基于案例推理和事件序列圖的電子設(shè)備故障診斷技術(shù)

呂寶 武紅姣

（中國飛行試驗研究院 陜西省西安市 710089）

1 引言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，軍機電子系統(tǒng)設(shè)備日趨復(fù)雜，在保障飛行安全、降低維護成本等方面對裝備故障診斷方式提出了新的挑戰(zhàn)。與此同時，由于航空電子設(shè)備飛行試驗的高風(fēng)險 ，假如設(shè)備故障沒有在第一時間檢測隔離并修復(fù)，萬一由此出現(xiàn)大的安全事故，其損失不可估量。所以，有必要對電子設(shè)備的故障診斷技術(shù)進行研究。本文在積累歷史排故經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種電子設(shè)備故障診斷新技術(shù)，該診斷技術(shù)一方面充分利用歷史積累的故障診斷經(jīng)驗排故數(shù)據(jù)，基于案例推理進行排故經(jīng)驗支持，另一方面在無歷史排故經(jīng)驗支持的情況下，借助事件序列圖進行故障檢測隔離分析，有效解決了一種故障診斷方法的有限性，極大的提高了地勤人員對航空電子設(shè)備的排故準(zhǔn)確率和排故效率。

2 基于案例推理的故障診斷

2.1 案例推理原理

案例推理起初是國外技術(shù)人員提出的一種推理手段，它主要是通過充分梳理歷史的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來分析當(dāng)前的新難題，它在一些具有歷史繼承性、可借鑒的場合有充分的應(yīng)用前景。案例推理的主要任務(wù)在于達到設(shè)備故障檢測診斷的信息化、故障檢測的自動化。借助案例推理技術(shù)，可以有效提高排故的效率，減少排故時繁瑣的人工查找排除過程。案例推理近年來在各個領(lǐng)域都得到充分的推廣和應(yīng)用，它的優(yōu)勢在于：

（1）涉及領(lǐng)域廣泛：針對以經(jīng)驗知識對主要解決方案的領(lǐng)域，案例推理技術(shù)有其得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢；

（2）推理能力強：通過對經(jīng)驗知識的加工處理，案例推理能夠給出令人滿意的解決方案，在推理方面的能力超強；

（3）學(xué)習(xí)能力突出：案例推理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自我更新，對新知識的學(xué)習(xí)掌握能力強，可以有效利用各類新的經(jīng)驗知識作為后續(xù)的解題方案。

案例推理技術(shù)的工作原理如圖1所示。

2.2 案例推理方法

案例推理的整個推理流程為：首先，將以往的歷史故障案例信息以及故障案例的排故方案按照一定的存儲格式保存，作為歷史知識庫。然后，針對外場新發(fā)生的故障案例信息，提取故障特征信息，進行故障案例庫檢索，使具有相似故障特征信息的歷史案例被檢索出來，然后對歷史故障案例庫里的各案例與新故障案例進行相似度的分析計算，根據(jù)相似度的優(yōu)先級順序，給出用于指導(dǎo)外場排故的歷史故障案例的先后順序。根據(jù)推薦的歷史故障案例的排故方案進行新故障的排故工作，如果排故策略正確，則結(jié)合新故障案例的特征信息對該類故障案例的特征信息進行進一步的完善補充并保存；如果排故策略不正確，則將新故障案例最終的排故方案進行單獨保存，作為新的案例存入故障案例庫中用于指導(dǎo)后續(xù)新故障的排故工作。總結(jié)起來，一個典型的案例推理過程主要有以下幾個環(huán)節(jié)組成：

（1）相似故障提取：針對新出現(xiàn)的故障，從歷史排故庫中提取出與當(dāng)前故障相似的歷史故障集；故障的提取，主要就是為了達到從歷史數(shù)據(jù)庫中智能的提取出與當(dāng)前故障一致或大部分一致的歷史故障來，并且針對提取的相似故障信息，可以根據(jù)相似度給出優(yōu)先級，方便使用人員篩選分析；

