基于故障診斷與健康管理專家系統(tǒng)的裝備體系架構(gòu)

劉雅娟

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，在軌衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，衛(wèi)星在軌測(cè)控任務(wù)日益繁重，一個(gè)地面測(cè)控站需要擔(dān)負(fù)多顆衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)的控制和監(jiān)視任務(wù)，且受地球曲率的影響，對(duì)每顆衛(wèi)星的正常運(yùn)行都需要多個(gè)地面測(cè)控站同時(shí)或接力進(jìn)行保障。同時(shí)，隨著無(wú)人飛行器的發(fā)展，集群應(yīng)用日益廣泛，飛行測(cè)控任務(wù)日趨繁重，具體表現(xiàn)在：視距作業(yè)時(shí)，一個(gè)無(wú)人飛行器視距地面測(cè)控站需要同時(shí)擔(dān)負(fù)多架乃至上百、上千架無(wú)人飛行器的起飛升降控制和監(jiān)視任務(wù)；超視距作業(yè)時(shí)，要么通過(guò)多個(gè)視距地面測(cè)控站接力進(jìn)行保障，要么通過(guò)衛(wèi)星中繼進(jìn)行測(cè)控接力。因此，這些無(wú)人飛行器的測(cè)控任務(wù)具有工作時(shí)間長(zhǎng)、故障檢測(cè)與排除實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，完全采用人工管理方式需要消耗大量人力和財(cái)力，且難以滿足實(shí)時(shí)測(cè)控的需要。研究結(jié)果表明：構(gòu)建并應(yīng)用無(wú)人飛行器測(cè)控設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)或/和健康管理專家系統(tǒng)，會(huì)使這些系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行程度和工作效率得到極大提高，絕大部分設(shè)備故障能得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)與排除，甚至通過(guò)平時(shí)的設(shè)備健康管理就可將大部分設(shè)備故障扼殺在萌芽中，使系統(tǒng)的可用性得以明顯提升。

本文通過(guò)對(duì)航空航天地面測(cè)控站故障診斷和健康管理專家系統(tǒng)設(shè)備體系架構(gòu)研究，實(shí)現(xiàn)不同用戶對(duì)不同設(shè)備保障層次需求的航空航天地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備的搭建，為今后這些系統(tǒng)設(shè)備的訂購(gòu)、研制、應(yīng)用、改造或性能升級(jí)起到了指導(dǎo)和基礎(chǔ)支撐作用；也可推廣應(yīng)用于其他希望具有故障診斷和健康管理能力的電子通信設(shè)備的構(gòu)建。

1 概念內(nèi)涵

1.1 ES

專家系統(tǒng)(Expert System，ES)[1-9]是一個(gè)包含知識(shí)推理的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其利用具有相當(dāng)數(shù)量的權(quán)威性知識(shí)來(lái)解決特定領(lǐng)域中的實(shí)際問(wèn)題；能根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)、信息或事實(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)中存貯的專家經(jīng)驗(yàn)或知識(shí)進(jìn)行推理判斷，最后給出結(jié)論及其置信度以供用戶決策。ES與一般計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序有著本質(zhì)區(qū)別，在專家分系統(tǒng)中，求解問(wèn)題的知識(shí)已不再隱含在程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之中，而是單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)知識(shí)庫(kù)。

若要完成對(duì)航空航天測(cè)控系統(tǒng)任務(wù)設(shè)備的在線故障診斷與維護(hù)，專家系統(tǒng)還需借助于其他媒介設(shè)備進(jìn)行信息交互，因此可將其作為具有在線智能知識(shí)推理功能的測(cè)控系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)組成部分，下文統(tǒng)稱為“專家分系統(tǒng)”。

1.2 M&C_FDES

測(cè)控設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)(Measurement and Control Equipment Fault Diagnosis Expert System，M&C_FDES)[10-16]作為ES的一個(gè)分支，首先具備航空航天測(cè)控任務(wù)設(shè)備知識(shí)庫(kù)，并在計(jì)算機(jī)采集到被故障診斷對(duì)象(即某測(cè)控任務(wù)設(shè)備)的工作狀態(tài)信息后，綜合運(yùn)用各種規(guī)則(專家經(jīng)驗(yàn))進(jìn)行一系列的推理，必要時(shí)還可以隨時(shí)調(diào)用各種應(yīng)用程序(監(jiān)控與自動(dòng)測(cè)試程序)。運(yùn)行過(guò)程中向用戶(設(shè)備使用人員或研發(fā)人員)索取必要的信息后，可快速地定位已有故障與潛在故障；還可以融合遺傳算法、小波技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，達(dá)到更好的診斷效果。因此M&C_FDES也包括基于多種技術(shù)融合的綜合診斷專家系統(tǒng)。

