姜會(huì)霞，范書義，魏保華，王 成

(軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，石家莊 050003)

面向服務(wù)的AI-ESTATE故障診斷系統(tǒng)建模

姜會(huì)霞，范書義，魏保華，王 成

(軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，石家莊 050003)

測(cè)試和診斷的融合可以提高武器系統(tǒng)的維護(hù)效率，但是隨著武器裝備的升級(jí)改造就帶來了原有的診斷知識(shí)難共享、診斷推理軟件難以互操作、難重用，診斷功能難擴(kuò)展的問題；AI-ESTATE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化描述和診斷推理機(jī)的服務(wù)接口，為知識(shí)互換和軟件可移植提供了條件；論文研究了面向服務(wù)的AI-ESTATE開放式故障診斷系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和信息傳遞模式，分析了推理機(jī)模型管理服務(wù)和互操作服務(wù)；然后運(yùn)用靜態(tài)診斷模型服務(wù)關(guān)系圖和UML時(shí)序圖分析了AI-ESTATE服務(wù)在診斷模型編輯、索引等功能實(shí)現(xiàn)中的交換流程，運(yùn)用動(dòng)態(tài)診斷模型的UML時(shí)序圖分析了AI-ESTATE互操作服務(wù)在故障診斷系統(tǒng)運(yùn)行中推理機(jī)與其它組件的動(dòng)態(tài)交互過程，為開放式AI-ESTATE智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

AI-ESTATE;服務(wù);診斷系統(tǒng);建模

0 引言

隨著武器裝備性能的不斷升級(jí)改造，其測(cè)試診斷系統(tǒng)也必須不斷的改進(jìn)提高。然而原有的測(cè)試與診斷系統(tǒng)與武器裝備的性能特征緊密的耦合在一起，引起了武器系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)必須重新開發(fā)診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、成本高[1]。因此新的測(cè)試診斷方法無縫鏈接原有的系統(tǒng)、診斷知識(shí)與數(shù)據(jù)共享、診斷推理軟件可移植、可重用，則成為解決上述問題的關(guān)鍵。IEEE1232 標(biāo)準(zhǔn)AI-ESTATE(artificial intelligence exchange and service tie to all test environments，全測(cè)試環(huán)境人工智能交換與服務(wù))通過規(guī)范診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化描述和診斷推理機(jī)的服務(wù)為測(cè)試和診斷的分離、知識(shí)共享和診斷推理機(jī)重用提供了方法[2-3]。

AI-ESTATE采用面向服務(wù)的思想，規(guī)范了診斷推理機(jī)提供給其它組件的診斷服務(wù)。通過服務(wù)，診斷推理機(jī)組件給測(cè)試系統(tǒng)、用戶、維修系統(tǒng)等提供推理邏輯。AI-ESTATE診斷推理機(jī)組件可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以和其它組件通過服務(wù)共同完成一項(xiàng)任務(wù)。AI-ESTATE系統(tǒng)通過服務(wù)實(shí)現(xiàn)AI-ESTATE功能組件的互用性和互操作性。因此這些服務(wù)在系統(tǒng)中的功能和實(shí)現(xiàn)方法對(duì)AI-ESTATE系統(tǒng)的建模分析具有重要的作用。

選用的故障診斷方法不同，診斷過程也不同，相應(yīng)使用的AI-ESTATE服務(wù)的類型也不同。即使對(duì)于同一類診斷方法采用的測(cè)試和診斷序列的不同，包含的服務(wù)類型也不同。最典型的如按照對(duì)信號(hào)利用的流程角度劃分為診斷測(cè)試方式和測(cè)試后診斷方式。診斷測(cè)試的方式是指為了實(shí)現(xiàn)診斷推理的目標(biāo)而進(jìn)行的由診斷流程指導(dǎo)測(cè)試，使測(cè)試程序按需動(dòng)態(tài)進(jìn)行的方法；測(cè)試后診斷則是指將全部的測(cè)試進(jìn)行完畢，然后依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合診斷。為了說明AI-ESTATE服務(wù)在診斷過程中的作用，論文以典型類型的診斷過程和環(huán)境為例，采用UML建模方法對(duì)面向服務(wù)的AI-ESTATE診斷系統(tǒng)建模，為開放式AI-ESTATE診斷系統(tǒng)的軟件開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 AI-ESTATE故障診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

