基于故障樹編碼的火炮故障診斷方法研究

馬 野，戴 耀，岳冬梅

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

裝備的全壽命周期過程及其在戰(zhàn)場上的部署和使用，對(duì)裝備的故障診斷能力提出了很高的要求［1］。目前，多數(shù)裝備采用了積木式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)故障一步到位快速判斷和定位十分困難［2］。如果依賴裝備的內(nèi)部機(jī)理、相互聯(lián)系和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從故障邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā)，逐層展開自動(dòng)推理，則可以解決復(fù)雜設(shè)備故障診斷問題。基于故障樹編碼的故障推理技術(shù)，是將裝備故障樹轉(zhuǎn)換成可自動(dòng)操作的編碼，將編碼存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，通過制定編碼規(guī)則和推理規(guī)則，按照故障現(xiàn)象和故障結(jié)果兩種形式，逐層展開，最終進(jìn)行故障定位，給出診斷結(jié)果。該方法可按照LRU 級(jí)從裝備本身分級(jí)入手，提高了裝備故障診斷的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性，能有效地解決隨機(jī)故障的診斷問題。

1 故障樹的建立

故障樹是按照故障發(fā)生的邏輯關(guān)系形成的故障流程圖，是故障診斷的推理依據(jù)［3］。按結(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系，故障樹一般分為二叉樹和多叉樹，即單分支和多分支故障樹［4］。單分支故障樹層與層之間的推理關(guān)系都是“是”與“否”的邏輯關(guān)系，多分支的特征是并行出現(xiàn)多種推理判斷。對(duì)于多分支，實(shí)際故障推理時(shí)可以逐個(gè)分支依次進(jìn)行，因此，可以將多分支轉(zhuǎn)化為單分支的邏輯關(guān)系。

故障樹各個(gè)結(jié)點(diǎn)是由故障現(xiàn)象和診斷結(jié)果組成。對(duì)于故障現(xiàn)象，需詢問用戶現(xiàn)象為“真”或“偽”，而對(duì)于診斷結(jié)果，需要向用戶提交診斷結(jié)果和故障處理方法。如果存在多級(jí)推理，則根據(jù)診斷結(jié)果，由程序的人機(jī)接口部分控制進(jìn)入下一級(jí)推理。

建立故障樹時(shí)，將設(shè)備出現(xiàn)的故障現(xiàn)象作為根節(jié)點(diǎn)，對(duì)于每一個(gè)故障現(xiàn)象給出“是”與“否”的邏輯判斷，自上而下地分析導(dǎo)致事件發(fā)生的所有可能的直接因素及其相互間的邏輯關(guān)系，逐層尋找葉結(jié)點(diǎn)，直到不需要進(jìn)一步分析為止，以此方式找出系統(tǒng)內(nèi)部可能發(fā)生的硬件失效、軟件差錯(cuò)、人為失誤及環(huán)境影響等因素（底事件）和頂事件所代表的系統(tǒng)失效之間的邏輯關(guān)系。

故障樹建立步驟：

1）將設(shè)備故障確定為故障樹根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)寫在頂部矩形框內(nèi)。

2）將引起該故障的全部可能的故障現(xiàn)象或者故障原因進(jìn)行分類，按照邏輯關(guān)系，將最直接的現(xiàn)象或原因置于第二排。

3）如果是故障現(xiàn)象，判定“是”或“否”，給出下一層次的故障現(xiàn)象或診斷結(jié)果；如果是故障原因，直接給出解決方案。以此類推逐級(jí)向下推理，直到所有原因事件判定完成為止，如圖1所示。

2 編碼技術(shù)及推理規(guī)則

故障樹建立以后，將邏輯推理轉(zhuǎn)換成自動(dòng)推理過程，需要對(duì)故障樹進(jìn)行編碼，編碼用“0”、“1”二值編碼串表示不同含義。由于故障流程圖均可以轉(zhuǎn)化為二叉樹形式，其中每個(gè)結(jié)點(diǎn)分別表示故障現(xiàn)象或診斷結(jié)果，因此，用編碼“1”和“0”區(qū)分下一個(gè)結(jié)點(diǎn)為故障現(xiàn)象還是診斷結(jié)果，用“1”與“0”表示故障現(xiàn)象“是”與“否”邏輯關(guān)系。具體編碼規(guī)則如下：

1）用編碼長度表示結(jié)點(diǎn)所在層，如故障樹第n層，用a1a2…an編碼串表示。

2）用編碼首位“1”、“0”表示下一層是“故障現(xiàn)象”還是“診斷結(jié)果”。

3）用編碼末位“1”、“0”表示故障現(xiàn)象“是”與“否”邏輯關(guān)系。

4）從第n層到第n＋1層時(shí)，去掉編碼首位，然后根據(jù)下一層是故障現(xiàn)象還是診斷結(jié)果，用“1”或“0”補(bǔ)齊第一位，末尾編碼原則不變。

