基于案例推理的鱼雷制导系统故障诊断方法

韩云东, 周 明, 童 艳, 马海瑞



基于案例推理的鱼雷制导系统故障诊断方法

韩云东1, 周 明1, 童 艳2, 马海瑞1

(1. 海军大连舰艇学院 装备自动化系, 辽宁 大连, 116018; 2. 解放军91550部队, 辽宁 大连, 116023)

为了解决传统的基于规则推理(RBR)方法存在的不足, 将基于案例推理(CBR)方法引入鱼雷制导故障诊断系统中。阐述了案例推理的诊断策略, 重点描述了二级案例检索策略及其算法, 进而从案例描述、系统结构和工作流程3个方面介绍了基于案例推理的鱼雷制导系统故障诊断方法设计, 并在VB6.0平台上开发了故障诊断系统, 最后通过具体的故障案例比较了RBR和CBR两种方法。案例分析结果表明, 所开发的基于案例推理故障诊断系统能够提高鱼雷制导系统维修的准确性和高效性。

鱼雷; 制导系统; 故障诊断; 案例推理

0 引言

鱼雷制导系统是一个复杂的信息决策和信息控制系统, 随着鱼雷战术性能的提高, 对实时性和可靠性的要求越来越高。因此, 如何提高鱼雷制导系统的故障诊断方法的正确性和高效性, 是当前研究的一个重要方向[1-2]。目前, 针对鱼雷制导系统的故障诊断专家系统的开发多采用基于规则推理(rule-based reasoning, RBR)的方法, 而RBR在进行故障诊断时存在如下问题[3-6]: 1) 知识获取困难, 是RBR方法的瓶颈问题; 2) 对复杂系统的推理速度较慢, 且搜索时会出现组合爆炸问题; 3) 专家知识表述规则化较难, 开发周期较长; 4) 无法解决超出规则范围以外的问题; 5) 推理过程抽象, 不易理解等。

近几年来, 面对RBR方法的局限, 基于相似性的推理越来越受到人们的重视, 从而出现了基于案例推理(case-based reasoning, CBR)的方法。基于案例推理方法具有简化知识获取、提高问题求解效率、改善求解质量、进行知识积累、案例知识易于理解等优点, 被认为是人类认知心理学理论和提供人类解决问题的一种认知模型, 提供了与人类解决问题甚为近似的一种方法。因此, CBR方法可为鱼雷制导系统的故障诊断提供一条新途径。

1 CBR的诊断策略

为了解决一个问题, 人们常常先从记忆的知识库中寻找所有与新问题相关的经验和知识, 然后把其中相关程度高的部分整合运用到新问题的求解过程中, 这就是基于案例推理过程的求解原理。其基本思想是将求解具体问题时的条件、方法和结果以案例的形式存储起来, 在求解新问题的时候从这些案例中找到最接近当前问题的案例, 并对其进行调整满足新案例的要求。

鱼雷制导系统的案例推理过程可以分为5个阶段, 如图1所示: 问题描述、案例检索、案例重用、案例修订和案例保留。

图1 基于案例推理方法的工作原理图

1) 问题描述: 是CBR系统的开始环节, 用户首先根据其对当前问题的理解, 用系统可以识别的语言(模型)对问题进行解释和描述, 系统以此为基础生成结构化的查询案例, 作为检索案例的起点。

2) 案例检索: 案例是由多个属性组成的, 根据新案例的属性, 通过属性匹配和相似度计算, 从鱼雷制导系统案例库中检索出与要求案例特征相似度最高的案例。

3) 案例重用: 一旦检索到相似案例, 系统就根据本次案例的属性, 调整、替换检索到相似案例所提供的解决方案的某些参数, 得到适合当前鱼雷制导系统问题的建议方案。

4) 案例修正: 当重用过程产生的方案或题解不准确或者不完全适用于解决新问题的时候, 需要根据当前问题的具体环境对其相关特征参数进行修订, 以适用于当前问题。

5) 案例存储: 将案例修正后的解决方案应用到本次鱼雷制导系统故障维修中, 并对结果进行评估, 通过对案例检索及案例修正后所得到的案例进行加工, 作为新案例存入案例库, 案例库规模由此不断完善。