對(duì)于應(yīng)用而言，M&C_FDES主要是在系統(tǒng)故障發(fā)生之后的診斷和維修，屬于反應(yīng)性的維修活動(dòng)，是在設(shè)備有故障征兆的引擎下，利用各種傳感器、借助于專家知識(shí)和推理規(guī)則來(lái)完成對(duì)電子設(shè)備的自動(dòng)故障診斷和定位。

M&C_FDES是一種智能化測(cè)控任務(wù)設(shè)備專家系統(tǒng)，可極大提高設(shè)備維修性、降低壽命周期費(fèi)用。

1.3 M&C_HMES

電子裝備的健康狀態(tài)[17]是指各分系統(tǒng)、各子系統(tǒng)、各部件的整體狀態(tài)，用來(lái)描述子系統(tǒng)、部件在工作時(shí)表現(xiàn)出的能力，通常劃分為正常、錯(cuò)誤、異常、故障、性能下降以及功能失效等幾種狀態(tài)。

測(cè)控設(shè)備健康管理專家系統(tǒng)(Measurement and Control Equipment Health Management Expert System，M&C_HMES)[18-23]除了具有M&C_FDES的功能外，還能通過(guò)獲得的被健康管理對(duì)象(即測(cè)控任務(wù)設(shè)備)的體檢(指標(biāo)監(jiān)測(cè))數(shù)據(jù)對(duì)其當(dāng)前運(yùn)行性能狀態(tài)進(jìn)行健康評(píng)估，對(duì)其未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行性能狀態(tài)進(jìn)行健康預(yù)測(cè)，結(jié)合可用資源和使用需求對(duì)其維修活動(dòng)和運(yùn)行策略做出決策支持。

對(duì)于應(yīng)用而言，M&C_HMES主要強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)故障發(fā)生之前的故障預(yù)測(cè)與維護(hù)，屬于主動(dòng)性的3Rs維護(hù)活動(dòng)(即在準(zhǔn)確時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確的部位采取正確的維修活動(dòng))，是利用各種傳感器的集成和自動(dòng)化運(yùn)行，借助各種知識(shí)、算法和智能模型來(lái)評(píng)估、預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理測(cè)控任務(wù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，將故障扼殺在萌芽中；同時(shí)可具有M&C_FDES的功能，以完成設(shè)備故障發(fā)生后的自動(dòng)故障診斷與定位。

M&C_HMES(本文包含M&C_FDES功能)是一種更智能化、更高級(jí)的測(cè)控任務(wù)設(shè)備專家系統(tǒng)，可極大提高復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)的可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性，以及降低壽命周期費(fèi)用。

1.4 M&C_LFDES與M&C_LHMES

為便于本地值守人員和測(cè)控專家操作使用而構(gòu)建的M&C_FDES、M&C_HMES，分別簡(jiǎn)稱為M&C_LFDES(Measurement and Control Equipment Local Fault Diagnosis Expert System)和M&C_LHMES(Measurement and Control Equipment Lcoal Health Management Expert System)。一般情況下，M&C_LFDES或M&C_LHMES與本地電子裝備鄰近放置，可看作是本地測(cè)控系統(tǒng)裝備的有機(jī)組成部分，且只能利用本地設(shè)備的監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息分別完成對(duì)本地設(shè)備的故障診斷、維護(hù)和健康管理。

1.5 M&C_RFDES與M&C_RHMES

為便于遠(yuǎn)程值守人員和測(cè)控專家操作使用，對(duì)分布在不同地理位置、功能相同并可執(zhí)行同一測(cè)控任務(wù)的多個(gè)測(cè)控裝備進(jìn)行集中管控。可對(duì)任一本地測(cè)控裝備進(jìn)行更為準(zhǔn)確的故障診斷或健康管理而構(gòu)建的專家系統(tǒng)，則分別簡(jiǎn)稱為M&C_RFDES(Measurement and Control Equipment Remote Fault Diagnosis Expert System)和M&C_RHMES(Measurement and Control Equipment Remote Health Management Expert System)。一般情況下，M&C_RFDES或M&C_RHMES在異地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與各個(gè)本地測(cè)控任務(wù)設(shè)備進(jìn)行通信，獲得更為豐富的信息，對(duì)測(cè)控任務(wù)設(shè)備進(jìn)行更為高時(shí)效性的故障診斷或健康管理，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)分散在各地的測(cè)控任務(wù)設(shè)備的集中管理和維護(hù)。

