基于專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷研究

趙達(dá)明

（中國(guó)郵政航空有限責(zé)任公司 北京 100000）

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其故障診斷的難度非常大，因此，專家系統(tǒng)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)械智能故障的診斷中具有重要意義。專家系統(tǒng)包括了模糊模塊、案例模塊及規(guī)則模塊3個(gè)重要組成部分。通常情況下，都會(huì)對(duì)案例和規(guī)則模塊進(jìn)行深入研究，尤其是強(qiáng)調(diào)CBR 飛機(jī)故障診斷方法的基本過程研究。將專家系統(tǒng)嵌入到便攜式外場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，可以更進(jìn)一步地輔助排查飛機(jī)機(jī)械智能故障，并且依據(jù)故障的數(shù)據(jù)和信息形成故障隔離與修理指導(dǎo)手冊(cè)，有利于飛機(jī)的安全性、穩(wěn)定性維護(hù)［1］。

1 飛機(jī)機(jī)械智能故障分析

人工智能是在20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的，隨著各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，人工智能技術(shù)也在不斷地發(fā)展進(jìn)步。從一開始的理論研究發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用，人工智能給各行各業(yè)的生產(chǎn)帶來了巨大的影響，對(duì)人們的日常生活影響也非常大。在這些技術(shù)基礎(chǔ)之上，航空行業(yè)加大了人工智能技術(shù)的應(yīng)用，使得專家系統(tǒng)的研究越來越深入，讓航空行業(yè)的綜合水平不斷地提升，加速了專家系統(tǒng)的商業(yè)化發(fā)展。專家系統(tǒng)在飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷中的應(yīng)用主要是為了解決飛機(jī)的常規(guī)設(shè)備及維修等相關(guān)問題，為此，整體上的應(yīng)用范圍較廣，應(yīng)用效率較高。飛機(jī)機(jī)械的精密性非常高，將專家系統(tǒng)加以應(yīng)用，有利于航空業(yè)的發(fā)展［2］。

飛機(jī)機(jī)械故障涉及的內(nèi)容較多，且受到了各種因素的影響，通常意義上的飛機(jī)機(jī)械故障與人為操作不當(dāng)、自然環(huán)境因素等有關(guān)，一旦這些不良因素存在飛機(jī)則可能在零部件等細(xì)節(jié)上出現(xiàn)故障，繼而引發(fā)安全事故。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性顯而易見，所以，在實(shí)踐中，很多技術(shù)人員都認(rèn)為飛機(jī)的故障具有明顯的層次性，而且飛機(jī)故障的綜合性、相關(guān)性等都非常明顯。從飛機(jī)機(jī)械故障的層次性來看，主要是以飛機(jī)機(jī)械故障的維修程度高低為標(biāo)準(zhǔn)的，繼而形成高層次的故障和低層次的故障，低層次故障如果沒有及時(shí)加以處理，則會(huì)引發(fā)高層次故障。而飛機(jī)機(jī)械故障的相關(guān)性相對(duì)好理解，即飛機(jī)機(jī)械故障具有系統(tǒng)性，當(dāng)飛機(jī)機(jī)械故障出現(xiàn)之后，其呈現(xiàn)出來的必然是相關(guān)性而不是單一性，某一結(jié)構(gòu)部位出現(xiàn)了故障，則會(huì)影響到其他結(jié)構(gòu)或者單元，故障發(fā)生的概率也因?yàn)檫@樣而不斷提升。飛機(jī)機(jī)械故障與很多因素有關(guān)，可能是單一影響因素，也可能是復(fù)合影響因素。從飛機(jī)機(jī)械故障的特點(diǎn)可以看到針對(duì)飛機(jī)機(jī)械故障診斷的難度究竟有多大。一旦發(fā)現(xiàn)飛機(jī)出現(xiàn)了的故障，則應(yīng)當(dāng)從飛機(jī)機(jī)械故障的綜合性著手，而不能僅將檢測(cè)行為停留在故障表面，以免飛機(jī)在存在故障的狀態(tài)下運(yùn)行引發(fā)安全事故。

2 飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷專家系統(tǒng)

2.1 飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷的一般方法

飛機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了多個(gè)組成部分。從飛機(jī)機(jī)械的系統(tǒng)組成部分來看，不同性質(zhì)的子系統(tǒng)構(gòu)成了飛機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，所以，不同部位、不同子系統(tǒng)所爆發(fā)的故障存在不同的特點(diǎn)，會(huì)引發(fā)不同的安全事故，檢測(cè)維修的方法也有明顯不同。同時(shí)，從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，飛機(jī)的機(jī)械故障存在技術(shù)無法檢測(cè)到的特點(diǎn)，而且故障征兆并不是全部都能夠獲取，甚至有些故障征兆通過一般檢測(cè)手段都無法測(cè)量。當(dāng)前，針對(duì)飛機(jī)進(jìn)行的故障診斷方式包括了3 種，即定時(shí)診斷、視情診斷、常規(guī)診斷。

