基于案例推理的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷方法

韓云東, 周 明, 童 艷, 馬海瑞

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基于案例推理的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷方法

韓云東1, 周 明1, 童 艷2, 馬海瑞1

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院 裝備自動化系, 遼寧 大連, 116018; 2. 解放軍91550部隊, 遼寧 大連, 116023)

為了解決傳統(tǒng)的基于規(guī)則推理(RBR)方法存在的不足, 將基于案例推理(CBR)方法引入魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)中。闡述了案例推理的診斷策略, 重點(diǎn)描述了二級案例檢索策略及其算法, 進(jìn)而從案例描述、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程3個方面介紹了基于案例推理的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷方法設(shè)計, 并在VB6.0平臺上開發(fā)了故障診斷系統(tǒng), 最后通過具體的故障案例比較了RBR和CBR兩種方法。案例分析結(jié)果表明, 所開發(fā)的基于案例推理故障診斷系統(tǒng)能夠提高魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)維修的準(zhǔn)確性和高效性。

魚雷; 制導(dǎo)系統(tǒng); 故障診斷; 案例推理

0 引言

魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的信息決策和信息控制系統(tǒng), 隨著魚雷戰(zhàn)術(shù)性能的提高, 對實(shí)時性和可靠性的要求越來越高。因此, 如何提高魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷方法的正確性和高效性, 是當(dāng)前研究的一個重要方向[1-2]。目前, 針對魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)多采用基于規(guī)則推理(rule-based reasoning, RBR)的方法, 而RBR在進(jìn)行故障診斷時存在如下問題[3-6]: 1) 知識獲取困難, 是RBR方法的瓶頸問題; 2) 對復(fù)雜系統(tǒng)的推理速度較慢, 且搜索時會出現(xiàn)組合爆炸問題; 3) 專家知識表述規(guī)則化較難, 開發(fā)周期較長; 4) 無法解決超出規(guī)則范圍以外的問題; 5) 推理過程抽象, 不易理解等。

近幾年來, 面對RBR方法的局限, 基于相似性的推理越來越受到人們的重視, 從而出現(xiàn)了基于案例推理(case-based reasoning, CBR)的方法?；诎咐评矸椒ň哂泻喕R獲取、提高問題求解效率、改善求解質(zhì)量、進(jìn)行知識積累、案例知識易于理解等優(yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是人類認(rèn)知心理學(xué)理論和提供人類解決問題的一種認(rèn)知模型, 提供了與人類解決問題甚為近似的一種方法。因此, CBR方法可為魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷提供一條新途徑。

1 CBR的診斷策略

為了解決一個問題, 人們常常先從記憶的知識庫中尋找所有與新問題相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和知識, 然后把其中相關(guān)程度高的部分整合運(yùn)用到新問題的求解過程中, 這就是基于案例推理過程的求解原理。其基本思想是將求解具體問題時的條件、方法和結(jié)果以案例的形式存儲起來, 在求解新問題的時候從這些案例中找到最接近當(dāng)前問題的案例, 并對其進(jìn)行調(diào)整滿足新案例的要求。

魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的案例推理過程可以分為5個階段, 如圖1所示: 問題描述、案例檢索、案例重用、案例修訂和案例保留。

圖1 基于案例推理方法的工作原理圖

1) 問題描述: 是CBR系統(tǒng)的開始環(huán)節(jié), 用戶首先根據(jù)其對當(dāng)前問題的理解, 用系統(tǒng)可以識別的語言(模型)對問題進(jìn)行解釋和描述, 系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)生成結(jié)構(gòu)化的查詢案例, 作為檢索案例的起點(diǎn)。

2) 案例檢索: 案例是由多個屬性組成的, 根據(jù)新案例的屬性, 通過屬性匹配和相似度計算, 從魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)案例庫中檢索出與要求案例特征相似度最高的案例。

3) 案例重用: 一旦檢索到相似案例, 系統(tǒng)就根據(jù)本次案例的屬性, 調(diào)整、替換檢索到相似案例所提供的解決方案的某些參數(shù), 得到適合當(dāng)前魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)問題的建議方案。

4) 案例修正: 當(dāng)重用過程產(chǎn)生的方案或題解不準(zhǔn)確或者不完全適用于解決新問題的時候, 需要根據(jù)當(dāng)前問題的具體環(huán)境對其相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行修訂, 以適用于當(dāng)前問題。

5) 案例存儲: 將案例修正后的解決方案應(yīng)用到本次魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障維修中, 并對結(jié)果進(jìn)行評估, 通過對案例檢索及案例修正后所得到的案例進(jìn)行加工, 作為新案例存入案例庫, 案例庫規(guī)模由此不斷完善。

其中, 案例檢索方法是CBR診斷策略的核心, 直接決定著故障診斷的效率和準(zhǔn)確性。魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)采用的是二級案例檢索策略。第1級檢索根據(jù)故障征兆, 初步確定故障案例所屬的子系統(tǒng), 縮小檢索范圍; 第2級檢索則在子系統(tǒng)案例集中進(jìn)行最近鄰匹配, 查找相似度最高的案例。具體算法如下: 設(shè)故障案例和案例庫案例, 根據(jù)公式(1)求得兩者的相似度。其值越小, 表示與越相似, 對指導(dǎo)本次故障診斷越有效。

