無人機(jī)故障診斷技術(shù)概述

聶學(xué)華,紀(jì)紅霞,裴闖,張賾

95894部隊(duì)

本文主要闡述故障診斷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹專家系統(tǒng)定義、分類及如何建立專家系統(tǒng)，為下一步無人機(jī)故障診斷系統(tǒng)研究提供理論參考，為無人機(jī)安全性提供支撐。

故障診斷技術(shù)發(fā)展至今，已提出大量方法，一般將其劃分為基于解析模型的方法、基于信號(hào)處理的方法和基于知識(shí)的方法三種。近年來，業(yè)界提出了無人機(jī)安全監(jiān)控與健康管理系統(tǒng)的概念，功能主要包括無人機(jī)飛行過程中的數(shù)據(jù)采集、分析、故障檢測與隔離、故障預(yù)測分析、飛行安全評(píng)估與預(yù)測等，為無人機(jī)安全飛行提供輔助決策，并將機(jī)載信息傳輸給地面測控系統(tǒng)，以進(jìn)行故障診斷和預(yù)測。例如，美國F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中，采用了實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷、離線診斷、遠(yuǎn)程診斷與維修及保障相結(jié)合的層次化、一體化的綜合診斷體系。目前，國內(nèi)無人機(jī)有關(guān)單位對該方向也開展了大量研究工作，但大部分工程實(shí)現(xiàn)僅被認(rèn)為是故障診斷的雛形。

按照故障檢測與預(yù)測的對象與流程，本文重點(diǎn)介紹無人機(jī)地面故障診斷技術(shù)。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

故障診斷技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一階段，診斷結(jié)果在很大程度上取決于該領(lǐng)域?qū)＜业母泄俸蛯I(yè)經(jīng)驗(yàn)，對診斷信息只作簡單的數(shù)據(jù)處理。第二階段是以傳感器技術(shù)和動(dòng)態(tài)測試技術(shù)為手段，以信號(hào)處理和建模處理為基礎(chǔ)的現(xiàn)代診斷技術(shù)，在工程中已得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)及人工智能的發(fā)展，為滿足復(fù)雜系統(tǒng)的診斷要求，診斷技術(shù)進(jìn)入以知識(shí)處理為核心，信號(hào)處理、建模處理與知識(shí)處理相融合的第三發(fā)展階段，即智能診斷技術(shù)階段。

早期航空領(lǐng)域的地面故障診斷技術(shù)在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)停留在第一階段，維修人員通過學(xué)習(xí)故障手冊，根據(jù)故障發(fā)生的現(xiàn)象與特征進(jìn)行故障診斷。這種方法不但浪費(fèi)人力物力，而且對特殊故障的處理缺乏準(zhǔn)確性，只有提升維修人員的專業(yè)水平才能提高維修效率與準(zhǔn)確率。隨著飛機(jī)可靠性日益被重視，僅僅依靠維修人員的個(gè)人維修經(jīng)驗(yàn)已不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)可靠性的要求，地面故障診斷技術(shù)進(jìn)入了第二階段。對于各種主要戰(zhàn)機(jī)，美國采用了自動(dòng)化水平更高的機(jī)內(nèi)自檢測（BIT）技術(shù)，提高了故障檢測的準(zhǔn)確率和精確度，有效保證了飛機(jī)性能。但是由于整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及系統(tǒng)各組成部分具有相對的關(guān)聯(lián)性，使得BIT不能夠處理一些系統(tǒng)部件的相關(guān)故障診斷問題，這一缺點(diǎn)導(dǎo)致了故障診斷準(zhǔn)確率長期處在一個(gè)比較低的水平。

為了改善這種狀態(tài)，美國空軍將智能理論與故障診斷結(jié)合起來，提出采用智能化理論解決準(zhǔn)確率不高的問題。智能化診斷應(yīng)用于空軍軍事領(lǐng)域，不但使故障診斷效率得到巨大的提升，同時(shí)也進(jìn)一步推動(dòng)了智能診斷和專家系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，這一應(yīng)用具有重大理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。美國主要現(xiàn)役機(jī)型都采用了智能化故障診斷技術(shù)，確保在地面就能排除故障，使故障維修具有更好的及時(shí)性。在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍“全球鷹”、“捕食者”、F-15、F-16、F-18、B-2等機(jī)型均采用了智能故障診斷技術(shù)，使專用檢測設(shè)備數(shù)量減少，維修人員工作負(fù)擔(dān)減輕，維修時(shí)間縮短，整機(jī)完好率提升。

