基于貝葉斯網(wǎng)絡的武器裝備故障診斷方法

梁勇 王慶江 趙賀偉

（海軍航空大學岸防兵學院，山東 煙臺，264001）

0 引言

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)從機械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭的演變，武器裝備作為部隊戰(zhàn)斗力的物質(zhì)基礎，正不斷的向智能化、自動化、精密化、復雜化方向發(fā)展。因此，保證武器裝備的戰(zhàn)備完好率并對其故障進行快速診斷和處理，具有重大的現(xiàn)實意義。

武器裝備故障診斷過程中，不確定性問題占多數(shù)，這主要是因為診斷設備、武器裝備及其分系統(tǒng)之間存在很多不確定因素及不確定信息。

基于概率計算的貝葉斯網(wǎng)絡（Bayesian Networks,BN）具有強大的推理能力和處理不確定性問題的能力，是不確定知識表達和推理領域較好的模型之一，比較適合處理武器裝備的故障診斷問題[1-4]。在文中，根據(jù)武器裝備故障的實際情況，以BN為理論依據(jù)，對裝備故障進行診斷。

1 武器裝備故障特點

1.1 武器裝備基本情況

具有高可靠性的武器裝備在從出廠交付部隊之后到其報廢銷毀之前這段時間內(nèi)，基本處于后方倉庫貯存或一線戰(zhàn)備值班兩種狀態(tài)，其服役年限[5]一般有十幾年或幾十年。

現(xiàn)代武器裝備通常是一個機（如外殼等部件）-電（如芯片、伺服電機等）-磁（如雷達）一體化的、復雜的綜合體。為了保證戰(zhàn)備完好率，無論武器裝備處于貯存還是戰(zhàn)備值班狀態(tài)，在其服役年限內(nèi)都需要進行定期的維護保養(yǎng)和檢查-測試。因此，武器裝備的故障通常是在檢查-測試時被發(fā)現(xiàn)的。

1.2 武器裝備故障特點

武器裝備的故障具有以下特點：

①故障具有復雜性特點。武器裝備是一個機-電-磁一體化的綜合體，因此故障可能是機械方面引起，也可能是電、磁方面引起，而且通常都是一個故障現(xiàn)象由多種原因共同引起。例如，雷達某項指標超差，可能是雷達電子元件引起，可能是雷達伺服機構運動不到位引起，可能是測量儀器故障引起，可能是測量用高頻電纜的衰減值發(fā)生變化引起，也可能是以上一種或多種原因共同作用引起。

圖1 武器裝備測試聯(lián)接圖

②機械故障較少，易發(fā)現(xiàn)并排除。武器裝備不論是在倉庫中貯存或在戰(zhàn)備值班，通常很少移動，因此機械方面引起的故障較少。而且，機械故障多是意外磕碰等原因產(chǎn)生的外表損傷（易發(fā)現(xiàn)和處理），或是機械部件質(zhì)量原因或外力過大引起的損壞（設備拆解后更換新部件即可），這些故障都易發(fā)現(xiàn)和處理。

③電、磁方面故障是武器裝備的主要故障，難發(fā)現(xiàn)并處理。電子元件的性能受環(huán)境影響較大，武器裝備的服役年限較長，因此在其服役后期經(jīng)常出現(xiàn)由于電子器件失效引起的故障。而且，此類失效的電子器件在外觀上基本上與正常電子器件相似，不易被發(fā)現(xiàn)。

④服役年限后期裝備故障較多。與民用品相似，武器裝備的故障多出現(xiàn)在服役年限后期。

⑤測試電纜和測試插頭座也有可能引發(fā)武器裝備出現(xiàn)測試“故障”。為了保持武器裝備處于正常工作狀態(tài)，需要定期對其進行測試，如圖1所示。通常都采用“一（一套測試設備+一套測試電纜）對多（多套武器裝備）”的配置方式，這導致了測試設備/電纜被頻繁使用。在測試設備/電纜和武器裝備的服役年限前期問題較少，但在后期，由于測試電纜和靠近武器裝備側(cè)的測試插頭座被頻繁移動及插撥，極有可能使電纜內(nèi)部導線斷開或電纜與插頭座的焊點斷開或電纜插頭與武器裝備插座間連接的插針彎曲/變形，使武器裝備與測試設備間的測試信號不能正常傳遞，導致測試結(jié)果異常，武器裝備出現(xiàn)“故障”（對于此“故障”，將測試設備斷電后重新接電纜及插頭座即可排除）。這種由測試電纜/插頭座引起的“裝備故障”，也是武器裝備日常維護保養(yǎng)時常見的故障之一。

