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基于规则推理的地空导弹智能故障诊断研究

作者 :高永昌,丁勇军,张鹏更新时间:2012-11-12

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(防空兵指挥学院,河南 郑州 450052)
摘要:简要介绍了故障诊断专家系统的工作机理,建立了基于规则推理的地空导弹武器系统故障诊断专家系统结构,研究了故障知识的获取与表示方法、故障诊断的推理机制和解释机制以及知识库管理与维护等关键内容。
关键词:地空导弹;规则推理;故障诊断;专家系统
中图分类号:TP182,E91 文献标识码:A

引言
故障诊断是指当系统和设备工作状态异常时,确定故障的性质和部位,寻找故障的原因并提出相应的排除措施的措施,是系统维护的重要内容。传统的故障诊断主要是系统维护人员根据当前系统信号检测结果和已有的故障诊断知识与经验进行,这种方法对一般简单系统故障诊断较为适用,但对地空导弹武器系统这样由能源、推进、弹体、引战、控制等诸子系统组成的复杂大系统显然是不行的。因此,研究新的故障诊断技术和方法,就成为提高地空导弹武器系统故障诊断效率和系统维护水平的必要途径。本文结合当前故障诊断向智能化方向发展的趋势,提出了一种基于规则推理的故障诊断专家系统方案。
1 故障诊断专家系统概述
所谓专家系统就是指利用存储在计算机内的某一特定领域的人类专家的知识,来解决需要人类专家才能解决的复杂问题的一组计算机程序。从结构组成角度来看,专家系统是一个由存放专门领域知识的知识库和一个能选择和利用知识的推理机制组成的计算机系统。如图1所示。
图1 专家系统简化原理图
故障诊断专家系统是专家系统在故障诊断领域的应用,即利用专家系统强大的知识处理能力,根据故障发生的历史和系统的结构等信息进行知识推理,从而很快作出判断和决策,因此对于复杂大系统的故障诊断优势非常明显。主要由知识库、推理机、解释器、接口等部分组成,如图2 所示。
(1)知识库:用于存储与故障相关的某系统领域知识,包括故障事实、可行操作与规则知识等。为了建立知识库,要解决知识获取和知识表示问题;知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题;知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。
(2)黑板:又称为工作存储区或全局数据库。用于存储问题求解过程中的初始数据、求解状态、中间结果、前提假设和最终诊断结果等。
(3)推理机:记忆所采用的规则和控制策略,引导整个系统以逻辑方式协调地针对全局数据库中的当前信息,搜索和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。推理机能够根据知识进行推理和导出结论,而不是简单地搜索现成的答案。
(4)解释器:向用户解释专家系统的行为,包括解释整个推理过程和得出的结论以及系统输出其它候选解的原因,使用户更容易接收。
(5)人机接口:又称人机界面,是专家系统与用户之间进行信息交换的媒介。使用户能够向系统输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等,还可通过人机接口为知识库提供和修改知识,通过对实际情况的归纳总结获取新的知识。系统则能够要求用户回答提问,并回答用户提出的问题,进行必要的解释。
图2 故障诊断专家系统一般组成结构图
利用专家系统在进行故障诊断时,用户首先通过人机接口将故障征兆信息送给推理机,然后推理机根据诊断过程的需要,检索知识库中的各条知识并进一步向用户索取新的征兆信息,进行反复印证推理,最后将诊断结果和解释信息通过人机接口反馈给用户。根据知识处理方法(包括:获取知识、存储知识和知识推理)不同,故障诊断专家系统可分为:基于符号推理和基于数值计算两大类。其中,符号推理能够模拟人的逻辑思维,特别适合于解决需要进行逻辑推理的复杂问题,是当前智能诊断中普遍采用的方法。基于规则推理的故障诊断专家系统是基于符号推理的故障诊断专家系统的一个基本类型,其基本思想是从初始事实出发,用模式匹配技术寻找合适的产生方式,如果代入已知事实后使某产生式的前提(条件)为真,则这个产生式可以作用在这组事实上,从而推出新的事实,以此类推,直到得出结论。
2 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统
2.1 系统结构
系统结构是指系统各组成部分的构造方法和组织形式,与系统的适用性和有效性密切相关的,选择什么样系统结构,在某种程度上决定了该系统的功能和性能的优劣。根据故障诊断专家系统结构特点和工作原理,结合基于规则推理的符号诊断特性,可建立基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构,如图3所示。
图3 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构图
2.2 知识获取和表示
2.2.1 知识的获取
知识的获取是指将用于求解某专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源(人类专家、书籍文献)中抽取出来,以适当的形式加以表示,并存储到计算机(知识库)中的过程。由于拥有知识质量和数量的多少是决定专家系统诊断性能的关键因素,所以知识获取是专家系统开发研究的一个重要课题。
在基于规则推理的故障诊断专家系统中,知识获取任务由知识工程师与专家系统中的知识获取机构共同完成。知识工程师负责获取知识并用规则表示的形式把知识表示出来;知识获取机构负责把知识转换为计算机可识别的形式,然后存入知识库。知识获取过程可用图4描述如下。