我國航空電子設(shè)備檢測與維護(hù)的傳統(tǒng)方法也是先由維修人員定期將設(shè)備從飛機(jī)上卸下，運(yùn)用儀器對信號(hào)進(jìn)行檢測，再通過有經(jīng)驗(yàn)的專家運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，對故障原因和故障部件進(jìn)行分析，判斷，由維修工程師維修后將設(shè)備裝上飛機(jī)。這種維修方法效率低下，必須靠有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和專業(yè)檢測設(shè)備來決策，造成人力物力和時(shí)間的浪費(fèi)。從上世紀(jì)80年代開始，軍用裝備特別是機(jī)載航空電子設(shè)備的檢測與故障診斷被納入裝備研制過程，帶來了故障檢測與診斷技術(shù)的發(fā)展，新一代航空電子設(shè)備均采用BIT設(shè)計(jì)，效果顯著。但是，由于我國開展測試性、可靠性及維修性的工作經(jīng)驗(yàn)比較欠缺，大多數(shù)檢測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)簡單，檢測準(zhǔn)確性偏低，故障覆蓋率難以滿足航空電子設(shè)備故障診斷的要求。2000年以后，隨著診斷理論、診斷設(shè)備性能和診斷技術(shù)的提高，機(jī)載設(shè)備地面故障診斷技術(shù)水平在精確性、可靠性與效率上都有大幅提高，通過地面故障診斷系統(tǒng)的檢測和故障診斷定位，排除故障，保證飛行安全。

圖1 美軍“全球鷹”無人機(jī)采用了智能故障診斷技術(shù)。

當(dāng)前我國大型無人機(jī)系統(tǒng)地面故障診斷主要依靠地面綜合保障系統(tǒng)，一般來講主要包括一臺(tái)地面綜合檢測車和相關(guān)輔助設(shè)備，保障無人機(jī)日常維護(hù)、檢修、訓(xùn)練和起飛前各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、狀態(tài)的檢測，是無人機(jī)無故障飛行的關(guān)鍵保障設(shè)備。當(dāng)前，該系統(tǒng)的完善受到用戶的高度關(guān)注，也是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究

故障診斷是指系統(tǒng)在一定工作環(huán)境下，查明導(dǎo)致系統(tǒng)某種功能失效的原因或性質(zhì)，判斷有隱患的部位或部件，以及預(yù)測狀態(tài)劣化的發(fā)展趨勢等，由當(dāng)前預(yù)測未來，由局部推測整體的過程。在工程技術(shù)領(lǐng)域，需要根據(jù)各種可測量的物理現(xiàn)象和技術(shù)參數(shù)的檢測來推斷設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，判斷發(fā)生故障的原因和部件，預(yù)測潛在故障的發(fā)生等。對機(jī)器設(shè)備進(jìn)行故障診斷的過程稱為故障診斷。

故障診斷步驟

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)中可測的或不可測的各種變量，或其中部分變量會(huì)表現(xiàn)出與正常狀態(tài)不同的特性，這種特性差異就包含豐富的故障信息，如何找出這種故障的特征描述，并利用其進(jìn)行故障的檢測與隔離，這就是故障診斷的任務(wù)。故障診斷包含故障特征提取、故障分離與估計(jì)、故障評(píng)價(jià)與決策等幾方面內(nèi)容。

圖2 無人機(jī)故障診斷流程圖。

（1）故障特征提取

通過測量和采用一定的信息處理技術(shù)，獲取反映系統(tǒng)故障特征的過程；

（2）故障分離與估計(jì)

根據(jù)檢測的故障特征，確定系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及故障嚴(yán)重程度的過程；

（3）故障評(píng)價(jià)與決策

判斷故障的嚴(yán)重程度，以及故障對系統(tǒng)的影響和發(fā)展趨勢，針對不同情況采取不同措施。

專家系統(tǒng)

（1）專家系統(tǒng)基本含義

專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它能模擬特定領(lǐng)域的專家，獲得求解問題的能力，對面臨的復(fù)雜問題做出專家水平的結(jié)論。由于它解決問題的能力主要取決于它擁有的知識(shí)，所以又稱為知識(shí)庫系統(tǒng)。這種基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序，事先總結(jié)出有關(guān)專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)，形成一系列規(guī)則后以適當(dāng)形式存入計(jì)算機(jī)，即建立知識(shí)庫。然后，采用合適的控制策略，按輸入的原始數(shù)據(jù)選擇一定的規(guī)則進(jìn)行推理、演繹，做出判斷和決策，并能根據(jù)用戶要求給出滿意的解釋。