圖1：案例推理工作原理

（2）故障采信：針對從歷史排故庫中提取出的相似故障，分析其排故方案，確認(rèn)其是否滿足當(dāng)前的排故需求，如果滿足，則采信該排故方案，如果不滿足則進行相似故障案例的修正；

（3）故障修正：對提取出的相似故障排故方案進行修改，以滿足當(dāng)前故障的排故需求；

（4）學(xué)習(xí)訓(xùn)練：對新的故障以及正確的排故措施整理形成新的故障庫信息，并根據(jù)要求保存；

（5）案例存儲：一個好的故障案例庫，必須要有合理的故障特征的存儲格式，故障案例的存儲格式以及存儲內(nèi)容必須保證數(shù)據(jù)存儲的完整性、可被檢索性并要盡可能的減少數(shù)據(jù)的冗余；

（6）案例更新：案例的更新保證了故障案例庫的生命力，可以極大地提高排故的效率，不斷更新的案例知識庫能夠進一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。其中，案例更新包括對知識庫中的案例進行添加、修改、刪減等操作。

2.3 知識表達

知識表達作為案例推理的重要一步，其核心在于將歷史故障排故經(jīng)驗知識通過一定規(guī)則的表達形式體現(xiàn)出來。關(guān)于知識的表達主要有基于框架結(jié)構(gòu)的表達形式，基于知識規(guī)則的的表達形式以及基于邏輯關(guān)系的表達形式等等。不管哪一類表達形式，最重要的是能夠清晰地反映案例庫所具有的知識信息以及所表征的特征信息，保證案例的完整、準(zhǔn)確，同時又不產(chǎn)生信息冗余，造成信息庫的資源浪費。通常案例知識的表達應(yīng)能夠包含以下要義：

（1）案例的表達應(yīng)該清晰明確，包含的知識信息應(yīng)完整、連續(xù)，具有繼承性；

（2）案例的表達應(yīng)具有一定的顆粒度，以實現(xiàn)后續(xù)的快速的檢索匹配；

圖2：基于案例推理和事件序列圖的故障診斷流程圖

（3）案例的表達應(yīng)盡可能的詳細(xì)，給出排故措施應(yīng)考慮全面，給出各種合理化的建議，避免出錯的概率，提升案例推理的利用價值；

（4）案例的表達應(yīng)易于理解，便于人員使用。

2.4 檢索/匹配

案例檢索匹配是案例推理技術(shù)中心的核心環(huán)節(jié)，案例檢索主要是為了從歷史故障庫中快速的提取出相似的匹配案例。它的工作原理其實是按照故障現(xiàn)象進行分類分析來實現(xiàn)，對于一個典型的歷史故障信息，我們可以獲得多重故障現(xiàn)象，每一重故障現(xiàn)象里面都反映了有效的故障屬性和故障信息以及它的真實性和真實程度，這些對排故都具有很重要的價值。案例推理系統(tǒng)針對當(dāng)前發(fā)生的故障，利用這些有用價值，計算其匹配的程度并進行優(yōu)先級排序，最終幫助用戶實現(xiàn)排故。

對于案例檢索/匹配來說，最主要的就是要實現(xiàn)：提取相似故障的速度要快，效率要高；提取的無關(guān)歷史故障要少，給出的排故方案要合理有效。當(dāng)前，針對故障案例的檢索/匹配，我們經(jīng)常用到的方法主要包括：最近相鄰法、歸納法和知識引導(dǎo)法、搜索樹法。

3 基于事件序列圖的故障診斷技術(shù)

