航海雷達故障診斷專家系統的設計

鄭友賦

(福建船政交通職業學院， 福建 福州 350007)

隨著航海雷達技術的不斷發展，對于其故障診斷的快速化、準確化及網絡化的需求也越來越高。但新型航海雷達系統結構非常復雜，一旦出現故障，往往是多種故障并存且相互影響，診斷起來異常繁瑣。因此，必須開發基于新型診斷方式的智能診斷系統才能達到快速診斷的目的。

鑒于此，本文對航海雷達故障的智能診斷技術展開研究。(即人類專家的知識)、推理機 (即人類專家解決問題的經驗、方式和策略)及人機接口3個部分組成。

基于Web的航海雷達故障遠程診斷專家系統結構如圖1所示。

圖1 基于Web的航海雷達故障遠程診斷專家系統圖

1 專家系統

所謂的專家系統是一種能模擬某個領域人類專家解決領域問題的智能化計算機系統。該計算機系統將大量的專家級知識與經驗存儲于本地數據庫或網絡數據庫中，以人類專家解決問題的經驗、方式和策略來解決領域問題。采用人類專家的知識、經驗和解決問題的方法是因為專家通常擁有特殊的實踐經驗、分析問題和解決問題的策略，而且這些經驗、分析方法和策略經過長期的實踐證明是行之有效的［1］。

航海雷達故障診斷專家系統主要由知識庫

當航海雷達出現故障時，用戶或維修工程師在現場將故障信息通過Web瀏覽器提交給Web服務器端的推理機。

推理機將故障信息與知識庫中的相關知識進行比較，進行綜合推理，然后診斷出故障的部位及原因，并反饋給用戶或維修工程師。

2 故障模型的建立

航海雷達通常是由天線子系統，發射機子系統、接收機子系統、電源子系統、顯示子系統和傳感器子系統等多個子系統構成［2］。各子系統之間既相互制約，又相互聯系，一旦發送故障，則故障診斷具有一定的復雜性。

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis)是一種綜合評價系統運行可靠性和安全性的圖形演繹法，常用于系統的故障分析、預測和診斷。該方法不僅可以分析系統軟件、硬件方面的故障，而且可以考慮到環境及人為因素［3］。

故障樹模型是一種基于被測對象的模型，以系統的結果故障事件為頂事件，以可能導致頂事件發生的其它事件為中間事件和底事件，采用一種倒樹狀的結構表示各類事件之間的聯系［4］。通過計算故障樹頂事件發生概率，故障樹各最小割集的發生概率及最小割集重要度，并給出定量分析，使搜尋故障原因的一次命中率得到提高，從而降低故障診斷的難度。

3 網絡通信技術

在航海雷達故障診斷專家系統中，設備運行的狀況、故障表征現象、測試點數據等各類參數，都需要迅速地以數據或圖形的形式傳輸到診斷中心計算機進行分析判斷，才能及時有效的對故障進行定位。由于設備運行的外界環境以及設備自身通信機制的不同，他們需要的通訊方式也不一樣，因此，需要建立一個由多種通信方式集成的通信機制［5］。

根據通信距離的遠近，分成近距離通信和遠距離通信。近距離通信可采用RS232或 RS485傳輸數據;遠距離通信可采用撥號方式傳輸數據，若條件允許，也可采用光纜傳輸或直接將設備與診斷服務器接入Internet傳輸數據。

4 系統設計

4.1 系統結構設計

根據航海雷達故障專家診斷系統所要實現的功能，將系統設計為4個模塊:用戶模塊、事件處理模塊、應用接口模塊和數據庫模塊。系統框架如圖2所示。

圖2 航海雷達故障診斷專家系統框架圖

1)用戶模塊。用戶模塊主要提供用戶管理、知識庫管理、技術支持、故障診斷和視頻瀏覽等5個主要功能。

用戶管理功能能增強系統及航海雷達資料的安全性，提供注冊新用戶、登陸密碼管理、用戶登錄等操作。由系統管理員負責賬號注銷、用戶密碼重置以及用戶管理等操作。

知識庫管理功能只有系統管理員才能操作，包括添加知識、刪除知識、修改知識和備份等操作。知識庫管理功能是知識庫內容的豐富性、有效性和正確性的有效保障。

技術支持是指用戶可以瀏覽、學習、添加和刪除航海雷達技術資料。航海雷達技術資料是指航海雷達用戶手冊以及航海雷達專家搜集到的故障診斷資料。這些資料一般是形成故障診斷支持系統的最原始資料。

故障診斷用于用戶的智能化故障診斷，是系統實現的最主要功能。用戶可以根據系統提示輸入故障現象，系統會自動進行智能化故障診斷，向用戶提出排除故障操作的建議，并顯示故障原因等。

