基于仿真技术的装备智能故障诊断系统

    随着人工智能技术的发展和专家系统理论技术的完善，诊断型专家系统已被广泛应用于复杂武器装备维修保障系统中，故障诊断专家系统是典型的智能故障诊断技术之一，丰富的知识库和完备的知识推理与管理机制是成功开发专家系统的必要条件，如何自动获取知识一直是故障诊断专家系统研究热点与难点。由于计算机系统仿真技术水平的不断提高和应用领域的不断扩大，如果根据装备故障诊断要求，将计算机仿真技术和专家系统结合起来，建立装备仿真模型，模拟装备在正常状态下和各种故障状态下的工作过程，通过仿真分析获得装备各种状态的运行参数，加工形成能够直接用于故障诊断专家系统的知识，将有效克服传统的故障诊断专家系统知识获取难度极大的问题，且利用仿真技术还能对故障诊断过程进行演示、对结果进行验证。

1装备仿真测试平台

1．1 分布式仿真体系结构

    为满足大范围内对仿真互操作和重用的要求，美国国防部于1995年提出了高层体系结构(HLA)／运行支撑框架(RTI)。HLA／RTI最主要的特点是采用面向对象技术，建立了基于联邦的仿真开发、集成和运行框架，提高了仿真的互操作性和重用性，在HLA框架内实现了仿真的"即插即用"。HLA相对于DIS标准，解决了灵活性和可扩充性，同时能减少网络冗余数据等问题，利用他可以集成不同种类的仿真及真实系统，包括DIS系统、聚合级仿真、结构化仿真以及实际的C3I系统。因此HIA是一种更先进的分布式仿真体系结构，HLA／RTI作为一种先进的仿真体制在国内外已得到大量实际应用，并已成为国际标准，而且有许多成熟的商品化开发工具问世，目前已替代DIS成为仿真应用的主要框架。

1．2 某型装备仿真测试平台

    某型装备是一个复杂的人机系统，在地理上和功能上都是分布的，具有实时性和开放性的特点，在系统仿真过程中要涉及到各种硬件、软件和实际系统。采用HLA体系结构进行仿真是一种可行且有效的手段，利用商用流行国际先进技术以及模块化、一体化、智能化的仿真工具软件，模拟装备作战环境，建立一个以网络为中心的开放式的装备半实物仿真测试系统。图1是一个基于HLA／RTI的某型装备仿真联邦的结构图，他将装备的各种功能映射到了12个结点上，每一个结点就是一个联邦成员。联邦成员之间不直接对话，他们都连接到RTI上，通过RTI提供的服务来实现相互通信，底层通信采用TCP／IP网络协议。

2 某型装备故障诊断专家系统

2．1 基于仿真的诊断知识获取

    知识获取通常需要根据故障诊断案例发现新规则或从领域专家处接受新规则，不断丰富和完善故障诊断知识库。由于装备在不同的工作状态下或采用不同的组合时，同一种故障在系统中的表现特征也不尽相同，征兆与故障之间通常不存在一一对应关系。往往只能通过系统故障机理研究、诊断案例分析、可靠性分析和诊断模型试验等手段，结合领域专家知识和系统技术资料等，对故障和征兆进行明确定义、对故障进行层次划分、对征兆进行量化处理，才能发现适用于不同条件下的故障诊断规则。但是，对大型复杂的装备系统而言，采用人工方式几乎无法在专家系统组建过程中获取足够的故障诊断规则。因此，若能利用装备仿真测试系统基础平台，通过在给定功能组合和设置故障状态下对装备的工作过程和功能模块进行仿真，获得装备各种组合下的运行参数，建立故障样本集合，自动获取故障诊断知识，将有效提高故障诊断知识获取的速度与质量。

2．2 故障诊断专家系统的实现

    某型装备故障诊断专家系统(组成构成如图2所示)主要由知识获取模块、诊断知识库、解释机模块、推理机模块和人机接口等部分构成，并通过仿真测试数据库从装备仿真测试系统中获取知识。

(1)仿真测试数据库是联接仿真测试系统和故障诊断专家系统的桥梁，该动态数据库存放有仿真测试数据。仿真测试系统能模拟装备正常状态或故障状态，通过仿真测试得到不同状态的运行数据，并补充到仿真测试数据库中。在故障诊断专家系统工作过程中，知识获取模块可以从仿真测试数据库中提取所需数据，通过分析处理将数据转化为知识，并存入诊断知识库中。

(2)故障诊断知识库用于存放专家系统运行过程中所需的知识，丰富的知识库是成功构建专家系统的必要条件。在实现过程中，知识库选择了多种知识表现形式，包括规则知识表示、案例知识表示、框架知识表示和模型知识表示等，其中模型知识是从已有的仿真测试系统中建立的许多成熟的模型中获取，而其他知识则由领域专家通过人机接口模块提供，知识库由知识获取模块负责维护。 (3)推理机模块模拟领域专家故障诊断过程，是故障诊断专家系统的核心部分。由于系统中诊断知识采用了多种表示方式，因此推理机集成了多种推理机制，提高了诊断结果的可信度。在实现过程，系统首先根据普通用户提出的故障诊断要求及提供的故障诊断信息等形成特征征兆集合，然后系统分别进行基于规则、基于案例、基于框架和基于模型等诊断推理，并采用信息融合技术按发生概率大小给出所有可能故障的提示，最后基于仿真测试系统采用仿真复现技术验证诊断结论。

(4)解释机模块是专家系统的重要组成部分，负责向用户解释专家系统故障诊断行为的全部过程。解释功能的实现有很多种方法，如预置文本法、路径跟踪法、策略解释法、自动程序员法等，其中预置文本法和路径跟踪法较为常用。本系统采用路径跟踪与仿真复现相结合的方法进行解释，不仅能将问题求解所使用的知识自动记录下来，在用户需要时显示问题求解的全过程，而且能在仿真测试系统基础上，通过仿真复现技术向用户展示故障发生、发展及最终表现征兆的全过程。

3 结 语

    针对某型装备智能故障诊断问题，介绍基于分布式交互仿真技术的装备仿真测试环境，提出基于仿真测试技术的故障诊断知识自动获取方法，设计基于系统仿真技术与专家系统技术相结合的装备故障诊断专家系统，实现大型复杂装备智能故障诊断，提高专家系统故障诊断能力。