3.1 事件序列圖概念

事件序列圖最早用于描述空間飛行任務(wù)的事故鏈，后來經(jīng)擴展的事件序列圖框架可支持進行故障模式分析及診斷評估。事件序列圖通過定義事件、條件、邏輯門、參數(shù)、限制、規(guī)則等要素以及圖形符號來實現(xiàn)對故障的模擬，成為一種廣義故障樹，通過回答“接著將發(fā)生什么”來開發(fā)環(huán)節(jié)事件，直至達到終態(tài)，同時采用條件、邏輯門、參數(shù)、限制、規(guī)則等要素來建立事件間的交互作用和時序關(guān)系，描述出故障發(fā)生并導(dǎo)致影響的可能發(fā)展過程。基于事件序列圖的故障診斷方案主要是基于故障樹原理，將專家經(jīng)驗知識和數(shù)理統(tǒng)計的方法綜合進行故障診斷，給出診斷方案，指導(dǎo)外場排故工作。它的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)對故障模式的系統(tǒng)梳理分析，給出不同故障模式下的故障發(fā)生機理，使排故人員對故障有一個完整的理解和認(rèn)識，最終實現(xiàn)故障的精準(zhǔn)定位和排除。

3.2 事件序列圖知識

事件序列圖知識指的是事件序列圖的分析基礎(chǔ)，它基于機載電子系統(tǒng)設(shè)備故障樹信息，根據(jù)電子設(shè)備的故障檢測隔離機制（判定事件序列圖）。對于一個典型的事件序列圖，它的分析流程就是從最開始的頂節(jié)點開始，把當(dāng)前的故障作為頂事件，將引起該故障事件的所有可能原因包括軟件、硬件、人因、外界環(huán)境等等作為第二層級，并采用有效的符號進行表征，同時它們之間通過包括與或門等邏輯符號關(guān)聯(lián)起來，依照該思路，逐級進行分析并規(guī)劃事件序列圖，一直分析到把導(dǎo)致故障頂事件出現(xiàn)的最簡明、最基礎(chǔ)的原因都表征為止。

3.3 事件序列圖分析

進行事件序列圖分析過程中，對于每一個過程環(huán)節(jié)的節(jié)點，均采用條件判據(jù)進行邏輯分析并分支，這里，我們可以將每一個子節(jié)點當(dāng)成一個新事件，然后按照下一步操作將帶來的后果來進行確認(rèn)，從而實現(xiàn)決策分析。其實，對于一些故障案例，它的故障征兆其實就反映在一些事件序列圖節(jié)點之中，通過進行進一步的決策分析，就可以輕松得到故障的診斷結(jié)果。

3.4 事件序列圖知識存儲

事件序列圖故障診斷技術(shù)本質(zhì)上基于模型的故障診斷的技術(shù)，對于它的表達手段一般包括基于框架結(jié)構(gòu)的表達、基于知識規(guī)則的表達以及面向?qū)ο蟮谋磉_。各類表達都保證了基于事件序列圖診斷的診斷速度以及診斷信息的完整。

4 綜合故障診斷新技術(shù)

通過對兩種故障診斷技術(shù)分析可知，案例推理僅能結(jié)合歷史故障案例進行故障診斷分析，其中歷史故障數(shù)據(jù)庫的體量和經(jīng)驗知識的成熟度決定了其故障診斷的有效性，如果歷史相似故障數(shù)量有限且提取匹配時匹配度出現(xiàn)偏差的大，很容易導(dǎo)致給出無效的排故方案或給不出排故方案；同時，事件序列圖僅能通過電子設(shè)備既有的工作原理進行分析診斷，它的推理過程相對比較復(fù)雜且不太靈活。通過將兩種故障診斷技術(shù)有效結(jié)合，充分利用了兩者在電子設(shè)備故障診斷中的優(yōu)勢作用，實現(xiàn)互為補充，達到最合理、最高效的實現(xiàn)電子設(shè)備故障診斷的目標(biāo)。具體故障診斷流程圖如圖2所示。

5 結(jié)束語

本文充分借助案例推理技術(shù)以及事件序列圖在故障診斷方面的優(yōu)勢，給出了綜合案例推理和事件序列圖的電子設(shè)備故障智能診斷技術(shù)，為開展電子設(shè)備綜合故障診斷提供了新的解決思路，提高了故障診斷的準(zhǔn)確率。同時，這對于縮短電子設(shè)備維修周期，提高電子設(shè)備外場排故效率、降低外場排故成本，提高裝備的使用可用度具有重要的意義，為地勤外場維修保障提供了一種方便實用的航空電子設(shè)備故障診斷解決方案。