吳 韜,劉志華,曹瑞明

(中國人民解放軍理工大學(xué),南京,210000)

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基于案例推理的故障診斷研究

吳 韜,劉志華,曹瑞明

(中國人民解放軍理工大學(xué),南京,210000)

摘要：氣象水文裝備具有分布式、開放性、互操作性、可擴(kuò)展性的特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)方式診斷和排除故障時(shí)，具有一定的局限性。本文采用基于案例推理的故障診斷方法，建立案例診斷模型，對(duì)案例的表示和組織方法進(jìn)行論述，采用最鄰近算法查詢故障，并以某型雷達(dá)分系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：氣象水文裝備；案例推理；鄰近算法

0　引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭特別是高技術(shù)下的局部戰(zhàn)爭中，氣象水文裝備的完好，對(duì)飛行器升空、火炮導(dǎo)彈發(fā)射以及部隊(duì)人員的行動(dòng)意義重大。氣象水文裝備因其科技含量高、設(shè)備復(fù)雜，診斷維修人員使用傳統(tǒng)方式診斷和排除故障時(shí)，具有一定的局限性。將人工智能引入到氣象水文裝備的故障診斷領(lǐng)域，可為此類裝備的故障診斷提供新的思路和方法，為此本文展開對(duì)氣象水文裝備專家診斷系統(tǒng)的研究。

傳統(tǒng)的設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，大多采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的知識(shí)表示方法，推理機(jī)基于規(guī)則進(jìn)行推理。但是對(duì)于氣象水文裝備這類復(fù)雜的設(shè)備，單純采用基于規(guī)則的方法，效果并不理想。氣象水文裝備因其具有層次性、相關(guān)性以及綜合性的特點(diǎn)，更加適合基于案例推理的故障診斷方法。該方法將故障信息合理有效地表示成案例的形式，通過重用歷史案例，避免了故障知識(shí)中規(guī)則提取的不利因素，氣象水文裝備的維修效率大大提高。

1　案例模型

案例推理來源于認(rèn)知學(xué)，與人類解決問題的思路相似。當(dāng)某故障出現(xiàn)時(shí)，人們總會(huì)聯(lián)想以前有沒出現(xiàn)相同或相似的故障，為此可參考相似故障的處理方式；案例推理便是在出現(xiàn)故障現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)故障現(xiàn)象的特征搜索案例庫。案例庫中的歷史案例按一定的方式進(jìn)行組織，如未在案例庫中搜索出目的案例，或搜索的結(jié)果無法解決當(dāng)前故障問題，則請求人工專家修改故障解決方案，并通過后臺(tái)管理員儲(chǔ)存為新的案例，更新案例庫。

整個(gè)案例推理可以分為四個(gè)階段：案例檢索(Retrieval)、案例重用(Reuse)、案例修改(Revise)和案例學(xué)習(xí)(Retain)。當(dāng)一個(gè)新的故障問題產(chǎn)生時(shí)，首先系統(tǒng)將新的問題案例以方便檢索的形式表達(dá)，然后在案例庫中以一定的策略進(jìn)行檢索，檢索的結(jié)果（相似案例）可以作為新問題的解決建議。通過對(duì)檢索出的案例進(jìn)行案例重用，可以作為故障問題解決方案的參考建議。使用者若案例搜索不成功，可修改案例表達(dá)形式和策略重新搜索，或者請求人工專家輔助實(shí)現(xiàn)在線診斷，確保對(duì)重要裝備的及時(shí)診斷，系統(tǒng)記錄診斷的過程，并作為新的一個(gè)案例從而完善數(shù)據(jù)庫。

2　案例表示

2.1故障案例表示方法

案例能否高效被查詢、案例推理系統(tǒng)能否有效發(fā)揮其工作性能，很大程度取決于案例的表示。常用的案例表示方法有基于產(chǎn)生式規(guī)則、面向框架、基于語義網(wǎng)絡(luò)、基于邏輯關(guān)系和面向?qū)ο蟮谋硎痉椒ǖ取?/p>

