基于案例推理和事件序列图的电子设备故障诊断技术

吕宝 武红姣

（中国飞行试验研究院 陕西省西安市 710089）

1 引言

随着航空技术的发展，军机电子系统设备日趋复杂，在保障飞行安全、降低维护成本等方面对装备故障诊断方式提出了新的挑战。与此同时，由于航空电子设备飞行试验的高风险 ，假如设备故障没有在第一时间检测隔离并修复，万一由此出现大的安全事故，其损失不可估量。所以，有必要对电子设备的故障诊断技术进行研究。本文在积累历史排故经验的基础上，提出了一种电子设备故障诊断新技术，该诊断技术一方面充分利用历史积累的故障诊断经验排故数据，基于案例推理进行排故经验支持，另一方面在无历史排故经验支持的情况下，借助事件序列图进行故障检测隔离分析，有效解决了一种故障诊断方法的有限性，极大的提高了地勤人员对航空电子设备的排故准确率和排故效率。

2 基于案例推理的故障诊断

2.1 案例推理原理

案例推理起初是国外技术人员提出的一种推理手段，它主要是通过充分梳理历史的经验数据来分析当前的新难题，它在一些具有历史继承性、可借鉴的场合有充分的应用前景。案例推理的主要任务在于达到设备故障检测诊断的信息化、故障检测的自动化。借助案例推理技术，可以有效提高排故的效率，减少排故时繁琐的人工查找排除过程。案例推理近年来在各个领域都得到充分的推广和应用，它的优势在于：

（1）涉及领域广泛：针对以经验知识对主要解决方案的领域，案例推理技术有其得天独厚的技术优势；

（2）推理能力强：通过对经验知识的加工处理，案例推理能够给出令人满意的解决方案，在推理方面的能力超强；

（3）学习能力突出：案例推理技术能够实现自我更新，对新知识的学习掌握能力强，可以有效利用各类新的经验知识作为后续的解题方案。

案例推理技术的工作原理如图1所示。

2.2 案例推理方法

案例推理的整个推理流程为：首先，将以往的历史故障案例信息以及故障案例的排故方案按照一定的存储格式保存，作为历史知识库。然后，针对外场新发生的故障案例信息，提取故障特征信息，进行故障案例库检索，使具有相似故障特征信息的历史案例被检索出来，然后对历史故障案例库里的各案例与新故障案例进行相似度的分析计算，根据相似度的优先级顺序，给出用于指导外场排故的历史故障案例的先后顺序。根据推荐的历史故障案例的排故方案进行新故障的排故工作，如果排故策略正确，则结合新故障案例的特征信息对该类故障案例的特征信息进行进一步的完善补充并保存；如果排故策略不正确，则将新故障案例最终的排故方案进行单独保存，作为新的案例存入故障案例库中用于指导后续新故障的排故工作。总结起来，一个典型的案例推理过程主要有以下几个环节组成：

（1）相似故障提取：针对新出现的故障，从历史排故库中提取出与当前故障相似的历史故障集；故障的提取，主要就是为了达到从历史数据库中智能的提取出与当前故障一致或大部分一致的历史故障来，并且针对提取的相似故障信息，可以根据相似度给出优先级，方便使用人员筛选分析；

图1：案例推理工作原理

（2）故障采信：针对从历史排故库中提取出的相似故障，分析其排故方案，确认其是否满足当前的排故需求，如果满足，则采信该排故方案，如果不满足则进行相似故障案例的修正；

（3）故障修正：对提取出的相似故障排故方案进行修改，以满足当前故障的排故需求；

（4）学习训练：对新的故障以及正确的排故措施整理形成新的故障库信息，并根据要求保存；

（5）案例存储：一个好的故障案例库，必须要有合理的故障特征的存储格式，故障案例的存储格式以及存储内容必须保证数据存储的完整性、可被检索性并要尽可能的减少数据的冗余；

（6）案例更新：案例的更新保证了故障案例库的生命力，可以极大地提高排故的效率，不断更新的案例知识库能够进一步提高故障诊断的准确性。其中，案例更新包括对知识库中的案例进行添加、修改、删减等操作。

2.3 知识表达

知识表达作为案例推理的重要一步，其核心在于将历史故障排故经验知识通过一定规则的表达形式体现出来。关于知识的表达主要有基于框架结构的表达形式，基于知识规则的的表达形式以及基于逻辑关系的表达形式等等。不管哪一类表达形式，最重要的是能够清晰地反映案例库所具有的知识信息以及所表征的特征信息，保证案例的完整、准确，同时又不产生信息冗余，造成信息库的资源浪费。通常案例知识的表达应能够包含以下要义：