AI-ESTATE標(biāo)準(zhǔn)面向構(gòu)建開放式故障診斷系統(tǒng)，規(guī)范了智能診斷域中診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化描述，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試與診斷服務(wù)接口，通過使用問題封裝、定義接口邊界、開發(fā)信息交換機(jī)制和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，從而確保不同的診斷推理系統(tǒng)能夠相互兼容、相互操作，測(cè)試診斷知識(shí)可共享、可移植。在AI-ESTATE兼容的診斷系統(tǒng)中，診斷知識(shí)、測(cè)試、維修、診斷推理、診斷用戶及被測(cè)或被診斷對(duì)象均被分離，各單元僅是系統(tǒng)的一個(gè)組件，組件與組件之間通過服務(wù)進(jìn)行信息交互和操作，如圖1所示。

圖1 面向服務(wù)的AI-ESTATE故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中所有的子系統(tǒng)采用組件模式并通過服務(wù)掛接在軟總線上，進(jìn)行信息的交互和操作。各個(gè)組件均保持一定的功能獨(dú)立性，組件內(nèi)部的變化不會(huì)影響其它組件的運(yùn)行和使用。該結(jié)構(gòu)將測(cè)試程序獨(dú)立在一個(gè)應(yīng)用程序中，使整個(gè)系統(tǒng)的TPS(測(cè)試程序集)變的更小更模塊化。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)、推理系統(tǒng)等升級(jí)改變時(shí)不會(huì)引起其它程序的變化。診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)采用AI-ESTATE標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型描述的方法進(jìn)行規(guī)范，使得診斷知識(shí)在全系統(tǒng)內(nèi)具有一致性和無疑義性，滿足了知識(shí)的共享和交換要求。因此面向服務(wù)的AI-ESTATE故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試與診斷的分離，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)和數(shù)據(jù)的共享與重用。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)間的可移植性和互操作性，AI-ESTATE規(guī)范了推理機(jī)組件的接口形式，每個(gè)推理機(jī)都通過規(guī)范的封裝服務(wù)與其它組件進(jìn)行交互。這些服務(wù)的封裝定義促進(jìn)了系統(tǒng)的可交換性，使得診斷推理機(jī)與遵循AI-ESTATE的系統(tǒng)間的互換而不影響系統(tǒng)的其他單元。另外封裝服務(wù)的定義提出了一個(gè)隱藏具體推理機(jī)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的概念。這些服務(wù)包含了對(duì)所有診斷推理機(jī)共有行為的抽象，而不會(huì)理會(huì)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。因此，封裝機(jī)制提供了遵循AI-ESTATE系統(tǒng)的診斷推理系統(tǒng)間的可交換性，減少了系統(tǒng)表現(xiàn)的復(fù)雜性。

2 AI-ESTATE推理機(jī)服務(wù)

AI-ESTATE2002通過規(guī)范模型管理服務(wù)和推理機(jī)互操作服務(wù)以實(shí)現(xiàn)診斷知識(shí)的共享和推理機(jī)軟件的互操作、可移植，如圖2所示。

圖2 AI-ESTATE推理機(jī)的規(guī)范服務(wù)

模型管理服務(wù)使推理機(jī)可以提供給用戶對(duì)AI-ESTATE診斷信息模型進(jìn)行實(shí)體創(chuàng)建、屬性設(shè)置、屬性查詢等功能接口。該類服務(wù)滿足了診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)共享和重用的同時(shí)還可以在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上根據(jù)診斷環(huán)境或?qū)ο蟮牟煌M(jìn)行改造，從而使得知識(shí)具有了擴(kuò)展性。推理機(jī)互操作服務(wù)使推理機(jī)可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行診斷模型的加載和診斷過程的控制，并允許用戶對(duì)診斷過程中的狀態(tài)進(jìn)行查詢或人工操作，也可以向維護(hù)系統(tǒng)提供診斷結(jié)果、維修建議和維修成本評(píng)估等。推理系統(tǒng)互操作服務(wù)實(shí)現(xiàn)了推理機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)等組件的信息交互和互操作，而不會(huì)影響推理機(jī)內(nèi)部的變化，滿足了測(cè)試與診斷分離的需求。這些服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范使得推理機(jī)主要滿足對(duì)外接口要求就能夠無縫鏈接到任何診斷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了推理軟件的可移植。通過這兩種服務(wù),AI-ESTATE兼容的智能診斷系統(tǒng)不僅可以對(duì)靜態(tài)故障診斷信息模型進(jìn)行操作和管理，還可以對(duì)模型的動(dòng)態(tài)過程實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管理[4-6]。診斷推理機(jī)只通過服務(wù)與其它組件進(jìn)行交互，當(dāng)推理機(jī)變化時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序的執(zhí)行，從而可以更好的進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)。因此服務(wù)是推理機(jī)與其它組件進(jìn)行信息交互的關(guān)鍵和唯一通道，也是保證整個(gè)推理系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