氣象水文裝備部件構(gòu)造復(fù)雜，故障案例大多是現(xiàn)象簡單而原理復(fù)雜，具有關(guān)聯(lián)和分布式的結(jié)構(gòu)，故障案例一般包含故障現(xiàn)象、故障部位和故障原因等眾多信息。針對(duì)氣象水文裝備故障案例的特點(diǎn)，本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的案例表示方法。在對(duì)氣象水文裝備的故障記錄進(jìn)行分類整理的過程中，發(fā)現(xiàn)每個(gè)故障都是由故障現(xiàn)象描述、故障發(fā)生部位、故障原因和維修方案等部分組成，即便不同故障類別的故障現(xiàn)象描述和故障特征都有很大的差異，但是他們之間也有共同點(diǎn)：每一個(gè)故障現(xiàn)象

表2-1　故障案例結(jié)構(gòu)

都是對(duì)氣象水文裝備某一型號(hào)的分系統(tǒng)部件及其屬性的描述。因此，氣象水文裝備的故障案例可以用四元組結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示：

C=＜D,S,R,E＞

其中，D={d1,d2,…dn}為有限非空集合，表示氣象水文裝備故障案例的描述信息S={s1,s2,…sn}為故障案例的征兆集，描述故障的特征信息；R為軍事氣象水文故障案例的結(jié)論信息；E為故障案例的輔助信息。其故障案例結(jié)構(gòu)如表2-1所示：

2.2故障案例表示的實(shí)現(xiàn)

1）故障案例的特征向量

氣象水文裝備的故障特征向量指在一個(gè)故障案例中所有特征值經(jīng)參數(shù)化處理后，按照一定的順序組成的向量。故障特征向量表示為

氣象水文裝備故障案例的特征可通過三種方式描述：①文字描述的字符型②具體的數(shù)值描述的數(shù)值型③邏輯型，只存在兩種狀態(tài)，例如電壓有無，電路短路與否等。三種故障特征的表示方式都可以進(jìn)行參數(shù)化處理。

2）故障案例的特征屬性權(quán)值。

不同的氣象水文裝備，不同的故障部位，以及不同的故障現(xiàn)象所涉及的故障特征屬性也是不同的，即便是同一個(gè)特征屬性在裝備的不同分系統(tǒng)中，其在當(dāng)中的作用差異也很大。在裝備故障特征屬性的獲取過程中，系統(tǒng)采用專家咨詢?nèi)斯ぴO(shè)定的方式需要對(duì)此類裝備相當(dāng)熟悉并且經(jīng)驗(yàn)豐富的專家來設(shè)定權(quán)重。

3　案例組織

由于氣象水文裝備型號(hào)多樣，故障復(fù)雜，許多故障不可避免屬性有重合，如果直接利用帶權(quán)重的故障特征向量去匹配故障，需對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行遍歷，勢必會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行速度減慢，因而必須要設(shè)計(jì)一套高效的案例組織方法。根據(jù)氣象水文裝備本身組成，以及發(fā)生故障的層次性、相關(guān)性的特點(diǎn)，采用層狀結(jié)構(gòu)對(duì)故障案例庫進(jìn)行組織比較合適，通過分層可以按層索引有序地查找案例。結(jié)構(gòu)組織圖如圖3-1所示：

圖3-1　故障案例結(jié)構(gòu)組織圖

通過這樣的案例組織方，在裝備發(fā)生故障時(shí)案例檢索更加便捷快速，可先通過裝備表查找發(fā)生故障的裝備型號(hào)，然后在分機(jī)系統(tǒng)表中查找故障發(fā)生的分系統(tǒng)部位，再通過故障種類表中篩選同一類的相似故障，最后在關(guān)鍵特征表中進(jìn)行特征匹配。這樣一個(gè)分層索引的過程，大大縮小了特征匹配的范圍，提髙檢索的效率。

4　案例檢索

尋找與故障最相似的案例，是案例檢索的根本目的，最終為故障提供解決的方案。而檢索策略和采用的具體檢索算法將直接影響案例推理的診斷效能，能否從龐大的案例庫中準(zhǔn)確快速地檢索出與當(dāng)前故障相似的案例，是評(píng)價(jià)案例診斷系統(tǒng)效能的標(biāo)準(zhǔn)。

