顧 兵

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

雷達(dá)裝備呈現(xiàn)出高度自動化、信息化、系統(tǒng)集成化等發(fā)展趨勢，其系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，使雷達(dá)設(shè)備的維護(hù)難度越來越大；同時(shí)因?yàn)槔走_(dá)站位的受培訓(xùn)使用人員崗位變動，造成使用維護(hù)后繼無人，即使一些簡單的故障有時(shí)也無法排除。

就艦載雷達(dá)而言，為保證艦艇作戰(zhàn)能力，綜合保障工作越來越突出艦員級維修力量，實(shí)現(xiàn)用修一體。所以建立一套故障診斷專家系統(tǒng)變得十分迫切，通過不斷總結(jié)專家的經(jīng)驗(yàn)，使得故障診斷更加科學(xué)、準(zhǔn)確、快速，提高雷達(dá)系統(tǒng)的維修性，有效保證裝備的戰(zhàn)備完好性及作戰(zhàn)效能。

同時(shí)通過故障診斷系統(tǒng)的建立，采集設(shè)備使用時(shí)的故障信息，為工程技術(shù)人員持續(xù)改進(jìn)提供支撐，使裝備維修性、使用性進(jìn)一步提高。

1 雷達(dá)系統(tǒng)故障樹構(gòu)建

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)故障分析

以某艦載搜索雷達(dá)為例，雷達(dá)系統(tǒng)主要組成包括：電源配電箱、天饋系統(tǒng)、頻率合成器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理、數(shù)據(jù)處理、顯控臺及伺服控制等。

搜索雷達(dá)系統(tǒng)的主要功能是能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，提取出點(diǎn)跡、航跡數(shù)據(jù)。在進(jìn)行故障分析時(shí)用“雷達(dá)不能正常工作”作為總體描述，主要表現(xiàn)為：整機(jī)不能加電、不能正常關(guān)機(jī)、高壓加不上、天線不能旋轉(zhuǎn)、無回波或回波弱、水冷故障、操控失靈、發(fā)射機(jī)行波管跳火等等。

通過故障原因分析，可定位到雷達(dá)系統(tǒng)各分機(jī)的各個(gè)單元、模塊。雖然故障現(xiàn)象與故障原因不可能一一對應(yīng)，但通過若干故障表現(xiàn)可以分析出故障可能發(fā)生的部位及不可能發(fā)生的部位等信息，再通過系統(tǒng)各單元、模塊間的功能接口關(guān)系，輔助以工程技術(shù)人員既往的診斷經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行故障分析判斷、排除。

1.2 雷達(dá)系統(tǒng)故障樹構(gòu)建

故障樹的建立通常選取系統(tǒng)最不希望發(fā)生的具體故障狀態(tài)作為頂事件，但由于雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，失效模式多種多樣，這里將所有故障模式引起的故障都?xì)w為“雷達(dá)不能正常工作”，并以此為故障樹的頂事件，自上而下按各子系統(tǒng)類別尋找頂事件發(fā)生直接原因（或中間事件），直到推溯到基本事件為止。這樣建故障樹的優(yōu)點(diǎn)就是在一開始就將故障模式按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化，結(jié)構(gòu)緊湊［1］。

一般說來，雷達(dá)全系統(tǒng)的故障節(jié)點(diǎn)事件（底事情）數(shù)目較多，因此雷達(dá)故障樹建立起來將龐大而繁瑣，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。因此雷達(dá)故障樹的建立為兩級，第一級以各分系統(tǒng)為底事件，以雷達(dá)系統(tǒng)為頂事件，建立一級故障樹；第二級以各分系統(tǒng)為頂事件，系統(tǒng)內(nèi)的所有故障節(jié)點(diǎn)為底事件，分系統(tǒng)之間有些相關(guān)聯(lián)的故障節(jié)點(diǎn)均定為底事件。

圖1為某雷達(dá)系統(tǒng)一級故障樹，圖2為配電箱二級故障樹。

圖1 某雷達(dá)系統(tǒng)一級故障樹

圖2 配電箱二級故障樹

2 故障診斷系統(tǒng)知識庫建立

2.1 規(guī)則的提取

采用主觀貝葉斯方法來建立故障診斷系統(tǒng)的知識庫，其語法序列構(gòu)成為：

其中，（LS，LN）表示知識規(guī)則強(qiáng)度，LS為規(guī)則成立的充分性因子，體現(xiàn)前提的成立對結(jié)論的支持度，值越大，支持度越高；LN為規(guī)則成立的必要性因子，體現(xiàn)前提不成立對結(jié)論的支持度。LS和LN參數(shù)由專家給出［2－3］。

以圖1所示的雷達(dá)一級故障樹為例，可以提取出如下一些規(guī)則：

2.2 知識庫的表示

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的特點(diǎn)分別建立事實(shí)表和規(guī)則表。事實(shí)表用來存儲系統(tǒng)故障事實(shí)及相關(guān)信息，規(guī)則表用來存放前提條件和結(jié)論代碼。將提取到的規(guī)則按表1、表2的格式進(jìn)行整理后，存入事實(shí)表和規(guī)則表。

