基于仿真技術(shù)的裝備智能故障診斷系統(tǒng)
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和專家系統(tǒng)理論技術(shù)的完善，診斷型專家系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜武器裝備維修保障系統(tǒng)中，故障診斷專家系統(tǒng)是典型的智能故障診斷技術(shù)之一。
豐富的知識庫和完備的知識推理與管理機制是成功開發(fā)專家系統(tǒng)的必要條件，如何自動獲取知識一直是故障診斷專家系統(tǒng)研究熱點與難點。由于計算機系統(tǒng)仿真技術(shù)水平的不斷提高和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，如果根據(jù)裝備故障診斷要求，將計算機仿真技術(shù)和專家系統(tǒng)結(jié)合起來，建立裝備仿真模型，模擬裝備在正常狀態(tài)下和各種故障狀態(tài)下的工作過程，通過仿真分析獲得裝備各種狀態(tài)的運行參數(shù)，加工形成能夠直接用于故障診斷專家系統(tǒng)的知識，將有效克服傳統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)知識獲取難度極大的問題，且利用仿真技術(shù)還能對故障診斷過程進行演示、對結(jié)果進行驗證。
1裝備仿真測試平臺
1．1 分布式仿真體系結(jié)構(gòu)
為滿足大范圍內(nèi)對仿真互操作和重用的要求，美國國防部于1995年提出了高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)／運行支撐框架(RTI)。HLA／RTI最主要的特點是采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，建立了基于聯(lián)邦的仿真開發(fā)、集成和運行框架，提高了仿真的互操作性和重用性，在HLA框架內(nèi)實現(xiàn)了仿真的"即插即用"。HLA相對于DIS標(biāo)準，解決了靈活性和可擴充性，同時能減少網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)等問題，利用他可以集成不同種類的仿真及真實系統(tǒng)，包括DIS系統(tǒng)、聚合級仿真、結(jié)構(gòu)化仿真以及實際的C3I系統(tǒng)。因此HIA是一種更先進的分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，HLA／RTI作為一種先進的仿真體制在國內(nèi)外已得到大量實際應(yīng)用，并已成為國際標(biāo)準，而且有許多成熟的商品化開發(fā)工具問世，目前已替代DIS成為仿真應(yīng)用的主要框架。
1．2 某型裝備仿真測試平臺
某型裝備是一個復(fù)雜的人機系統(tǒng)，在地理上和功能上都是分布的，具有實時性和開放性的特點，在系統(tǒng)仿真過程中要涉及到各種硬件、軟件和實際系統(tǒng)。采用HLA體系結(jié)構(gòu)進行仿真是一種可行且有效的手段，利用商用流行國際先進技術(shù)以及模塊化、一體化、智能化的仿真工具軟件，模擬裝備作戰(zhàn)環(huán)境，建立一個以網(wǎng)絡(luò)為中心的開放式的裝備半實物仿真測試系統(tǒng)。圖1是一個基于HLA／RTI的某型裝備仿真聯(lián)邦的結(jié)構(gòu)圖，他將裝備的各種功能映射到了12個結(jié)點上，每一個結(jié)點就是一個聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員之間不直接對話，他們都連接到RTI上，通過RTI提供的服務(wù)來實現(xiàn)相互通信，底層通信采用TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
2 某型裝備故障診斷專家系統(tǒng)
2．1 基于仿真的診斷知識獲取