2 故障診斷與健康管理裝備的體系結(jié)構(gòu)

2.1 M&C_FDESE和M&C_HMESE的總體構(gòu)成及相互關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)測(cè)控任務(wù)設(shè)備故障自動(dòng)故障診斷目的而構(gòu)建的專家系統(tǒng)相關(guān)軟硬件設(shè)備的有機(jī)集合，稱為測(cè)控故障診斷專家系統(tǒng)裝備(Measurement and Control Fault Diagnosis Expert System Equip，M&C_FDESE)。

為實(shí)現(xiàn)測(cè)控任務(wù)設(shè)備的自動(dòng)故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估和日常維護(hù)目的而構(gòu)建的軟硬件設(shè)備的有機(jī)集合，稱為測(cè)控健康管理系統(tǒng)裝備(Measurement and Control Health Management System Equip，M&C_HMESE)。

M&C_FDESE或M&C_HMESE一般由測(cè)控任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備(Monitor and Control System Equipment，MCS)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備(Automatic Test System Equipment，ATS)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和M&C_FDES設(shè)備或M&C_HMES設(shè)備等組成，如圖1與圖2所示。

圖1 FDESE組成及工作流程框圖Fig.1 FDESE constitutes and workflow frame chart

圖2 HAMSE組成及工作流程框圖Fig.2 HMESE constitutes and workflow frame chart

對(duì)測(cè)控任務(wù)設(shè)備實(shí)施自動(dòng)工作狀態(tài)檢測(cè)和信息采集等工作，是保證M&C_FDES或M&C_HMES正常工作的前提。該工作包括兩個(gè)層面：一是設(shè)備狀態(tài)的自主檢測(cè)和信息上報(bào)，由MCS實(shí)現(xiàn)；二是設(shè)備指標(biāo)自動(dòng)測(cè)試和信息上報(bào)，由ATS實(shí)現(xiàn)。

為了便于系統(tǒng)維護(hù)能力的拓展和升級(jí)改造，建議將MCS計(jì)算機(jī)作為信息上傳下達(dá)的樞紐，匯集自動(dòng)測(cè)試信息和自動(dòng)檢測(cè)信息，集中上報(bào)M&C_FDES計(jì)算機(jī)；M&C_FDES計(jì)算機(jī)只定時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與MCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，而不直接與測(cè)控任務(wù)設(shè)備和ATS進(jìn)行信息交互。M&C_FDES或M&C_HMES與MCS之間、MCS和ATS之間的信息交換均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行。

2.2 MCS的設(shè)備組成及工作流程

MCS主要由多個(gè)狀態(tài)監(jiān)控單元(包括嵌入式軟件)、接口適配器以及系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)(包括監(jiān)控軟件)等設(shè)備組成，如圖3所示。

圖3 MCS的設(shè)備組成及工作流程框圖Fig.3 MCS equipment constitutes and workflow frame chart

由圖3可知，監(jiān)控單元一般分布在各個(gè)測(cè)控任務(wù)設(shè)備的每個(gè)分機(jī)、部件或模塊中，通過(guò)檢測(cè)電路，實(shí)時(shí)不間斷地檢測(cè)各個(gè)組成任務(wù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)上報(bào)系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備；檢測(cè)內(nèi)容一般為分機(jī)、部件或模塊的主要工作狀態(tài)參數(shù)和設(shè)備的工作溫度、環(huán)境溫濕度等。其中，如電源狀態(tài)、信號(hào)輸入輸出狀態(tài)以及鎖定狀態(tài)等主要工作狀態(tài)參數(shù)，這些狀態(tài)一般用二進(jìn)制“0”或“1”表示，表征設(shè)備工作正常與否。

系統(tǒng)監(jiān)控具有遠(yuǎn)控(RMCS)和本控(LMCS)兩種工作狀態(tài)。遠(yuǎn)控狀態(tài)下通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程用戶使用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)控任務(wù)設(shè)備實(shí)施控制；本控狀態(tài)下，本地用戶使用本地計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)控任務(wù)設(shè)備實(shí)施控制。

2.3 ATS的設(shè)備組成及工作流程

ATS主要由自動(dòng)測(cè)試計(jì)算機(jī)(含自動(dòng)測(cè)試軟件)、測(cè)試開(kāi)關(guān)、頻譜儀、信號(hào)源和示波器等設(shè)備組成，如圖4所示。

圖4 ATS的設(shè)備組成及工作流程框圖Fig.4 ATS equipment constitutes and workflow frame chart

ATS的主要功能為：① 測(cè)控任務(wù)設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試控制和綜合管理；② 測(cè)量各個(gè)分機(jī)設(shè)備輸入或輸出信號(hào)的電平、頻率以及性能指標(biāo)。

