航海雷达故障诊断专家系统的设计
2014-12-18郑友赋
郑友赋
(福建船政交通职业学院, 福建 福州 350007)
随着航海雷达技术的不断发展,对于其故障诊断的快速化、准确化及网络化的需求也越来越高。但新型航海雷达系统结构非常复杂,一旦出现故障,往往是多种故障并存且相互影响,诊断起来异常繁琐。因此,必须开发基于新型诊断方式的智能诊断系统才能达到快速诊断的目的。
鉴于此,本文对航海雷达故障的智能诊断技术展开研究。(即人类专家的知识)、推理机 (即人类专家解决问题的经验、方式和策略)及人机接口3个部分组成。
基于Web的航海雷达故障远程诊断专家系统结构如图1所示。
图1 基于Web的航海雷达故障远程诊断专家系统图
1 专家系统
所谓的专家系统是一种能模拟某个领域人类专家解决领域问题的智能化计算机系统。该计算机系统将大量的专家级知识与经验存储于本地数据库或网络数据库中,以人类专家解决问题的经验、方式和策略来解决领域问题。采用人类专家的知识、经验和解决问题的方法是因为专家通常拥有特殊的实践经验、分析问题和解决问题的策略,而且这些经验、分析方法和策略经过长期的实践证明是行之有效的[1]。
航海雷达故障诊断专家系统主要由知识库
当航海雷达出现故障时,用户或维修工程师在现场将故障信息通过Web浏览器提交给Web服务器端的推理机。
推理机将故障信息与知识库中的相关知识进行比较,进行综合推理,然后诊断出故障的部位及原因,并反馈给用户或维修工程师。
2 故障模型的建立
航海雷达通常是由天线子系统,发射机子系统、接收机子系统、电源子系统、显示子系统和传感器子系统等多个子系统构成[2]。各子系统之间既相互制约,又相互联系,一旦发送故障,则故障诊断具有一定的复杂性。
故障树分析法 (Fault Tree Analysis)是一种综合评价系统运行可靠性和安全性的图形演绎法,常用于系统的故障分析、预测和诊断。该方法不仅可以分析系统软件、硬件方面的故障,而且可以考虑到环境及人为因素[3]。
故障树模型是一种基于被测对象的模型,以系统的结果故障事件为顶事件,以可能导致顶事件发生的其它事件为中间事件和底事件,采用一种倒树状的结构表示各类事件之间的联系[4]。通过计算故障树顶事件发生概率,故障树各最小割集的发生概率及最小割集重要度,并给出定量分析,使搜寻故障原因的一次命中率得到提高,从而降低故障诊断的难度。
3 网络通信技术
在航海雷达故障诊断专家系统中,设备运行的状况、故障表征现象、测试点数据等各类参数,都需要迅速地以数据或图形的形式传输到诊断中心计算机进行分析判断,才能及时有效的对故障进行定位。由于设备运行的外界环境以及设备自身通信机制的不同,他们需要的通讯方式也不一样,因此,需要建立一个由多种通信方式集成的通信机制[5]。
根据通信距离的远近,分成近距离通信和远距离通信。近距离通信可采用RS232或 RS485传输数据;远距离通信可采用拨号方式传输数据,若条件允许,也可采用光缆传输或直接将设备与诊断服务器接入Internet传输数据。
4 系统设计
4.1 系统结构设计
根据航海雷达故障专家诊断系统所要实现的功能,将系统设计为4个模块:用户模块、事件处理模块、应用接口模块和数据库模块。系统框架如图2所示。
图2 航海雷达故障诊断专家系统框架图
1)用户模块。用户模块主要提供用户管理、知识库管理、技术支持、故障诊断和视频浏览等5个主要功能。
用户管理功能能增强系统及航海雷达资料的安全性,提供注册新用户、登陆密码管理、用户登录等操作。由系统管理员负责账号注销、用户密码重置以及用户管理等操作。
知识库管理功能只有系统管理员才能操作,包括添加知识、删除知识、修改知识和备份等操作。知识库管理功能是知识库内容的丰富性、有效性和正确性的有效保障。
技术支持是指用户可以浏览、学习、添加和删除航海雷达技术资料。航海雷达技术资料是指航海雷达用户手册以及航海雷达专家搜集到的故障诊断资料。这些资料一般是形成故障诊断支持系统的最原始资料。
故障诊断用于用户的智能化故障诊断,是系统实现的最主要功能。用户可以根据系统提示输入故障现象,系统会自动进行智能化故障诊断,向用户提出排除故障操作的建议,并显示故障原因等。
视频浏览可以向用户提供视频浏览功能,使用户能更直观的了解该型号航海雷达的操作、工作原理和注意事项等,有助于巩固用户对雷达的理解。
