張志虎，余酣冬，黃 強

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

隨著雷達系統(tǒng)越來越復雜，性能越來越高，對雷達可靠性、可測試性和可維護性的要求也越來越高。在保證雷達可靠性，提高雷達裝備的可測試性和可維護性，提高測試維修效率，降低測試維修費用等方面，雷達機內(nèi)自檢(簡稱雷達BIT)技術無疑是一種重要的途徑。

常規(guī)BIT在提高武器裝備測試性和維修性，提高測試維修效率，降低測試維修成本方面起到了極大的作用［1］，但常規(guī)BIT同時存在一些不足，例如功能相對簡單、故障診斷能力差、狀態(tài)檢測能力有限、虛警率高［2-3］。智能BIT的出現(xiàn)，為彌補常規(guī)BIT的不足提供了新的思路。國外大型航空公司和軍工生產(chǎn)企業(yè)都在大力支持智能BIT技術的研究，并將最先進的研究成果應用于各種飛機、雷達等裝備［2］。國內(nèi)智能BIT技術的研究起步較晚，基礎理論和方法相對薄弱。

智能BIT就是將包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論、信息融合等智能理論應用到常規(guī)BIT的設計、檢測、診斷、決策等方面，提高BIT綜合效能，從而降低設備全壽命周期費用的理論、技術和方法。本文以機械掃描雷達為例，借助人工智能理論和工具——邏輯程序，設計一種機掃雷達智能BIT系統(tǒng)，使得雷達BIT系統(tǒng)能夠進行智能化診斷和決策。

1 系統(tǒng)設計

基于常規(guī)的機械掃描雷達設備，構建如圖1所示的智能BIT系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備、狀態(tài)監(jiān)測模塊、事實產(chǎn)生器、推理機、解釋器、知識庫、知識庫管理模塊、控制模塊以及人機交互接口。

圖1 機掃雷達智能BIT系統(tǒng)架構圖

1.1 罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備

罩內(nèi)設備包括裂縫天線、饋線、波控器、驅(qū)動器、罩內(nèi)冷卻設備等分系統(tǒng)，艙內(nèi)設備包括發(fā)射機、中央單元、信號處理機、數(shù)據(jù)處理機等分系統(tǒng)。罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備實時或定時向狀態(tài)監(jiān)測模塊上報各個設備BIT狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊根據(jù)推理機產(chǎn)生的指令或者人為指令對罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備進行控制。事實上，控制模塊是結合專家知識和當前BIT狀態(tài)控制各設備正常工作、停止工作、性能降級工作或者自動轉(zhuǎn)入另外一種工作方式?？刂颇K也可直接接受人機交互接口輸入的控制指令對設備進行操控。

1.3 狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊是故障診斷的前提和基礎。通過監(jiān)測罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備狀態(tài)信號，收集和分析各個設備的數(shù)據(jù)，判斷其運行狀態(tài)是否正常和故障，從而產(chǎn)生BIT信息發(fā)送給事實產(chǎn)生器模塊。

1.4 事實產(chǎn)生器

事實產(chǎn)生器以某種知識表示方法將狀態(tài)監(jiān)測模塊收集的BIT信息表示為事實知識，作為推理機開展推理的依據(jù)。事實產(chǎn)生器實際上是一個知識獲取模塊。

1.5 臨時事實庫

臨時事實庫存放的是當前工作狀態(tài)下動態(tài)的事實。動態(tài)事實可由事實產(chǎn)生器動態(tài)產(chǎn)生，也可由用戶根據(jù)實際的工作模式、工作狀態(tài)以及當前作戰(zhàn)任務等實際情況臨時添加。臨時事實庫為用戶干預智能推理提供了接口。

1.6 推理機

推理機是實現(xiàn)推理的程序，按照某種的控制策略，根據(jù)目前的事實和知識庫中先驗專家知識進行推理。推理產(chǎn)生的結果輔助用戶進行決策或者直接用于對罩內(nèi)設備和艙內(nèi)設備進行操控。專家對故障的診斷和處理思想通過推理機實現(xiàn)。推理機是智能BIT系統(tǒng)的核心模塊。

1.7 解釋器

解釋器是將形式化的知識轉(zhuǎn)化為計算機或者用戶能夠理解的結果。例如，解釋器將推理機推理產(chǎn)生的知識轉(zhuǎn)化為控制模塊可以接收的控制指令，或者將推理結果解釋為用戶可以理解的操作步驟以便用戶進行后續(xù)的操作。