根據(jù)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將專家系統(tǒng)定義如下：一個(gè)專家系統(tǒng)由一個(gè)四元組組成。

其中，P是要解決的問題，S為系統(tǒng)的推理控制策略，L是學(xué)習(xí)機(jī)制，K為知識(shí)庫。

專家系統(tǒng)是解決具有適當(dāng)規(guī)模的問題，采取一定的推理控制策略，具備相當(dāng)豐富和權(quán)威的知識(shí)，并具有學(xué)習(xí)機(jī)制，能對知識(shí)庫進(jìn)行改進(jìn)，以增強(qiáng)解題能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)的知識(shí)庫一般由規(guī)則庫、語義網(wǎng)絡(luò)、事實(shí)庫組成。規(guī)則庫存放的啟發(fā)式知識(shí)，是知識(shí)的主要形式。事實(shí)庫存儲(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域所需的數(shù)據(jù)、信息和事實(shí)。語義網(wǎng)絡(luò)用于表述領(lǐng)域的概念、事實(shí)、實(shí)體以及它們之間的關(guān)系。隨著解決問題的復(fù)雜性增加，語義網(wǎng)絡(luò)涉及的對象和實(shí)體也增多。如果知識(shí)庫比較大，就需要尋找比較有效的搜索知識(shí)的方法。因此，知識(shí)庫K可表示為如下三元組。

圖3 德國空軍人員正在檢測“梭魚”無人機(jī)故障。

其中，RB是規(guī)則庫，F(xiàn)B是事實(shí)庫，SN是語義網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)知識(shí)庫可以由規(guī)則不相交的若干知識(shí)庫組成，包括有限個(gè)數(shù)的規(guī)則組、事實(shí)組以及語義網(wǎng)絡(luò)組，用Kj表示知識(shí)塊，j表示知識(shí)塊號(hào)：

知識(shí)庫是有多個(gè)輸入端且只有一個(gè)輸出端的基本構(gòu)造單位，而且每條規(guī)則是知識(shí)庫的原子，用這種方式表示知識(shí)庫，意味著知識(shí)庫可以按一定方式分塊。

推理機(jī)制是專家系統(tǒng)的重要且必不可少的組成部分。將用戶要求、數(shù)據(jù)和事實(shí)輸入到系統(tǒng)后，推理機(jī)制在一定控制策略下，搜索知識(shí)庫中的規(guī)則、事實(shí)和語義網(wǎng)絡(luò)，并按某種推理控制方式進(jìn)行推理、判斷，最后得到推理結(jié)果。為了用戶方便，附帶此結(jié)果的可信度值，或提供更多種結(jié)果并有不同的可信度，作為用戶判斷的依據(jù)。

知識(shí)庫管理系統(tǒng)用來完成知識(shí)庫存取、組織、管理、修改、維護(hù)和學(xué)習(xí)等，以及完成知識(shí)庫的一致性檢驗(yàn)并提供安全性和完整性檢查，知識(shí)庫管理系統(tǒng)作為專家系統(tǒng)的重要組成部分，為專家系統(tǒng)構(gòu)建和維護(hù)提供了有力工具，知識(shí)庫管理系統(tǒng)與知識(shí)庫的關(guān)系正如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的關(guān)系。

推理子系統(tǒng)、知識(shí)庫管理子系統(tǒng)和人機(jī)接口子系統(tǒng)是任何一個(gè)專家系統(tǒng)所必須具備的三個(gè)子系統(tǒng)。學(xué)習(xí)機(jī)制對知識(shí)庫中的規(guī)則進(jìn)行評(píng)價(jià)、修正或補(bǔ)充。

（2）專家系統(tǒng)分類

圖4 知識(shí)庫管理過程圖。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)方法和技術(shù)以及反映人類智能活動(dòng)的本質(zhì)，可將專家系統(tǒng)分成演繹型、經(jīng)驗(yàn)型、工程型、操作型、探索型、工具型和咨詢型等。根據(jù)專家系統(tǒng)所解決問題類型，可將專家系統(tǒng)分成解釋型、預(yù)測型、診斷型、設(shè)計(jì)型、規(guī)劃型、監(jiān)督型、調(diào)試型、修理型、教學(xué)型和控制型等。還可根據(jù)專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征對專家系統(tǒng)進(jìn)行分類，例如按索引表示方法、推理策略、控制策略等方式劃分專家系統(tǒng)類型。