ATS測(cè)試功能的實(shí)施方式有兩種：一種為任務(wù)不中斷在線測(cè)試，另一種為任務(wù)中斷離線測(cè)試。相比離線測(cè)試，在線測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)各個(gè)測(cè)控任務(wù)設(shè)備測(cè)試點(diǎn)增加更多的信號(hào)分路設(shè)備、耦合設(shè)備和引接線纜，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能參數(shù)信息的實(shí)時(shí)獲取，優(yōu)點(diǎn)在于不用中斷測(cè)控任務(wù)的執(zhí)行。

2.4 M&C_FDES的設(shè)備組成及工作流程

FDES的設(shè)備主要包括位于本地的或遠(yuǎn)端的故障診斷專家計(jì)算機(jī)和故障診斷專家系統(tǒng)軟件。本地和遠(yuǎn)端的故障診斷專家系統(tǒng)軟件均由綜合管理模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)構(gòu)、解釋機(jī)構(gòu)、診斷知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)和自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)等主要功能模塊組成，如圖5所示[17]。二者不同的是，遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)因有可能匯集接收并融合處理多個(gè)“本地ATS、MCS信息”，而可以構(gòu)建更加龐大的故障診斷知識(shí)庫(kù)，使得故障診斷功能更強(qiáng)大。

圖5 故障診斷專家系統(tǒng)軟件組成框圖Fig.5 FDES software constitutes frame diagram

由圖5可知，各軟件功能模塊的作用及工作流程為：

① 綜合管理模塊：故障診斷專家系統(tǒng)的組織控制機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)指揮MCS、ATS與FDES之間的數(shù)據(jù)傳遞，在整個(gè)故障診斷過(guò)程中有條不紊地協(xié)調(diào)各軟件模塊的工作，并給用戶提供診斷結(jié)果(文字或圖形等)。

② 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)：負(fù)責(zé)獲取各種反映任務(wù)設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)和環(huán)境信息等，給推理機(jī)提供診斷信息。推理機(jī)可以依據(jù)此診斷信息來(lái)訪問(wèn)和激活知識(shí)庫(kù)中的對(duì)應(yīng)規(guī)則，直至推理完成。診斷信息的獲取有3種途徑：MCS(含遠(yuǎn)程監(jiān)控)、ATS以及人機(jī)交互。

③ 人機(jī)接口：領(lǐng)域?qū)＜一蛴脩襞cFDES之間交流的橋梁和窗口、人機(jī)信息的交接點(diǎn)，使用戶能夠輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問(wèn)題和了解推理過(guò)程和推理結(jié)果等。系統(tǒng)通過(guò)接口，要求用戶回答提問(wèn)并回答用戶提出的問(wèn)題，進(jìn)行必要的解釋。

④ 推理機(jī)構(gòu)：推理是根據(jù)一定的原則從己知事實(shí)出發(fā)推出新事實(shí)的過(guò)程，其中推理所依據(jù)的事實(shí)叫做前提，推出的新的事實(shí)稱為結(jié)論。在FDES中，推理機(jī)是故障診斷推理的核心模塊，可根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知事實(shí)(即數(shù)據(jù)采集所得到的故障信息)，選擇和運(yùn)用知識(shí)庫(kù)中的有用知識(shí)，綜合運(yùn)用各種推理規(guī)則和策略，進(jìn)行故障分析診斷，同時(shí)不斷修改動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，直至最終得出故障原因、故障部位和故障處理方法等。這種由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的程序，被成為推理機(jī)。

⑤ 系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)：是存放領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)知識(shí)(外部形式表現(xiàn)為規(guī)則)和診斷原理性知識(shí)(外部形式表現(xiàn)為故障因果關(guān)系，比如故障樹(shù))的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)，用于存儲(chǔ)某測(cè)控任務(wù)裝備系統(tǒng)的原理性知識(shí)、專家的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)以及有關(guān)的事實(shí)等，比如系統(tǒng)工作環(huán)境、系統(tǒng)知識(shí)(反映系統(tǒng)的工作機(jī)理及結(jié)構(gòu))以及設(shè)備故障特征值等。它反映系統(tǒng)的因果關(guān)系，是用來(lái)進(jìn)行故障推理的基礎(chǔ)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)源于知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)，同時(shí)，其也為推理機(jī)提供求解問(wèn)題所需的知識(shí)(比如故障診斷算法、推理規(guī)則)，與二者有密切關(guān)系。