图4 知识获取示意图
2.2.2 知识的表示
知识表示指将领域专家和知识工程师获取的知识转换为与诊断专家系统推理规则相适应的形式。基于规则推理系统的知识表示采用规则表示法,其基本形式是:
P Q 或者 IF P THEN Q
其中,P代表条件,如前提、状态、原因等;Q代表结果,如结论、动作、后果等。其含意是:如果前提P被满足,则可推出结论Q或执行Q所规定的动作。
如地空导弹故障诊断中表示打动机故障的知识表示:
IF(如果):(导弹火焰不连续)AND (推进时间不满足规定)AND(出现在稳定制导阶段)THEN(则): (导弹发动机存在故障)。
2.3 系统推理机制
即专家系统选择何种策略进行推理,通常根据专家系统知识处理方式和当前输入的数据(如故障的各种征兆信息)特征选择相应的推理机制,具体需要考虑推理方法、推理方向和搜索策略三个方面。
2.3.1 推理方法
推理方法分精确推理和不精确推理两种。精确推理是把领域知识表示为必然的因果关系,推理的前提和结论或者是肯定的,或者是否定的,不存在第三种可能。这种推理机制,要求每个条知识规则被激活的条件是其所有的前提都必须为真,对一般故障诊断而言要求难以实现。
不精确推理的基本思想是给各种不确定的知识某种确定性的因子。在推理过程中,以某种算法计算各中间结果的确定因子,并沿着推理链传播这种不确定性,直到到达结论。当结论的确定性因子超过某个阀值后,便认为结论是可信的。与精确推理相比,虽然不精确推理要复杂很多,但更符合现实世界概念模糊等问题,更适合用于故障诊断的模糊推理的原则。
在地空导弹故障诊断专家系统中,宜采用不精确推理方法,将每一条故障知识规则都设定一个置信度,在推理过程中通过计算各中间结果的确定因子,最终给出诊断结果和其置信度水平。
2.3.2 推理方向
推理方向有正向推理、反向推理和正反向混合推理三种。其中,正向推理是指从已知事实出发向结论方向进行推导,直到推出正确的结论。这种方式符合一般人的思维习惯,容易被人接受,容易实现。
在地空导弹故障诊断专家系统中采用正向推理方法,即推理过程中,首先提供导弹系统故障征兆信息与规则库中的规则的前提条件进行匹配,若匹配成功,则将该知识库的结论作为中间结果,再利用这个中间结果继续与知识库中的规则进行匹配检测,直到找出导弹故障源。
2.3.3 搜索策略
在专家系统进行匹配诊断操作时,如果只有一条规则匹配成功,则只需继续验证这条规则的其它条件是否成立就可以了,但如果同时有两条以上规则匹配成功,就需要建立一种优先判断策略,这就是求解策略或搜索策略。
搜索策略分为两大类:盲目搜索和启发式搜索。盲目搜索只是在所有规则中进行穷尽匹配而已,不需要前后相关的或有关问题域的专门信息。启发式搜索则需要分析问题域的专门信息,并因此而缩小了搜索空间,所以具有一定的智能决策特性。启发式搜索方式比较多,常用的有:爬山法、最好优先法、分枝界限法、生成测试法等。
根据地空导弹武器系统工作原理和过程具有历程(或阶段)性的特点,这里采用最好优先搜索法。在地空导弹故障诊断专家系统启动时,首先进行初制导阶段故障诊断,根据设定的故障规则去匹配系统的征兆信息,由此判断武器系统是否存在与导弹初制导相关的故障。如果初制导阶段没有故障,诊断系统就进入中制导阶段进行诊断,同理,如果没有出现故障问题,就进入导弹末制导阶段的故障诊断。如果在某一阶段发现问题,就继续按照该阶段可能与之相关的过程进行故障诊断,直到发现故障源为止。
2.4 系统解释机制
解释程序负责回答用户可能提出的各种问题,包括与系统运行有关的问题和与运行无关的关于系统自身的一些问题。解释程序为用户提供了一个关于系统的认识窗口,使用户理解程序正在做什么和为什么这样做以及为什么得出这样的结论。对于一个完善的专家系统来说,不仅要求它能够以专家级的水平去解决问题,而且还要求它能对问题的求解过程和求解结果给出合理的解释。只有这样,系统给出的结论才是令人信服的,专家系统才是有效的。
为此,在地空导弹故障诊断专家系统设计中,必须加入解释机制,在编制诊断规则时,为每条规则设置一条解释文本,并制订一条与之对应的编号,这样在用户询问推理时可将推理流程及所用规则的解释文本显示给用户。
2.5 知识库管理与维护
由于地空导弹故障诊断知识库是基于“规则”和“事实”相关联的形式,所以对诊断知识库的管理和维护就转化为对关系数据库的管理与维护,即同时对“规则”和“事实”进行维护。
2.5.1 基本功能
知识库管理维护系统的基本功能应该包括:
(1)一般操作:能够建立、打开、关闭、浏览、编辑、保存知识库等;
(2)规则查询:能够以规则编号、前提编号或结论编号为索引对规则进行查询,并给出查询结果;
(3)规则修改:除可对规则的前提或结论进行修改外,还能对事实表中的记录做相应的修改或添加;
(4)事实修改:在对事实进行修改时,同时可对规则表中用到该事实的规则进行修改;
(5)规则删除:从知识库中删除一条规则,同时也将对应的事实也一并删除;
(6)规则添加:将一条规则加入到知识库中,同时在规则表和事实表中都有添加记录。
2.5.2 设计方法
知识库的管理与维护无非是对规则和事实的,而规则又由事实组成,所以管理维护最终还是面向事实,因此,可将事实表中的事实分为“征兆事实”和“故障事实”两部分,分开进行程序设计,最后通过规则冗余性检验和冲突检验进行校验,最终提供给用户,方便用户维护时选取和参考。
3 结束语
地空导弹武器系统是一个由众多精密器件组成的复杂系统,需要与之相适应的故障诊断系统的支持。本文在简要分析了专家系统基本结构和原理的基础上,提出了…… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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