其中, 案例检索方法是CBR诊断策略的核心, 直接决定着故障诊断的效率和准确性。鱼雷制导故障诊断系统采用的是二级案例检索策略。第1级检索根据故障征兆, 初步确定故障案例所属的子系统, 缩小检索范围; 第2级检索则在子系统案例集中进行最近邻匹配, 查找相似度最高的案例。具体算法如下: 设故障案例和案例库案例, 根据公式(1)求得两者的相似度。其值越小, 表示与越相似, 对指导本次故障诊断越有效。

2 CBR故障诊断方法设计

将CBR技术应用于鱼雷制导系统故障诊断中, 应根据CBR诊断策略, 完成案例描述设计、系统结构设计和工作流程设计。

2.1 案例描述设计

案例描述就是对于过去已经解决的问题及其解决方案的描述, 是构造CBR系统最主要的问题, 也是案例检索、案例重用、案例修正和案例存储的基础, 其结构和内容直接影响到故障诊断系统的效能。因为基于案例解决问题的方法是通过回忆以前相似的问题得到解决方案, 所以案例的查询和匹配过程需要在时间和效率上非常合理, 且解决的故障案例需要按规定格式保存在案例库中, 因此就必须采用一定的方法将故障案例集成到案例库中。

根据鱼雷制导系统的故障特点, 在故障诊断系统中采用基于属性的案例描述方法, 即案例库中的每个案例具有4个基本属性: 故障基本信息、故障征兆、故障原因和维修对策。具体表示为一个5 D向量: Case={,,,,}, 式中(NO.)是故障案例编号, 是故障案例的唯一标识符;(Information)是故障基本信息, 包括故障发生时间、地点等信息;(Phenomenon)是故障征兆, 描述了故障现象;(Causation)是故障原因, 给出了故障征兆的原因集合;(Maintain)是维修对策, 给出相应的维修方法和策略。通过这4个属性能够完整描述一个故障案例的解决方案, 可直接用于解决以后相同或相似的故障, 因此, 基于属性的案例描述方法能够实现高效的案例组织与深层领域知识的集成。

2.2 系统结构设计

鱼雷制导故障诊断系统由8个模块组成(见图2), 各模块具有如下的功能和作用。

图2 鱼雷制导故障诊断系统结构图

1) 人机界面, 是用户和专家与故障诊断系统之间进行交流的软件界面。用户将故障征兆输入, 可得到相似度较高的案例, 指导用户进行故障维修。同时, 专家也可通过界面对综合数据库中的案例和知识信息进行维护、管理。

2) 推理机模块, 是鱼雷制导故障诊断系统的核心模块, 采用二级检索策略: 第1级检索是进行分类检索, 根据用户输入的分类信息确定案例所属类别, 形成案例较少的待选案例集; 第2级检索采用带权值的近邻法在待选案例集中进行案例精确匹配, 寻找最佳案例, 形成维修建议, 并以诊断报告的形式提供给用户。

3) 解释机模块, 充分利用知识库中的信息, 解释系统的推理过程和诊断步骤, 使用户能够全面、清晰地掌握推理的全过程。

4) 诊断信息获取模块, 利用专用检测设备现场对鱼雷制导系统的相关测试节点进行数据采集, 结果通过人机界面送入综合数据库。

5) 诊断报告模块, 将诊断结果以维修指导信息表的形式提供给用户, 内容包含案例号、建立时间、隶属模块、故障征兆、故障原因、故障对策、分析结果等。

6) 案例学习模块, 是扩充和更新案例库的一种手段, 当案例库中已有相同的案例, 则被舍弃, 没有则作为新案例独立增加到案例库中。

7) 综合数据库模块, 是鱼雷制导故障诊断系统的核心模块, 包含案例库、知识库和黑板3个子模块。其中案例库记录关于鱼雷制导系统曾经发生各种案例的具体内容; 知识库用来存储所有与鱼雷制导系统相关的资料信息; 黑板则是用来存放推理过程中的临时运算数据。数据库的具体结构如图3所示。

图3 鱼雷制导故障诊断系统数据库结构图

8) 数据库管理模块, 是对鱼雷制导系统综合数据库进行维护的子系统。领域专家或知识工程师通过人机接口进入数据库管理界面, 对综合数据库的信息进行增加、删除、修改、更新等操作, 以保证数据内容的准确性和完备性。