2 BN模型

2.1 BN基礎

BN是一個有向無環(huán)圖[6][7]（Directed acyclic graph, DAG），如圖2所示。它使用節(jié)點變量表達各個信息要素，如圖中節(jié)點變量 、 等；各節(jié)點之間如有關聯(lián)（因果關系），則用一條有向邊從“原因”節(jié)點（父節(jié)點）指向“結(jié)果”節(jié)點（子節(jié)點），如圖中節(jié)點 （“原因”，父節(jié)點）指向 （“結(jié)果”，子節(jié)點）的有向邊；節(jié)點間的有向邊表示節(jié)點之間的關聯(lián)關系，可以用條件概率表(Conditional Probabilities Table,CPT)來定性的反映節(jié)點間的關聯(lián)強度，如節(jié)點 與節(jié)點 之間的CPT（ ， ）；在網(wǎng)絡中，有些節(jié)點處于某種狀態(tài)的概率在沒有其它信息存的情況下可以通過以前的經(jīng)驗或記錄而獲得，這些被稱之為先驗概率，如、。

圖2 BN結(jié)構圖

2.2 貝葉斯推理

貝葉斯推理主要指的是概率公式、乘法公式、全概率公式和貝葉斯公式，這些在相關書籍中可以查到，現(xiàn)簡述如下。

1）條件概率公式：

2）乘法公式：

3）全概率公式：

4）貝葉斯公式：

3 基于BN的武器裝備故障診斷方法

3.1 武器裝備故障分析

總的來說，引起武器裝備故障的原因可以分為裝備自身故障和測試設備故障（包括測試電纜）兩大類。人為操作失誤也會引發(fā)故障，但這種故障可歸納為設備故障，例如“操作不當使插頭與插座沒有完全聯(lián)接而導致出現(xiàn)測試故障”可歸為設備接口故障。

測試設備一般由激勵源（電源、信號源）、信號轉(zhuǎn)接/處理模塊、信號監(jiān)控/顯示設備、測試計算機和顯示器、機柜、測試軟件等組成。測試設備最易出現(xiàn)故障的是信號源，主要表現(xiàn)為其發(fā)出的信號不穩(wěn)或超差導致武器裝備測試報錯。測試設備不但需要發(fā)送/接收大量的各種模擬/數(shù)字信號，還需將其進行濾波/采樣/轉(zhuǎn)換，因此通訊接口不通導致信號無法正常、及時的傳送也是其常見故障。此外，測試計算機出現(xiàn)故障時，其將不能正常開機或工作，測試不可能進行，因此不考慮“測試計算機故障”。

雖然測試設備對武器裝備的測試過程復雜、項目較多、耗時較多，但是整個測試流程均嚴格按照一定步驟串行/并行進行：首先是武器裝備的電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等各分系統(tǒng)按一定順序進行單元級的、局部的串行測試；然后電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各分系統(tǒng)相互配合、協(xié)同工作，模擬武器裝備的實際工作過程，從而進行全局的并行測試。因此，武器裝備出現(xiàn)故障需要考慮其全系統(tǒng)，但對于一個具體的故障現(xiàn)象，只需考慮個別的、局部的分系統(tǒng)即可，例如，武器裝備出現(xiàn)雷達靈敏度超標的故障，我們只需要考慮雷達系統(tǒng)等，最多關聯(lián)電氣系統(tǒng)，但絕對不會認為與其動力系統(tǒng)有關。

總之，對武器裝備故障進行診斷時，需要考慮其自身的各分系統(tǒng)，以及測試設備電纜和測試設備。

3.2 基于BN模型的武器故障診斷

3.2.1 故障診斷

由3.1節(jié)分析可知，武器裝備的測試是一個復雜的過程。如果將武器裝備及測試設備作為一個整體使用BN進行故障診斷，會需要較多的參數(shù)，一方面可能影響到診斷的準確性；另一方面還將導致BN的層級較多、結(jié)構復雜。此外，當有以前沒有出現(xiàn)的新故障出現(xiàn)時，只能對原BN結(jié)構進行重新設計，使BN故障診斷的實時性和通用性較差。因此，在本文中以其各分系統(tǒng)（例如：電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等），作為研究對象，根據(jù)各系統(tǒng)特點分別建立互不干擾的、用于其故障診斷的BN。下面，以武器裝備的“測高裝置測試出現(xiàn)故障”為例，進行BN設計。

武器裝備的測高裝置實質(zhì)上是一型特殊雷達，它的發(fā)射/接收天線安裝于裝備外表面。測試時：在測高裝置發(fā)射/接收天線的外表面使用螺釘固定安裝一套（測試設備的）發(fā)射/接收微帶天線用以發(fā)送/回收測高裝置的高頻探測/回波信號；微帶天線通過各自的高頻電纜（發(fā)射：8號電纜，接收：9號電纜）使探測/回波信號到達測試設備的測高裝置控制箱中；測高裝置控制箱通過7號電纜接收/回送控制信號、狀態(tài)信號、電源到武器裝備測試設備機柜中。

根據(jù)3.1節(jié)分析及實際情況可知，測試裝置出現(xiàn)故障的部位主要在下三個方面:

1）測試設備自身故障。主要有：測試設備的測高裝置控制箱內(nèi)部故障（如高度延遲線故障）；測試設備機柜內(nèi)部通訊接口故障，導致接收/發(fā)送信號失?。?/p>

