北斗監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

厲 劍，孫守航，張 杰

(中國人民解放軍61769部隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150039)

0 引言

北斗監(jiān)測站是北斗地面運(yùn)控系統(tǒng)的重要組成部分，及時解決監(jiān)測站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障，確保監(jiān)測站的可靠運(yùn)行，對提高整個北斗系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量具有重大現(xiàn)實(shí)意義。目前，監(jiān)測站故障診斷主要由值勤人員根據(jù)自己的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工故障診斷與定位，存在故障診斷時間長、診斷結(jié)果對值勤人員專業(yè)素質(zhì)依賴性比較大等問題。

故障診斷專家系統(tǒng)能夠模擬領(lǐng)域?qū)＜彝评磉^程進(jìn)行故障診斷及定位，并給出故障處置方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障診斷的自動化和智能化[1]。隨著人工智能和信息處理技術(shù)的發(fā)展，故障診斷專家系統(tǒng)在機(jī)械電力、交通運(yùn)輸和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前常用的故障診斷專家系統(tǒng)主要有基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)、基于實(shí)例的故障診斷專家系統(tǒng)以及基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)等[5]。文獻(xiàn)[6-10]介紹了基于故障樹分析法的故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合監(jiān)測站設(shè)備工作原理，對故障樹知識表示方法和推理機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，通過為故障樹節(jié)點(diǎn)設(shè)置故障判斷規(guī)則索引的方法，縮小了推理機(jī)的知識搜索范圍，大大提高了推理機(jī)的工作效率。

1 總體設(shè)計(jì)

為了提高系統(tǒng)故障診斷速度，增強(qiáng)故障診斷的實(shí)時性，監(jiān)測站故障診斷系統(tǒng)采用故障樹分析法與專家系統(tǒng)相結(jié)合的故障診斷方法。其工作原理為：首先根據(jù)監(jiān)測站設(shè)備故障排查方案，建立監(jiān)測站設(shè)備故障樹知識庫及故障判斷規(guī)則庫，用于進(jìn)行故障推理及故障定位。故障診斷專家系統(tǒng)通過局域網(wǎng)自動獲取故障特征值，并根據(jù)故障樹知識庫及故障判斷規(guī)則庫進(jìn)行故障推理和故障診斷，并將故障推理過程和故障判斷依據(jù)通過人機(jī)交互界面提供給值勤人員。

根據(jù)故障診斷專家系統(tǒng)工作原理[11]，將系統(tǒng)分為故障特征值獲取模塊、故障監(jiān)測模塊、故障診斷模塊、參數(shù)設(shè)置模塊以及數(shù)據(jù)庫讀寫模塊。故障診斷專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

故障特征值獲取模塊通過監(jiān)測站局域網(wǎng)自動獲取監(jiān)測站設(shè)備故障特征值，用于故障監(jiān)測及故障推理；故障監(jiān)測模塊通過遍歷故障特征值中的故障標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測站設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測；故障診斷模塊是整個故障診斷專家系統(tǒng)的核心模塊，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站設(shè)備故障診斷，并向值勤人員提供故障推理過程、故障判斷依據(jù)以及故障情況處置預(yù)案等信息，為值勤人員進(jìn)行故障處置提供輔助決策支持；參數(shù)設(shè)置模塊主要對故障診斷專家系統(tǒng)的知識數(shù)據(jù)庫進(jìn)行編輯和修改以及基本參數(shù)的設(shè)置；數(shù)據(jù)庫讀寫模塊用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理和操作，為系統(tǒng)其他模塊讀寫數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)一的接口和操作方法；知識數(shù)據(jù)庫用于存儲故障樹知識及故障判斷規(guī)則，用于故障推理和判斷；綜合數(shù)據(jù)庫用于存儲監(jiān)測站設(shè)備故障特征值，為設(shè)備故障推斷提供數(shù)據(jù)。

2 知識表示方法及知識數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

專家系統(tǒng)運(yùn)用知識來進(jìn)行推理和判斷，合理的知識表示方法是進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的重要前提。知識表示應(yīng)滿足以下2點(diǎn)要求：利于推理機(jī)的推理和方便存儲[12]。知識表示方法主要有產(chǎn)生式規(guī)則表示法、框架表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ê蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法等，其中產(chǎn)生式表示法和框架表示法是目前較為常用的2種方法[13]。

