專家系統(tǒng)在雷達(dá)故障檢測(cè)中的應(yīng)用 - 全文

專家系統(tǒng)是一種用來(lái)對(duì)人類專家的問(wèn)題求解能力建模的計(jì)算機(jī)程序。它是一個(gè)智能程序系統(tǒng)，內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用這些知識(shí)和方法來(lái)處理該領(lǐng)域的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)（Expert System）已廣泛應(yīng)用于各種故障檢測(cè)領(lǐng)域。由于它所具有的啟發(fā)性、透明性、靈活性、推理性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而更適合于雷達(dá)等軍事電子裝備的維護(hù)和維修。

圖1 專家系統(tǒng)原理圖

由于某些雷達(dá)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障發(fā)生率高，檢測(cè)難度大，在現(xiàn)場(chǎng)分析、判斷和處理這些故障時(shí)，主要依賴維修人員的經(jīng)驗(yàn)，維修質(zhì)量和效率往往難以得到保證。因此，開(kāi)發(fā)故障檢測(cè)專家系統(tǒng)，以提高故障檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

專家系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)
圖1所示為專家系統(tǒng)原理圖，圖2為低層診斷模型。

圖2 低層診斷模型

以低層診斷為基礎(chǔ)，推理機(jī)結(jié)合部件故障知識(shí)進(jìn)行推理診斷，得到高層故障假設(shè)結(jié)論；若假設(shè)故障被確認(rèn)，元知識(shí)庫(kù)啟動(dòng)推理機(jī)，從假設(shè)結(jié)論出發(fā)，再利用目標(biāo)級(jí)故障知識(shí)推理診斷，直到得出結(jié)論（見(jiàn)圖3）。

圖3 高層故障診斷模型

系統(tǒng)組成及工作流程
1 故障檢測(cè)專家系統(tǒng)組成
故障檢測(cè)專家系統(tǒng)組成如圖4所示。專家系統(tǒng)是一種包含知識(shí)和推理的智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，通常由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、人機(jī)接口、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)獲取模塊以及解釋程序組成。

圖4 故障檢測(cè)專家系統(tǒng)組成

知識(shí)庫(kù)是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，是專家系統(tǒng)的核心組成部分，它用于存儲(chǔ)從專家那里得到的關(guān)于某一特定領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。知識(shí)庫(kù)所存儲(chǔ)的知識(shí)都屬于比較穩(wěn)定通用的專家領(lǐng)域知識(shí)和規(guī)則，一般包含專家知識(shí)、領(lǐng)域知識(shí)和元知識(shí)。其中，專家知識(shí)是領(lǐng)域?qū)＜覐拈L(zhǎng)期工作實(shí)踐中獲得的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)；領(lǐng)域知識(shí)是指一種廣泛公用的知識(shí)，包括書(shū)本上的知識(shí)及一些一般性常識(shí)；元知識(shí)是利用知識(shí)進(jìn)行推理的知識(shí)。

推理機(jī)是人類專家思維機(jī)制的一種算法表示和機(jī)器實(shí)現(xiàn)，包括推理機(jī)制和控制策略，是根據(jù)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行各種搜索和推理的程序模塊，用于控制系統(tǒng)的運(yùn)行和執(zhí)行各種任務(wù)。其中，推理部分是運(yùn)用已有的知識(shí)和規(guī)則去推理，以謀求新的結(jié)論，而控制策略部分的作用是確定運(yùn)用規(guī)則進(jìn)行推理的順序，并決定下一步的工作。推理機(jī)根據(jù)用戶當(dāng)前輸入的數(shù)據(jù)，搜索知識(shí)庫(kù)中相關(guān)的知識(shí)，并應(yīng)用其中的規(guī)則和某種推理策略去推導(dǎo)出結(jié)論，向用戶提供解決指定問(wèn)題的答案。

綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是用于存儲(chǔ)所檢測(cè)問(wèn)題領(lǐng)域內(nèi)原始特征數(shù)據(jù)的信息、推理過(guò)程中得到的各種中間信息和解決問(wèn)題后輸出結(jié)果信息的存儲(chǔ)器。

知識(shí)獲取模塊是專家系統(tǒng)和領(lǐng)域?qū)＜摇⒅R(shí)工程師的接口。通過(guò)它與領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師的交互，使知識(shí)庫(kù)不僅可獲得知識(shí)，而且可使知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)得到不斷的修改、充實(shí)和提煉，從而使系統(tǒng)的性能得到不斷的改善。

