基于CAN總線的雷達(dá)裝備BIT故障診斷專家系統(tǒng)研究

張賢志 ，楊紅梅 ，盛 文 ，張 磊

（1.空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北 武漢 430019；2.武漢濱湖電子責(zé)任有限公司，湖北 武漢 430077）

基于CAN總線的雷達(dá)裝備BIT故障診斷專家系統(tǒng)研究

張賢志1，楊紅梅1，盛 文1，張 磊2

（1.空軍雷達(dá)學(xué)院，湖北 武漢 430019；2.武漢濱湖電子責(zé)任有限公司，湖北 武漢 430077）

介紹了一種基于CAN總線的分散檢測(cè)，集中診斷、顯示的雷達(dá)BIT故障診斷系統(tǒng)，描述了其硬件組成、專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，知識(shí)表示和推理機(jī)制。通過(guò)在該雷達(dá)BIT中采用專家系統(tǒng)診斷方法，使得推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)分離，便于診斷知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充、維護(hù)，有效提高了系統(tǒng)BIT故障診斷能力。

雷達(dá)；BIT；專家系統(tǒng)；故障診斷

現(xiàn)代雷達(dá)裝備的復(fù)雜程度和技術(shù)含量不斷提高，可維修性、可測(cè)試性對(duì)裝備的作戰(zhàn)能力、生存能力、機(jī)動(dòng)性、維修人員、保障費(fèi)用產(chǎn)生了重要影響。傳統(tǒng)的測(cè)試主要利用外部測(cè)試儀器對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，這種測(cè)試方法費(fèi)用高、操作復(fù)雜，且只能離線檢測(cè)。為了提高雷達(dá)的維護(hù)性能，縮短雷達(dá)故障診斷時(shí)間，在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，機(jī)內(nèi)測(cè)試BIT（Built-in Test）裝置發(fā)揮著重要作用。常規(guī)BIT故障診斷通過(guò)編寫一個(gè)結(jié)構(gòu)化的程序，每次測(cè)試中一旦出現(xiàn)故障便可進(jìn)行診斷測(cè)試，以便故障隔離達(dá)到所要求的級(jí)別。這種基于結(jié)構(gòu)化的程序?qū)⒚枋鏊惴ǖ倪^(guò)程性測(cè)試信息和控制性判斷信息合二為一地編碼在程序中，導(dǎo)致可維護(hù)性和適應(yīng)能力比較差，不能靈活、高效地利用歷史經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)，測(cè)試診斷結(jié)果缺乏解釋，難以對(duì)設(shè)備排故與改型設(shè)計(jì)提供充分的依據(jù)[1]。特別是對(duì)于雷達(dá)設(shè)備在工程實(shí)際中大量出現(xiàn)的多并行過(guò)程監(jiān)測(cè)、突發(fā)及多態(tài)故障診斷需求使得常規(guī)BIT故障診斷的技術(shù)手段和方法顯得很不適應(yīng)。因此，通過(guò)在雷達(dá)BIT故障診斷中使用專家系統(tǒng)技術(shù)，可極大地增強(qiáng)系統(tǒng)診斷程序的的靈活性和可維護(hù)性；對(duì)知識(shí)庫(kù)的不斷擴(kuò)充和完善，可以大大提高系統(tǒng)的診斷能力，在一定程度上克服常規(guī)BIT故障診斷的不足。

本文以基于CAN總線的雷達(dá)BIT故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于專家系統(tǒng)的雷達(dá)裝備BIT故障診斷方法，對(duì)專家系統(tǒng)的診斷知識(shí)表示和推理控制進(jìn)行了詳細(xì)描述。該系統(tǒng)在具體設(shè)計(jì)中，采用Windows操作系統(tǒng)作為用戶平臺(tái)，故障診斷軟件開(kāi)發(fā)工具使用C++ Builder 6.0，采用Access 2000關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷功能。

1 BIT檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

某型雷達(dá)技術(shù)體制先進(jìn)，新技術(shù)含量高，包含了大量的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，微波集成組件和各種功能模塊，從高頻到低頻、從數(shù)字到模擬，分布在各個(gè)組合中，有些組合相距較遠(yuǎn)，屬于典型的分布式結(jié)構(gòu)。根據(jù)BIT的設(shè)置應(yīng)盡量不影響雷達(dá)主通道工作的設(shè)計(jì)原則，確定了全機(jī)故障檢測(cè)采用分散檢測(cè)，集中顯示、控制處理兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)。第一級(jí)為雷達(dá)監(jiān)控分系統(tǒng)主控臺(tái)，由工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，其定時(shí)采集各分系統(tǒng)的自檢信息，完成雷達(dá)狀態(tài)顯示、雷達(dá)操作控制、人機(jī)接口、分系統(tǒng)故障信息綜合、診斷及雷達(dá)遙控接口；第二級(jí)為分系統(tǒng)監(jiān)控模塊，由單片微處理器和傳感器接口電路組成，在不影響雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的前提下，不間斷地對(duì)分系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)征兆特征，完成對(duì)分系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和與主控臺(tái)通信等功能。與一般的通信總線相比，考慮到 CAN（Controller Area Network）總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，二級(jí)系統(tǒng)通過(guò)CAN總線連接，從而構(gòu)成一個(gè)具有完整協(xié)議的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。BIT故障檢測(cè)硬件組成框圖如圖1所示。