3 靜態(tài)模型的AI-ESTATE服務(wù)建模

靜態(tài)模型是指描述各種診斷方法和知識(shí)的靜態(tài)信息模型，也就是各種診斷信息模型如故障樹診斷信息模型、貝葉斯診斷信息模型等。

故障樹診斷方法是典型的診斷測(cè)試方式的代表。當(dāng)故障樹診斷被用戶激發(fā)后，推理機(jī)將按照名稱索引的方式將對(duì)應(yīng)的診斷模型從知識(shí)庫(kù)中裝載，并將其設(shè)置動(dòng)態(tài)模式，即可以對(duì)模型進(jìn)行操作。首先由推理機(jī)得到要進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)TPS執(zhí)行UUT測(cè)試；測(cè)試結(jié)束后推理機(jī)獲取測(cè)試結(jié)果；然后根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行診斷推理判斷，如果得到了診斷結(jié)論則診斷過程結(jié)束，否則進(jìn)行下一步的推理過程。故障被隔離后，如果需要進(jìn)行模型設(shè)置則可以通過put服務(wù)進(jìn)行診斷模型的修改，修改后通過save服務(wù)保存模型。對(duì)該診斷過程中，AI-ESTATE服務(wù)在各組件中的相互作用關(guān)系如圖3所示。

當(dāng)用戶選擇好模型后，調(diào)用測(cè)試診斷平臺(tái)組件的load model接口；通過推理機(jī)提供的AI-ESTATE load_model服務(wù)將故障樹診斷模型FTM.XML裝載到推理機(jī)中，如果選擇的模型已經(jīng)被裝載到推理機(jī)中，則返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼OPERATION_OUT_OF_SEQUENCE；如果裝載模型的路徑不正確則返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼MISSING_OR_INVALID_ARGUMENT；裝載項(xiàng)目正確則模型裝載成功。裝載模型后平臺(tái)用戶調(diào)用Execute Model接口啟動(dòng)故障樹模型的診斷；通過模型的引擎進(jìn)入到故障樹診斷的循環(huán)過程中：首先執(zhí)行獲取故障樹測(cè)試步驟，調(diào)用推理機(jī)的AI-ESTATE get_test_setp服務(wù)從模型中得到要執(zhí)行的診斷項(xiàng)目；Perform Test命令利用得到的指定測(cè)試項(xiàng)目信息驅(qū)動(dòng)TPS執(zhí)行相應(yīng)的UUT測(cè)試；推理機(jī)通過get test_result服務(wù)獲取UUT執(zhí)行測(cè)試后的實(shí)際測(cè)試結(jié)果并利用診斷模型中的信息進(jìn)行推斷，如果要求進(jìn)行進(jìn)一步的診斷則再次進(jìn)入下一個(gè)診斷循環(huán)，否則得到診斷結(jié)論并停止診斷。平臺(tái)用戶在診斷過程結(jié)束后可以通過AI-ESTATE get_diagnosis服務(wù)獲取診斷結(jié)論。故障被隔離后，可以通過AI-ESTATE put_diagnosis服務(wù)進(jìn)行模型的設(shè)置，AI-ESTATE save_model則將修改后的模型保存至模型存儲(chǔ)介質(zhì)。該診斷過程主要涉及到AI-ESTATE模型管理類的的get、put服務(wù)，推理機(jī)操作服務(wù)類的load_model和save_model服務(wù)，其診斷過程的UML順序圖如圖4所示[7]。

