地空导弹飞行试验智能评定诊断系统doc-中国计算机自动测

地空导弹飞行试验评定及故障诊断专家系统设计温渊涛（空军工程大学工程学院装备管理系统工程系，陕西西安710068）摘要：本文介绍了一个适合地空导弹飞行试验结果评定及故障诊断特点的专家系统框架，论述了系统的总体结构、知识表示方法和符合地空导弹故障特点的推理机制。系统快速、实用，为试验决策和进一步的故障分析评定提供帮助。关键词：地空导弹；故障诊断；专家系统引言导弹飞行试验是在研制定型(设计定型、工艺定型)、批生产等不同阶段进行最终检验、考核导弹武器系统的战术、技术性能，以及各分系统的性能和相互间协调性的一种直接手段。导弹飞行试验过程中将产生大量的有关导弹性能的信息数据。这些测控数据是导弹研制试验过程中结果分析、系统评价的基础。实时遥测处理数据包含了导弹内部各分系统工作情况的大部分信息，对于快速评价导弹系统飞行试验情况及故障原因的初步定位，提供了基本的依据。本文介绍了一种基于飞行试验实时遥测处理结果分析的准实时飞行试验评定诊断专家系统框架，实现地空导弹武器系统试验结果的智能评定与故障诊断。即在飞行试验过程中或飞行试验结束时，及时给出对飞行试验过程相对准确的初步评价和对故障的粗略定位，为后续试验进程安排和事后分析提供帮助，大大提高飞行试验的综合效率。1专家系统结构该专家系统主要由实时监测评定子系统和基于故障树的故障诊断子系统构成。评定诊断专家系统组成如图1所示。数据通信及预处理模块接收并解出测量系统实时处理后的遥测数据帧电文，对其进行分路和格式转换后，传送给监测评定模块，同时在对数据进行合理性检验、剔除野值等预处理后按一定的存储策略存入历史数据库。实时数据库是一块内存区，用于存放评定检测子系统所需的关键特征数据。历史数据库存于硬盘上，用于存放按一定策略（按研制部门给定的各参数压缩窗口值）压缩的实时处理后的遥测特征参数（参数代号；参数名；时刻；参数值等）。标准数据库用于存放各特征数据验前仿真的结果（地面模飞遥测数据），用于与实际测量值的比对。征兆获取模块根据故障树框架的报警规则，对历史数据库的特征参数进行必要的处理并产生相应结点的报警信息诊断知识库用于存放不同飞行阶段的故障树诊断知识。黑板设在内存中，是用于存放推理中的各种当前信息以及和用户交互时提供的各种信息的一块存储区。它与知识库一起支持专家系统执行机构、推理机构和解释机构等部件的运行。在地空导弹飞行试验评定诊断系统中，黑板也是综合推理中深、浅知识的综合、执行器。监测评定子系统是一个实时运行的模块，对接收到的能表征系统各阶段总体工作情况的关键特征参数进行监测评定，并通过故障报警启动系统进行故障诊断。故障推理诊断子系统接到某阶段故障告警，进行故障诊断的指令后，立即调用相应诊断知识库，并从历史数据库提取故障征兆；然后根据故障树的故障诊断方法，进行推理诊断，确定故障树底事件状态，最终确定故障原因。2知识表示（1）基于数据驱动的框架+产生式的评定监测知识表示方法地空导弹整个飞行试验表现为一个时序过程，它分为初制导、中制导和末制导三个阶段。由弹上计算机输出的“工作状态标识字”参数（初转中、中转末标识）表征导弹工作阶段。测控系统按照时序，连续不断地发回被测对象的实时处理信息。评定监测子系统依据历程段标识，调用相应历程段框架的检测评定规则单元，对关键特征数据进行动态检测告警，对该阶段系统总体工作情况进行评定。因此在评定监测子系数据通信及预处理实时数据库历史数据库监测评定模块评定规则库知识库管理模块报警诊断知识库征兆获取基于故障树推理诊断模块数据处理、显示模块黑板及控制器用户接口图1评定诊断专家系统数据流程图标准数据库送显示遥测实时处理结果电文统我们采用了基于数据驱动的框架+产生式知识表示方法，使其能按时序监测各阶段关键特征变量，对系统进行监测评定，产生对系统故障的报警。我们按飞行阶段将系统的监测告警和评定知识库划分成若干个知识单元，每个知识单元对应一个飞行阶段，知识单元中包含与该飞行阶段相关的特征参数、监测告警规则和评定规则等信息，用“框架+规则”的混合知识表示方法来描述知识单元。框架名：（初制导评定、中制导评定、末制导评定）槽1：监测告警规则（特征参数名、检测方法、告警规则）槽2：评定规则监测告警规则和评定规则用产生式表示，如以下评定规则：IF（如果）：（θ值异常）OR（c值异常）AND（历程段为初制导）THEN（则）：（初制导故障）由于产生式规则的表示法有明确的因果关系和推理方向，推理速度快；采用按不同历程段框架组织检测评定规则的方法，缩小解空间，防止出现规则检索的“组合爆炸”，提高了实时性。（2）框架+广义规则的基于故障树的诊断知识表示地空导弹飞行试验评定诊断专家系统研究处理的对象是地空导弹，地空导弹是一个复杂的大系统，其系统级和分系统级间紧密耦合，同时存在着结构和功能上的多层次性及构形和参数的时变性，导致结果评定和故障诊断复杂和困难，其诊断的经验知识较少，故障树将是其主要的诊断知识来源，故障树有关信息的利用解决了地空导弹故障诊断知识获取的瓶颈问题。