航海雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭友賦

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院， 福建 福州 350007)

隨著航海雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于其故障診斷的快速化、準(zhǔn)確化及網(wǎng)絡(luò)化的需求也越來(lái)越高。但新型航海雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，往往是多種故障并存且相互影響，診斷起來(lái)異常繁瑣。因此，必須開(kāi)發(fā)基于新型診斷方式的智能診斷系統(tǒng)才能達(dá)到快速診斷的目的。

鑒于此，本文對(duì)航海雷達(dá)故障的智能診斷技術(shù)展開(kāi)研究。(即人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí))、推理機(jī) (即人類(lèi)專(zhuān)家解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)、方式和策略)及人機(jī)接口3個(gè)部分組成。

基于Web的航海雷達(dá)故障遠(yuǎn)程診斷專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Web的航海雷達(dá)故障遠(yuǎn)程診斷專(zhuān)家系統(tǒng)圖

1 專(zhuān)家系統(tǒng)

所謂的專(zhuān)家系統(tǒng)是一種能模擬某個(gè)領(lǐng)域人類(lèi)專(zhuān)家解決領(lǐng)域問(wèn)題的智能化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將大量的專(zhuān)家級(jí)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以人類(lèi)專(zhuān)家解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)、方式和策略來(lái)解決領(lǐng)域問(wèn)題。采用人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和解決問(wèn)題的方法是因?yàn)閷?zhuān)家通常擁有特殊的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的策略，而且這些經(jīng)驗(yàn)、分析方法和策略經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐證明是行之有效的［1］。

航海雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)

當(dāng)航海雷達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶(hù)或維修工程師在現(xiàn)場(chǎng)將故障信息通過(guò)Web瀏覽器提交給Web服務(wù)器端的推理機(jī)。

推理機(jī)將故障信息與知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行比較，進(jìn)行綜合推理，然后診斷出故障的部位及原因，并反饋給用戶(hù)或維修工程師。

2 故障模型的建立

航海雷達(dá)通常是由天線子系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)、接收機(jī)子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)和傳感器子系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成［2］。各子系統(tǒng)之間既相互制約，又相互聯(lián)系，一旦發(fā)送故障，則故障診斷具有一定的復(fù)雜性。

故障樹(shù)分析法 (Fault Tree Analysis)是一種綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性的圖形演繹法，常用于系統(tǒng)的故障分析、預(yù)測(cè)和診斷。該方法不僅可以分析系統(tǒng)軟件、硬件方面的故障，而且可以考慮到環(huán)境及人為因素［3］。

故障樹(shù)模型是一種基于被測(cè)對(duì)象的模型，以系統(tǒng)的結(jié)果故障事件為頂事件，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的其它事件為中間事件和底事件，采用一種倒樹(shù)狀的結(jié)構(gòu)表示各類(lèi)事件之間的聯(lián)系［4］。通過(guò)計(jì)算故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率，故障樹(shù)各最小割集的發(fā)生概率及最小割集重要度，并給出定量分析，使搜尋故障原因的一次命中率得到提高，從而降低故障診斷的難度。

3 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

在航海雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)中，設(shè)備運(yùn)行的狀況、故障表征現(xiàn)象、測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)等各類(lèi)參數(shù)，都需要迅速地以數(shù)據(jù)或圖形的形式傳輸?shù)皆\斷中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析判斷，才能及時(shí)有效的對(duì)故障進(jìn)行定位。由于設(shè)備運(yùn)行的外界環(huán)境以及設(shè)備自身通信機(jī)制的不同，他們需要的通訊方式也不一樣，因此，需要建立一個(gè)由多種通信方式集成的通信機(jī)制［5］。

根據(jù)通信距離的遠(yuǎn)近，分成近距離通信和遠(yuǎn)距離通信。近距離通信可采用RS232或 RS485傳輸數(shù)據(jù);遠(yuǎn)距離通信可采用撥號(hào)方式傳輸數(shù)據(jù)，若條件允許，也可采用光纜傳輸或直接將設(shè)備與診斷服務(wù)器接入Internet傳輸數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)航海雷達(dá)故障專(zhuān)家診斷系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4個(gè)模塊:用戶(hù)模塊、事件處理模塊、應(yīng)用接口模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 航海雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)框架圖