每個(gè)CAN模塊或帶CAN總線接口的單元都有一個(gè)唯一的ID號(hào)，用來(lái)識(shí)別不同的模塊。各分系統(tǒng)狀態(tài)及控制等報(bào)文均通過(guò)ID識(shí)別，由各CAN模塊或分機(jī)本身的監(jiān)控電路完成本分機(jī)狀態(tài)的收集及上報(bào)。主控臺(tái)接收來(lái)自各分機(jī)的工作狀態(tài)信息，進(jìn)行邏輯分析、判斷并以友好方式在主控臺(tái)界面實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。規(guī)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障用“1”表示，正常用“0”表示，CAN模塊只要發(fā)現(xiàn)所監(jiān)控的點(diǎn)發(fā)生狀態(tài)改變，如由“0”變?yōu)椤?”或由“1”變?yōu)椤?”，就必須將結(jié)果上報(bào)到主控臺(tái)。

2 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由診斷推理模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋機(jī)構(gòu)、知識(shí)庫(kù)管理模塊和診斷知識(shí)庫(kù)等組成。診斷推理模塊根據(jù)BIT測(cè)點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)各種規(guī)則的匹配和綜合分析，給出診斷結(jié)果和維修對(duì)策，并通過(guò)解釋機(jī)構(gòu)提供推理的解釋；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放雷達(dá)分系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果以及推理過(guò)程中的一些中間結(jié)果信息；知識(shí)庫(kù)管理模塊對(duì)診斷知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)知識(shí)獲取、知識(shí)更新、知識(shí)檢驗(yàn)和知識(shí)查詢功能，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的友好交互界面，用戶可以方便地診斷知識(shí)內(nèi)容，并進(jìn)行添加、修改、保存、刪除等操作；診斷知識(shí)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的故障診斷知識(shí)。

圖2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 診斷知識(shí)表示

3.1 診斷樹(shù)模型

根據(jù)雷達(dá)BIT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用層次診斷模型進(jìn)行故障隔離診斷。模型主要按功能分為三個(gè)層次：系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)。故障診斷隔離過(guò)程為：整機(jī)→分系統(tǒng)→模塊，系統(tǒng)級(jí)診斷從整機(jī)隔離故障到分系統(tǒng)，以功能劃分的分系統(tǒng)作為診斷目標(biāo)，隔離故障到其中的某一個(gè)分系統(tǒng)；分系統(tǒng)級(jí)診斷從分系統(tǒng)隔離故障到模塊（最小可更換單元）。

層次診斷模型采用基本結(jié)構(gòu)如圖3所示的診斷樹(shù)[2]表示。診斷樹(shù)將要進(jìn)行診斷的系統(tǒng)按組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層分解，形成一棵倒置的樹(shù)，診斷樹(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)象由整機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、模塊或可更換單元組成，雷達(dá)整機(jī)構(gòu)成了故障樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)，分系統(tǒng)構(gòu)成故障樹(shù)的中間節(jié)點(diǎn)，可更換單元模塊構(gòu)成樹(shù)上的葉節(jié)點(diǎn)。連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象的分支表示這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系，在推理規(guī)則的作用下，故障從整機(jī)隔離到各分系統(tǒng)可更換單元模塊。

3.2 診斷樹(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)表示

診斷樹(shù)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以用一個(gè)統(tǒng)一的框架結(jié)構(gòu)封裝為類對(duì)象表示，存放在一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表中，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)如表1所示，數(shù)據(jù)表每行的字段按照ID、NAME、PARENT、TYPE、TESTPOINT、CODE 和CONCLUSION等順序排列。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)診斷知識(shí)庫(kù)建立在雷達(dá)系統(tǒng)的BIT測(cè)試性模型基礎(chǔ)上，依據(jù)模型故障隔離結(jié)論與測(cè)試的關(guān)系建立，假設(shè)待診斷樹(shù)某層某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)象有 n個(gè)測(cè)點(diǎn) S1，S2，…Sn，通過(guò)它們可得到 m個(gè)故障隔離結(jié)論 F1，F(xiàn)2，…Fm，它們的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用表2所示的故障隔離結(jié)論與測(cè)試多維關(guān)系表表示。其中Cij（j=1～n）表示測(cè)點(diǎn) Sj與故障隔離結(jié)論Fi的相關(guān)性，對(duì)于故障隔離結(jié)論Fi，當(dāng)其出現(xiàn)時(shí)，如果測(cè)點(diǎn)Sj測(cè)試不正常，即其取值為“1”；如果其正常則取值為“0”；如果測(cè)點(diǎn)與 Fi無(wú)關(guān)，則取值為“x”。