⑥ 知識(shí)庫(kù)管理器：為用戶提供基本的規(guī)則編輯、編譯及檢查等功能，目的是使用戶容易讀懂并修改知識(shí)庫(kù)。

⑦ 知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)：是建立知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)用戶或?qū)＜覍?duì)知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充和修改，維護(hù)知識(shí)的一致性及完整性的一種知識(shí)編輯器。主要任務(wù)是為ES獲取故障知識(shí)，建立起健全和有效的知識(shí)庫(kù)，滿足求解某測(cè)控任務(wù)裝備系統(tǒng)故障領(lǐng)域問(wèn)題的需要。

⑧ 自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)：當(dāng)測(cè)控任務(wù)裝備系統(tǒng)龐大而復(fù)雜時(shí)，故障模式就會(huì)增加，用戶很難在短期內(nèi)獲取到可能出現(xiàn)的全部故障信息，使得知識(shí)獲取成為構(gòu)建ES的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，并影響到故障診斷的準(zhǔn)確性。機(jī)器自學(xué)習(xí)是ES的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，是解決上述問(wèn)題的有效途徑，可提升診斷系統(tǒng)的智能水平和診斷效率。自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)由綜合管理模塊控制調(diào)度，隨時(shí)對(duì)以往發(fā)生的正確案例或錯(cuò)誤案例進(jìn)行學(xué)習(xí)，動(dòng)態(tài)擴(kuò)充、完善知識(shí)庫(kù)，并修改故障事件的發(fā)生率。

⑨ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理器：主要存放數(shù)據(jù)采集得到的有關(guān)故障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，或用戶提供的初始事實(shí)與問(wèn)題描述，以及ES診斷推理過(guò)程中得出的中間結(jié)果與最終結(jié)果等。也可存放ES推理過(guò)程中的人機(jī)對(duì)話信息，彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)量不足的問(wèn)題。

⑩ 解釋機(jī)構(gòu)：用于跟蹤并記錄診斷推理的全過(guò)程，驗(yàn)證推理的合理性和正確性，負(fù)責(zé)回答用戶提出的各種問(wèn)題。包括與診斷推理有關(guān)的問(wèn)題、與診斷推理無(wú)關(guān)的關(guān)于測(cè)控裝備自身的問(wèn)題；對(duì)推理路徑、診斷結(jié)論和提問(wèn)的含義做出必要且清晰的解釋，為用戶了解推理過(guò)程以及維護(hù)知識(shí)庫(kù)提供方便，是實(shí)現(xiàn)ES透明性的主要模塊。

2.5 M&C_HMES的設(shè)備組成及工作流程

HMES的設(shè)備主要包括位于本地的或遠(yuǎn)端的健康管理專家計(jì)算機(jī)和測(cè)控(任務(wù))設(shè)備健康管理軟件組成。健康管理專家系統(tǒng)軟件由綜合管理模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)構(gòu)、解釋機(jī)構(gòu)、診斷知識(shí)獲取機(jī)構(gòu)、自學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)和健康管理結(jié)果等部分構(gòu)成，如圖6所示。二者不同的是，遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)因有可能匯集接收并融合處理多個(gè)“本地ATS、MCS信息”而可以構(gòu)建更加龐大的故障診斷和健康管理知識(shí)庫(kù)，使得故障診斷和健康管理功能更強(qiáng)大。

圖6 健康管理專家系統(tǒng)軟件組成框圖Fig.6 HMES software constitutes frame diagram

圖6中各軟件功能模塊的作用及工作流程與圖5的主要不同點(diǎn)說(shuō)明如下：

① 數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)：圖6的自動(dòng)測(cè)試可實(shí)時(shí)進(jìn)行，不必等設(shè)備發(fā)生故障后再進(jìn)行，無(wú)需中斷測(cè)控裝備的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，且一般測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)更多。

② 知識(shí)庫(kù)：圖6的知識(shí)內(nèi)容更為豐富，包含故障排除、設(shè)備維護(hù)以及健康狀態(tài)參數(shù)、健康評(píng)估模型、評(píng)估權(quán)系數(shù)及隸屬函數(shù)等知識(shí)，需要更多的知識(shí)存儲(chǔ)空間。

③ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)：圖6的交互數(shù)據(jù)類型和數(shù)量更繁多，需要更多的存儲(chǔ)空間。

④ 健康管理機(jī)構(gòu)：根據(jù)設(shè)備的故障類型和故障頻率對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康狀況管理，包含設(shè)備維護(hù)計(jì)劃決策、故障因果圖、故障統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備質(zhì)量評(píng)估以及設(shè)備剩余壽命評(píng)估等[5]。