解釋程序能夠?qū)ν评磉^(guò)程做出解釋，不僅可以解釋推理的路線和為什么需要詢問(wèn)那些特征信息數(shù)據(jù)，而且可以解釋推理得到的正確結(jié)論。

2 工作流程
故障檢測(cè)專家系統(tǒng)是通過(guò)推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的交互作用來(lái)求解問(wèn)題的，這種求解過(guò)程有如下幾個(gè)步驟：

（1）用戶將故障現(xiàn)象交給人機(jī)接口，人機(jī)接口將故障信息送入推理機(jī)。

（2）推理機(jī)根據(jù)故障信息按一定的搜索策略，依據(jù)用戶反饋信息進(jìn)行正向推理，并結(jié)合當(dāng)前的推理狀態(tài)，從知識(shí)庫(kù)的故障樹(shù)結(jié)點(diǎn)事件提取交互信息，提供給人機(jī)接口，以提問(wèn)或操作要求的方式顯示。

（3）解釋程序?qū)ν评頇C(jī)運(yùn)算出的每一步推理狀態(tài)進(jìn)行分析并做出簡(jiǎn)明易懂的解釋。

（4）解釋程序記錄故障檢測(cè)每一步的推理狀態(tài)，并提取相應(yīng)圖形符號(hào)，經(jīng)過(guò)人機(jī)接口以流程圖的方式將推理過(guò)程顯示。這些模塊彼此配合，互遞信息，共同完成故障定位、排除和維修提示等任務(wù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)依據(jù)
故障檢測(cè)專家系統(tǒng)主要基于該雷達(dá)的系統(tǒng)自檢過(guò)程和設(shè)計(jì)人員的人工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)配套的檢測(cè)設(shè)備采集故障信息，并通過(guò)串行通信將故障信息傳遞給計(jì)算機(jī)；或通過(guò)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、維修的自動(dòng)化和智能化。
系統(tǒng)自檢過(guò)程是現(xiàn)代雷達(dá)最基本的一種功能，它包括：開(kāi)機(jī)自檢、周期性自檢、停機(jī)維護(hù)測(cè)試等。系統(tǒng)自檢產(chǎn)生的信息可簡(jiǎn)單地分為：(1) 子系統(tǒng)測(cè)試信息——發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天饋線、伺服系統(tǒng)、信號(hào)數(shù)據(jù)處理機(jī)及主控臺(tái)等子系統(tǒng)的自檢信息。(2) 系統(tǒng)測(cè)試信息，主要用來(lái)檢測(cè)、校正和調(diào)整雷達(dá)的狀態(tài)及各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。專家系統(tǒng)所針對(duì)的雷達(dá)，通過(guò)自檢便基本可判斷出產(chǎn)生故障的子系統(tǒng)，因而故障檢測(cè)直接針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、人機(jī)接口、解釋器、知識(shí)獲取器和系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。其中，知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和系統(tǒng)軟件是主體，也是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)
知識(shí)庫(kù)主要功能是存儲(chǔ)和管理專家系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)主要由故障分類表、子故障分類表、故障現(xiàn)象表以及所有的故障知識(shí)表（故障數(shù)據(jù)庫(kù)）組成。知識(shí)庫(kù)中擁有知識(shí)的多少及知識(shí)的質(zhì)量決定了一個(gè)專家系統(tǒng)所具有解決問(wèn)題的能力。系統(tǒng)故障知識(shí)的獲取主要是通過(guò)研究雷達(dá)結(jié)構(gòu)和故障機(jī)理來(lái)掌握原理性的知識(shí)，以及從專家處獲取啟發(fā)式的經(jīng)驗(yàn)診斷知識(shí)、實(shí)用的專業(yè)技術(shù)資料等。

① 從雷達(dá)結(jié)構(gòu)和故障機(jī)理分析中獲取
利用雷達(dá)中已有測(cè)試點(diǎn)，結(jié)合測(cè)試信號(hào)的特征進(jìn)行全面分析。通過(guò)對(duì)雷達(dá)中各部件之間的連接以及對(duì)部件板級(jí)上每個(gè)具體芯片功能進(jìn)行研究，分析特征信號(hào)在雷達(dá)正常時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值；在進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，將測(cè)試信號(hào)的實(shí)際工作值與正常工作的標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)，以判定出故障點(diǎn)。

