowledge base.The composition and principle of certain Air Data System are introduced.Then taking true airspeed failure of Air Data System as a top event，fault tree and criterion table of failure mode are constructed.The result indicated that expert knowledge base which is described through fault tree and criterion table of failure mode is clear and succinct.The method can apply to design health diagnosis system for UAV and has practical feasibility in engineering application.

health diagnosis；expert knowledge base；fault tree；fault criterion

1671-4598（2016）05-0049-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.015

TP277

A

2015-11-06；

2015-12-18。

何敏（1964-），男，陜西岐山人，副總工程師，主要從事飛機(jī)總體設(shè)計方向的研究。