專家系統在陣地技術防范系統中的應用

摘 要：根據陣地技術防范系統的結構特點，依據專家系統理論，分析該系統故障發生和故障傳播的機理，應用“框架+產生式規則”組合的知識表示方法和正反相混合推理相結合的推理控制策略，構建一種基于層次診斷模型與故障樹分析法相結合，融經驗診斷和原理診斷為一體的故障診斷專家系統。

關鍵詞：陣地技術防范系統；故障診斷；專家系統

中圖分類號：TP182 文獻標識碼：A

1 引言

陣地技術防范系統(PTDS)是一個具有高安全性、高可靠性、高實用性的安防系統，技術先進、結構復雜。在短時間內完成故障的檢測和維修，提高安防系統的效率是非常重要的。按傳統維修方法是由部隊維修人員憑借個人經驗使用各種通用或專用診斷維修工具進行故障診斷和維修，由于故障分布的廣泛性、保障裝備的復雜性、維修知識的分散和孤立性，部隊人員的流動性等原因使故障診斷及維修經驗難于傳授和積累，要做到戰場上迅速定位、排除故障，傳統方法已難以滿足要求。陣地技術防范故障診斷專家系統的軟件集使用經驗和專業知識為一體，將各種診斷檢測手段統一組織起來，并結合各種專業的檢測設備，充分發揮現有維修設備和軟件功能，大大縮短了故障的確切定位和維修時間，提高檢測維修效率。

2 陣地技術防范系統總體結構

陣地技術防范系統是一個復雜的系統。硬件結構以服務器為核心，主要有三部分組成：門禁考勤系統、視頻監控系統與以PLC為核心的環境監控系統的現場控制器。系統總體硬件結構如圖1所示：

3 系統總體設計

根據分析，本系統采用模塊化編程的思想，將系統分解為專家系統、數據庫系統等不同模塊，與此同時相應開發系統管理程序，將專家系統、數據庫系統有機地結合為一個整體。系統整體結構原理框圖如圖2所示：

陣地技術防范故障診斷專家系統實現如下功能：

(1)根據故障現象，利用專家診斷系統找出故障原因；

(2)根據專家知識經驗提出排除故障的方法或建議；

(3)數據庫動態管理。

本系統采用ACCESS2000定義數據庫的結構，采用ODBC技術開發相應的數據庫管理功能(輸入、查詢、修改、刪除、打印等)，中間采用ODBC技術實現互聯。

4 知識表示

本專家系統采用的是“框架+產生式規則”組合的知識表示方法。其優點是：框架把一組相關的知識存儲起來，適于表示固定的、典型的概念和行為，但難以表達動態的知識。規則是領域專家在實踐中總結出的一些解決問題的有效經驗，它同人的思維過程相近，易于被閱讀、解釋，容易增刪和修改，但推理效率較低，規則之間容易產生沖突和不一致。框架規則組合表示方法的特點是先用框架把故障分類，然后對不同的故障再采用規則來描述，這樣集中了框架和規則表示的優勢，克服了各自的不足，能清晰、全面地描述復雜地診斷知識，使系統求解過程更加明白、易懂，并且提高了系統的推理效率。

以陣地技術防范系統中的視頻監控系統為例，云臺是常見故障之一，圖3為云臺失控故障樹如圖3。

這個類似倒樹形的網絡由節點和連線組成。節點分層表示不同抽象層次的故障，它們之間的連線則表示故障父輩與子輩隸屬關系。根據在診斷過程中的作用，節點分為根節點(表示故障的大根源)、葉結點(表示滿足診斷深度要求的故障源)、中間節點(表示根結點與葉結點之間任一抽象層上的故障)和回溯標志結點(表示設有回溯標志，能影響故障搜索策略實施的獨立結構故障)。這個分層模型描述了復雜系統的故障全貌，為故障的分層診斷奠定了基礎。

在模型的每個結點上所進行的“收集癥狀一檢測一決策”是整個診斷過程中的基礎。在這個基本的診斷過程中要用到相互聯系的一整塊知識，這塊知識用框架(frame)表示。為了克服重復畫面的問題(frame problem)，同一類結點采用相同的框架結構相同數目和類型的槽(slot)表示同一類診斷中必要的知識。結點代號、結點屬性、父輩結點代號的值確定了某一結點在故障分層網絡中的性質、位置以及與相鄰結點的聯系，描述了診斷對象的分類關系。維修措施是葉結點專有的槽，它的值一般是一段排除故障的敘述性文字。

診斷規則是診斷專家的寶貴經驗。由于診斷對象的功能原理不同，專家對故障機理的了解程度和獲得測試數據不同，診斷規則也有三種形式：當對象的功能邏輯關系明確，故障機理清楚，測試數據充分時，用形如“IF...THEN...”的規則表示專家的“故障分離”的知識；當對象功能邏輯較復雜，故障因果關系不太明確，或測試僅能得到部分必要的數據時，仍可用規則的形式表示專家的“故障驗證”的知識(每條規則根據觀察現象或測試數據證實一個假定的故障源)；如果對象功能邏輯不確定，癥狀與原因交錯相連，而測試可得到較多的數據時，診斷規則以模糊關系矩陣表示癥狀總體與原因的總體的聯系。

所有的診斷規則組成規則集合，附屬于每個框架內“診斷規則”槽的若干條規則稱為規則子集。診斷規則的這種結構我們稱之為分布式規則集。這樣的知識結構與專家提供的知識形式相近，便于整理和理解，也克服了大規則集不易維護和運行效率低的問題。

5 診斷推理控制策略和過程

5．1 推理控制策略

根據陣地技術防范系統故障發生的機理，結合領域專家提供的診斷知識，采用的是以正向推理為主，反向推理為輔，正反相混合推理相結合的推理控制策略。應用該策略在故障分離樹上的搜索就是深度優先搜索。從故障分離樹上看，推理過程以“樹”狀知識結構的“根”為起點，不斷進行正向推理形成假設，并對假設進行反向推理驗證，直至達到規定的推理層次或全部的目標結點被否定為止。然后再回溯到相應層次，再進行正向推理形成新的假設，如此反復直至找到故障源表示診斷成功或找不到故障源表示故障診斷失敗為止。

5．2 故障診斷流程圖

診斷策略主要是在故障診斷模型知識的基礎上，通過檢測、判斷的循環過程查找故障源，并解決了多重故障的診斷問題，推理機則是使滿足診斷策略要求的診斷過程得以自動進行的有關程序。

由于知識庫分為經驗知識和原理知識兩部分，推理機也相應地分為兩部分。首先用經驗知識進行診斷，如果診斷任務能用經驗知識較快地完成，則診斷結束；如果經驗知識不完全，不能找到故障源，則轉入原理知識診斷，原理診斷從專家提供的相應層次或根結點開始診斷，然后在故障診斷網絡上調用測試框架知識，提示維修人員進行測試。專家系統根據輸人的測試值及判斷規則進行故障分離，找出下層故障。若下一層故障不是故障源，則從下一層再反復進行測試和故障分離。直至找到故障源。對故障源按維修知識框架進行故障維修和驗證，并向用戶解釋故障搜索過程，診斷結束。故障診斷流程見圖4。

6 結論

本文根據陣地技術防范系統的層次結構的特點，應用故障樹和專家系統理論以及面向對象技術，設計并實現了一個具有對象式框架知識表示、推理機制、人機交互界面可視化的故障診斷專家系統。縮短了故障的定位和維修時間，很大程度上提高了技術防范系統的檢測維修效率，使整個安防系統更符合戰備要求。