2)事件处理模块。事件处理模块包括数据库维护和故障诊断2个子模块。数据库维护子模块负责维护数据库中的数据,除了提供数据添加、查询、修改和删除等操作,还包括备份数据、恢复数据、生成用户信息表和监视系统运行状况等功能。故障诊断子模块包括故障信息输入、故障匹配、故障诊断、诊断结果通知、新故障诊断添加模块。
3)应用接口模块。应用接口模块功能由一组程序和相应的硬件组成,提供应用程序的接口程序,把不同程序连接起来,实现系统运行过程中的相互通讯。应用接口模块是实现诊断系统与用户、雷达故障诊断专家与工程师交互的模块,负责将用户输入的故障信息转变成诊断系统的内部格式,再把这些格式化后的信息送给相应的应用程序去处理,反之,诊断系统输出的以内部格式表示的响应信息也由它转变成用户易于理解的外部表示格式并显示。
航海雷达诊断专家系统应用接口模块的设计使用户只需按照诊断系统的提示来操作,用鼠标点击“下一步”或“上一步”按钮即可一步步执行诊断;用户通过选择弹出框中的“是”或“否”来响应诊断系统的询问;在输入性能指标时,系统会给出标准化参数表格,用户只要按照格式输入即可;若用户输入错误信息时,系统能够自动识别并提示用户重新输入。
4)数据库模块。数据库模块是系统的核心单元,由知识库和综合数据库组成。
知识库用于存储领域专家提供的所有专业知识,一般包括纸质知识 (如行业标准、说明书、相关案例等)、常识性知识和专家的经验型知识。诊断系统的运行就是基于这些专业知识来模拟专家的思维来进行的。因此,知识库拥有的知识数量和质量是衡量一个专家诊断系统能力的关键因素。
综合数据库用于存放解决问题所需的初始数据、过程数据、过程结果、规则和目标等。
4.2 操作流程设计
为了诊断系统和专家知识的安全,将用户划分成不同的等级,不同等级的用户登陆后拥有不同的使用权限,再根据故障诊断及辅助操作的流程,我们将雷达故障诊断支持系统的操作设计为如图3所示的流程。
4.3 远程诊断的实现
航海雷达故障专家诊断系统采用B/S与C/S混合模式,如图4所示。
图3 航海雷达故障诊断支持系统操作流程图
C/S模式客户端功能比较强,安全系数也较高,适合于需要对数据库进行频繁操作的场合,比如现场的维护人员。B/S客户端比较灵活,采用TCP/IP协议,对安全性及访问速度方面比C/S有更高的要求,适合于多点传输,比如专家和知识工程师利用B/S客户端进行查询及在线交流操作。
图4 网络结构示意图
4.4 专家诊断系统的特点
相对于人类专家,专家系统具有以下特点[6]。
1)专家系统是人类专家的高可靠性智能助手和工具,是人类专家知识、经验和判断的模拟、延伸和扩展。同时,专家系统可拥有多个专家的知识、经验与判断,形成比单独专家水平更高的复合专家知识系统。
2)专家系统能高效、迅速、稳定地工作,不受环境、情绪、体能等影响。尤其在对人体有害的环境中,可以替代人类专家进行工作。而且,专家系统响应时间快,尤其在需要多个专家协商才能解决问题的情况下,能更迅速的做出响应。
3)专家系统以用户可理解的形式解释推理过程,而且没有时间和空间的限制,数据库及故障诊断技术可永久保存。
4)专家系统成本低,并具有学习能力,能总结故障发生规律,不断完善诊断系统。
5 结束语
随着电子技术的飞速发展,航海雷达结构趋于复杂,功能也更加强大,尤其在船舶通信导航设备实现网络化后,使得航海雷达的日常维护、故障诊断难度加大。本文研究了一种基于专家系统的航海雷达远程故障诊断系统模型,在保证安全性、可靠性及准确性的基础上,实现航海雷达设备故障诊断的远程化、智能化。
[1]杨兴,朱大奇,桑庆兵.专家系统研究现状与展望[J].计算机应用研究,2007(5):5-9.
[2]刘彤.航海仪器[M].大连:大连海事大学出版社,2013.
[3]陈文钦,王强,李波.基于故障树的知识存储及诊断系统[J].广西大学学报 (自然科学版),2010(4):324-329.
[4]梁新元,张勤.故障树向因果图转换的研究[J].计算机仿真,2005(10):144-146.
[5]骆耀祖,刘永初.计算机网络技术及应用[M].北京:北方交通大学出版社,2003.
[6]任明仑,杨善林,朱卫东.智能决策支持系统:研究现状与挑战[J].系统工程学报,2002(5):430-440.