2.1 基于故障樹的知識表示方法

故障樹分析法是一種評價復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與安全性的重要方法，把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的事件作為故障樹的頂事件，找出導(dǎo)致這一不希望事件所有可能發(fā)生的直接因素和原因，并由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因，即故障樹的底事件為止[14]。

基于故障樹技術(shù)的故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷時，推理機(jī)首先根據(jù)故障現(xiàn)象定位到故障樹某一節(jié)點(diǎn)，然后遍歷該節(jié)點(diǎn)所有的底事件，并根據(jù)各底事件的故障規(guī)則表達(dá)式判斷該底事件是否發(fā)生故障。根據(jù)推理機(jī)工作原理，監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)采用框架和規(guī)則相結(jié)合的方法來進(jìn)行知識的表示，利用框架來表示監(jiān)測站故障樹結(jié)構(gòu)，利用規(guī)則來表示故障樹底事件的故障判斷方法。

用故障樹表來存儲故障樹結(jié)構(gòu)及相關(guān)信息，故障樹的每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個框架，每個框架包括故障樹編號、故障樹名稱、所屬系統(tǒng)、父事件、故障判斷規(guī)則、故障等級、故障現(xiàn)象和故障處置流程等屬性。將每個框架的上述屬性作為一條記錄存儲在知識數(shù)據(jù)庫中形成框架表。推理機(jī)進(jìn)行故障推理時，可以根據(jù)故障樹表中的上述屬性進(jìn)行故障樹的遍歷以及故障樹各節(jié)點(diǎn)判斷規(guī)則的索引。例如，對于如圖2所示的故障樹，可以用表1所示的故障樹表進(jìn)行表示。

圖2 故障樹示例

表1 故障樹表(部分屬性)示例

序號故障ID父節(jié)點(diǎn)故障判斷規(guī)則1A01NULLNULL2A11A01R013A12A01NULL4A21A12R02&R035A22A12R04

用規(guī)則庫表來存儲故障樹底事件的故障判斷規(guī)則。規(guī)則庫表中每條記錄對應(yīng)1條產(chǎn)生式故障判斷規(guī)則，利用規(guī)則庫表中的1條或者幾條規(guī)則可以對故障樹底事件的故障進(jìn)行判斷。故障判斷規(guī)則庫表如表2所示。

表2 故障判斷規(guī)則庫表(部分屬性)

規(guī)則ID變量名1變量名2運(yùn)算符1運(yùn)算符2門限值R01接收信號強(qiáng)度NULLNULL>-105R02理論方位角實(shí)際方位角->0.5

對于規(guī)則R01，其判斷規(guī)則表述為：如果接收信號強(qiáng)度大于-105，則判定該故障發(fā)生；對于規(guī)則R02，其判斷規(guī)則表述為：如果理論方位角與實(shí)際方位角之差大于0.5，則判定該故障發(fā)生。

2.2 知識數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

故障診斷專家系統(tǒng)知識數(shù)據(jù)庫E-R模型如圖3所示。

圖3 故障診斷專家系統(tǒng)知識數(shù)據(jù)庫E-R模型

為方便知識數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)及管理，將知識數(shù)據(jù)庫用3個相關(guān)聯(lián)的知識表表示，分別為故障監(jiān)測表、故障樹表和規(guī)則庫表。知識數(shù)據(jù)庫3個知識表及綜合數(shù)據(jù)庫之間的相互關(guān)系如下：

① 根據(jù)故障現(xiàn)象在故障監(jiān)測表中獲得故障節(jié)點(diǎn)編號；

② 根據(jù)故障節(jié)點(diǎn)編號對故障樹表進(jìn)行檢索，獲得該故障節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，對該故障樹遍歷，獲得該故障樹所有底事件的故障判斷規(guī)則索引；

③ 根據(jù)故障判斷規(guī)則索引對規(guī)則庫表進(jìn)行檢索，獲得該底事件的故障判斷規(guī)則表達(dá)式；

④ 根據(jù)故障判斷規(guī)則表達(dá)式中的變量名稱對綜合數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，獲得該變量名對應(yīng)的故障特征值。

3 推理機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

推理機(jī)是故障診斷專家系統(tǒng)的核心模塊，其工作原理是根據(jù)當(dāng)前已知的事實(shí)，利用知識庫中的知識，按一定的推理策略進(jìn)行推理，從而求得問題的答案或證明某個假設(shè)的正確性[15]。故障診斷專家系統(tǒng)能夠高效地求解復(fù)雜的問題，除了擁有大量的專業(yè)知識外，更重要的是能夠合理選擇及有效運(yùn)用知識。推理機(jī)要解決的問題是如何在問題求解過程中選擇和運(yùn)用知識。