利用雷達(dá)的功能特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的分析。當(dāng)雷達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)，除了檢測(cè)電路本身故障外，還要考慮特殊環(huán)節(jié)引起的可能故障，另外開(kāi)關(guān)器件（大功率開(kāi)關(guān)管、繼電器和接觸器等）也容易損壞而引起故障。

針對(duì)雷達(dá)中的共同問(wèn)題進(jìn)行綜合分析。雷達(dá)中各器件、部件間由電纜實(shí)現(xiàn)連接，由于電纜本身?yè)p壞或接口連接的不可靠，存在著故障隱患。

② 從專家經(jīng)驗(yàn)中獲取
根據(jù)平時(shí)常見(jiàn)的故障、專業(yè)維修人員的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，以及專家長(zhǎng)期積累掌握的基礎(chǔ)理論、研究成果、思維邏輯、解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)等，可以匯總雷達(dá)分系統(tǒng)的常見(jiàn)故障。

3 推理機(jī)設(shè)計(jì)
推理機(jī)是專家系統(tǒng)的組織控制機(jī)構(gòu)，它根據(jù)當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)來(lái)運(yùn)行知識(shí)庫(kù)中的相應(yīng)知識(shí)，按一定策略進(jìn)行推理，以達(dá)到要求的目標(biāo)。該專家系統(tǒng)中，推理機(jī)根據(jù)用戶提供的故障信息，在知識(shí)庫(kù)內(nèi)尋找能與之匹配的故障樹(shù)結(jié)點(diǎn)事件，每步推理都以用戶反饋信息為依據(jù)，沿故障樹(shù)脈絡(luò)進(jìn)行正向推理，逐步縮小故障范圍，直至完成故障源定位。推理機(jī)正向推理過(guò)程如圖5所示。

圖5 推理機(jī)正向推理過(guò)程示意圖

4 人機(jī)接口的設(shè)計(jì)
人機(jī)接口包括開(kāi)發(fā)界面和使用界面。開(kāi)發(fā)界面面向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者和系統(tǒng)維護(hù)者；使用界面面向系統(tǒng)使用者，常常涉及“人機(jī)交互”，它包括輸入和輸出兩個(gè)部分。用戶按照提示輸入數(shù)據(jù)，并向系統(tǒng)提出請(qǐng)求或問(wèn)題要求系統(tǒng)回答或演示。系統(tǒng)輸出各種提示、中間結(jié)果和最后結(jié)果，也可輸出用戶所要求的信息、各種解釋，或按照用戶的要求演示推理過(guò)程。

5 解釋模塊設(shè)計(jì)
解釋模塊負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)推理過(guò)程給出必要的解釋，包括2個(gè)解釋子模塊：文字模塊和圖形模塊。其中，文字模塊負(fù)責(zé)對(duì)專家系統(tǒng)檢測(cè)推理過(guò)程給出必要的文字解釋，以結(jié)點(diǎn)作為解釋的基本層次；圖形模塊負(fù)責(zé)將故障現(xiàn)象、用戶選擇、檢測(cè)過(guò)程及檢測(cè)結(jié)果這些知識(shí)信息用流程圖的方式進(jìn)行顯示，以便用戶操作和觀察，并以此作為記錄檢測(cè)過(guò)程的方法。

6 知識(shí)獲取器的設(shè)計(jì)
在專家系統(tǒng)中要設(shè)計(jì)知識(shí)獲取器困難較大，比較實(shí)用的方法是建立一個(gè)知識(shí)編輯器。知識(shí)編輯器是知識(shí)工程師的一種工具軟件，用來(lái)幫助知識(shí)工程師編輯從專家那里獲取的知識(shí)。它可以對(duì)知識(shí)進(jìn)行檢索、修改、刪除和重組，并檢查知識(shí)的相容性、完整性和一致性。