表1 故障知識庫事實(shí)表

表2 故障知識庫規(guī)則表

3 故障診斷推理機(jī)設(shè)計(jì)

推理機(jī)必須具備如下特性：能正確選擇并應(yīng)用可用的知識庫，推理失敗能找到新的路徑重新搜索，能合理地中斷推理進(jìn)程。診斷結(jié)果后的故障解釋采用預(yù)置文本法實(shí)現(xiàn)，推理機(jī)提供了專家規(guī)則維護(hù)接口。

3.1 推理過程

雷達(dá)故障診斷推理機(jī)采用正向推理結(jié)合人工輔助決策機(jī)制，搜索控制寬度優(yōu)先策略，由雷達(dá)系統(tǒng)故障樹的根部開始，沿著故障樹的層次向下搜索，當(dāng)搜索到系統(tǒng)故障事件后保存，留作多個(gè)故障事實(shí)不確定推理用。

當(dāng)存在多個(gè)規(guī)則時(shí)，結(jié)合用戶補(bǔ)充事實(shí)操作，按照主觀貝葉斯方法進(jìn)行故障概率排序，提高推理沖突決策效率。

故障診斷推理流程如圖3所示。

3.2 推理沖突決策

在實(shí)際故障診斷過程中，當(dāng)存在多個(gè)推理規(guī)則匹配當(dāng)前故障事實(shí)時(shí)，采用主觀貝葉斯方法對規(guī)則進(jìn)行排序。診斷系統(tǒng)在專家預(yù)置單個(gè)規(guī)則LS、LN基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入已有的故障事實(shí)，計(jì)算當(dāng)前匹配多個(gè)規(guī)則的發(fā)生概率，再輔助人工確認(rèn)手段進(jìn)行推理沖突決策。

以A表示規(guī)則前提，B表示規(guī)則結(jié)論，則LS和LN的定義形式如下：

式中：O（x）為幾率函數(shù)，表示x的出現(xiàn)概率與不出現(xiàn)概率之比，其定義為：

圖3 故障診斷推理流程圖

根據(jù)幾率函數(shù)，可求得x的概率公式為：

以天饋系統(tǒng)故障為例，分析其在特定故障事實(shí)下的故障事件發(fā)生概率。根據(jù)可靠性預(yù)計(jì)值，天饋系統(tǒng)故障事件發(fā)生先驗(yàn)概率P（B）＝0.03。

專家規(guī)定：

其中，A1為“無回波或回波弱”故障事實(shí)；A2為“波導(dǎo)有嘯叫聲”故障事實(shí)；B為天饋系統(tǒng)故障。

由式（3）得到：

在無回波或回波弱故障現(xiàn)象時(shí)，天饋系統(tǒng)故障發(fā)生率為0.133 8；在波導(dǎo)有嘯叫聲故障現(xiàn)象時(shí)，天饋系統(tǒng)故障發(fā)生概率為0.382 0。

多個(gè)規(guī)則組合情況下的幾率為：

同樣的方法可得，在無回波或回波弱和波導(dǎo)有嘯叫聲2個(gè)故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，天饋系統(tǒng)故障發(fā)生概率為0.990 1。

4 專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

故障診斷系統(tǒng)采用VC＋＋和Access數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)，框圖如圖4所示。

圖4 故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)提供專用人機(jī)交互界面，在狀態(tài)關(guān)鍵字對話框中輸入相關(guān)信息，如“水冷硬件故障”，啟動故障診斷推理后隨即得到當(dāng)次推理結(jié)果，并可根據(jù)提示完成信息補(bǔ)充輸入后多次進(jìn)行推理。完成后，系統(tǒng)會給出相應(yīng)的原因解釋、故障排除所需原理圖、工具、處置方法等［4］。同時(shí)，可對新增的知識規(guī)則進(jìn)行補(bǔ)充、維護(hù)、升級。

5 結(jié)束語

雷達(dá)故障診斷專家系統(tǒng)包括知識庫模塊、推理機(jī)模塊、故障解釋模塊以及相應(yīng)的用戶和專家人機(jī)接口。

故障診斷專家系統(tǒng)可有效利用專家、設(shè)計(jì)師的工作經(jīng)驗(yàn)，為當(dāng)前雷達(dá)裝備維修保障提供了有效的輔助指導(dǎo)手段，提高了裝備的遠(yuǎn)程保障能力。

故障診斷系統(tǒng)可補(bǔ)充增加推理現(xiàn)象及規(guī)則知識，并運(yùn)用主管貝葉斯方法處理診斷推理沖突，有效提高故障診斷效果。

［1］陸延孝，鄭鵬洲.可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.

［2］周東華，葉銀忠.現(xiàn)代故障診斷與容錯(cuò)控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［3］孟亞峰，蔡金燕，曹宏炳.通用雷達(dá)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，16（3）：44－46.

［4］蔡自興，徐光佑.人工智能及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.