2 CBR故障診斷方法設(shè)計

將CBR技術(shù)應(yīng)用于魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷中, 應(yīng)根據(jù)CBR診斷策略, 完成案例描述設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作流程設(shè)計。

2.1 案例描述設(shè)計

案例描述就是對于過去已經(jīng)解決的問題及其解決方案的描述, 是構(gòu)造CBR系統(tǒng)最主要的問題, 也是案例檢索、案例重用、案例修正和案例存儲的基礎(chǔ), 其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容直接影響到故障診斷系統(tǒng)的效能。因?yàn)榛诎咐鉀Q問題的方法是通過回憶以前相似的問題得到解決方案, 所以案例的查詢和匹配過程需要在時間和效率上非常合理, 且解決的故障案例需要按規(guī)定格式保存在案例庫中, 因此就必須采用一定的方法將故障案例集成到案例庫中。

根據(jù)魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的故障特點(diǎn), 在故障診斷系統(tǒng)中采用基于屬性的案例描述方法, 即案例庫中的每個案例具有4個基本屬性: 故障基本信息、故障征兆、故障原因和維修對策。具體表示為一個5 D向量: Case={,,,,}, 式中(NO.)是故障案例編號, 是故障案例的唯一標(biāo)識符;(Information)是故障基本信息, 包括故障發(fā)生時間、地點(diǎn)等信息;(Phenomenon)是故障征兆, 描述了故障現(xiàn)象;(Causation)是故障原因, 給出了故障征兆的原因集合;(Maintain)是維修對策, 給出相應(yīng)的維修方法和策略。通過這4個屬性能夠完整描述一個故障案例的解決方案, 可直接用于解決以后相同或相似的故障, 因此, 基于屬性的案例描述方法能夠?qū)崿F(xiàn)高效的案例組織與深層領(lǐng)域知識的集成。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)由8個模塊組成(見圖2), 各模塊具有如下的功能和作用。

圖2 魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 人機(jī)界面, 是用戶和專家與故障診斷系統(tǒng)之間進(jìn)行交流的軟件界面。用戶將故障征兆輸入, 可得到相似度較高的案例, 指導(dǎo)用戶進(jìn)行故障維修。同時, 專家也可通過界面對綜合數(shù)據(jù)庫中的案例和知識信息進(jìn)行維護(hù)、管理。

2) 推理機(jī)模塊, 是魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)的核心模塊, 采用二級檢索策略: 第1級檢索是進(jìn)行分類檢索, 根據(jù)用戶輸入的分類信息確定案例所屬類別, 形成案例較少的待選案例集; 第2級檢索采用帶權(quán)值的近鄰法在待選案例集中進(jìn)行案例精確匹配, 尋找最佳案例, 形成維修建議, 并以診斷報告的形式提供給用戶。

3) 解釋機(jī)模塊, 充分利用知識庫中的信息, 解釋系統(tǒng)的推理過程和診斷步驟, 使用戶能夠全面、清晰地掌握推理的全過程。

4) 診斷信息獲取模塊, 利用專用檢測設(shè)備現(xiàn)場對魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的相關(guān)測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 結(jié)果通過人機(jī)界面送入綜合數(shù)據(jù)庫。

5) 診斷報告模塊, 將診斷結(jié)果以維修指導(dǎo)信息表的形式提供給用戶, 內(nèi)容包含案例號、建立時間、隸屬模塊、故障征兆、故障原因、故障對策、分析結(jié)果等。

6) 案例學(xué)習(xí)模塊, 是擴(kuò)充和更新案例庫的一種手段, 當(dāng)案例庫中已有相同的案例, 則被舍棄, 沒有則作為新案例獨(dú)立增加到案例庫中。

7) 綜合數(shù)據(jù)庫模塊, 是魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)的核心模塊, 包含案例庫、知識庫和黑板3個子模塊。其中案例庫記錄關(guān)于魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生各種案例的具體內(nèi)容; 知識庫用來存儲所有與魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)的資料信息; 黑板則是用來存放推理過程中的臨時運(yùn)算數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

8) 數(shù)據(jù)庫管理模塊, 是對魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)的子系統(tǒng)。領(lǐng)域?qū)＜一蛑R工程師通過人機(jī)接口進(jìn)入數(shù)據(jù)庫管理界面, 對綜合數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行增加、刪除、修改、更新等操作, 以保證數(shù)據(jù)內(nèi)容的準(zhǔn)確性和完備性。