⑤ 綜合管理模塊：圖6除了具有管理實(shí)現(xiàn)故障診斷的功能外，還具有調(diào)度管理其他模塊進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估、軟件在線升級(jí)維護(hù)等功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)設(shè)備的健康管理。

⑥ 健康管理結(jié)果：除了可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)任務(wù)設(shè)備發(fā)生故障后診斷的結(jié)果外，還可以在綜合管理模塊的控制下實(shí)時(shí)呈現(xiàn)對(duì)任務(wù)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)結(jié)果和健康評(píng)估的結(jié)果。

3 測(cè)控系統(tǒng)裝備體系結(jié)構(gòu)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)裝備分類

考慮到構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)裝備的性價(jià)比問(wèn)題，為了滿足不同用戶、不同時(shí)期的使用需求，按照上述故障診斷與健康管理設(shè)備組成，可以對(duì)測(cè)控系統(tǒng)裝備進(jìn)行基于FDES和HMES能力的分類：

① 不具有M&C_FDES和M&C_HMES等組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，統(tǒng)稱為1類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

② 只具有M&C_LFDES功能，但不包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為2類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

③ 只具有多地M&C_LFDES知識(shí)融合處理能力的M&C_RFDES，但不包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為3類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

④ 只具有M&C_LFDES功能，且包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為4類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

⑤ 只具有多地M&C_LFDES知識(shí)融合處理能力的M&C_RFDES功能，且包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為5類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

⑥ 只具有M&C_LHMS功能且必須包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為6類測(cè)控系統(tǒng)裝備(因M&C_HMES必須依托ATS設(shè)備才能完成對(duì)任務(wù)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)和健康評(píng)估)。

⑦ 具有多地M&C_LHMES知識(shí)融合處理能力的M&C_RHMS功能，且包括ATS組成部分的測(cè)控系統(tǒng)裝備，稱為7類測(cè)控系統(tǒng)裝備。

3.2 2類以上設(shè)備組成及工作流程

3.2.1 2類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

2類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程如圖7所示。ATS、LMCS和M&C_LFDES三者之間的互操作關(guān)系如下：① LMCS通過(guò)布設(shè)在測(cè)控任務(wù)設(shè)備中的各個(gè)監(jiān)控單元，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)LMCS計(jì)算機(jī)；② LMCS計(jì)算機(jī)在監(jiān)測(cè)到某特征點(diǎn)不正常時(shí)，可將該特征點(diǎn)的發(fā)生部位和狀態(tài)在LMCS計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出來(lái)，并上報(bào)LESS計(jì)算機(jī)，以啟動(dòng)M&C_LFDES故障診斷軟件進(jìn)行故障定位。

圖7 2類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成Fig.7 The second category M&C system equip constitutes diagram

3.2.2 3類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

3類測(cè)控系統(tǒng)裝備的M&C_RFDES的設(shè)備組成及工作流程如圖8所示，其中，RMCS和M&C_LFDES可有可無(wú)。多個(gè)測(cè)控任務(wù)設(shè)備分布在不同的地理位置，可共同完成對(duì)同一測(cè)控目標(biāo)(即飛行器)的全程飛行測(cè)控。因此，M&C_RFDES比單一M&C_LFDES的故障診斷和維護(hù)知識(shí)更為豐富、能力更強(qiáng)。

圖8 3類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成Fig.8 The third category M&C system equip constitutes diagram

RMCS由遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件組成，可以替代LMCS行使監(jiān)控權(quán)力。M&C_RFDES與M&C_LFDES的軟件架構(gòu)相同，均由故障診斷計(jì)算機(jī)和故障診斷及維修軟件組成。但是，M&C_RFDES中的故障診斷和維護(hù)知識(shí)會(huì)比M&C_LFDES更豐富，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)獲取多地測(cè)控任務(wù)設(shè)備的工作信息進(jìn)行綜合故障診斷。M&C_RFDES和M&C_LFDES計(jì)算機(jī)均定時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與LMCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互。

3.2.3 4類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

若用戶對(duì)故障定位時(shí)效性要求的程度較高，設(shè)備場(chǎng)地充足、研制經(jīng)費(fèi)充裕，則可以選擇加裝ATS設(shè)備的4類測(cè)控系統(tǒng)裝備，設(shè)備組成及工作流程如圖9所示。相比于3類測(cè)控系統(tǒng)裝備，M&C_LFDES的故障診斷和維護(hù)知識(shí)更為豐富。

圖9 4類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成Fig.9 The fourth category M&C system equip constitutes diagram

