鄭友賦

(福建船政交通職業(yè)學院， 福建 福州 350007)

隨著航海雷達技術的不斷發(fā)展，對于其故障診斷的快速化、準確化及網(wǎng)絡化的需求也越來越高。但新型航海雷達系統(tǒng)結構非常復雜，一旦出現(xiàn)故障，往往是多種故障并存且相互影響，診斷起來異常繁瑣。因此，必須開發(fā)基于新型診斷方式的智能診斷系統(tǒng)才能達到快速診斷的目的。

鑒于此，本文對航海雷達故障的智能診斷技術展開研究。(即人類專家的知識)、推理機 (即人類專家解決問題的經(jīng)驗、方式和策略)及人機接口3個部分組成。

基于Web的航海雷達故障遠程診斷專家系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 基于Web的航海雷達故障遠程診斷專家系統(tǒng)圖

1 專家系統(tǒng)

所謂的專家系統(tǒng)是一種能模擬某個領域人類專家解決領域問題的智能化計算機系統(tǒng)。該計算機系統(tǒng)將大量的專家級知識與經(jīng)驗存儲于本地數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，以人類專家解決問題的經(jīng)驗、方式和策略來解決領域問題。采用人類專家的知識、經(jīng)驗和解決問題的方法是因為專家通常擁有特殊的實踐經(jīng)驗、分析問題和解決問題的策略，而且這些經(jīng)驗、分析方法和策略經(jīng)過長期的實踐證明是行之有效的［1］。

航海雷達故障診斷專家系統(tǒng)主要由知識庫

當航海雷達出現(xiàn)故障時，用戶或維修工程師在現(xiàn)場將故障信息通過Web瀏覽器提交給Web服務器端的推理機。

推理機將故障信息與知識庫中的相關知識進行比較，進行綜合推理，然后診斷出故障的部位及原因，并反饋給用戶或維修工程師。

2 故障模型的建立

航海雷達通常是由天線子系統(tǒng)，發(fā)射機子系統(tǒng)、接收機子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)和傳感器子系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構成［2］。各子系統(tǒng)之間既相互制約，又相互聯(lián)系，一旦發(fā)送故障，則故障診斷具有一定的復雜性。

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis)是一種綜合評價系統(tǒng)運行可靠性和安全性的圖形演繹法，常用于系統(tǒng)的故障分析、預測和診斷。該方法不僅可以分析系統(tǒng)軟件、硬件方面的故障，而且可以考慮到環(huán)境及人為因素［3］。

故障樹模型是一種基于被測對象的模型，以系統(tǒng)的結果故障事件為頂事件，以可能導致頂事件發(fā)生的其它事件為中間事件和底事件，采用一種倒樹狀的結構表示各類事件之間的聯(lián)系［4］。通過計算故障樹頂事件發(fā)生概率，故障樹各最小割集的發(fā)生概率及最小割集重要度，并給出定量分析，使搜尋故障原因的一次命中率得到提高，從而降低故障診斷的難度。

3 網(wǎng)絡通信技術

在航海雷達故障診斷專家系統(tǒng)中，設備運行的狀況、故障表征現(xiàn)象、測試點數(shù)據(jù)等各類參數(shù)，都需要迅速地以數(shù)據(jù)或圖形的形式傳輸?shù)皆\斷中心計算機進行分析判斷，才能及時有效的對故障進行定位。由于設備運行的外界環(huán)境以及設備自身通信機制的不同，他們需要的通訊方式也不一樣，因此，需要建立一個由多種通信方式集成的通信機制［5］。

根據(jù)通信距離的遠近，分成近距離通信和遠距離通信。近距離通信可采用RS232或 RS485傳輸數(shù)據(jù);遠距離通信可采用撥號方式傳輸數(shù)據(jù)，若條件允許，也可采用光纜傳輸或直接將設備與診斷服務器接入Internet傳輸數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)結構設計

根據(jù)航海雷達故障專家診斷系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)設計為4個模塊:用戶模塊、事件處理模塊、應用接口模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 航海雷達故障診斷專家系統(tǒng)框架圖

1)用戶模塊。用戶模塊主要提供用戶管理、知識庫管理、技術支持、故障診斷和視頻瀏覽等5個主要功能。

用戶管理功能能增強系統(tǒng)及航海雷達資料的安全性，提供注冊新用戶、登陸密碼管理、用戶登錄等操作。由系統(tǒng)管理員負責賬號注銷、用戶密碼重置以及用戶管理等操作。

知識庫管理功能只有系統(tǒng)管理員才能操作，包括添加知識、刪除知識、修改知識和備份等操作。知識庫管理功能是知識庫內(nèi)容的豐富性、有效性和正確性的有效保障。

技術支持是指用戶可以瀏覽、學習、添加和刪除航海雷達技術資料。航海雷達技術資料是指航海雷達用戶手冊以及航海雷達專家搜集到的故障診斷資料。這些資料一般是形成故障診斷支持系統(tǒng)的最原始資料。

故障診斷用于用戶的智能化故障診斷，是系統(tǒng)實現(xiàn)的最主要功能。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)提示輸入故障現(xiàn)象，系統(tǒng)會自動進行智能化故障診斷，向用戶提出排除故障操作的建議，并顯示故障原因等。

視頻瀏覽可以向用戶提供視頻瀏覽功能，使用戶能更直觀的了解該型號航海雷達的操作、工作原理和注意事項等，有助于鞏固用戶對雷達的理解。

2)事件處理模塊。事件處理模塊包括數(shù)據(jù)庫維護和故障診斷2個子模塊。數(shù)據(jù)庫維護子模塊負責維護數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，除了提供數(shù)據(jù)添加、查詢、修改和刪除等操作，還包括備份數(shù)據(jù)、恢復數(shù)據(jù)、生成用戶信息表和監(jiān)視系統(tǒng)運行狀況等功能。故障診斷子模塊包括故障信息輸入、故障匹配、故障診斷、診斷結果通知、新故障診斷添加模塊。

