飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)研究

莊緒巖+徐亞軍+包勇

摘 要： 針對飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷的現(xiàn)狀，為提高故障診斷的效率提出利用專家系統(tǒng)開發(fā)工具CLIPS建立飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)。以西銳SR20飛機(jī)的電源系統(tǒng)為診斷對象，采用CLIPS為開發(fā)工具建立知識庫、推理機(jī)。利用Eclipse開發(fā)環(huán)境編寫專家系統(tǒng)人機(jī)界面程序，通過嵌入CLIPS JNI插件實(shí)現(xiàn)Java程序?qū)LIPS程序的調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)包括知識庫、推理機(jī)、人機(jī)界面等模塊在內(nèi)的專家系統(tǒng)整體性能。最后闡述了專家系統(tǒng)在故障診斷領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 故障診斷； 專家系統(tǒng)； 人工智能； 人機(jī)界面

中圖分類號： TN99?34； TP182 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0117?04

Study on fault diagnosis expert system for aircraft power?supply system

ZHUANG Xu?yan， XU Ya?jun， BAO Yong

（Civil Aviation Flight University of China， Guanghan 618307， China）

Abstract： In view of the present situation of fault diagnosis for the aircraft power?supply system， the fault diagnosis expert system for aircraft power?supply system， which is built up with expert system development tool CLIPS， is put forward to improve the efficiency of fault diagnosis for the aircraft power?supply system. The power?supply system of Cirrus SR20 is chosen as diagnosis object. CLIPS is adopted as a development tool to build up knowledge base and inference engine. The man?machine interface programs are compiled by means of Eclips. The embedded CLIPS JNI is used for Java program to call CLIPS program. The total performances of the expert system， including knowledge base， inference engine and man?machine interface are completed ultimately. The broad application prospect of the fault diagnosis expert system is elaborated at the end of the paper.

Keywords： fault diagnosis； expert system； AI； man?machine interface

0 引 言

飛機(jī)電源系統(tǒng)作為整個飛機(jī)的“血液系統(tǒng)”在飛機(jī)的整個運(yùn)作過程中起到非常重要的作用，如果電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障將影響到其他系統(tǒng)的正常工作，從而導(dǎo)致整個飛機(jī)系統(tǒng)的癱瘓。隨著機(jī)載用電設(shè)備增多， 飛機(jī)電源系統(tǒng)的地位愈顯的重要，電源系統(tǒng)中的任何故障如果不能及時檢出并得到糾正， 故障就可能進(jìn)一步擴(kuò)大， 致使上層系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化， 影響飛行任務(wù)執(zhí)行， 甚至危及飛行安全[1]。建立一整套完備的飛機(jī)電源系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)對于飛機(jī)的排故以及飛機(jī)的安全飛行是非常必要的。

專家系統(tǒng)（ES）作為人工智能最重要和最廣泛的一個應(yīng)用研究領(lǐng)域，它能夠以人類專家的水平完成特別困難的某一專業(yè)領(lǐng)域的任務(wù)。在過去30多年中專家系統(tǒng)取得了很大進(jìn)展，其基礎(chǔ)理論研究不斷深入，并有所創(chuàng)新[2]。在故障診斷領(lǐng)域，專家系統(tǒng)作為一種故障診斷方法已被廣泛使用，它是一個具有豐富的專門領(lǐng)域知識的計算機(jī)程序，它應(yīng)用人工智能技術(shù)， 根據(jù)專家提供的知識及其推理能力， 模仿人類專家決策的思維過程， 解決原本需要由專家才能解決的復(fù)雜問題[2?3]。本文參考了大量文獻(xiàn)，著作，在前人研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究，研究的主要思路是采用CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，建立專家系統(tǒng)底層文件，通過Eclipse開發(fā)平臺、Java編程語言編寫專家系統(tǒng)的人機(jī)界面程序，通過界面的控件調(diào)用執(zhí)行CLIPS程序，從而實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)故障診斷的功能。

1 專家系統(tǒng)

1.1 概 述

專家系統(tǒng)是用來對人類專家的問題求解能力建模的一種計算機(jī)程序，可以根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境和所執(zhí)行任務(wù)的不同選擇合理的專家結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，直接關(guān)系到專家系統(tǒng)的適用性和效率[4]。