知識獲取通常需要根據(jù)故障診斷案例發(fā)現(xiàn)新規(guī)則或從領(lǐng)域?qū)＜姨幗邮苄乱?guī)則，不斷豐富和完善故障診斷知識庫。由于裝備在不同的工作狀態(tài)下或采用不同的組合時，同一種故障在系統(tǒng)中的表現(xiàn)特征也不盡相同，征兆與故障之間通常不存在一一對應(yīng)關(guān)系。往往只能通過系統(tǒng)故障機理研究、診斷案例分析、可靠性分析和診斷模型試驗等手段，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R和系統(tǒng)技術(shù)資料等，對故障和征兆進行明確定義、對故障進行層次劃分、對征兆進行量化處理，才能發(fā)現(xiàn)適用于不同條件下的故障診斷規(guī)則。但是，對大型復(fù)雜的裝備系統(tǒng)而言，采用人工方式幾乎無法在專家系統(tǒng)組建過程中獲取足夠的故障診斷規(guī)則。因此，若能利用裝備仿真測試系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，通過在給定功能組合和設(shè)置故障狀態(tài)下對裝備的工作過程和功能模塊進行仿真，獲得裝備各種組合下的運行參數(shù)，建立故障樣本集合，自動獲取故障診斷知識，將有效提高故障診斷知識獲取的速度與質(zhì)量。
2．2 故障診斷專家系統(tǒng)的實現(xiàn)
某型裝備故障診斷專家系統(tǒng)(組成構(gòu)成如圖2所示)主要由知識獲取模塊、診斷知識庫、解釋機模塊、推理機模塊和人機接口等部分構(gòu)成，并通過仿真測試數(shù)據(jù)庫從裝備仿真測試系統(tǒng)中獲取知識。
(1)仿真測試數(shù)據(jù)庫是聯(lián)接仿真測試系統(tǒng)和故障診斷專家系統(tǒng)的橋梁，該動態(tài)數(shù)據(jù)庫存放有仿真測試數(shù)據(jù)。仿真測試系統(tǒng)能模擬裝備正常狀態(tài)或故障狀態(tài)，通過仿真測試得到不同狀態(tài)的運行數(shù)據(jù)，并補充到仿真測試數(shù)據(jù)庫中。在故障診斷專家系統(tǒng)工作過程中，知識獲取模塊可以從仿真測試數(shù)據(jù)庫中提取所需數(shù)據(jù)，通過分析處理將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，并存入診斷知識庫中。
(2)故障診斷知識庫用于存放專家系統(tǒng)運行過程中所需的知識，豐富的知識庫是成功構(gòu)建專家系統(tǒng)的必要條件。在實現(xiàn)過程中，知識庫選擇了多種知識表現(xiàn)形式，包括規(guī)則知識表示、案例知識表示、框架知識表示和模型知識表示等，其中模型知識是從已有的仿真測試系統(tǒng)中建立的許多成熟的模型中獲取，而其他知識則由領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^人機接口模塊提供，知識庫由知識獲取模塊負責(zé)維護。
(3)推理機模塊模擬領(lǐng)域?qū)＜夜收显\斷過程，是故障診斷專家系統(tǒng)的核心部分。由于系統(tǒng)中診斷知識采用了多種表示方式，因此推理機集成了多種推理機制，提高了診斷結(jié)果的可信度。在實現(xiàn)過程，系統(tǒng)首先根據(jù)普通用戶提出的故障診斷要求及提供的故障診斷信息等形成特征征兆集合，然后系統(tǒng)分別進行基于規(guī)則、基于案例、基于框架和基于模型等診斷推理，并采用信息融合技術(shù)按發(fā)生概率大小給出所有可能故障的提示，最后基于仿真測試系統(tǒng)采用仿真復(fù)現(xiàn)技術(shù)驗證診斷結(jié)論。
(4)解釋機模塊是專家系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)向用戶解釋專家系統(tǒng)故障診斷行為的全部過程。解釋功能的實現(xiàn)有很多種方法，如預(yù)置文本法、路徑跟蹤法、策略解釋法、自動程序員法等，其中預(yù)置文本法和路徑跟蹤法較為常用。本系統(tǒng)采用路徑跟蹤與仿真復(fù)現(xiàn)相結(jié)合的方法進行解釋，不僅能將問題求解所使用的知識自動記錄下來，在用戶需要時顯示問題求解的全過程，而且能在仿真測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過仿真復(fù)現(xiàn)技術(shù)向用戶展示故障發(fā)生、發(fā)展及最終表現(xiàn)征兆的全過程。
3 結(jié) 語
針對某型裝備智能故障診斷問題，介紹基于分布式交互仿真技術(shù)的裝備仿真測試環(huán)境，提出基于仿真測試技術(shù)的故障診斷知識自動獲取方法，設(shè)計基于系統(tǒng)仿真技術(shù)與專家系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的裝備故障診斷專家系統(tǒng)，實現(xiàn)大型復(fù)雜裝備智能故障診斷，提高專家系統(tǒng)故障診斷能力。
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