3)應用接口模塊。應用接口模塊功能由一組程序和相應的硬件組成，提供應用程序的接口程序，把不同程序連接起來，實現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中的相互通訊。應用接口模塊是實現(xiàn)診斷系統(tǒng)與用戶、雷達故障診斷專家與工程師交互的模塊，負責將用戶輸入的故障信息轉變成診斷系統(tǒng)的內(nèi)部格式，再把這些格式化后的信息送給相應的應用程序去處理，反之，診斷系統(tǒng)輸出的以內(nèi)部格式表示的響應信息也由它轉變成用戶易于理解的外部表示格式并顯示。

航海雷達診斷專家系統(tǒng)應用接口模塊的設計使用戶只需按照診斷系統(tǒng)的提示來操作，用鼠標點擊“下一步”或“上一步”按鈕即可一步步執(zhí)行診斷;用戶通過選擇彈出框中的“是”或“否”來響應診斷系統(tǒng)的詢問;在輸入性能指標時，系統(tǒng)會給出標準化參數(shù)表格，用戶只要按照格式輸入即可;若用戶輸入錯誤信息時，系統(tǒng)能夠自動識別并提示用戶重新輸入。

4)數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)庫模塊是系統(tǒng)的核心單元，由知識庫和綜合數(shù)據(jù)庫組成。

知識庫用于存儲領域專家提供的所有專業(yè)知識，一般包括紙質知識 (如行業(yè)標準、說明書、相關案例等)、常識性知識和專家的經(jīng)驗型知識。診斷系統(tǒng)的運行就是基于這些專業(yè)知識來模擬專家的思維來進行的。因此，知識庫擁有的知識數(shù)量和質量是衡量一個專家診斷系統(tǒng)能力的關鍵因素。

綜合數(shù)據(jù)庫用于存放解決問題所需的初始數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、過程結果、規(guī)則和目標等。

4.2 操作流程設計

為了診斷系統(tǒng)和專家知識的安全，將用戶劃分成不同的等級，不同等級的用戶登陸后擁有不同的使用權限，再根據(jù)故障診斷及輔助操作的流程，我們將雷達故障診斷支持系統(tǒng)的操作設計為如圖3所示的流程。

4.3 遠程診斷的實現(xiàn)

航海雷達故障專家診斷系統(tǒng)采用B/S與C/S混合模式，如圖4所示。

圖3 航海雷達故障診斷支持系統(tǒng)操作流程圖

C/S模式客戶端功能比較強，安全系數(shù)也較高，適合于需要對數(shù)據(jù)庫進行頻繁操作的場合，比如現(xiàn)場的維護人員。B/S客戶端比較靈活，采用TCP/IP協(xié)議，對安全性及訪問速度方面比C/S有更高的要求，適合于多點傳輸，比如專家和知識工程師利用B/S客戶端進行查詢及在線交流操作。

圖4 網(wǎng)絡結構示意圖

4.4 專家診斷系統(tǒng)的特點

相對于人類專家，專家系統(tǒng)具有以下特點［6］。

1)專家系統(tǒng)是人類專家的高可靠性智能助手和工具，是人類專家知識、經(jīng)驗和判斷的模擬、延伸和擴展。同時，專家系統(tǒng)可擁有多個專家的知識、經(jīng)驗與判斷，形成比單獨專家水平更高的復合專家知識系統(tǒng)。

2)專家系統(tǒng)能高效、迅速、穩(wěn)定地工作，不受環(huán)境、情緒、體能等影響。尤其在對人體有害的環(huán)境中，可以替代人類專家進行工作。而且，專家系統(tǒng)響應時間快，尤其在需要多個專家協(xié)商才能解決問題的情況下，能更迅速的做出響應。

3)專家系統(tǒng)以用戶可理解的形式解釋推理過程，而且沒有時間和空間的限制，數(shù)據(jù)庫及故障診斷技術可永久保存。

4)專家系統(tǒng)成本低，并具有學習能力，能總結故障發(fā)生規(guī)律，不斷完善診斷系統(tǒng)。

5 結束語

隨著電子技術的飛速發(fā)展，航海雷達結構趨于復雜，功能也更加強大，尤其在船舶通信導航設備實現(xiàn)網(wǎng)絡化后，使得航海雷達的日常維護、故障診斷難度加大。本文研究了一種基于專家系統(tǒng)的航海雷達遠程故障診斷系統(tǒng)模型，在保證安全性、可靠性及準確性的基礎上，實現(xiàn)航海雷達設備故障診斷的遠程化、智能化。

［1］楊興，朱大奇，桑慶兵.專家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望［J］.計算機應用研究，2007(5):5-9.

［2］劉彤.航海儀器［M］.大連:大連海事大學出版社，2013.

［3］陳文欽，王強，李波.基于故障樹的知識存儲及診斷系統(tǒng)［J］.廣西大學學報 (自然科學版)，2010(4):324-329.

［4］梁新元，張勤.故障樹向因果圖轉換的研究［J］.計算機仿真，2005(10):144-146.

［5］駱耀祖，劉永初.計算機網(wǎng)絡技術及應用［M］.北京:北方交通大學出版社，2003.

［6］任明侖，楊善林，朱衛(wèi)東.智能決策支持系統(tǒng):研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)［J］.系統(tǒng)工程學報，2002(5):430-440.