故障樹編碼方法在轟炸故障診斷中的應用研究

張德軍，王國偉

（1.空軍第一航空學院 航空軍械工程系；河南 信陽 464000；2.中國人民解放軍93427 部隊，北京 101100）

0 引言

隨著技術、裝備的發(fā)展，飛機轟炸系統(tǒng)構(gòu)造越來越復雜，功能越來越完善，組成越來越龐大，具有多掛點、彈藥品種多、控制線長等特點，使得故障的診斷越來越困難?？焖俦Ｕ系男枨髮ρb備的故障診斷能力提出了很高的要求。新裝備多數(shù)采用了模塊化設計，依靠裝備的內(nèi)部機理、相互聯(lián)系和實踐經(jīng)驗，從故障邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā)，逐層展開自動推理，則可以快速珍斷復雜系統(tǒng)故障。故障樹編碼方法是將裝備故障樹轉(zhuǎn)換成可自動操作的編碼，將編碼存儲在數(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，進行故障定位，給出診斷結(jié)果。該方法可按照一線從裝備本身分級入手，提高了裝備故障診斷的實時性和容錯性，能有效地解決隨機故障的診斷問題。

1 建立故障樹

故障樹是按照故障發(fā)生的邏輯關系形成的故障流程圖，是故障診斷的推理依據(jù)。按結(jié)點邏輯關系，故障樹一般分為二叉樹和多叉樹。單分支故障樹層與層之間的推理關系都是“是”與“否”的邏輯關系，多分支的特征是并行出現(xiàn)多種推理判斷。對于多分支，實際故障推理時可以逐個分支依次進行，因此，可以將多分支轉(zhuǎn)化為單分支的邏輯關系。

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

建立故障樹時，將設備出現(xiàn)的故障現(xiàn)象作為根節(jié)點，對于每一個故障現(xiàn)象給出“是”與“否”的邏輯判斷，自上而下地分析導致事件發(fā)生的所有可能的直接因素及其相互間的邏輯關系，逐層尋找葉結(jié)點，直到不需要進一步分析為止，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、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)失效之間的邏輯關系。

故障樹建立步驟：①將設備故障確定為故障樹根節(jié)點，根節(jié)點寫在頂部矩形框內(nèi)；②將引起該故障的全部可能的故障現(xiàn)象或者故障原因進行分類，按照邏輯關系，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。以此類推逐級向下推理，直到所有原因事件判定完成為止，如圖1 所示。

圖1 故障樹Fig.1 Fault tree

2 編碼及推理

故障樹建立以后，將邏輯推理轉(zhuǎn)換成自動推理過程，需要對故障樹進行編碼，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，其中每個結(jié)點分別表示故障現(xiàn)象或診斷結(jié)果，因此，用編碼“1”和“0”區(qū)分下一個結(jié)點為故障現(xiàn)象還是診斷結(jié)果，用“1”與“0”表示故障現(xiàn)象“是”與“否”邏輯關系。具體編碼規(guī)則如下：①用編碼長度表示結(jié)點所在層，如故障樹第n 層，用a1a2a3…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”邏輯關系；④從第n 層到第n+1 層時，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”補齊第一位，末尾編碼原則不變。

如圖1 第1 層總目標為故障現(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“是”詢問編碼為“11”，對“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，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，推理機能夠根據(jù)編碼的第1 位來識別故障現(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，一旦推理機得出診斷結(jié)果時，如診斷為001，則推理機在自動將診斷結(jié)果的ID 加人事實庫的同時，向用戶報告診斷結(jié)果，并提出故障解決方案。這種編碼的優(yōu)點是根據(jù)診斷結(jié)果就可知道故障現(xiàn)象的ID，進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，同時去掉最后1 位0)，且與10 的邏輯關系為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 并且關系為0；這樣可推導出所有的故障現(xiàn)象。因此，利用這種編碼可以很容易地實現(xiàn)推理機的解釋功能。

3 轟炸故障診斷實例

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，得到實際裝備大量按“表”或“流程圖”表示的故障樹[5]。

表1 為某轟炸系統(tǒng)故障現(xiàn)象、可能原因及故障檢測工作流程。但是，圖表具有比較復雜的邏輯關系，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，便于推理機進行邏輯推理。

表1 某轟炸系統(tǒng)故障現(xiàn)象及診斷結(jié)果Tab.1Faultphenomenaanddiagnosticsresultofa bombingsystem

3.2 故障樹及故障編碼

根據(jù)表1 某轟炸系統(tǒng)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。

圖2 某炸彈不能正常投放故障樹Fig.2 Fault tree of a bomb dropping fault

圖3 某型炸彈不能正常投下故障樹編碼Fig.3 Fault tree coding of a bomb dropping fault

故障樹分為5 層，包含3 類可能的故障現(xiàn)象，6 個故障診斷結(jié)果。根據(jù)該故障樹，利用上述編碼原則，可得出3掛點某型炸彈不能正常投下故障樹對應的編碼樹如圖3 所示。

3.3 推理過程及實現(xiàn)

為了實現(xiàn)故障自動推理，首先應判斷故障編碼長度，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，即掛彈鉤存在故障，“10”代表“否”的判斷，即掛彈鉤不存在故障。如果掛彈鉤存在故障，判斷下一層編碼為“010”、“111”，首先，“111”首字母為“1”，代表下一層為故障現(xiàn)象，即“電氣設備發(fā)生故障了嗎?”，末尾字母為“1”，表示該故障現(xiàn)象存在，應繼續(xù)訪問下一層；其次，判斷字符串“010”，首字母為“0”，代表“沒有電氣發(fā)生故障”，末尾字母為“0”，代表故障結(jié)果，即：“拆下掛鉤，分解后檢查控制機構(gòu)、傳動機構(gòu)，調(diào)整搭合量”。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。

圖4 故障推理過程Fig.4 Process of fault illation

4 結(jié)論

將故障樹編碼技術應用于轟炸故障診斷，將故障樹直接轉(zhuǎn)換成自動推理機，將故障現(xiàn)象與診斷結(jié)果有機結(jié)合起來，自動按照轟炸系統(tǒng)一線更換級裝備分解進行邏輯推理。該方法簡潔有效，便于快速確故障原因，定位故障部件，并可廣泛推廣應用到其他各類武器系統(tǒng)故障診斷和維修保障工作中。

[1]吳今培，肖健華．智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M]．北京：科學出版社，1997．

[2]倪紹徐，張裕芳，易宏，等．基于故障樹的智能故障診斷方法[J]．上海交通大學學報，2008，42．

[3]胡良明，徐誠，李萬平．基于案例推理的自行火炮故障診斷專家系統(tǒng)[J]．火炮發(fā)射與控制學報，2006，2.

[4]馬野，戴耀，岳冬梅．基于故障樹編碼的火炮故障診斷方法研究[J]．火炮發(fā)射與控制學報，2014，3.