1.8 知識庫

知識庫是以某種知識表示形式存放專家先驗知識的集合。類似數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是存放數(shù)據(jù)的集合，知識庫是存放知識的集合。知識庫越豐富，推理機可利用的知識就越多，越能夠?qū)υO備的故障進行診斷和處理，智能BIT系統(tǒng)就越智能。知識庫又可以細化分為規(guī)則庫和事實庫。在建立知識庫時，專家要確保知識庫的存放的知識的正確性和知識之間不存在矛盾。

1.9 知識管理

知識管理模塊是專家對知識庫進行管理的工具。用于往知識庫中增加知識、刪除知識以及更新知識的模塊。

1.10 人機交互接口

人機交互接口是用戶和專家與內(nèi)部模塊交互界面。一方面，專家通過人機交互接口對知識庫進行管理，用戶通過人機交互接口對設備進行操控;另一方面，解釋器通過人機交互接口向用戶展示雷達BIT故障診斷結果以及操作建議。

2 雷達BIT知識表示和推理

BIT知識表示和推理是智能BIT系統(tǒng)的核心。本節(jié)重點闡述系統(tǒng)所采用的知識表示方法及推理機制。

2.1 知識表示

知識表示方法是構建知識庫的基礎，表示方法選取得是否合理不僅關系到知識庫的有效存儲，并且直接影響推理機的推理效率。

已經(jīng)提出了多種知識表示方法，如基于產(chǎn)生式規(guī)則的表示、框架表示、邏輯表示、語義網(wǎng)絡表示等方法。本文基于人工智能領域非常成熟的知識表示方法——邏輯程序。邏輯程序早在20世紀60年代末及70年代初就已經(jīng)開始了研究，目前已被應用于規(guī)劃、計算機輔助驗證系統(tǒng)、安全分析、產(chǎn)品配置及診斷等領域。值得一提的是，美國顧問項目(USA Advisor Project)采用的知識表示方法就是邏輯程序。該項目旨在構建美國航天飛機飛行控制員決策支持系統(tǒng)。

本文設計的智能BIT系統(tǒng)采用的是邏輯程序中文獻［4-5］中描述的邏輯程序。邏輯程序具備較強的表達能力和較高的執(zhí)行效率，被視為知識表示和自動推理中最有價值的工具之一［6］。一個邏輯程序是由一些規(guī)則和事實組成。邏輯程序中基本規(guī)則的語法形式如下

式中:左邊部分為規(guī)則頭;右邊部分為規(guī)則體;中間的←符號代表推出含義。規(guī)則頭中b1，b2，…，bm代表的含義是b1和b2以及 bm。b1，b2，…，bm和 a均是形式化的符號，是規(guī)則的基本元素，在具體的應用中指代不同的含義。式(1)中規(guī)則代表的直觀意義是如果條件b1和b2以及bm均成立，則可以推理得到結論a成立。舉一個簡單的例子，如果我們想表達“鳥會飛”這樣一條知識，用式(1)中的規(guī)則表示如下

式中:brid代表“鳥”;fly代表“會飛”。整條規(guī)則的含義是如果是鳥則可推理得到結論會飛。

邏輯程序中事實的語法形式為

事實實際是一種特殊的規(guī)則。當一條規(guī)則的規(guī)則體為空時，該規(guī)則即為事實。也就是說不需要任何前提條件，便可得到結論，該結論即為直觀意義上的客觀事實。

邏輯程序中另外一種特殊的規(guī)則為完整約束為

完整約束中規(guī)則頭為空。所代表的含義是，一旦前提條件成立，將推理不出任何結論。完整約束常在邏輯程序中作為約束準則。

系統(tǒng)中知識庫中的知識就是由上述基本規(guī)則、事實及完整約束表示。臨時事實庫中的知識僅由事實表示。在用規(guī)則來表示系統(tǒng)BIT知識時，首先需要明確規(guī)則中基本元素，然后根據(jù)專家的經(jīng)驗構建規(guī)則。以發(fā)射機故障診斷知識為例，首先明確發(fā)射機故障知識符號表，如表1所示。