定時(shí)診斷指的是定期進(jìn)行的一種以預(yù)防為主的診斷模式。目前，針對(duì)飛機(jī)進(jìn)行的定時(shí)診斷非常必要，而且航空公司為了避免飛機(jī)出現(xiàn)故障都會(huì)安排專業(yè)技術(shù)人員定時(shí)、定期、定量地開展故障診斷的工作。這種診斷方式具有傳統(tǒng)性質(zhì)，但是也是具有明顯必要性的診斷方式。在診斷的過程中，診斷的時(shí)間會(huì)對(duì)診斷結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，時(shí)間在這一過程中發(fā)揮的是控制參數(shù)的作用，飛機(jī)在不同的時(shí)間下狀態(tài)有所不同，定期或者不定期對(duì)飛機(jī)進(jìn)行故障診斷，則能夠監(jiān)控飛機(jī)的各個(gè)單元結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況，及時(shí)地獲取飛機(jī)潛在故障的信息和數(shù)據(jù)，將其作為飛機(jī)檢修與維護(hù)的依據(jù)。這種方法之所以仍然在飛機(jī)機(jī)械故障診斷中發(fā)揮作用，與其性質(zhì)有關(guān)。很多人認(rèn)為定時(shí)診斷的成本較高，需要安排很多技術(shù)人員才能夠在一定的時(shí)間內(nèi)完成飛機(jī)機(jī)械故障的診斷與排查工作，時(shí)間成本、人力成本及物力成本都非常高，而且通常只有經(jīng)驗(yàn)足夠豐富、技術(shù)專業(yè)知識(shí)水平高的技術(shù)人員才能夠更準(zhǔn)確、及時(shí)地診斷出故障［3］。

視情診斷作為飛機(jī)運(yùn)行過程中的故障診斷方法，同樣具有重要的作用。當(dāng)飛機(jī)處于運(yùn)行過程中時(shí)，不能夠隨意開展故障診斷工作，而是需要結(jié)合飛機(jī)運(yùn)行情況，采取狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)完成診斷工作。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是服務(wù)于飛機(jī)的運(yùn)行過程監(jiān)測(cè)。飛機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生并發(fā)送很多的信號(hào)和信息，通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以從這些信號(hào)和信息中發(fā)現(xiàn)、推斷出存在的故障，并及時(shí)采取解決措施。視情診斷的方法應(yīng)用時(shí)具有一定的空間限制，所以對(duì)于檢測(cè)人員的要求更高。無論是時(shí)間還是空間都會(huì)對(duì)飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷產(chǎn)生消極影響，并且從很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，視情診斷對(duì)故障維護(hù)的效用相對(duì)比較小，而且故障維修的條件會(huì)因?yàn)榭臻g與時(shí)間而減少，不利于機(jī)務(wù)人員開展飛機(jī)機(jī)械故障維修工作，容易給飛機(jī)運(yùn)行形成安全隱患。

常規(guī)診斷則是在飛機(jī)機(jī)械故障發(fā)生前或者發(fā)生后都會(huì)加以運(yùn)用的診斷方法。這種診斷方法在飛機(jī)起飛之前或者飛機(jī)著陸后需要及時(shí)進(jìn)行。機(jī)務(wù)人員結(jié)合飛機(jī)運(yùn)行過程中，以及飛機(jī)定時(shí)診斷的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行全面診斷工作，能夠有效預(yù)防故障以及安全隱患。常規(guī)診斷方法的操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是由于并不會(huì)進(jìn)入到飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行診斷，所以無法及時(shí)獲取潛在故障的信號(hào)，也無法排查潛在故障。正是因?yàn)轱w機(jī)機(jī)械智能故障診斷的一般方法存在各種各樣的不足之處，才會(huì)讓專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷研究不斷深入。

專家系統(tǒng)主要是利用人工智能檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合專家提供的相關(guān)知識(shí)理論，不斷對(duì)問題進(jìn)行研究和判斷，保證診斷結(jié)果具有較強(qiáng)的科學(xué)性。從專家作出的機(jī)械維修決策中，檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際診斷情況制定不同的維修措施。故障診斷作為專家系統(tǒng)的基本功能，在實(shí)際工作中，需要通過各種檢測(cè)手段，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)工作異常數(shù)據(jù)源進(jìn)行獲取，從而提前預(yù)防故障問題的產(chǎn)生，保證機(jī)務(wù)人員的生命安全，減少安全事故的發(fā)生給相關(guān)企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