（1）案例的表达应该清晰明确，包含的知识信息应完整、连续，具有继承性；

（2）案例的表达应具有一定的颗粒度，以实现后续的快速的检索匹配；

图2：基于案例推理和事件序列图的故障诊断流程图

（3）案例的表达应尽可能的详细，给出排故措施应考虑全面，给出各种合理化的建议，避免出错的概率，提升案例推理的利用价值；

（4）案例的表达应易于理解，便于人员使用。

2.4 检索/匹配

案例检索匹配是案例推理技术中心的核心环节，案例检索主要是为了从历史故障库中快速的提取出相似的匹配案例。它的工作原理其实是按照故障现象进行分类分析来实现，对于一个典型的历史故障信息，我们可以获得多重故障现象，每一重故障现象里面都反映了有效的故障属性和故障信息以及它的真实性和真实程度，这些对排故都具有很重要的价值。案例推理系统针对当前发生的故障，利用这些有用价值，计算其匹配的程度并进行优先级排序，最终帮助用户实现排故。

对于案例检索/匹配来说，最主要的就是要实现：提取相似故障的速度要快，效率要高；提取的无关历史故障要少，给出的排故方案要合理有效。当前，针对故障案例的检索/匹配，我们经常用到的方法主要包括：最近相邻法、归纳法和知识引导法、搜索树法。

3 基于事件序列图的故障诊断技术

3.1 事件序列图概念

事件序列图最早用于描述空间飞行任务的事故链，后来经扩展的事件序列图框架可支持进行故障模式分析及诊断评估。事件序列图通过定义事件、条件、逻辑门、参数、限制、规则等要素以及图形符号来实现对故障的模拟，成为一种广义故障树，通过回答“接着将发生什么”来开发环节事件，直至达到终态，同时采用条件、逻辑门、参数、限制、规则等要素来建立事件间的交互作用和时序关系，描述出故障发生并导致影响的可能发展过程。基于事件序列图的故障诊断方案主要是基于故障树原理，将专家经验知识和数理统计的方法综合进行故障诊断，给出诊断方案，指导外场排故工作。它的优势在于能够实现对故障模式的系统梳理分析，给出不同故障模式下的故障发生机理，使排故人员对故障有一个完整的理解和认识，最终实现故障的精准定位和排除。

3.2 事件序列图知识

事件序列图知识指的是事件序列图的分析基础，它基于机载电子系统设备故障树信息，根据电子设备的故障检测隔离机制（判定事件序列图）。对于一个典型的事件序列图，它的分析流程就是从最开始的顶节点开始，把当前的故障作为顶事件，将引起该故障事件的所有可能原因包括软件、硬件、人因、外界环境等等作为第二层级，并采用有效的符号进行表征，同时它们之间通过包括与或门等逻辑符号关联起来，依照该思路，逐级进行分析并规划事件序列图，一直分析到把导致故障顶事件出现的最简明、最基础的原因都表征为止。

3.3 事件序列图分析

进行事件序列图分析过程中，对于每一个过程环节的节点，均采用条件判据进行逻辑分析并分支，这里，我们可以将每一个子节点当成一个新事件，然后按照下一步操作将带来的后果来进行确认，从而实现决策分析。其实，对于一些故障案例，它的故障征兆其实就反映在一些事件序列图节点之中，通过进行进一步的决策分析，就可以轻松得到故障的诊断结果。

3.4 事件序列图知识存储

事件序列图故障诊断技术本质上基于模型的故障诊断的技术，对于它的表达手段一般包括基于框架结构的表达、基于知识规则的表达以及面向对象的表达。各类表达都保证了基于事件序列图诊断的诊断速度以及诊断信息的完整。

4 综合故障诊断新技术

通过对两种故障诊断技术分析可知，案例推理仅能结合历史故障案例进行故障诊断分析，其中历史故障数据库的体量和经验知识的成熟度决定了其故障诊断的有效性，如果历史相似故障数量有限且提取匹配时匹配度出现偏差的大，很容易导致给出无效的排故方案或给不出排故方案；同时，事件序列图仅能通过电子设备既有的工作原理进行分析诊断，它的推理过程相对比较复杂且不太灵活。通过将两种故障诊断技术有效结合，充分利用了两者在电子设备故障诊断中的优势作用，实现互为补充，达到最合理、最高效的实现电子设备故障诊断的目标。具体故障诊断流程图如图2所示。

5 结束语

本文充分借助案例推理技术以及事件序列图在故障诊断方面的优势，给出了综合案例推理和事件序列图的电子设备故障智能诊断技术，为开展电子设备综合故障诊断提供了新的解决思路，提高了故障诊断的准确率。同时，这对于缩短电子设备维修周期，提高电子设备外场排故效率、降低外场排故成本，提高装备的使用可用度具有重要的意义，为地勤外场维修保障提供了一种方便实用的航空电子设备故障诊断解决方案。