表1 發(fā)射機故障知識符號表

其次，根據(jù)專家經(jīng)驗構建發(fā)射機故障診斷規(guī)則。專家知識是:如果雷達設備出現(xiàn)真空度異常、前級故障、調(diào)制器故障、過壓、欠壓、過流、打火故障、末級故障及冷卻異常中某一種或者多種異?，F(xiàn)象，則代表發(fā)射機出現(xiàn)故障。對應于該專家知識，構建以下10條規(guī)則:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←Over Press_Err

r5:Tx_Err←Less Press_Err

r6:Tx_Err←Over Flow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

發(fā)射機分系統(tǒng)需要嚴格的控制和保護機制，一旦檢測到異常應立刻停止發(fā)射任務。為了表示該知識，可在發(fā)射機故障診斷規(guī)則集上添加以下符號表和第11條規(guī)則，以便對發(fā)射機分系統(tǒng)進行保護。

表2 發(fā)射機保護符號表

r11:Stop_Work←Tx_Err

下面以另外一條輔助決策知識為例描述決策知識的知識表示過程。機掃雷達在下視模式中，如果和通道和保護通道被檢測出故障，可以通過控制邏輯，將故障通道的輸入信號，切換到差通道，能夠完成系統(tǒng)性能降級的任務［7］。

根據(jù)決策知識首先創(chuàng)建符號表，如表3所示。

表3 決策知識示例符號表

然后形成以下規(guī)則:

SwitchDelta_Oper←AirDown_Work，SigmaChan_Err，GuardChan_Err

2.2 推理過程

推理機進行推理的過程:首先，根據(jù)事實產(chǎn)生器產(chǎn)生的動態(tài)事實，結合知識庫中的已存在的事實，匹配知識庫中的規(guī)則體，若匹配成功，則觸發(fā)此條規(guī)則產(chǎn)生結論;其次，結論作為新的事實加入，事實不斷地去迭代匹配規(guī)則體，直至不再產(chǎn)生新的結論，達到一個穩(wěn)定的狀態(tài);最后，該狀態(tài)下所有的事實作為推理機在此次推理過程中的輸出。

以上一節(jié)中發(fā)射機故障診斷和保護為例，當狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測到發(fā)射機調(diào)制器故障時，事實產(chǎn)生器產(chǎn)生以下事實并存入臨時事實庫:

Modem_Err

結合臨時事實庫中的知識和知識庫中存有的知識，當前推理機具備的知識如下:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←OverPress_Err

r5:Tx_Err←LessPress_Err

r6:Tx_Err←OverFlow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

r11:Stop_Work←Tx_Err

f1:Modem_Err

臨時事實庫中的事實可以匹配知識庫中的規(guī)則3，觸發(fā)規(guī)則3產(chǎn)生結論Tx_Err，即發(fā)射機故障。結論Tx_Err作為新的事實加入推理。此時推理機具備的知識如下:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←OverPress_Err

r5:Tx_Err←LessPress_Err

r6:Tx_Err←OverFlow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

r11:Stop_Work←Tx_Err

f1:Modem_Err

f2:Tx_Err

新事實Tx_Err匹配規(guī)則11成功，觸發(fā)規(guī)則11產(chǎn)生結論Stop_Work，即發(fā)射機停止工作。該結論同樣作為新的事實加入推理過程。然而新的事實并不再匹配規(guī)則，推理過程達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，此時輸出故障結論--發(fā)射機故障和控制決策——發(fā)射機停止工作。解釋器進而向用戶提示發(fā)射機故障，同時控制模塊根據(jù)控制決策實時停止發(fā)射機工作以保護發(fā)射機避免發(fā)射機因為大功率輸出而燒壞。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于邏輯程序的知識表示和推理，可快速構建智能BIT系統(tǒng)。本節(jié)主要描述系統(tǒng)流程和原型系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)流程

專家進入系統(tǒng)后可通過人機交互接口向知識庫添加故障診斷知識，同時也可以刪除認為不正確的知識。雷達領域?qū)＜以谔砑又R時一定要確保新添加的知識和知識庫中原有的知識不沖突，以確保推理機能夠正常開展推理分析工作。

雷達各分系統(tǒng)正常加電啟動后，狀態(tài)監(jiān)測模塊實時監(jiān)測各分系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障信息，一旦收到故障信息，將此信息發(fā)送給事實產(chǎn)生器模塊。事實產(chǎn)生器模塊根據(jù)文中上節(jié)描述的知識表示方法，將故障信息進行形式化的表達，轉(zhuǎn)化為邏輯程序中的事實存入臨時事實庫，同時觸發(fā)推理機開展工作。推理機結合臨時事實庫中的知識和知識庫中的規(guī)則，根據(jù)推理機制開展匹配和迭代，將推理結論發(fā)送給解釋器模塊。解釋器將形式化的推理結果轉(zhuǎn)化為故障信息或者控制指令。故障信息或者控制指令均發(fā)送給人機交互接口。通過人機交互接口，用戶可觀察到目前故障信息和故障產(chǎn)生的原因或者獲得對故障該采取相關措施的建議。若解釋器送出的是控制指令，則直接發(fā)送給系統(tǒng)控制模塊，對各分系統(tǒng)進行實時控制。圖2給出了關鍵流程。