專家系統(tǒng)作為人工智能一個重要的分支是在20世紀(jì)60 年代初期產(chǎn)生并發(fā)展起來的一門新興的應(yīng)用科學(xué)， 而且正隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而日臻完善和成熟[5]。

專家系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、知識庫、解釋機(jī)、推理機(jī)、工作內(nèi)存等組成，其中人機(jī)界面是用戶與專家系統(tǒng)之間的通信機(jī)制；知識庫是專家系統(tǒng)包含領(lǐng)域知識的部分；工作內(nèi)存是專家系統(tǒng)包含執(zhí)行任務(wù)時發(fā)現(xiàn)的問題事實(shí)的部分；推理機(jī)是專家知識的處理器，它將工作內(nèi)存中的事實(shí)與知識庫中的領(lǐng)域知識相匹配，以得出問題的結(jié)論。一個簡化專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示。

圖1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)求解問題的性質(zhì)不同專家可分為解釋專家系統(tǒng)、診斷專家系統(tǒng)、設(shè)計專家系統(tǒng)、控制專家系統(tǒng)等。據(jù)調(diào)查顯示每4個以建造的專家系統(tǒng)中就有一個是作用于診斷活動[6]。本文所設(shè)計的專家系統(tǒng)就是以飛機(jī)故障診斷為目的的，故障診斷專家系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：

（1） 能夠了解被診斷對象各組成部分的特性以及聯(lián)系；

（2） 能夠區(qū)分一種現(xiàn)象及其所掩蓋的另一種現(xiàn)象；

（3） 能夠向用戶提出測量數(shù)據(jù)，并從不確切信息中得出盡可能正確的診斷。

1.2 開發(fā)流程

專家系統(tǒng)的開發(fā)過程不同于傳統(tǒng)的程序開發(fā)設(shè)計，因為其問題通常沒有算法去求解，而是通過推理來獲取一個合理的解決方法，其開發(fā)的一般步驟如下。首先，知識工程師通過與專家進(jìn)行對話而獲取專家知識，然后知識工程師將知識編碼到知識庫中，隨后專家評估系統(tǒng)并返回意見給知識工程師。專家系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 專家系統(tǒng)開發(fā)流程

2 專家系統(tǒng)設(shè)計

2.1 CLIPS開發(fā)工具

飛機(jī)電源故障診斷專家系統(tǒng)是由CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)工具開發(fā)。CLIPS（C Language Integrated Production System）是一種多范例編程語言，它支持基于規(guī)則的、面向?qū)ο蟮暮兔嫦蜻^程的編程。在語法方面，CLIPS規(guī)則與Eclipse、CLIPS/R2和Jess語言的規(guī)則極為相似。由于CLIPS具有可移植性，所以，它可以安裝在多種類型的計算機(jī)上，從PC機(jī)到CRAY超級計算機(jī)都有。同樣，由于CLIPS是由C語言開發(fā)而來，從而用CLIPS開發(fā)的程序也具有很強(qiáng)的移植能力，可以將CLIPS編寫的專家系統(tǒng)運(yùn)行在PC機(jī)上，也可以運(yùn)行在移動設(shè)備上。

2.2 創(chuàng)建CLIPS專家診斷系統(tǒng)

2.2.1 診斷對象

本文所選擇的故障診斷對象是西銳SR20飛機(jī)電源系統(tǒng)，該機(jī)型電源系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 電源系統(tǒng)原理圖

該電源系統(tǒng)主要故障是發(fā)電機(jī)故障，蓄電池故障，外部電源故障，以及電路保護(hù)系統(tǒng)故障等。

2.2.2 專家系統(tǒng)的建立

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)里的知識被定義為由事實(shí)激發(fā)而產(chǎn)生新的事實(shí)或結(jié)論的規(guī)則，其中知識表示（Knowledge representation，KR）在專家系統(tǒng)中具有非常重要的作用[6]。首先，專家系統(tǒng)是專為某一類基于邏輯（Rule of Logic）即推理的知識表示設(shè)計，通常是根據(jù)推理理解從事實(shí)中得出結(jié)論，由于人們并不擅長推理，從而可以借助專家系統(tǒng)中的知識庫以及推理功能輕松的得出有效的結(jié)論或者方法。 其次，知識的表示影響到專家系統(tǒng)的開發(fā)、效率、速度和維護(hù)。