圖3 診斷測(cè)試方式的AI-ESTATE服務(wù)關(guān)系圖

上述模型操作過程中，如果測(cè)試數(shù)據(jù)不是單步獲取的而是全部測(cè)試完畢后進(jìn)行診斷的，則診斷過程中不需要獲取測(cè)試服務(wù)驅(qū)動(dòng)UUT測(cè)試，而只需要獲取知識(shí)庫(kù)中的測(cè)試結(jié)果后根據(jù)推理策略進(jìn)行故障診斷。因此在該診斷系統(tǒng)中與測(cè)試系統(tǒng)的執(zhí)行是完全隔離的。以上通過典型的故障樹診斷方法在AI-ESTATE系統(tǒng)中的應(yīng)用，描述了診斷模型和推理機(jī)、推理機(jī)和系統(tǒng)其它組件的服務(wù)調(diào)用關(guān)系。除了上述模型診斷中涉及的模型管理服務(wù)、診斷推理互操作服務(wù)之外，AI-ESTATE為了支持維修、保障，還提供了使用戶完全理解診斷過程的各種狀態(tài)信息的服務(wù)。

圖4 診斷測(cè)試方式AI-ESTATE模型管理服務(wù)順序圖

4 動(dòng)態(tài)模型的AI-ESTATE服務(wù)建模

AI-ESTATE動(dòng)態(tài)上下文模型(DCM)規(guī)范了各種實(shí)體捕獲診斷上下文中的各種動(dòng)態(tài)信息。DCM使AI-ESTATE兼容的推理機(jī)具有了一些重要的功能。這些功能與診斷序列中每一步的推理過程的狀態(tài)有關(guān)。因此DCM與靜態(tài)的FTM不同，它的知識(shí)和數(shù)據(jù)是在診斷序列中實(shí)時(shí)創(chuàng)建的。整個(gè)DCM記錄的信息主要分為四類。一是診斷過程中的各種狀態(tài)信息，該信息與實(shí)際的診斷序列有關(guān)，是一個(gè)實(shí)時(shí)變化動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的信息；二是整個(gè)系統(tǒng)的配置信息，如各種測(cè)試資源信息、測(cè)試條件信息等；三是診斷系統(tǒng)的日志信息，該信息記錄了有關(guān)系統(tǒng)的各種歷史信息，包括診斷歷史、診斷時(shí)間、維修歷史等；四是診斷系統(tǒng)說明信息，如生產(chǎn)廠商對(duì)系統(tǒng)的操作說明、版本信息、警告等。在此重點(diǎn)說明DCM的診斷動(dòng)態(tài)信息的形成。診斷序列可以表示為一系列的診斷步驟，每個(gè)診斷步驟可以執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)測(cè)試。DCM所記錄的狀態(tài)就是每個(gè)執(zhí)行步驟的狀態(tài)信息，包括：當(dāng)前使用的模型、與活動(dòng)模型相關(guān)的各種資源、與活動(dòng)模型相關(guān)的各種測(cè)試、與活動(dòng)模型相關(guān)的各種診斷、當(dāng)前故障前提條件以及各種實(shí)際的測(cè)試信息和測(cè)試結(jié)果]。

由于在AI-ESTATE診斷過程中DCM要實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)所發(fā)生的任何信息和狀態(tài)的變化，因此它必然要和系統(tǒng)中的平臺(tái)、診斷信息模型、推理機(jī)、測(cè)試系統(tǒng)等發(fā)生交互。以AI-ESTATE故障樹診斷系統(tǒng)為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說明，其部分時(shí)序圖如圖5所示。

當(dāng)用戶采用主動(dòng)方式或根據(jù)測(cè)試結(jié)果判定啟動(dòng)裝備診斷后，診斷系統(tǒng)首先創(chuàng)建DCM實(shí)體為各種信息的記錄做好準(zhǔn)備；診斷平臺(tái)裝載模型，并通過推理機(jī)服務(wù)load_model將故障樹信息模型加載到診斷過程中；推理機(jī)通過creat_step服務(wù)創(chuàng)建DCM的診斷步驟實(shí)體，以記錄每個(gè)診斷步驟的狀態(tài)；creat_active_model服務(wù)創(chuàng)建當(dāng)前活動(dòng)模型的實(shí)體；put_availability設(shè)置活動(dòng)模型的適用性，表明當(dāng)前模型是可用的；put_corresponds_to服務(wù)將當(dāng)前裝載的故障樹模型設(shè)置為可用的活動(dòng)模型并指出其要求的上下文，從而完成裝載模型活動(dòng)系統(tǒng)所涉及到的各種信息；平臺(tái)通過Execute_model服務(wù)啟動(dòng)診斷過程；推理機(jī)通過get_test_step服務(wù)獲取故障樹模型中的執(zhí)行測(cè)試的信息；creat_active_test服務(wù)和put_corresponds_to服務(wù)用于創(chuàng)建DCM活動(dòng)的測(cè)試實(shí)體，表明在給定步驟下推理機(jī)使用的測(cè)試信息；Perform_test服務(wù)激勵(lì)測(cè)試系統(tǒng)TPS實(shí)施對(duì)UUT的測(cè)試；creat_active_action服務(wù)、put_corresponds_to服務(wù)、put_time_incurred服務(wù)描述在該診斷過程中執(zhí)行的測(cè)試行為和測(cè)試時(shí)間；之后推理機(jī)通過get_actual_test_result服務(wù)獲取測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，同時(shí)推理機(jī)通過put_actual_outcome服務(wù)將該信息記錄在DCM中；之后故障樹推理機(jī)根據(jù)測(cè)試信息和模型信息進(jìn)行推理，完成一個(gè)診斷步驟；并通過creat_session、put_trace等服務(wù)將該診斷步驟信息記錄在DCM中。