（3）專家系統(tǒng)構(gòu)建方法

專家系統(tǒng)能模擬特定領(lǐng)域的專家來求解問題，對復(fù)雜問題做出具有專家水平的決策。高性能專家系統(tǒng)應(yīng)包含豐富的無人機(jī)理論知識(shí)，和該領(lǐng)域?qū)＜遗c維修人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。構(gòu)建知識(shí)庫后，對其正確運(yùn)用的過程就是推理，確切的說，推理過程就是按照某種推理策略，由已知事實(shí)推出其中蘊(yùn)含的事實(shí)。下面對診斷專家系統(tǒng)幾個(gè)重要的功能模塊提出開發(fā)策略。

1）用戶界面開發(fā)

用戶界面是用戶使用專家系統(tǒng)的操作界面，如果設(shè)計(jì)的用戶界面不友好，再

好的系統(tǒng)也會(huì)讓用戶使用起來不方便，所以構(gòu)建一個(gè)友好的用戶界面極為重要。目前，自然、方便、靈活是專家系統(tǒng)的目標(biāo)和發(fā)展方向。越來越多的技術(shù)已應(yīng)用于專家系統(tǒng)的人機(jī)界面開發(fā)，通常采用菜單、按鈕等控件方式，另外虛擬技術(shù)和多媒體技術(shù)也逐漸在專家系統(tǒng)中應(yīng)用。

2）知識(shí)庫管理模塊開發(fā)

專家系統(tǒng)的知識(shí)需要管理和維護(hù)，以便提高系統(tǒng)效率。管理模塊是實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫中知識(shí)的管理與維護(hù)。由于知識(shí)獲取是一個(gè)長期積累的過程，不可能在某一固定時(shí)期獲得整個(gè)系統(tǒng)的全部知識(shí)，所以知識(shí)庫的建立是一個(gè)長期的過程，需要系統(tǒng)具有不斷完善和修正系統(tǒng)知識(shí)的功能。不同層次的用戶對知識(shí)的理解也不盡相同，應(yīng)為不同層次的用戶設(shè)計(jì)一種較通用的診斷知識(shí)描述，并提供知識(shí)的檢查功能，確保知識(shí)的正確性，避免知識(shí)庫的冗余等。對有些龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)故障診斷需分成子系統(tǒng)進(jìn)行診斷，這就需要對知識(shí)進(jìn)行層次劃分，從而將求解知識(shí)劃分為若干個(gè)模塊，不同模塊的知識(shí)分別存儲(chǔ)且相對獨(dú)立。

3）推理模塊開發(fā)

診斷知識(shí)的表示方法對推理及策略選擇有直接影響。為對復(fù)雜問題進(jìn)行求解并達(dá)到求解的嚴(yán)密性，智能故障診斷專家系統(tǒng)的診斷推理應(yīng)設(shè)計(jì)為可支持多種推理方式的綜合推理機(jī)，專家可對推理過程進(jìn)行指導(dǎo)和修正。雖然綜合推理機(jī)制的算法實(shí)現(xiàn)具有一定的復(fù)雜性，但系統(tǒng)的求解方式更靈活，解決問題的能力更強(qiáng)，推理更嚴(yán)密，形成針對特定問題的診斷推理方法，能有效解決各種推理難題，有效提高系統(tǒng)解決問題的能力。

圖5 美空軍人員卸下 “全球鷹”雷達(dá)天線罩準(zhǔn)備維修，可見雷達(dá)天線。

無人機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

無人機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)中的某種故障特征可能是單一診斷結(jié)論的前提，也可能是多個(gè)故障診斷結(jié)論的前提之一。所以，設(shè)計(jì)有效的推理策略即推理機(jī)，提高診斷的準(zhǔn)確性也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

無人機(jī)故障診斷系統(tǒng)主要包括機(jī)載設(shè)備單元故障檢測、故障定位，并根據(jù)故障診斷結(jié)果生成診斷結(jié)果報(bào)告等功能，為無人機(jī)系統(tǒng)維修提供依據(jù)，提高無人機(jī)的安全性。

無人機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)建是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要不斷進(jìn)行分析、開發(fā)、測試和驗(yàn)證才能得以完善。因此，應(yīng)圍繞無人機(jī)設(shè)計(jì)和使用，不斷積累、分析、豐富和學(xué)習(xí)專家知識(shí)庫，使故障診斷專家系統(tǒng)越來越完善，為無人機(jī)安全性提供支撐。