首先，專家診斷系統(tǒng)自身具有較強(qiáng)勢(shì)的影響。由于專家系統(tǒng)是以專業(yè)知識(shí)理論作為診斷基礎(chǔ)，只要知識(shí)儲(chǔ)備量充足、系統(tǒng)儲(chǔ)存容量足夠，那么專家系統(tǒng)就能夠在任何系統(tǒng)中進(jìn)行操作和使用，快速、精準(zhǔn)地對(duì)各種故障和安全隱患進(jìn)行檢測(cè)。

其次，專家系統(tǒng)的造價(jià)較低。隨著時(shí)代的進(jìn)步，專家系統(tǒng)也得到全面的優(yōu)化和改善，對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)成本逐漸降低，從飛機(jī)機(jī)械設(shè)備故障診斷的方面來看，專家診斷技術(shù)的應(yīng)用能夠確保診斷的有效性和針對(duì)性。

最后，專家系統(tǒng)自身的可靠性較強(qiáng)。專家知識(shí)很容易進(jìn)行獲取，并且知識(shí)的應(yīng)用實(shí)踐充足，可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行使用［4-5］。

2.2 飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷的專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷核心是人工智能技術(shù)，專家作為提供飛機(jī)機(jī)械故障診斷的知識(shí)，結(jié)合具體的信息和數(shù)據(jù)推理，并且形成模擬專家的機(jī)械維修建議方案，這樣的系統(tǒng)可以適應(yīng)很多問題?；趯＜蚁到y(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷，發(fā)揮了不同機(jī)械維修領(lǐng)域?qū)＜业臅?huì)診作用，使得飛機(jī)機(jī)械故障診斷的效率得到了提升，因此，專家系統(tǒng)是一個(gè)富有專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序。故障診斷專家系統(tǒng)的基本功能因?yàn)槭窃谌斯ぶ悄芗夹g(shù)基礎(chǔ)之上形成的，所以其先進(jìn)性不言而喻。專家系統(tǒng)在工作時(shí)，會(huì)利用各種檢測(cè)手段來及時(shí)監(jiān)測(cè)、獲取飛機(jī)設(shè)備運(yùn)行的信息和數(shù)據(jù)，從而判斷飛機(jī)是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)中、是否存在潛在故障或者顯性故障。機(jī)務(wù)人員在發(fā)現(xiàn)了機(jī)械故障之后，結(jié)合專家系統(tǒng)形成的檢修建議，采取措施解決故障問題，有效保障飛機(jī)的運(yùn)行安全性。

專家系統(tǒng)的內(nèi)部以知識(shí)庫(kù)、知識(shí)獲取子系統(tǒng)、推理機(jī)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及人機(jī)接口等部分組成。知識(shí)庫(kù)很顯然是包含了飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷專業(yè)知識(shí)、專業(yè)經(jīng)驗(yàn)等特定領(lǐng)域知識(shí)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。為了確保專家系統(tǒng)的運(yùn)行效率，保障飛機(jī)機(jī)械故障診斷檢修的綜合效率，則在構(gòu)建專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)時(shí)即應(yīng)當(dāng)對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行全面分析，確保其中的存儲(chǔ)內(nèi)容能夠滿足飛機(jī)機(jī)械故障診斷的需求，能夠適應(yīng)新的變化，具有科學(xué)性、可用性及完備性。由于專家系統(tǒng)的構(gòu)成模塊存在不同的性質(zhì)與特點(diǎn)，知識(shí)庫(kù)在其中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的作用，結(jié)合飛機(jī)機(jī)械故障診斷的需求、飛機(jī)的類型等，提前進(jìn)行探討和研究非常必要。知識(shí)獲取子系統(tǒng)屬于機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，這一子系統(tǒng)就突出了專家系統(tǒng)的人工智能性特征。為了讓專家系統(tǒng)在實(shí)踐中發(fā)揮預(yù)期的作用，為解決問題創(chuàng)造有利的條件，形成針對(duì)性的解決方案，則需要讓專家系統(tǒng)始終保持更新完善的狀態(tài)，始終適應(yīng)不斷變化的外界環(huán)境。當(dāng)知識(shí)獲取的子系統(tǒng)運(yùn)行良好，即使知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容缺乏一定完備性，也能夠在短時(shí)間內(nèi)通過知識(shí)獲取系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。知識(shí)獲取針對(duì)的是知識(shí)庫(kù)知識(shí)的更新、優(yōu)化與完善，知識(shí)獲取是一種手段，只有將其作用充分發(fā)揮出來之后，才能更好地促進(jìn)實(shí)踐工作的開展。