圖2 系統(tǒng)故障診斷和決策流程圖

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

具體實現(xiàn)過程中采用了Windows操作系統(tǒng)，開發(fā)工具使用Visual C++6.0。運用面向?qū)ο蠹夹g，通過對成熟邏輯程序推理機——DLV［6］的封裝，在 VC++支持的MFC對話框開發(fā)模式下，實現(xiàn)了智能BIT原型系統(tǒng)。

通過知識符號管理界面添加發(fā)射機故障符號表，如圖3所示。

圖3 知識符號管理界圖

通過知識管理界面將規(guī)則保存至系統(tǒng)知識庫，如圖4所示。

圖4 知識庫規(guī)則管理界面

狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測到發(fā)射機調(diào)制器故障，將該故障轉(zhuǎn)化為一條知識存入臨時事實庫中。系統(tǒng)最終運行結果，如圖5所示。

圖5 推理結果顯示界面

用戶可查看診斷結果，了解系統(tǒng)BIT狀態(tài)，也可根據(jù)診斷結果采取相應的操作。系統(tǒng)也可以根據(jù)推理結果對設備進行自動控制。

4 結束語

文中給出了一個機掃雷達智能BIT系統(tǒng)體系架構、BIT知識表示方法及推理機制，實現(xiàn)了對機掃雷達罩內(nèi)設別和艙內(nèi)設備故障的智能診斷和決策。

機掃雷達智能BIT系統(tǒng)利用智能技術——邏輯程序進行BIT知識的表示和推理。邏輯程序是一種描述性語言，簡單、直觀，方便雷達專家將領域知識形式化的表達，易于快速建立BIT知識庫模型，同時利用成熟的推理機，能夠高效、充分利用知識庫中的知識對故障進行推理。文中雖然以較為簡單的系統(tǒng)級BIT例子為例描述了如何開展智能化的故障診斷和決策，但針對更復雜的雷達BIT故障信息處理過程是完全一樣。關鍵在于雷達專家按照邏輯程序的知識表達方式將知識形式化為規(guī)則存入知識庫中。雷達專家的知識越豐富，智能BIT系統(tǒng)對故障的診斷和輔助決策的能力就越強大。

文中給出的智能BIT設計方案并不局限于構建機掃雷達的智能BIT系統(tǒng)，同樣適用其他類型雷達BIT系統(tǒng)設計。

［1］ 溫熙森，徐永成，易曉山，等.智能機內(nèi)測試理論與應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.Wen Xisen，Xu Yongchen，Yi Xiaoshan，et al.Intelligent built-in test theory and application［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2002.

［2］ 黃運來，梁玉英，張 芳.智能BIT故障診斷技術研究與實現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2011，36(2):174-176.Huang Yunlai，Liang Yuying，Zhang Fang.The research and realization on technology of intelligent built-in test fault diagnosis［J］.Fire Control＆ Command Control，2011，36(2):174-176.

［3］ 徐永成，溫熙森，劉冠軍，等.智能BIT概念與內(nèi)涵探討［J］.計算機工程與應用，2001(14):29-32.Xu Yongcheng，Wen Xisen，Liu Guanjun，et al.Research on the conception and connotation of intelligent built-in test［J］.Computer Engineering and Applications，2001(14):29-32.

［4］ Gelfond M，Lifschitz V.Classical negation in logic programs and disjunctive databases［J］.New Generation Computing，1991(9):365-386.

［5］ Przymusinski T C.Stable semantics for disjunctive programs［J］.New Generation Computing，1991(9):401-424.

［6］ Leone N，Pfeifer G，F(xiàn)aber W，et al.The DLV system for knowledge representation and reasoning［J］.ACM Transactions on Computational Logic，2006，7(3):499-562.

［7］ 徐 鈞.機掃雷達 BIT系統(tǒng)解決方案［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28(7):30-32.Xu Jun.BIT system design items on the mechanic scan radar［J］.Modern Radar，2006，28(7):30-32.