ATS、LMCS和M&C_LFDES三者之間的互操作關(guān)系如下：① LMCS通過(guò)布設(shè)在測(cè)控任務(wù)設(shè)備中的各個(gè)監(jiān)控單元，可不間斷地檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)LMCS計(jì)算機(jī)；② LMCS計(jì)算機(jī)在監(jiān)測(cè)到某特征點(diǎn)不正常時(shí)，可將該特征點(diǎn)的發(fā)生部位和狀態(tài)在LMCS計(jì)算機(jī)顯示器上顯示出來(lái)，并上報(bào)LESS計(jì)算機(jī)，以啟動(dòng)M&C_LFDES故障診斷軟件進(jìn)行故障定位；③ ATS接收通過(guò)M&C_LMCS轉(zhuǎn)發(fā)的M&C_LFDES計(jì)算機(jī)發(fā)出的測(cè)試指令，負(fù)責(zé)實(shí)施對(duì)請(qǐng)求指定的項(xiàng)目測(cè)試；測(cè)試完成后，ATS計(jì)算機(jī)將測(cè)試結(jié)果在本地顯示出來(lái)，并通過(guò)LMCS計(jì)算機(jī)上報(bào)M&C_LFDES計(jì)算機(jī)，協(xié)助M&C_LFDES進(jìn)行更為快速準(zhǔn)確的故障定位與排除。

3.2.4 5類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

5類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程如圖10所示，其中的RMCS和M&C_LFDES可有可無(wú)。由于多個(gè)測(cè)控任務(wù)設(shè)備分布在不同的地理位置，可共同完成對(duì)同一測(cè)控目標(biāo)(即飛行器)的全程飛行測(cè)控，因此圖10中的M&C_RFDES比單一M&C_LFDES的故障診斷和維護(hù)知識(shí)更為豐富、能力更強(qiáng)。

圖10 5類測(cè)控系統(tǒng)裝備的體系結(jié)構(gòu)Fig.10 The fifth category M&C system equip constitutes diagram

3.2.5 6類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

6類測(cè)控系統(tǒng)裝備的M&C_LHMS的設(shè)備組成及工作流程如圖11所示，由測(cè)控系統(tǒng)的LMCS、ATS和M&C_LHMSS組成。

M&C_LHMES與M&C_LFDES在硬件組成上基本一樣，不同的是M&C_LHMES軟件除了包括M&C_LFDES軟件功能外，還包括與ATS相關(guān)的控制、信息收集和處理程序模塊，以及將2個(gè)模塊的信息進(jìn)行綜合處理的健康管理程序模塊。因此， M&C_LHMES比M&C_LFDES功能更強(qiáng)、用途更廣。M&C_LHMES計(jì)算機(jī)與M&C_LFDES計(jì)算機(jī)一樣，均只定時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與LMCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，不直接與測(cè)控任務(wù)設(shè)備(被健康管理對(duì)象，包括ATS)進(jìn)行信息交互。

圖11 6類測(cè)控系統(tǒng)裝備的體系結(jié)構(gòu)Fig.11 The sixth category M&C system equip constitutes diagram

3.2.6 7類測(cè)控系統(tǒng)裝備的設(shè)備組成及工作流程

7類測(cè)控系統(tǒng)裝備的M&C_RHMS的設(shè)備組成及工作流程如圖12所示，主要由測(cè)控系統(tǒng)的LMCS和M&C_RHMS組成。與5類測(cè)控系統(tǒng)裝備一樣，7類測(cè)控系統(tǒng)裝備的多個(gè)測(cè)控任務(wù)設(shè)備分布在不同的地理位置，可共同完成對(duì)同一測(cè)控目標(biāo)(即飛行器)的全程飛行測(cè)控。因此，M&C_RHMES比單一M&C_LHMES的故障診斷和維護(hù)知識(shí)更為豐富、能力更強(qiáng)。

M&C_RHMES與M&C_LHMES的軟件架構(gòu)一樣，均由健康管理計(jì)算機(jī)和故障診斷及健康管理軟件組成。但是，M&C_RHMES的知識(shí)存儲(chǔ)量應(yīng)不小于M&C_LHMES的知識(shí)存儲(chǔ)量，且可以對(duì)LHMES、LMCS、ATS和其他測(cè)控任務(wù)設(shè)備(被診斷與維護(hù)對(duì)象)的軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)維護(hù)。

M&C_RHMES和M&C_LHMES計(jì)算機(jī)均只定時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與LMCS計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互，不直接與測(cè)控任務(wù)設(shè)備(被健康管理對(duì)象，包括ATS)進(jìn)行信息交互。