推理機(jī)屬于專家系統(tǒng)中的重要組成部分，與知識(shí)庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)不同，推理機(jī)的人工智能程度更高。因?yàn)橥评頇C(jī)能夠在獲取了用戶提出的問題及用戶輸入的數(shù)據(jù)或者信息之后，根據(jù)知識(shí)庫(kù)及知識(shí)獲取等程序來判斷用戶的意圖，并發(fā)揮推理的功能，解答用戶提出的問題。推理機(jī)屬于專家系統(tǒng)的核心部分，也屬于當(dāng)前研究力度最大的一個(gè)部分。目前，推理機(jī)的推理以正向推理、反向推理及混合推理為主。數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)之間存在著明顯的差別，專家系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并為后續(xù)的機(jī)械故障智能診斷提供依據(jù)。具體來看，包括了飛機(jī)故障本身的信息，也包括了用戶回答的事實(shí)、用戶提出的問題、推理機(jī)推理產(chǎn)生的信息、知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)等。人機(jī)接口作為專家系統(tǒng)的子系統(tǒng)，主要是包含了解釋程序，發(fā)揮著橋梁性的作用，可以讓用戶、專家系統(tǒng)相互連接，從而促進(jìn)飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷工作的開展。解釋程序面向用戶，所以需要確保用戶提出的問題均能夠在人機(jī)接口中獲取答案，從而及時(shí)地反饋到機(jī)械故障維修部門。為了更好地運(yùn)用專家系統(tǒng)，人機(jī)接口的解釋程序需要具備透明性，以其為核心提升專家系統(tǒng)整體的透明性。

分解專家系統(tǒng)的內(nèi)部子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)屬于當(dāng)前研究的重要模式，因?yàn)槊恳粋€(gè)子系統(tǒng)的功能作用都會(huì)對(duì)飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷產(chǎn)生一定的影響，所以，結(jié)合特征描述、決策方法等構(gòu)建針對(duì)性的、多樣化的故障診斷方法屬于當(dāng)前研究的目標(biāo)?；趯＜蚁到y(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷存在依賴模型和不依賴模型兩種情況。依賴模型的方法以狀態(tài)估計(jì)方法、參數(shù)估計(jì)方法為主；而不依賴模型的方法則包括了兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是以直接可測(cè)信號(hào)為基礎(chǔ)，另一個(gè)是以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)。這兩種故障診斷方法在實(shí)踐中的作用發(fā)揮各有特點(diǎn)。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)的故障診斷方法不斷地進(jìn)步與發(fā)展，基于專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷精確性越來越強(qiáng)高［6］。

專家系統(tǒng)的種類越來越多，能夠在飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷中發(fā)揮作用的也越來越多。但是，隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化、精密化，專家系統(tǒng)的綜合水平還需要繼續(xù)提升。傳統(tǒng)的智能專家系統(tǒng)發(fā)展演變形成了更多體現(xiàn)人工智能技術(shù)作用和價(jià)值的專家系統(tǒng)，可以適應(yīng)不同機(jī)械故障的診斷需求，專家系統(tǒng)的各種優(yōu)勢(shì)在這樣的背景下才能夠得到全面發(fā)揮。進(jìn)入到21 世紀(jì)之后，各種技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是人工智能技術(shù)，將人工智能技術(shù)與飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷的需求銜接起來，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，完善專家系統(tǒng)的每一個(gè)子系統(tǒng)，提高飛機(jī)機(jī)械的建造水平、精密程度，才能夠最終達(dá)到保障飛機(jī)運(yùn)行安全的目的，確保飛機(jī)的安全隱患得到及時(shí)排查與維修，有效保障飛機(jī)使用者的人身財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)航空業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

3 結(jié)語

綜上所述，基于專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷具有重要意義。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理都具有明顯復(fù)雜性，以至于飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷面臨著很多的難題。當(dāng)故障信息本身不夠完整，或者缺乏精確性的時(shí)候，機(jī)械故障的診斷結(jié)果則無法為故障的檢修起到積極的作用。基于專家系統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷能夠解決這些問題，保障故障診斷與處理的精確性、及時(shí)性。不過，從實(shí)踐情況上看，使用專家系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)機(jī)械智能故障診斷對(duì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)知識(shí)要求非常高，現(xiàn)如今，應(yīng)當(dāng)積極培養(yǎng)這一類人才，并加大現(xiàn)有技術(shù)人員的培訓(xùn)力度，確保飛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，降低飛機(jī)運(yùn)行過程中的故障發(fā)生概率。