由于导弹武器系统设计、遥测参数设计和测试过程中，进行了必要的故障树分析和仿真试验。因此在故障诊断子系统我们选择采用面向故障树的“框架+广义规则”的混合知识表示方法。利用框架表示法表达能力强、层次丰富及有效的知识组织手段，建立地空导弹故障树的层次框架模型。这里的广义规则，借用经验规则的IF-THEN表示形式表示子、父结点间逻辑关系的深知识。知识组织和表示如图2所示。3推理机制由于地空导弹系统的动态性、参数的耦合性，某一局部故障（参数异常）可能引发其它部分相继产生异常，而飞行试验快速故障诊断的目的就是找出最初的故障源，即系统存在的薄弱环节，为今后的分析、设计和改进提供帮助。因此，本专家系统最主要的任务就是利用遥测系统的高采样率信息查找出最初故障源，所以必须采用适合其特点的推理控制策略。（1）面向故障树的故障诊断系统的控制策略：采用元级控制和对象级控制的分层控制方式把系统推理控制分为系统级、分系统级的元级控制和部件级的对象级控制。其中元级推理是专家根据对象特性，抽取少数关键特征量建立的，将故障定位在较粗的级别上，元规则的利用及其自身的内容代表了系统的控制信息，推理机根据事件成立与否和元规则的内容，形成可用规则集，从而大大缩小了每次推理的求解空间，达到快速推理的目的。在元规则的使用中采用正向广度优先方式，当存在故障顶事件时，采用反向深度优先回溯控制策略，根据故障树搜索故障底事件。元级推理的冲突消解采用由故障顶事件发生时刻确定的优先级策略实现。框架名：总体故障框架Ai（初制导、中制导、末制导）属性：系统级槽1：Ai报警规则库（系统特征参数异常检测）槽2：Ai诊断规则库（IF某特征参数异常THEN某分系统故障）框架名：制导控制分系统故障B1属性：分系统级槽1：B1报警规则库（B1特征参数检测）槽2：B1诊断规则库（IF…THEN某部件故障）框架名：能源分系统故障Bj属性：分系统级槽1：Bj报警规则库（Bj特征参数检测）槽2：Bj诊断规则库（IF…THEN某部件故障）…框架名：指令产生器故障Ck属性：对象级槽1：Ck报警规则库（Ck特征参数检测）槽2：Ck诊断规则库（IF…THEN某模块故障）…图2基于故障树诊断的知识表示与组织框架名：惯测组合故障C1属性：对象级槽1：C1报警规则库（C1特征参数检测）槽2：C1诊断规则库（IF…THEN某模块故障）框架名：惯测组合故障报警规则库规则1：IF…THEN(某结点异常、正常、未知)规则2：………规则n：……框架名：惯测组合故障诊断规则库规则1：IF(父结点)THEN(子结点1)规则2：………规则m：……异常底事件（故障源）诊断子系统首先进行系统级元级诊断推理，根据系统级框架的报警规则和优先级依次启动相关各分系统框架；被启动的分系统框架再进行元级推理，根据分系统级报警规则和优先级依次启动相关各部件级框架。系统级框架的任务就是把故障定位到分系统，分系统级框架的任务就是把故障定位到部件。而最终的故障源定位，是在部件级故障树框架内。系统可根据回溯搜索，确定继发故障的次序。也可以通过实际需要和可能，确定故障源定位是在分系统级还是冗余级。（2）对象级面向故障树模型的基于报警的反向遍历搜索推理策略如果某对象级框架被元级推理所启动，那么该级框架就按照基于正常、异常事件的反向推理方法，依次启动各结点报警规则库框架、诊断规则库框架，利用故障树中部分已知结点（可测结点），推理确定所有底事件（叶结点）的状态。报警规则库框架启动后，通过对历史数据库中对应的特征参数（对应于该结点的特征参数）进行检测和处理，提取故障征兆，给出诊断规则库框架启动所需的故障树上结点的报警信息（正常结点、异常结点、未知结点）。诊断规则库框架依据正常结点、异常结点采用确定性推理产生诊断结果。因为每一条诊断规则（反向广义规则：IF父结点THEN子结点）的前提或结论都对应着故障树上的一个或多个结点，根据正常、异常结点事件，推理确定所有底事件的状态，确定故障源。或者通过对未知底事件的可能性推理（引发故障树顶事件的可能性的推理），确定可能故障源。4结束语本系统采用基于故障树框架的知识表示方法和适合飞行试验特点的推理控制策略，使系统有很强的针对性和实用性。主要特点体现在：（1）实时评定和故障诊断结合，完成对飞行试验情况的动态检测。（2）研制试验的导弹系统不同于定型产品，先验故障样本缺乏，决定了基于故障树诊断系统是适合于导弹飞行试验故障诊断较实用的方式。（3）系统原型采用面向对象方法设计，更便于知识库和软件系统的扩充和修改。参考文献[1]纪常伟，荣吉利，黄文虎.航天器智能诊断系统开发研究[J].航空学报，1999，20(3).[2]王日新，徐敏强，宋政吉.航天器推进系统故障的面向时态检测和诊断[J].推进技术，2002.[3]闻新，张洪钺，周露.控制系统的故障诊断和容错控制[M].北京：机械工业出版社，1998.[4]王道平，张义忠.故障智能诊断系统的理论与方法[M].北京:冶金工业出版社，2001.