4.1K近鄰案例檢索

引入相似度這一度量來表示新故障案例與歷史案例之間的相似性，目前大多采用傳統(tǒng)的K近鄰法計(jì)算比較相似度。通常用歐氏距離來進(jìn)行案例間（即空間上兩個(gè)點(diǎn)）的相似度計(jì)算。

4.2算法改進(jìn)

1）加權(quán)K鄰近算法

由于氣象水文裝備的故障特征屬性的影響因子差異較大，因而在進(jìn)行K鄰近算法檢索時(shí)，需要將不同特征屬性對(duì)故障發(fā)生的影響表現(xiàn)出來，這兒通過改進(jìn)算法，在每個(gè)故障特征屬性前加入權(quán)重。改進(jìn)的歐氏距離相似度算法：

表5-1　故障排除方法

2)歸一化屬性改進(jìn)

則將原始屬性值轉(zhuǎn)化到[-1,1] 區(qū)間的函數(shù)為

5檢索策略

本文將氣象水文裝備案例庫分成4級(jí)案例庫：裝備級(jí)案例庫、分機(jī)系統(tǒng)案例庫、故障種類案例庫和子案例庫。案例多級(jí)檢索策略如下：第一級(jí)：通過人機(jī)界面定位需診斷的氣象水文裝備型號(hào)；第二級(jí)：繼續(xù)通過人機(jī)界面選擇裝備分機(jī)系統(tǒng)類別；第三級(jí)：在分機(jī)系統(tǒng)案例庫中檢索最相似的案例種類以及對(duì)應(yīng)的案例庫；第四級(jí)：在某種類故障案例庫中匹配故障特征屬性，檢索最相似的歷史案例。

基于案例推理的專家診斷系統(tǒng)為現(xiàn)場用戶提供了方便快捷和智能化的診斷服務(wù)，本節(jié)以某型數(shù)字化天氣雷達(dá)為例，論述案例推理的診斷過程，當(dāng)出現(xiàn)了如此的故障現(xiàn)象：“雷達(dá)未加高壓，22#參數(shù)報(bào)警”。用戶通過特征匹配，得到相應(yīng)的故障診斷結(jié)果，如表5-1所示：

6　結(jié)束語

本文就基于案例推理的智能診斷技術(shù)展開了深入的研究，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和檢索能力，對(duì)裝備故障進(jìn)行排除保障，并通過某型雷達(dá)驗(yàn)證了診斷結(jié)果，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、便捷、準(zhǔn)確的效果，在氣象裝備的測控和遠(yuǎn)程故障診斷領(lǐng)域具有較高的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張榮濤 復(fù)雜裝備遠(yuǎn)程智能監(jiān)測診斷與維護(hù)系統(tǒng)研究[D] 南京理工大學(xué).

[2] 鄭佩基于案例推理的故障診斷技術(shù)研究[D] 武漢：華中科技大學(xué)，2008

[3] 李建洋，陳雪云，劉蕙婷基于案例推理中案例表示的研究[J] 合肥學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007,7(3):26-29

[4] 黃文虎,夏松波設(shè)備故障診斷原理.技術(shù)及應(yīng)用[J] .北京科學(xué)出版社,

[5] 劉衛(wèi)平.基于INTERNET的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)研究[D] .南京航空航天大學(xué)碩士論文.2004-03-01

[6] 張浩.雷達(dá)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的研究[D] . 河海大學(xué).2007

Study on Fault Diagnosis Based on case based reasoning

Wu Tao,Liu Zhihua,Cao Ruiming
(Chinese PLA University of Science and Technology Nanjing,210000)

Abstract：Meteorological and hydrological equipment is distributed,openness,interoperability and scalability characteristics,using traditional methods of diagnosis and troubleshooting,has certain limitations.In this paper,the fault diagnosis method based on CBR,the establishment of case diagnosis model,the case representation and organization methods are discussed,the nearest neighbor algorithm fault query,and to a certain type of radar points system fault diagnosis is verified.

Keywords：meteorological and hydrological equipment;case based reasoning;nearest neighbor algorithm