需要指出的是并不是所有的診斷系統(tǒng)都必須建立DCM，

圖5 具有DCM的FTM故障診斷部分順序圖

但是它給用戶提供了理解診斷實(shí)施過程的手段。

通過以上診斷模型的建模分析可知，AI-ESTATE服務(wù)是與測(cè)試診斷環(huán)境無關(guān)，但是模型管理服務(wù)類是推理機(jī)操作服務(wù)類的基礎(chǔ)，也是診斷系統(tǒng)必然要使用的服務(wù)；而對(duì)于推理機(jī)操作服務(wù)則因?yàn)橄到y(tǒng)需求的不同而使用的服務(wù)會(huì)有很大的不同，特別是當(dāng)不需要記錄診斷系統(tǒng)的各種過程信息、狀態(tài)信息時(shí)，使用的服務(wù)一般僅涉及l(fā)oad、estimated類等服務(wù)。

5 總結(jié)

在武器裝備不斷升級(jí)改造、保障手段不斷提高的情況下，知識(shí)共享、軟件可移植、互操作成為新的測(cè)試診斷系統(tǒng)的開發(fā)和升級(jí)的有效方法。面向服務(wù)的AI-ESTATE故障診斷系統(tǒng)規(guī)范封裝服務(wù)使推理機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)化，提高了系統(tǒng)間可移植性和互操作性。AI-ESTATE規(guī)范了模型管理服務(wù)和診斷知識(shí)信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化描述，實(shí)現(xiàn)了診斷知識(shí)的一致性描述，使得診斷知識(shí)和數(shù)據(jù)可共享；通過定義推理機(jī)的互操作服務(wù)使得AI-ESTATE兼容的故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試與診斷的分離，使得推理機(jī)軟件得以互操作、可移植?；赨ML的服務(wù)關(guān)系圖和順序圖進(jìn)一步的說明了AI-ESTATE推理系統(tǒng)互操作服務(wù)、模型管理服務(wù)在故障診斷靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型中的作用，為開放式AI-ESTATE智能診斷系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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Service-Oriented AI-ESTATE Fault Diagnosis System Modeling

Jiang Huixia, Fan Shuyi, Wei Baohua, Wang Cheng

(Missile Engineering Department ,Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,China)

The combination of test and diagnosis can improve the support efficiency of weapon system. But it brings forth the difficulty of sharing diagnosis knowledge, poor reasoner software interoperability and reuse, and low extendibility of the diagnosis system when weapon equipments are changed. AI-ESTATE standard provides the formal diagnosis knowledge and data specification to facilitate the exchange of diagnosis information, defines the diagnostic reasoner interface using services to facilitate the portability. The system framework and the communication mode of Service-oriented open AI-ESTATE diagnostic system is researched in the paper. Then model management services and reasoner manipulation services are analyzed. The services Relationship and UML sequence diagram of Static diagnostic model are applied to represent the exchange flow of AI-ESTATE service in the process of editing diagnostic model ,index model attribute and the like. UML sequence diagram of dynamic context model is applied to represent the dynamic function of reasoner manipulation services between reasoner and other components in the running of diagnostic system. These analyses of AI-ESTATE services can provide basis model for the development of open AI-ESTATE diagnostic system.

AI-ESTATE； service；diagnostic system； modeling

2016-10-05；

2016-11-24。

姜會(huì)霞(1975-)，女，講師，博士，主要從事故障診斷，軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0015-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.005

TP273

A