（1） 建立知識模板

在建立模板以及建立知識庫時都是按照對象?屬性?值（Object?Attribute?Value triple，OAV）三元組思想建立的。1#發(fā)電機(jī)OAV表見表1。

根據(jù)表1可以建立一個發(fā)電機(jī)ALT1的知識模板（框架），具體CLIPS程序代碼舉例如下：

（deftemplate part

（slot name）

（slot output

（allowed?values normal low high）（default normal））

（slot switch （allowed?values on off）（default on））

（slot circuit?breaker

（allowed?values activated nonactivated）（default nonactivated））

（slot previous?part）

（slot question）

（slot engagement

（allowed?values engaged disengaged）

（default disengaged）））

表1 發(fā)電機(jī)OAV表

[對象＼&屬性＼&值＼&默認(rèn)值＼&

Part＼&Name＼&ALT1＼&＼&Output＼&high＼&

normal＼&normal＼&low＼&Switch＼&on＼&on＼&0ff＼&Circuit?breaker＼&activated＼&nonactivated＼&nonactivated＼&Previous?part＼&VOLT REG＼&＼&Question＼&Is it work normal ？＼&＼&engagement＼&engaged＼&disengaged＼&disengaged＼&]

（2） 建立知識庫

根據(jù)前一步建立的模版創(chuàng)建知識庫，具體CLIPS代碼舉例如下：

（deffacts Part?information

（part （name ALT1）

（previous?part A/C?BUS?1）

（question " Does ALT1 work normal ？"））

（part （name ALT?2）

（previous?part ESSENTIAL?BUS?2）

（question " Does ALT1 work normal ？"））

………）

（3） 推理機(jī)

完成前兩步的工作后便可以著手創(chuàng)建推理機(jī)來實(shí)現(xiàn)具體的推理功能。本文專家系統(tǒng)的推理機(jī)是由一系列規(guī)則（rules）及函數(shù)（functions）組成，規(guī)則的一般結(jié)構(gòu)是這樣的，模式條件=>動作。其中等號和箭頭左邊的是條件部分，條件可以是一個或多個組成，當(dāng)左邊條件滿足時就會執(zhí)行箭頭后面的動作部分。其內(nèi)部匹配算法采用Rete算法，如圖4所示。

在Rete網(wǎng)絡(luò)中主要有Root節(jié)點(diǎn)、Alpha節(jié)點(diǎn)和Beta節(jié)點(diǎn)三種類型節(jié)點(diǎn)，其中Alpha節(jié)點(diǎn)包含一個輸入和一個存儲區(qū)，Beta節(jié)點(diǎn)包含兩個輸入和兩個存儲區(qū)，Beta存儲區(qū)和Alpha存儲區(qū)。

圖4 Rete網(wǎng)絡(luò)圖

Rete算法具體執(zhí)行過程如下所示：

（1） 導(dǎo)入需要處理的事實(shí)到Facts集合中。

（2） 如果Facts不為空，選擇一個Fact進(jìn)行處理。否則停止匹配過程。

（3） 選擇Alpha網(wǎng)的第一個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，通過該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Alpha網(wǎng)的下一個節(jié)點(diǎn)，直到進(jìn)入Alpha memory。否則跳轉(zhuǎn)到下一條判斷路徑。

（4） 將Alpha memory的結(jié)果加入到Beta memory中，如果不為Terminal節(jié)點(diǎn)，則檢測另一個輸入集合中是否存在滿足條件的事實(shí)，滿足則執(zhí)行join，進(jìn)入到下一個Beta memory重復(fù)執(zhí)行（3）。若另一個輸入集合無滿足條件的事實(shí)，返回到（2）。完成所有條件匹配意味著規(guī)則（rules）的LHS（Left?Hand?Side）匹配完成，如果最終節(jié)點(diǎn)的存儲區(qū)含有的元素不為空，將規(guī)則（rules）加入議程（Agenda）中等待執(zhí)行[7?8]。

本文推理機(jī)CLIPS代碼舉例如下：

（defrule start

=>

（printout t "Please enter your fault part name."crlf）

（bind ？name（read））

（reset）

（assert（current?part ？name）））

（defrule ask?decision?part?question

？part