3.1 推理機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)采用正向推理方法進(jìn)行故障推理，即根據(jù)監(jiān)測站故障現(xiàn)象，通過遍歷該故障樹，尋找故障原因(底事件)[16]。

監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)推理機(jī)工作原理如圖4所示。

圖4 推理機(jī)工作原理示例

在設(shè)計(jì)中，采取以下措施提高推理機(jī)的故障診斷效率：

① 為故障現(xiàn)象設(shè)置故障樹位置索引。通過為故障現(xiàn)象設(shè)置故障樹位置索引，確保每次遍歷的故障樹為導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集，從而避免推理機(jī)對與該事件無關(guān)的故障樹節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遍歷，在不影響故障診斷正確率的前提下，有效地減少推理機(jī)故障診斷時間。

② 為故障樹底事件設(shè)置故障判斷表達(dá)式。通過為故障樹底事件設(shè)置故障判斷表達(dá)式，可以有效地減少推理機(jī)在故障推理時對規(guī)則庫的搜索和匹配時間。推理機(jī)在進(jìn)行故障診斷時，只需判斷底事件的對應(yīng)故障判斷規(guī)則是否成立就可確定該節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障，而不需要對整個規(guī)則庫的搜索和匹配，也不需要知識沖突消解，因此可大大減少故障推理時間。

3.2 推理機(jī)工作流程

推理機(jī)主要根據(jù)當(dāng)前故障特征值進(jìn)行故障診斷及定位，并向值勤人員提供故障判斷依據(jù)以及故障情況處置預(yù)案等信息。推理機(jī)進(jìn)行故障診斷時，首先將最新的故障特征值更新至綜合數(shù)據(jù)庫中，然后對故障樹進(jìn)行遍歷，并通過判斷當(dāng)前綜合數(shù)據(jù)庫中的故障特征值是否滿足故障判斷規(guī)則，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站設(shè)備的故障診斷及故障定位。根據(jù)推理機(jī)工作原理，推理機(jī)工作流程可分為故障樹的遍歷和利用故障判斷規(guī)則進(jìn)行故障判斷兩部分。

3.2.1 故障樹遍歷

在故障樹知識庫中，故障樹信息是以表格的形式存儲的，而故障樹的表現(xiàn)形式是樹形結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)中，推理機(jī)采用遞歸調(diào)用的方法實(shí)現(xiàn)故障樹所有節(jié)點(diǎn)的遍歷，具體方法如下：

① 根據(jù)故障現(xiàn)象的故障樹位置索引，獲取故障樹的入口；

② 故障樹知識數(shù)據(jù)庫中搜索以該編號為父事件的節(jié)點(diǎn)。如果不存在這樣的節(jié)點(diǎn)，說明該編號對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為底事件，獲取該節(jié)點(diǎn)的故障判斷表達(dá)式進(jìn)行故障判斷，確定該節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障；如果存在這樣的節(jié)點(diǎn)，則說明該編號對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為中間事件，將新的中間事件編號設(shè)置索引值，重復(fù)上述步驟。

在圖4示例中，推理機(jī)首先獲取故障現(xiàn)象的故障樹位置索引A01，然后在故障樹知識數(shù)據(jù)庫對父事件為A01的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢索，得到節(jié)點(diǎn)A10和A11，再分別以A10和A11為索引值對故障樹知識數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，檢索結(jié)果沒有以A10和A11為父事件的節(jié)點(diǎn)，則說明節(jié)點(diǎn)A10和A11為底事件，利用底事件A10和A11的判斷規(guī)則進(jìn)行故障判斷，得到本次故障診斷結(jié)果。

3.2.2 故障判斷

在故障樹知識庫中，每個底層事件節(jié)點(diǎn)都有對應(yīng)的故障規(guī)則表達(dá)式，用于判斷該節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障，底層事件節(jié)點(diǎn)故障判斷具體方法如下：

① 獲取底層事件節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的故障規(guī)則；

② 根據(jù)故障規(guī)則表達(dá)式中規(guī)則ID對規(guī)則數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，獲得該條規(guī)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式；