4 不同類別裝備的設(shè)備配置匯總及可用性

維持圖7～圖12所示的設(shè)備硬件配置和體系結(jié)構(gòu)不變，當(dāng)圖7～圖12中的測(cè)控任務(wù)設(shè)備被更換為其他任務(wù)設(shè)備后，只需更換或增加M&C_FDES或M&C_HMES中的知識(shí)庫(kù)內(nèi)容就可以形成新的用戶電子裝備。因此，可歸納基于故障診斷與健康管理專家系統(tǒng)的不同類別電子裝備的設(shè)備配置如表1所示。從表1以及圖1～圖12可知，裝備的復(fù)雜性隨著電子裝備類別級(jí)的增大有所增加，但是任務(wù)設(shè)備的可用性也隨之大大增強(qiáng)。

圖12 7類測(cè)控系統(tǒng)裝備的體系結(jié)構(gòu)Fig.12 The seventh category M&C system equip constitutes diagram

表1 電子裝備設(shè)備配置關(guān)系匯總

5 工程應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)

基于故障診斷與健康管理專家系統(tǒng)的電子裝備在故障快速定位、健康管理方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文研發(fā)了一種基于故障樹(shù)的自動(dòng)故障診斷和健康管理專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)(具備了5類裝備應(yīng)用能力和故障預(yù)測(cè)功能)，進(jìn)行了7類裝備應(yīng)用能力擴(kuò)展研發(fā)。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)效果，在測(cè)控地面站，針對(duì)實(shí)際測(cè)控任務(wù)設(shè)備，設(shè)置多種試驗(yàn)用例進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程如下：① 由工程師、領(lǐng)域?qū)＜椰F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)專家系統(tǒng)計(jì)算機(jī)錄入故障診斷和健康管理專家知識(shí)；② 操作員編譯知識(shí)，并啟動(dòng)專家系統(tǒng)軟件；③ 制造故障，專家系統(tǒng)軟件發(fā)現(xiàn)故障，并給出故障診斷報(bào)告，包括故障原因的推理路徑及故障解決方法，驗(yàn)證專家系統(tǒng)軟件的有效性；④ 通過(guò)MCS計(jì)算機(jī)調(diào)度ATS，發(fā)起對(duì)分機(jī)信號(hào)參數(shù)的測(cè)試，預(yù)測(cè)并評(píng)估該分機(jī)設(shè)備的健康狀態(tài)；⑤ 若發(fā)現(xiàn)故障診斷或健康管理知識(shí)的不完備，則通過(guò)專家系統(tǒng)軟件更改知識(shí)，進(jìn)而驗(yàn)證故障診斷系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可調(diào)整性。

試驗(yàn)結(jié)果不但證明了故障診斷與健康管理專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)診斷結(jié)果的正確性，還體現(xiàn)了其相對(duì)于MCS的優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)驗(yàn)證用例及結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)故障診斷和健康管理專家系統(tǒng)軟件平臺(tái)貫徹了通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，近幾年被快速推廣并應(yīng)用到電子裝備中，有效提高了測(cè)控任務(wù)設(shè)備的可用度和可維護(hù)性，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)發(fā)展我國(guó)其他電子裝備、提高其安全性和可靠性具有重要的工程應(yīng)用和參考價(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，空間飛行器及其地面測(cè)控設(shè)備的安全性和可靠性越來(lái)越引起人們的重視，進(jìn)而推動(dòng)了故障診斷與健康管理專家系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用。本文首先以航空航天測(cè)控任務(wù)設(shè)備為故障診斷和健康管理的具體對(duì)象，對(duì)故障診斷專家系統(tǒng)、健康管理專家系統(tǒng)的概念內(nèi)涵進(jìn)行闡述，給出了本地與遠(yuǎn)程設(shè)備體系結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)控系統(tǒng)裝備進(jìn)行了分類，給出了不同故障診斷和健康管理能力等級(jí)的相應(yīng)電子裝備組成；進(jìn)而將上述概念、裝備體系架構(gòu)推廣至任意電子裝備，給出了不同類別裝備的設(shè)備配置關(guān)系及其在可用性、可維護(hù)性方面的優(yōu)良級(jí)順序。本文希望能夠?yàn)橛脩舾鶕?jù)自身當(dāng)前需求快速選定一種具有最佳費(fèi)效比的電子裝備設(shè)備配置方案，并使用戶清楚所選方案的設(shè)備復(fù)雜程度，以及將來(lái)設(shè)備性能提升所需要留有怎樣的軟硬件擴(kuò)展能力。