表2 故障隔離結(jié)論與測(cè)試的多維關(guān)系表

診斷樹(shù)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的編號(hào)ID，測(cè)試集保存在父節(jié)點(diǎn)字段中，而對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果分散在多個(gè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)字段中，相當(dāng)于故障隔離結(jié)論與測(cè)試的關(guān)系隱含在父子節(jié)點(diǎn)中，如圖4所示。診斷時(shí)根據(jù)父節(jié)點(diǎn)的測(cè)試集結(jié)果組合，在其子節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行檢索滿足相應(yīng)條件的CODE字段數(shù)據(jù)，可以判斷出對(duì)應(yīng)的故障子節(jié)點(diǎn)。

4 推理控制方法

故障診斷專家系統(tǒng)推理方向可以是正向推理、反向推理或混合雙向推理。正向推理采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制策略，從一組事實(shí)出發(fā)，一遍又一遍地嘗試所有可利用的規(guī)則，并在此過(guò)程中加入新事實(shí)，直到獲得包含目標(biāo)公式的結(jié)束條件為止[3]，比較適合于本系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)采用正向推理，推理是從診斷樹(shù)模型的根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，利用與測(cè)試結(jié)果相匹配的規(guī)則執(zhí)行擴(kuò)展新的子節(jié)點(diǎn)，將故障范圍不斷縮小到分系統(tǒng)、模塊的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行直到分離到故障樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)為止。推理機(jī)的推理過(guò)程是一個(gè)遞歸的過(guò)程，推理采用深度優(yōu)先策略[4]，推理機(jī)的算法流程如圖5所示。圖中OPEN表是一個(gè)鏈表，記錄的數(shù)據(jù)對(duì)象是已經(jīng)被生成出來(lái)，但還沒(méi)有被擴(kuò)展的診斷樹(shù)節(jié)點(diǎn)指針?？紤]到系統(tǒng)可能會(huì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)故障，當(dāng)檢測(cè)出某個(gè)故障模式時(shí)，并不是立即將檢測(cè)結(jié)果報(bào)告給用戶，而是待其他的故障模式檢測(cè)完畢，再給出故障報(bào)告。

實(shí)際故障推理時(shí)，由于診斷樹(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)象具有封裝性，所有節(jié)點(diǎn)對(duì)象都存放于后臺(tái)的數(shù)據(jù)表中，對(duì)象指針指向?qū)ο笏诘奈恢?，這樣可以使系統(tǒng)盡快根據(jù)故障信息找到故障對(duì)象，并根據(jù)指針遍歷診斷樹(shù)。

通過(guò)使用分布式控制CAN總線，對(duì)雷達(dá)全機(jī)故障檢測(cè)通過(guò)采用分散檢測(cè)、集中顯示，有效地提高了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性；在雷達(dá)BIT故障檢測(cè)中采用專家系統(tǒng)診斷方法，使得知識(shí)庫(kù)易于擴(kuò)充、維護(hù)，增強(qiáng)了該雷達(dá)BIT故障診斷能力。

[1]溫熙森，徐永成，易曉山，等.智能機(jī)內(nèi)測(cè)試?yán)碚撆c應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[2]LIU S C，LIU S Y.An efficient expert system for air compressor troubleshooting[J].ExpertSystems，2001（18）：203-214.

[3]LUGER G F.人工智能復(fù)雜問(wèn)題求解的結(jié)構(gòu)和策略[M].史忠值譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]JO S G，GRATY R.專家系統(tǒng)原理與編程[M].印鑒譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20001.

Research about radar equipment BIT fault diagnosis expert system based on CAN bus

Zhang Xianzhi1，Yang Hongmei1，Sheng Wen1，Zhang Lei2

（1.Air Force Radar Academy，Wuhan 430019，China；2.Wuhan Binhu Electron Corporation，Wuhan 430077，China）

This paper presents a radar BIT fault diagnosis system of distributed detection，centralized diagnostics and display bsaed on CAN bus，describes its hardware components，the expert system structure，as well as knowledge representation and reasoning mechanism，through the use of expert system diagnostics in the radar BIT，makes separation of the inference engine and knowledge base to facilitate the expansion of diagnostic knowledge base，maintenance，and effectively improve the system BIT fault diagnosis.

radar；BIT；expert system；fault diagnosis

TJ03；TP206.3

B

1674-7720（2011）03-0058-03

2010-08-11）

張賢志，男，1970年生，講師，主要研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試與故障診斷。