2.3 工作流程设计

根据当前案例的故障情况, 用户通过人机接口将新案例的故障征兆信息输入到系统中; 系统在案例库中采用二级案例检索策略进行案例检索, 寻找最佳案例, 若匹配成功则输出指导案例, 若匹配不成功则根据故障征兆寻找相似案例, 形成相似指导案例; 系统根据新案例征兆信息, 结合知识库知识, 对指导案例进行案例修正, 形成指导信息表, 指导维修; 若问题成功排除, 说明案例已有, 则结束, 若问题没能解决, 则进行案例学习, 并作为新案例保存到案例库中。系统工作流程图如图4所示。

图4 故障诊断系统工作流程图

3 系统实现及案例分析

3.1 系统实现

本文共收集了260多例鱼雷制导系统实际故障案例, 利用Access 2003建立了较为完整的鱼雷故障案例库。在此基础上, 结合LabVIEW8.5和ADO数据库访问技术, 在VB6.0平台上开发了基于CBR的鱼雷制导系统故障诊断系统。

3.2 案例分析

以鱼雷制导系统发生的“主动发射机不工作”故障为例进行故障排查。

在传统基于规则推理的专家系统中需将故障征兆“主动发射机不工作”输入系统, 按照已设定的排查规则, 经过“检查主动发射机工作指示灯是否闪烁®检查电源指示灯是否亮®检查电源模块的输入电压是否正常®检查输出电压是否正常®检查电源变相模块是否正常®检查正电源稳压电路模块®检查滤波组件®检查稳压集成块”等8个步骤, 才能完成该故障的检查。由于在诊断过程中必须按照既定规则逐步实施, 易发生因某一环节无法完成而导致故障无法诊断; 且因无法掌握整个故障排查过程, 而导致推理过程抽象, 不易理解等问题。

而在基于CBR的故障诊断系统中, 按照图4所示的工作流程, 只需将征兆信息输入系统, 就能得到案例库中关于该故障征兆一个完整的指导信息表, 包括案例发生背景、故障征兆、故障原因、故障对策、案例相似度等信息, 如表1所示。

表1 指导信息表

根据指导信息表提供的信息, 结合知识库提供的电气原理图、外观图、检测方法等资料, 对电源组件进行故障排查, 发现正电源稳压电路故障, 关机检查, 发现正电源稳压模块失效, 更换稳压集成块后成功排除故障。

由于该系统能够实现对某系列鱼雷制导系统进行现场装备检测、故障案例检索、CBR推理、指导维修报告、数据库管理、新案例学习等功能, 且诊断效率较高, 准确性好, 现在已经应用到多个鱼雷维修保障单位。

4 结束语

本文将基于案例推理技术应用到鱼雷制导故障诊断系统开发中, 有效解决了传统基于规则推理方法存在的不足。在详细阐述了CBR诊断策略和CBR故障诊断方法设计的基础上, 在VB6.0平台上开发了基于CBR的鱼雷制导故障诊断系统。案例分析结果表明, 系统能够根据故障征兆进行案例推理, 给出指导信息, 辅助维修, 提高鱼雷制导系统维修的准确性和高效性, 同时为鱼雷制导系统的故障诊断提供了一条新途径。

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Fault Diagnosis Method of Torpedo Guidance System Based on Case-based Reasoning

HAN Yun-dong1, ZHOU Ming1, TONG Yan2, MA Hai-rui1

(1. Department of Equipment Automation Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. 91550thUnit, The People′s Liberation Army of China, Dalian 116023, China)

To overcome the shortcomings of traditional rule-based reasoning(RBR), this study introduced case-based reasoning (CBR) into torpedo guidance fault diagnosis system. The diagnosis strategy of CBR was analyzed, and the two-level case retrieval mechanism and the algorithm were explained. The design of the torpedo guidance fault diagnosis system based on CBR was particularly described from three aspects, i.e., description of case, structure of diagnosis system, and process of working flow. And this system was developed with VB6.0. Fault case analysis shows that the proposed system can enhance the efficiency and correctness of fault diagnosis of torpedo guidance system.

torpedo; guidance system; fault diagnosis; case-based reasoning

TJ630.6; TP181

A

1673-1948(2012)02-0129-05

2011-04-12;

2011-05-20.

海军大连舰艇学院2008年重点资助项目(2008DLJY005).

韩云东(1977-), 男, 在读博士, 讲师, 主要从事导航制导与控制技术、故障诊断技术的教学和研究.

(责任编辑: 许 妍)