③ 根據(jù)規(guī)則數(shù)學(xué)表達(dá)式中的變量名稱，在綜合數(shù)據(jù)庫中獲取該變量名稱對應(yīng)的故障特征值；

④ 將故障特征值代入規(guī)則數(shù)學(xué)表達(dá)式中，判斷該表達(dá)式是否成立，如果成立，則說明當(dāng)前故障特征值符合故障判斷規(guī)則，該底層事件節(jié)點(diǎn)存在故障，否則說明設(shè)備正常；

⑤ 如果故障規(guī)則表達(dá)式由多條規(guī)則組成，需要首先對規(guī)則表達(dá)式進(jìn)行解析，將其分解成多個規(guī)則和規(guī)則運(yùn)算符，然后重復(fù)步驟③和步驟④，得到每個規(guī)則的邏輯計(jì)算結(jié)果，將上述邏輯結(jié)果代入故障規(guī)則表達(dá)式中得到該底事件節(jié)點(diǎn)的最終結(jié)果。

在圖4示例中，需要對底事件節(jié)點(diǎn)A10和A11進(jìn)行故障判斷。對于節(jié)點(diǎn)A10，其故障判斷規(guī)則為R01，通過檢索規(guī)則庫獲得其數(shù)學(xué)表達(dá)式VAR1-VAR2>0.1；再根據(jù)表達(dá)式中的變量名稱通過檢索綜合數(shù)據(jù)庫獲得故障特征值，將故障特征值代入規(guī)則R01數(shù)學(xué)表達(dá)式，其計(jì)算結(jié)果為真，說明滿足故障成立條件，則節(jié)點(diǎn)A10發(fā)生故障。對于節(jié)點(diǎn)A11，其故障判斷規(guī)則為R02&R03，是由多條規(guī)則組成的故障判斷規(guī)則。首先對其進(jìn)行解析，分解成規(guī)則R02和R03，重復(fù)節(jié)點(diǎn)A10故障判斷過程，得到規(guī)則R02計(jì)算結(jié)果為真，R03計(jì)算結(jié)果為假，利用故障判斷規(guī)則表達(dá)式中的邏輯運(yùn)算符(&)對這2個結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，得到最終該節(jié)點(diǎn)的最終規(guī)則運(yùn)算結(jié)果為假，即該節(jié)點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行正常。

推理機(jī)具體工作流程如圖5所示。

圖5 推理機(jī)工作流程

4 應(yīng)用結(jié)果及分析

根據(jù)故障診斷專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，對系統(tǒng)各模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成軟件開發(fā)，并將系統(tǒng)部署在監(jiān)測站局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行功能測試和驗(yàn)證。應(yīng)用結(jié)果證明，系統(tǒng)能夠自動獲取故障特征值實(shí)現(xiàn)故障自動診斷和準(zhǔn)確定位，并將故障診斷依據(jù)和故障處置預(yù)案等信息通過人機(jī)交互界面提供給值勤人員，為值勤人員進(jìn)行快速故障處置提供決策支持。故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷界面如圖6所示。

圖6 故障診斷專家系統(tǒng)故障診斷界面

與傳統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)相比，北斗監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：故障診斷自動化、智能化程度高，系統(tǒng)能夠自動獲取故障特征值，根據(jù)知識數(shù)據(jù)庫中故障樹信息及故障判斷規(guī)則進(jìn)行故障推理和定位，不需要任何人工干預(yù)即可完成故障診斷；故障診斷速度快，通過對知識表示方法以及推理機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了當(dāng)專家系統(tǒng)知識庫比較龐大、知識間關(guān)系比較復(fù)雜時，易出現(xiàn)知識“組合爆炸”和推理中“匹配沖突”的問題，大大縮小了推理機(jī)的知識搜索范圍，提高故障診斷效率。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于故障樹分析方法的北斗監(jiān)測站故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對知識表示方法、知識數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)以及推理機(jī)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。北斗監(jiān)測站應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠自動獲取故障特征值，在不需要人工干預(yù)的情況下，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站設(shè)備故障的實(shí)時在線診斷及準(zhǔn)確定位，具有故障診斷速度快、自動化和智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，改變了目前北斗監(jiān)測站主要依靠人工進(jìn)行故障診斷的現(xiàn)狀，將故障診斷時間由15 min左右縮短至1 min之內(nèi)，有效地縮短了故障處置時間，從而減小設(shè)備故障對系統(tǒng)造成的影響。