2.3 工作流程設(shè)計

根據(jù)當(dāng)前案例的故障情況, 用戶通過人機(jī)接口將新案例的故障征兆信息輸入到系統(tǒng)中; 系統(tǒng)在案例庫中采用二級案例檢索策略進(jìn)行案例檢索, 尋找最佳案例, 若匹配成功則輸出指導(dǎo)案例, 若匹配不成功則根據(jù)故障征兆尋找相似案例, 形成相似指導(dǎo)案例; 系統(tǒng)根據(jù)新案例征兆信息, 結(jié)合知識庫知識, 對指導(dǎo)案例進(jìn)行案例修正, 形成指導(dǎo)信息表, 指導(dǎo)維修; 若問題成功排除, 說明案例已有, 則結(jié)束, 若問題沒能解決, 則進(jìn)行案例學(xué)習(xí), 并作為新案例保存到案例庫中。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4 故障診斷系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及案例分析

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文共收集了260多例魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際故障案例, 利用Access 2003建立了較為完整的魚雷故障案例庫。在此基礎(chǔ)上, 結(jié)合LabVIEW8.5和ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù), 在VB6.0平臺上開發(fā)了基于CBR的魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)。

3.2 案例分析

以魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生的“主動發(fā)射機(jī)不工作”故障為例進(jìn)行故障排查。

在傳統(tǒng)基于規(guī)則推理的專家系統(tǒng)中需將故障征兆“主動發(fā)射機(jī)不工作”輸入系統(tǒng), 按照已設(shè)定的排查規(guī)則, 經(jīng)過“檢查主動發(fā)射機(jī)工作指示燈是否閃爍?檢查電源指示燈是否亮?檢查電源模塊的輸入電壓是否正常?檢查輸出電壓是否正常?檢查電源變相模塊是否正常?檢查正電源穩(wěn)壓電路模塊?檢查濾波組件?檢查穩(wěn)壓集成塊”等8個步驟, 才能完成該故障的檢查。由于在診斷過程中必須按照既定規(guī)則逐步實(shí)施, 易發(fā)生因某一環(huán)節(jié)無法完成而導(dǎo)致故障無法診斷; 且因無法掌握整個故障排查過程, 而導(dǎo)致推理過程抽象, 不易理解等問題。

而在基于CBR的故障診斷系統(tǒng)中, 按照圖4所示的工作流程, 只需將征兆信息輸入系統(tǒng), 就能得到案例庫中關(guān)于該故障征兆一個完整的指導(dǎo)信息表, 包括案例發(fā)生背景、故障征兆、故障原因、故障對策、案例相似度等信息, 如表1所示。

表1 指導(dǎo)信息表

根據(jù)指導(dǎo)信息表提供的信息, 結(jié)合知識庫提供的電氣原理圖、外觀圖、檢測方法等資料, 對電源組件進(jìn)行故障排查, 發(fā)現(xiàn)正電源穩(wěn)壓電路故障, 關(guān)機(jī)檢查, 發(fā)現(xiàn)正電源穩(wěn)壓模塊失效, 更換穩(wěn)壓集成塊后成功排除故障。

由于該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對某系列魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場裝備檢測、故障案例檢索、CBR推理、指導(dǎo)維修報告、數(shù)據(jù)庫管理、新案例學(xué)習(xí)等功能, 且診斷效率較高, 準(zhǔn)確性好, 現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到多個魚雷維修保障單位。

4 結(jié)束語

本文將基于案例推理技術(shù)應(yīng)用到魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)開發(fā)中, 有效解決了傳統(tǒng)基于規(guī)則推理方法存在的不足。在詳細(xì)闡述了CBR診斷策略和CBR故障診斷方法設(shè)計的基礎(chǔ)上, 在VB6.0平臺上開發(fā)了基于CBR的魚雷制導(dǎo)故障診斷系統(tǒng)。案例分析結(jié)果表明, 系統(tǒng)能夠根據(jù)故障征兆進(jìn)行案例推理, 給出指導(dǎo)信息, 輔助維修, 提高魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)維修的準(zhǔn)確性和高效性, 同時為魚雷制導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷提供了一條新途徑。

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Fault Diagnosis Method of Torpedo Guidance System Based on Case-based Reasoning

HAN Yun-dong1, ZHOU Ming1, TONG Yan2, MA Hai-rui1

(1. Department of Equipment Automation Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. 91550thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116023, China)

To overcome the shortcomings of traditional rule-based reasoning(RBR), this study introduced case-based reasoning (CBR) into torpedo guidance fault diagnosis system. The diagnosis strategy of CBR was analyzed, and the two-level case retrieval mechanism and the algorithm were explained. The design of the torpedo guidance fault diagnosis system based on CBR was particularly described from three aspects, i.e., description of case, structure of diagnosis system, and process of working flow. And this system was developed with VB6.0. Fault case analysis shows that the proposed system can enhance the efficiency and correctness of fault diagnosis of torpedo guidance system.

torpedo; guidance system; fault diagnosis; case-based reasoning

TJ630.6; TP181

A

1673-1948(2012)02-0129-05

2011-04-12;

2011-05-20.

海軍大連艦艇學(xué)院2008年重點(diǎn)資助項目(2008DLJY005).

韓云東(1977-), 男, 在讀博士, 講師, 主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)、故障診斷技術(shù)的教學(xué)和研究.

(責(zé)任編輯: 許 妍)