基于故障树编码的火炮故障诊断方法研究

马 野，戴 耀，岳冬梅

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

装备的全寿命周期过程及其在战场上的部署和使用，对装备的故障诊断能力提出了很高的要求［1］。目前，多数装备采用了积木式结构、模块化设计，对故障一步到位快速判断和定位十分困难［2］。如果依赖装备的内部机理、相互联系和实践经验，从故障逻辑结构出发，逐层展开自动推理，则可以解决复杂设备故障诊断问题。基于故障树编码的故障推理技术，是将装备故障树转换成可自动操作的编码，将编码存储在数据库中，通过制定编码规则和推理规则，按照故障现象和故障结果两种形式，逐层展开，最终进行故障定位，给出诊断结果。该方法可按照LRU 级从装备本身分级入手，提高了装备故障诊断的实时性和容错性，能有效地解决随机故障的诊断问题。

1 故障树的建立

故障树是按照故障发生的逻辑关系形成的故障流程图，是故障诊断的推理依据［3］。按结点逻辑关系，故障树一般分为二叉树和多叉树，即单分支和多分支故障树［4］。单分支故障树层与层之间的推理关系都是“是”与“否”的逻辑关系，多分支的特征是并行出现多种推理判断。对于多分支，实际故障推理时可以逐个分支依次进行，因此，可以将多分支转化为单分支的逻辑关系。

故障树各个结点是由故障现象和诊断结果组成。对于故障现象，需询问用户现象为“真”或“伪”，而对于诊断结果，需要向用户提交诊断结果和故障处理方法。如果存在多级推理，则根据诊断结果，由程序的人机接口部分控制进入下一级推理。

建立故障树时，将设备出现的故障现象作为根节点，对于每一个故障现象给出“是”与“否”的逻辑判断，自上而下地分析导致事件发生的所有可能的直接因素及其相互间的逻辑关系，逐层寻找叶结点，直到不需要进一步分析为止，以此方式找出系统内部可能发生的硬件失效、软件差错、人为失误及环境影响等因素（底事件）和顶事件所代表的系统失效之间的逻辑关系。

故障树建立步骤：

1）将设备故障确定为故障树根节点，根节点写在顶部矩形框内。

2）将引起该故障的全部可能的故障现象或者故障原因进行分类，按照逻辑关系，将最直接的现象或原因置于第二排。

3）如果是故障现象，判定“是”或“否”，给出下一层次的故障现象或诊断结果；如果是故障原因，直接给出解决方案。以此类推逐级向下推理，直到所有原因事件判定完成为止，如图1所示。

2 编码技术及推理规则

故障树建立以后，将逻辑推理转换成自动推理过程，需要对故障树进行编码，编码用“0”、“1”二值编码串表示不同含义。由于故障流程图均可以转化为二叉树形式，其中每个结点分别表示故障现象或诊断结果，因此，用编码“1”和“0”区分下一个结点为故障现象还是诊断结果，用“1”与“0”表示故障现象“是”与“否”逻辑关系。具体编码规则如下：

1）用编码长度表示结点所在层，如故障树第n层，用a1a2…an编码串表示。

2）用编码首位“1”、“0”表示下一层是“故障现象”还是“诊断结果”。

3）用编码末位“1”、“0”表示故障现象“是”与“否”逻辑关系。

4）从第n层到第n＋1层时，去掉编码首位，然后根据下一层是故障现象还是诊断结果，用“1”或“0”补齐第一位，末尾编码原则不变。

如图1第1 层总目标为故障现象，记为“1”表示第1层故障现象；第2 层故障现象Ⅰ，用两位编码表示，首位均为“1”，对“是”询问编码为“11”，对“否”询问编码为“10”；第3层左分支为故障现象，用3位编码表示，首位均为“1”，中间位与第2层编码有关，去掉首位为“1”，末尾如果为“是”，则编码为“1”，如果为“否”则编码为“0”，因此第3层左分支左侧为“111”，右侧编码为“110”。

通过上面的编码，推理机能够根据编码的第1位来识别故障现象和诊断结果。若第1 位是“1”，则为故障现象；若第1位是“0”，则为诊断结果。因此，一旦推理机得出诊断结果时，如诊断为001，则推理机在自动将诊断结果的ID 加入事实库的同时，向用户报告诊断结果，并提出故障解决方案。这种编码的优点是根据诊断结果就可知道故障现象的ID，进而快速定位故障原因。例如，诊断结果ID 为000，则推断出它的上层故障现象ID 为10（即第1位改为1，同时去掉最后1位0），且与10的逻辑关系为0（即故障现象不成立）；由10又可知道上层故障现象为1并且关系为0；这样可推导出所有的故障现象。因此，利用这种编码可以很容易地实现推理机的解释功能。

3 火炮故障诊断实例分析

3.1 故障描述

经过深入研究装备系统结构、工作原理以及大量用户的使用经验，得到实际装备大量按“表”或“流程图”表示的故障树［5］。

表1为某火炮高低受信仪故障现象、可能原因及故障检测工作流程。但是，图表具有比较复杂的逻辑关系，因此，可以按照故障现象和工作流程将其转换成故障树，便于推理机进行逻辑推理［6－7］。

表1 某火炮故障现象及诊断结果

3.2 故障树及故障编码

根据表1某火炮的故障现象、可能原因和工作流程，总结出故障树如图2所示。

故障树分为5层，包含5类可能的故障现象，6个故障诊断结果。根据该故障树，利用上述编码原则，可得出某火炮高低受信仪故障树对应的编码树如图3所示。

3.3 推理过程与实现

为了实现故障自动推理，首先应判断故障编码长度，如“11”、“10”编码长度为2，首位字母为“1”，表明第2层为故障现象，“11”代表“是”的判断，即精自整角机存在故障，“10”代表“否”的判断，即精自整角机不存在故障。如果精自整角机存在故障，判断下一层编码为“111”、“010”，首先，“111”首字母为“1”，代表下一层为故障现象，即“电气发生故障了吗？”，末尾字母为“1”，表示该故障现象存在，应继续访问下一层；其次，判断字符串“010”，首字母为“0”，代表“没有电器发生故障”，末尾字母为“0”，代表故障结果，即：“拆下精自整角机，重新紧固与齿轮组的连接处，确认连接牢固后将受信仪装回”。以此类推，直到最后一层判断结束。推理过程的一般流程如图4所示。

4 结论

利用故障树编码技术进行火炮故障诊断，可以将故障树直接转换成自动推理机，将故障现象与诊断结果有机结合起来，自动按照火炮LRU 级装备分解进行逻辑推理。该方法简洁有效，便于快速定位故障原因，并可广泛推广应用到各类装备故障诊断和维修保障训练中。

（References）

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［5］胡良明，徐诚，李万平.基于案例推理的自行火炮故障诊断专家系统［J］.火炮发射与控制学报，2006，（2）：53－57.HU Liangming，XU Cheng，LI Wanping.Self－propelled gun fault diagnosis expert system based on case reasoning［J］.Journal of Gun Launch ＆ Control，2006，（2）：53－57.（in Chinese）

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［7］孙庆生，杨飞飞，王克峰.电气设备红外热像图谱分类编码与故障树研究［J］.水电能源科学，2012，30（5）：161－163.SUN Qingsheng，YANG Feifei，WANG Kefeng.Research of infrared thermal image classification coding and fault tree of electrical equipment［J］.Water Resources and Power，2012，30（5）：161－163.（in Chinese）