1)用戶(hù)模塊。用戶(hù)模塊主要提供用戶(hù)管理、知識(shí)庫(kù)管理、技術(shù)支持、故障診斷和視頻瀏覽等5個(gè)主要功能。

用戶(hù)管理功能能增強(qiáng)系統(tǒng)及航海雷達(dá)資料的安全性，提供注冊(cè)新用戶(hù)、登陸密碼管理、用戶(hù)登錄等操作。由系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)賬號(hào)注銷(xiāo)、用戶(hù)密碼重置以及用戶(hù)管理等操作。

知識(shí)庫(kù)管理功能只有系統(tǒng)管理員才能操作，包括添加知識(shí)、刪除知識(shí)、修改知識(shí)和備份等操作。知識(shí)庫(kù)管理功能是知識(shí)庫(kù)內(nèi)容的豐富性、有效性和正確性的有效保障。

技術(shù)支持是指用戶(hù)可以瀏覽、學(xué)習(xí)、添加和刪除航海雷達(dá)技術(shù)資料。航海雷達(dá)技術(shù)資料是指航海雷達(dá)用戶(hù)手冊(cè)以及航海雷達(dá)專(zhuān)家搜集到的故障診斷資料。這些資料一般是形成故障診斷支持系統(tǒng)的最原始資料。

故障診斷用于用戶(hù)的智能化故障診斷，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最主要功能。用戶(hù)可以根據(jù)系統(tǒng)提示輸入故障現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行智能化故障診斷，向用戶(hù)提出排除故障操作的建議，并顯示故障原因等。

視頻瀏覽可以向用戶(hù)提供視頻瀏覽功能，使用戶(hù)能更直觀的了解該型號(hào)航海雷達(dá)的操作、工作原理和注意事項(xiàng)等，有助于鞏固用戶(hù)對(duì)雷達(dá)的理解。

2)事件處理模塊。事件處理模塊包括數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)和故障診斷2個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)子模塊負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，除了提供數(shù)據(jù)添加、查詢(xún)、修改和刪除等操作，還包括備份數(shù)據(jù)、恢復(fù)數(shù)據(jù)、生成用戶(hù)信息表和監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀況等功能。故障診斷子模塊包括故障信息輸入、故障匹配、故障診斷、診斷結(jié)果通知、新故障診斷添加模塊。

3)應(yīng)用接口模塊。應(yīng)用接口模塊功能由一組程序和相應(yīng)的硬件組成，提供應(yīng)用程序的接口程序，把不同程序連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的相互通訊。應(yīng)用接口模塊是實(shí)現(xiàn)診斷系統(tǒng)與用戶(hù)、雷達(dá)故障診斷專(zhuān)家與工程師交互的模塊，負(fù)責(zé)將用戶(hù)輸入的故障信息轉(zhuǎn)變成診斷系統(tǒng)的內(nèi)部格式，再把這些格式化后的信息送給相應(yīng)的應(yīng)用程序去處理，反之，診斷系統(tǒng)輸出的以?xún)?nèi)部格式表示的響應(yīng)信息也由它轉(zhuǎn)變成用戶(hù)易于理解的外部表示格式并顯示。

航海雷達(dá)診斷專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用接口模塊的設(shè)計(jì)使用戶(hù)只需按照診斷系統(tǒng)的提示來(lái)操作，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“下一步”或“上一步”按鈕即可一步步執(zhí)行診斷;用戶(hù)通過(guò)選擇彈出框中的“是”或“否”來(lái)響應(yīng)診斷系統(tǒng)的詢(xún)問(wèn);在輸入性能指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)表格，用戶(hù)只要按照格式輸入即可;若用戶(hù)輸入錯(cuò)誤信息時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別并提示用戶(hù)重新輸入。