7 專家系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
為了能更快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出雷達(dá)的故障，將CAN總線應(yīng)用到某雷達(dá)，構(gòu)建故障檢測(cè)專家系統(tǒng)。CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是目前發(fā)展較快的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，主要用于各種過(guò)程或設(shè)備檢測(cè)及控制。它是目前唯一具備國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，具有容錯(cuò)能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大等特點(diǎn)。
結(jié)合某雷達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建一種上位運(yùn)行專家系統(tǒng)，下位機(jī)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和信號(hào)的在線故障檢測(cè)專家系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 故障檢測(cè)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)某雷達(dá)的整體功能模塊的不同，方案將各個(gè)功能模塊劃分為若干檢測(cè)子系統(tǒng)，利用CAN總線技術(shù)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)該模塊中待檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)CAN總線發(fā)送給故障檢測(cè)專家系統(tǒng)。故障檢測(cè)專家系統(tǒng)運(yùn)行在上位機(jī)上，對(duì)下位機(jī)發(fā)送檢測(cè)命令，下位機(jī)檢測(cè)預(yù)留在各子系統(tǒng)的測(cè)試點(diǎn)，把測(cè)試的各種數(shù)據(jù)，如電壓、各種開(kāi)關(guān)量等，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，發(fā)送故障檢測(cè)專家系統(tǒng)；同時(shí)，專家系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)信息和各模塊發(fā)送的自檢信息，給出結(jié)論后存儲(chǔ)并進(jìn)行顯示，檢測(cè)員可通過(guò)查詢主機(jī)快速、及時(shí)對(duì)狀態(tài)和故障情況判斷（見(jiàn)圖7）。

圖7 雷達(dá)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

故障檢測(cè)專家系統(tǒng)在上位機(jī)（軍用計(jì)算機(jī)）上運(yùn)行，操作系統(tǒng)采用Windows XP，采用VC++6.0編寫(xiě)故障檢測(cè)專家系統(tǒng)和通信模塊。下位機(jī)采用嵌入式計(jì)算機(jī)PC104，通過(guò)CAN總線負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，包括電源電壓等的模擬信號(hào)，各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)等。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，再通過(guò)RS-232串行接口將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，下位機(jī)的通信程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。各個(gè)模塊的自檢信息，專家系統(tǒng)可以直接通過(guò)CAN總線獲取。

此系統(tǒng)采用CAN2.0B的數(shù)據(jù)幀，有29位標(biāo)志符，占4字節(jié)的長(zhǎng)度。定義見(jiàn)表1。

優(yōu)先級(jí)是CAN數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)，占3位，總共有8個(gè)優(yōu)先級(jí)。PF為數(shù)據(jù)類型代碼，占8位。PS/DA為數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展碼或目標(biāo)地址，占8位。當(dāng)PF值小于240（0xF0）時(shí)，PS/DA位填寫(xiě)目標(biāo)地址DA；當(dāng)PF值不小于240時(shí)，PS/DA位填寫(xiě)數(shù)據(jù)類型擴(kuò)展碼PS。SA為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的CAN總線地址，占8位。保留位固定填寫(xiě)0。幀ID中PF、PS、DA的值分別取自在CAN數(shù)據(jù)包中PF、PS、DA的值。

本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙CAN總線，每個(gè)線路最多可連接110個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，CAN總線傳輸速率設(shè)定為250kb/s，對(duì)應(yīng)的位時(shí)間為4μs，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置為相同值。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送數(shù)據(jù)以CAN1總線為主，CAN2總線為輔。當(dāng)CAN1總線擁堵的情況下，CAN2總線啟動(dòng)，如果發(fā)送控制器在5ms內(nèi)仍未完成總線發(fā)送，則須取消未完成的發(fā)送，以免影響總線上其他智能節(jié)點(diǎn)的工作。接收數(shù)據(jù)通過(guò)CAN1總線、CAN2總線分別接收，并分別送給應(yīng)用程序處理。

CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接受。通過(guò)DLL提供API應(yīng)用層接口編程。

實(shí)例應(yīng)用
某雷達(dá)的天饋系統(tǒng)，由天線、天線座、饋線系統(tǒng)、倒伏機(jī)構(gòu)等部件組成。專家系統(tǒng)發(fā)送自檢命令給天饋系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)自身的各個(gè)部件進(jìn)行自檢，自檢結(jié)果通過(guò)CAN總線發(fā)回專家系統(tǒng)，其格式見(jiàn)表2。

數(shù)據(jù)格式為3字節(jié)，其中，第1字節(jié)為設(shè)備號(hào)，是屬于每個(gè)功能模塊的唯一編號(hào)。第2字節(jié)是該設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其中，0x0F表示正常，0xFF表示故障，所有單體全部正常時(shí)上報(bào)正常狀態(tài)，任意單體故障則上報(bào)故障狀態(tài)。如果是故障狀態(tài)，則第3字節(jié)的8個(gè)位，分別代表了各個(gè)單體的狀態(tài)，0為故障，1為正常。

專家系統(tǒng)根據(jù)自檢發(fā)回的信息，判斷故障是否為最終故障，如不是則進(jìn)行原理檢測(cè)，最后給出檢測(cè)結(jié)果。

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