2）測試電纜故障。主要有：由于頻繁使用導致電纜與插頭或插座之間焊點斷開；由于經(jīng)常插、拔7號、8號、9號電纜，使插頭、座內(nèi)插針彎曲、變形，使其的針、孔處于虛連接狀態(tài)；發(fā)射/接收微帶天線安裝錯誤。例如：本該是發(fā)射/接收微帶天線對應測高裝置的發(fā)射/接收天線，而實際上安裝成了發(fā)射/接收微帶天線對應測高裝置的接收/發(fā)射天線，或者將本應同向向前的微帶天線安裝成了一個向前、一個向后（兩個微帶天線的安裝螺孔一致，即使是安裝方向反，也能安裝上）。此外，微帶天線安裝不緊固或沒對準發(fā)射/接收天線也是可能導致測試出現(xiàn)故障。

3）測高裝置故障。測高裝置安裝于武器裝備內(nèi)部，其故障主要有：電子元器件失效，導致電路板不能正常工作，這在武器裝備服役年限后期尤為明顯；測高裝置機柜內(nèi)電路板與發(fā)射/接收天線間連線斷線，這在頻繁進行戰(zhàn)備值班的武器裝備中出現(xiàn)的較多。

圖3 用于測高裝置測試故障的BN模型

3.2.2 故障診斷的BN模型

通過上述分析，可得用于武器裝備中測高裝置測試故障的BN模型，見圖3所示。其中，BN各節(jié)點變量表達的含義見表1所示。

接下來需要給出各節(jié)點的先驗概率及節(jié)點間的CPT。測高裝置測試故障BN中各節(jié)點的先驗概率及節(jié)點間的CPT主要是日常工作總結(jié)及對其工作原理的分析所得。

首先確定BN中各父節(jié)點的先驗概率。根據(jù)1.2節(jié)的分析可知，故障的原因與其服役年限有直接的關系（文中的測高裝置處于其服役年限末期），并且各節(jié)點都是二值變量（1:正常，無故障；0：異常，故障），根據(jù)以往經(jīng)驗及故障統(tǒng)計可得其先驗概率，見表2所示。

表2 BN中各父節(jié)點先驗概率

下一步需要確定各節(jié)點間的CPT。實際上，各節(jié)點間的CPT也是根據(jù)以往經(jīng)驗及故障統(tǒng)計得出；此外，各節(jié)點間故障互不影響，符合貝葉斯的條件獨立性假設。表3為節(jié)點A與節(jié)點B1之間的CPT，其它節(jié)點之間的CPT與其類似。

表1 BN各節(jié)點變量含義

表3 節(jié)點B1的CPT

根據(jù)2.2節(jié)的貝葉斯推理及3.2.2節(jié)的BN節(jié)點先驗概率和CPT，可得到測高裝置測試出現(xiàn)故障的BN初始狀態(tài)，見圖4所示。

4 基于BN模型的武器裝備故障診斷實例

下面用一個實例對武器裝備測高裝置測試故障的診斷進行驗證。

圖4 BN的初始狀態(tài)

武器裝備在測試時出現(xiàn)“測高裝置靈敏度超差”的故障提示。對于此故障，首先需要診斷出故障的部位，然后進行處理。根據(jù)2.1節(jié)、3.2節(jié)知識，將“測高裝置靈敏度超差”的信息(即：P(A=0)=1)輸入到圖4的BN初始狀態(tài)中，BN會將此信息向各節(jié)傳播從而完成各節(jié)點的更新，見圖5所示。

由圖4-1所示的BN各節(jié)點變化后狀態(tài)可知， “測高裝置靈敏度超差”最有可能的原因是B2出現(xiàn)故障（“測試電纜工作出現(xiàn)故障”，P(B2=0|A=0) =0.7032），而其更深層的原因是C4出現(xiàn)故障（“電纜-插頭/插頭座出現(xiàn)故障”，P(C4=0|A=0)=0.3858）。因此，對“測高裝置測試出現(xiàn)故障”診斷的結(jié)果是：最有可能出現(xiàn)故障的原因是“電纜-插頭/插頭座出現(xiàn)故障”；接著可能的原因是“微帶天線安裝故障”(P(C5=0|A=0)=0.0372）；第三個可能是“測試電纜出現(xiàn)故障”(P(C3=0|A=0)=0.0341）。此外，故障的原因也可是以上一個或多個原因同時出現(xiàn)導致。

圖5 出現(xiàn)故障信息后的BN

診斷出故障原因，需要對故障進行處理。以最有可能原因為例，處理方法是：需要重新插接電纜頭。具體做法是：①檢查與控制箱和微帶天線高頻插頭連接的8號、9號電纜是否斷線或與設備的連接不好；②檢查與控制箱和測試設備連接的7號電纜是否斷線或與設備的連接不好。

5 結(jié)束語

本文在分析武器裝備故障特點和貝葉斯網(wǎng)絡在處理不確定性問題優(yōu)點的基礎上，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡的武器裝備故障診斷的方法，并通過實例進行了驗證。驗證結(jié)果表明了貝葉斯網(wǎng)絡對武器裝備故障進行診斷的可行性和有效性。