如圖1第1 層總目標(biāo)為故障現(xiàn)象，記為“1”表示第1層故障現(xiàn)象；第2 層故障現(xiàn)象Ⅰ，用兩位編碼表示，首位均為“1”，對(duì)“是”詢問編碼為“11”，對(duì)“否”詢問編碼為“10”；第3層左分支為故障現(xiàn)象，用3位編碼表示，首位均為“1”，中間位與第2層編碼有關(guān)，去掉首位為“1”，末尾如果為“是”，則編碼為“1”，如果為“否”則編碼為“0”，因此第3層左分支左側(cè)為“111”，右側(cè)編碼為“110”。

通過上面的編碼，推理機(jī)能夠根據(jù)編碼的第1位來識(shí)別故障現(xiàn)象和診斷結(jié)果。若第1 位是“1”，則為故障現(xiàn)象；若第1位是“0”，則為診斷結(jié)果。因此，一旦推理機(jī)得出診斷結(jié)果時(shí)，如診斷為001，則推理機(jī)在自動(dòng)將診斷結(jié)果的ID 加入事實(shí)庫的同時(shí)，向用戶報(bào)告診斷結(jié)果，并提出故障解決方案。這種編碼的優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)診斷結(jié)果就可知道故障現(xiàn)象的ID，進(jìn)而快速定位故障原因。例如，診斷結(jié)果ID 為000，則推斷出它的上層故障現(xiàn)象ID 為10（即第1位改為1，同時(shí)去掉最后1位0），且與10的邏輯關(guān)系為0（即故障現(xiàn)象不成立）；由10又可知道上層故障現(xiàn)象為1并且關(guān)系為0；這樣可推導(dǎo)出所有的故障現(xiàn)象。因此，利用這種編碼可以很容易地實(shí)現(xiàn)推理機(jī)的解釋功能。

3 火炮故障診斷實(shí)例分析

3.1 故障描述

經(jīng)過深入研究裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理以及大量用戶的使用經(jīng)驗(yàn)，得到實(shí)際裝備大量按“表”或“流程圖”表示的故障樹［5］。

表1為某火炮高低受信儀故障現(xiàn)象、可能原因及故障檢測工作流程。但是，圖表具有比較復(fù)雜的邏輯關(guān)系，因此，可以按照故障現(xiàn)象和工作流程將其轉(zhuǎn)換成故障樹，便于推理機(jī)進(jìn)行邏輯推理［6－7］。

表1 某火炮故障現(xiàn)象及診斷結(jié)果

3.2 故障樹及故障編碼

根據(jù)表1某火炮的故障現(xiàn)象、可能原因和工作流程，總結(jié)出故障樹如圖2所示。

故障樹分為5層，包含5類可能的故障現(xiàn)象，6個(gè)故障診斷結(jié)果。根據(jù)該故障樹，利用上述編碼原則，可得出某火炮高低受信儀故障樹對(duì)應(yīng)的編碼樹如圖3所示。

3.3 推理過程與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)推理，首先應(yīng)判斷故障編碼長度，如“11”、“10”編碼長度為2，首位字母為“1”，表明第2層為故障現(xiàn)象，“11”代表“是”的判斷，即精自整角機(jī)存在故障，“10”代表“否”的判斷，即精自整角機(jī)不存在故障。如果精自整角機(jī)存在故障，判斷下一層編碼為“111”、“010”，首先，“111”首字母為“1”，代表下一層為故障現(xiàn)象，即“電氣發(fā)生故障了嗎？”，末尾字母為“1”，表示該故障現(xiàn)象存在，應(yīng)繼續(xù)訪問下一層；其次，判斷字符串“010”，首字母為“0”，代表“沒有電器發(fā)生故障”，末尾字母為“0”，代表故障結(jié)果，即：“拆下精自整角機(jī)，重新緊固與齒輪組的連接處，確認(rèn)連接牢固后將受信儀裝回”。以此類推，直到最后一層判斷結(jié)束。推理過程的一般流程如圖4所示。

4 結(jié)論

利用故障樹編碼技術(shù)進(jìn)行火炮故障診斷，可以將故障樹直接轉(zhuǎn)換成自動(dòng)推理機(jī)，將故障現(xiàn)象與診斷結(jié)果有機(jī)結(jié)合起來，自動(dòng)按照火炮LRU 級(jí)裝備分解進(jìn)行邏輯推理。該方法簡潔有效，便于快速定位故障原因，并可廣泛推廣應(yīng)用到各類裝備故障診斷和維修保障訓(xùn)練中。

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