視頻瀏覽可以向用戶提供視頻瀏覽功能，使用戶能更直觀的了解該型號航海雷達的操作、工作原理和注意事項等，有助于鞏固用戶對雷達的理解。

2)事件處理模塊。事件處理模塊包括數據庫維護和故障診斷2個子模塊。數據庫維護子模塊負責維護數據庫中的數據，除了提供數據添加、查詢、修改和刪除等操作，還包括備份數據、恢復數據、生成用戶信息表和監視系統運行狀況等功能。故障診斷子模塊包括故障信息輸入、故障匹配、故障診斷、診斷結果通知、新故障診斷添加模塊。

3)應用接口模塊。應用接口模塊功能由一組程序和相應的硬件組成，提供應用程序的接口程序，把不同程序連接起來，實現系統運行過程中的相互通訊。應用接口模塊是實現診斷系統與用戶、雷達故障診斷專家與工程師交互的模塊，負責將用戶輸入的故障信息轉變成診斷系統的內部格式，再把這些格式化后的信息送給相應的應用程序去處理，反之，診斷系統輸出的以內部格式表示的響應信息也由它轉變成用戶易于理解的外部表示格式并顯示。

航海雷達診斷專家系統應用接口模塊的設計使用戶只需按照診斷系統的提示來操作，用鼠標點擊“下一步”或“上一步”按鈕即可一步步執行診斷;用戶通過選擇彈出框中的“是”或“否”來響應診斷系統的詢問;在輸入性能指標時，系統會給出標準化參數表格，用戶只要按照格式輸入即可;若用戶輸入錯誤信息時，系統能夠自動識別并提示用戶重新輸入。

4)數據庫模塊。數據庫模塊是系統的核心單元，由知識庫和綜合數據庫組成。

知識庫用于存儲領域專家提供的所有專業知識，一般包括紙質知識 (如行業標準、說明書、相關案例等)、常識性知識和專家的經驗型知識。診斷系統的運行就是基于這些專業知識來模擬專家的思維來進行的。因此，知識庫擁有的知識數量和質量是衡量一個專家診斷系統能力的關鍵因素。

綜合數據庫用于存放解決問題所需的初始數據、過程數據、過程結果、規則和目標等。

4.2 操作流程設計

為了診斷系統和專家知識的安全，將用戶劃分成不同的等級，不同等級的用戶登陸后擁有不同的使用權限，再根據故障診斷及輔助操作的流程，我們將雷達故障診斷支持系統的操作設計為如圖3所示的流程。

4.3 遠程診斷的實現

航海雷達故障專家診斷系統采用B/S與C/S混合模式，如圖4所示。

圖3 航海雷達故障診斷支持系統操作流程圖

C/S模式客戶端功能比較強，安全系數也較高，適合于需要對數據庫進行頻繁操作的場合，比如現場的維護人員。B/S客戶端比較靈活，采用TCP/IP協議，對安全性及訪問速度方面比C/S有更高的要求，適合于多點傳輸，比如專家和知識工程師利用B/S客戶端進行查詢及在線交流操作。

圖4 網絡結構示意圖

4.4 專家診斷系統的特點

相對于人類專家，專家系統具有以下特點［6］。

1)專家系統是人類專家的高可靠性智能助手和工具，是人類專家知識、經驗和判斷的模擬、延伸和擴展。同時，專家系統可擁有多個專家的知識、經驗與判斷，形成比單獨專家水平更高的復合專家知識系統。

2)專家系統能高效、迅速、穩定地工作，不受環境、情緒、體能等影響。尤其在對人體有害的環境中，可以替代人類專家進行工作。而且，專家系統響應時間快，尤其在需要多個專家協商才能解決問題的情況下，能更迅速的做出響應。

3)專家系統以用戶可理解的形式解釋推理過程，而且沒有時間和空間的限制，數據庫及故障診斷技術可永久保存。

4)專家系統成本低，并具有學習能力，能總結故障發生規律，不斷完善診斷系統。

5 結束語

隨著電子技術的飛速發展，航海雷達結構趨于復雜，功能也更加強大，尤其在船舶通信導航設備實現網絡化后，使得航海雷達的日常維護、故障診斷難度加大。本文研究了一種基于專家系統的航海雷達遠程故障診斷系統模型，在保證安全性、可靠性及準確性的基礎上，實現航海雷達設備故障診斷的遠程化、智能化。

［1］楊興，朱大奇，桑慶兵.專家系統研究現狀與展望［J］.計算機應用研究，2007(5):5-9.

［2］劉彤.航海儀器［M］.大連:大連海事大學出版社，2013.

［3］陳文欽，王強，李波.基于故障樹的知識存儲及診斷系統［J］.廣西大學學報 (自然科學版)，2010(4):324-329.

［4］梁新元，張勤.故障樹向因果圖轉換的研究［J］.計算機仿真，2005(10):144-146.

［5］駱耀祖，劉永初.計算機網絡技術及應用［M］.北京:北方交通大學出版社，2003.

［6］任明侖，楊善林，朱衛東.智能決策支持系統:研究現狀與挑戰［J］.系統工程學報，2002(5):430-440.