4)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是系統(tǒng)的核心單元，由知識(shí)庫(kù)和綜合數(shù)據(jù)庫(kù)組成。

知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑乃袑?zhuān)業(yè)知識(shí)，一般包括紙質(zhì)知識(shí) (如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、說(shuō)明書(shū)、相關(guān)案例等)、常識(shí)性知識(shí)和專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)型知識(shí)。診斷系統(tǒng)的運(yùn)行就是基于這些專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)模擬專(zhuān)家的思維來(lái)進(jìn)行的。因此，知識(shí)庫(kù)擁有的知識(shí)數(shù)量和質(zhì)量是衡量一個(gè)專(zhuān)家診斷系統(tǒng)能力的關(guān)鍵因素。

綜合數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放解決問(wèn)題所需的初始數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、過(guò)程結(jié)果、規(guī)則和目標(biāo)等。

4.2 操作流程設(shè)計(jì)

為了診斷系統(tǒng)和專(zhuān)家知識(shí)的安全，將用戶(hù)劃分成不同的等級(jí)，不同等級(jí)的用戶(hù)登陸后擁有不同的使用權(quán)限，再根據(jù)故障診斷及輔助操作的流程，我們將雷達(dá)故障診斷支持系統(tǒng)的操作設(shè)計(jì)為如圖3所示的流程。

4.3 遠(yuǎn)程診斷的實(shí)現(xiàn)

航海雷達(dá)故障專(zhuān)家診斷系統(tǒng)采用B/S與C/S混合模式，如圖4所示。

圖3 航海雷達(dá)故障診斷支持系統(tǒng)操作流程圖

C/S模式客戶(hù)端功能比較強(qiáng)，安全系數(shù)也較高，適合于需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行頻繁操作的場(chǎng)合，比如現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)人員。B/S客戶(hù)端比較靈活，采用TCP/IP協(xié)議，對(duì)安全性及訪問(wèn)速度方面比C/S有更高的要求，適合于多點(diǎn)傳輸，比如專(zhuān)家和知識(shí)工程師利用B/S客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)及在線交流操作。

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 專(zhuān)家診斷系統(tǒng)的特點(diǎn)

相對(duì)于人類(lèi)專(zhuān)家，專(zhuān)家系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)［6］。

1)專(zhuān)家系統(tǒng)是人類(lèi)專(zhuān)家的高可靠性智能助手和工具，是人類(lèi)專(zhuān)家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和判斷的模擬、延伸和擴(kuò)展。同時(shí)，專(zhuān)家系統(tǒng)可擁有多個(gè)專(zhuān)家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與判斷，形成比單獨(dú)專(zhuān)家水平更高的復(fù)合專(zhuān)家知識(shí)系統(tǒng)。

2)專(zhuān)家系統(tǒng)能高效、迅速、穩(wěn)定地工作，不受環(huán)境、情緒、體能等影響。尤其在對(duì)人體有害的環(huán)境中，可以替代人類(lèi)專(zhuān)家進(jìn)行工作。而且，專(zhuān)家系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，尤其在需要多個(gè)專(zhuān)家協(xié)商才能解決問(wèn)題的情況下，能更迅速的做出響應(yīng)。

3)專(zhuān)家系統(tǒng)以用戶(hù)可理解的形式解釋推理過(guò)程，而且沒(méi)有時(shí)間和空間的限制，數(shù)據(jù)庫(kù)及故障診斷技術(shù)可永久保存。

4)專(zhuān)家系統(tǒng)成本低，并具有學(xué)習(xí)能力，能總結(jié)故障發(fā)生規(guī)律，不斷完善診斷系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，航海雷達(dá)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，功能也更加強(qiáng)大，尤其在船舶通信導(dǎo)航設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化后，使得航海雷達(dá)的日常維護(hù)、故障診斷難度加大。本文研究了一種基于專(zhuān)家系統(tǒng)的航海雷達(dá)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)模型，在保證安全性、可靠性及準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)航海雷達(dá)設(shè)備故障診斷的遠(yuǎn)程化、智能化。

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