故障樹編碼方法在轟炸故障診斷中的應用研究

張德軍，王國偉

（1.空軍第一航空學院 航空軍械工程系；河南 信陽 464000；2.中國人民解放軍93427 部隊，北京 101100）

0 引言

隨著技術、裝備的發展，飛機轟炸系統構造越來越復雜，功能越來越完善，組成越來越龐大，具有多掛點、彈藥品種多、控制線長等特點，使得故障的診斷越來越困難。快速保障的需求對裝備的故障診斷能力提出了很高的要求。新裝備多數采用了模塊化設計，依靠裝備的內部機理、相互聯系和實踐經驗，從故障邏輯結構出發，逐層展開自動推理，則可以快速珍斷復雜系統故障。故障樹編碼方法是將裝備故障樹轉換成可自動操作的編碼，將編碼存儲在數據庫中，通過制定編碼規則和推理規則，按照故障現象和故障結果兩種形式，進行故障定位，給出診斷結果。該方法可按照一線從裝備本身分級入手，提高了裝備故障診斷的實時性和容錯性，能有效地解決隨機故障的診斷問題。

1 建立故障樹

故障樹是按照故障發生的邏輯關系形成的故障流程圖，是故障診斷的推理依據。按結點邏輯關系，故障樹一般分為二叉樹和多叉樹。單分支故障樹層與層之間的推理關系都是“是”與“否”的邏輯關系，多分支的特征是并行出現多種推理判斷。對于多分支，實際故障推理時可以逐個分支依次進行，因此，可以將多分支轉化為單分支的邏輯關系。

故障樹各個結點是由故障現象和診斷結果組成。對于故障現象，需詢問用戶現象為“真”或“假”，而對于診斷結果，需要向用戶提交診斷結果和故障處理方法。如果存在多級推理，則根據診斷結果，由程序的人機接口部分控制進入下一級推理。

建立故障樹時，將設備出現的故障現象作為根節點，對于每一個故障現象給出“是”與“否”的邏輯判斷，自上而下地分析導致事件發生的所有可能的直接因素及其相互間的邏輯關系，逐層尋找葉結點，直到不需要進一步分析為止，以此方式找出系統內部可能發生的硬件失效、軟件差錯、人為失誤及環境影響等因素（底事件）和頂事件所代表的系統失效之間的邏輯關系。

故障樹建立步驟：①將設備故障確定為故障樹根節點，根節點寫在頂部矩形框內；②將引起該故障的全部可能的故障現象或者故障原因進行分類，按照邏輯關系，將最直接的現象或原因置于第二排；③如果是故障現象，判定“是”或“否”，給出下一層次的故障現象或診斷結果；如果是故障原因，直接給出解決方案。以此類推逐級向下推理，直到所有原因事件判定完成為止，如圖1 所示。

圖1 故障樹Fig.1 Fault tree

2 編碼及推理

故障樹建立以后，將邏輯推理轉換成自動推理過程，需要對故障樹進行編碼，編碼用“0”、“1”二值編碼串表示不同含義。由于故障流程圖均可以轉化為二叉樹形式，其中每個結點分別表示故障現象或診斷結果，因此，用編碼“1”和“0”區分下一個結點為故障現象還是診斷結果，用“1”與“0”表示故障現象“是”與“否”邏輯關系。具體編碼規則如下：①用編碼長度表示結點所在層，如故障樹第n 層，用a1a2a3…an編碼串表示；②用編碼首位“1”、“0”表示下一層是“故障現象”還是“診斷結果”；③用編碼末位“1”、“0”表示故障現象“是”與“否”邏輯關系；④從第n 層到第n+1 層時，去掉編碼首位，然后根據下一層是故障現象還是診斷結果，用“1”或“0”補齊第一位，末尾編碼原則不變。

如圖1 第1 層總目標為故障現象，記為“1”表示第1 層故障現象；第2 層故障現象Ⅰ，用兩位編碼表示，首位均為“1”，對“是”詢問編碼為“11”，對“否”詢問編碼為“10”；第3 層左分支為故障現象，用3 位編碼表示，首位均為“1”，中間位與第2 層編碼有關，去掉首位為“1”，末尾如果為“是”，則編碼為“1”，如果為“否”則編碼為“0”，因此第3 層左分支左側為“111”，右側編碼為“110”。

通過上面的編碼，推理機能夠根據編碼的第1 位來識別故障現象和診斷結果。若第1 位是“1”，則為故障現象；若第1 位是“0”，則為診斷結果。因此，一旦推理機得出診斷結果時，如診斷為001，則推理機在自動將診斷結果的ID 加人事實庫的同時，向用戶報告診斷結果，并提出故障解決方案。這種編碼的優點是根據診斷結果就可知道故障現象的ID，進而快速定位故障原因。例如，診斷結果ID 為000，則推斷出它的上層故障現象ID 為10 (即第1 位改為1，同時去掉最后1 位0)，且與10 的邏輯關系為0 (即故障現象不成立)；由10 又可知道上層故障現象為1 并且關系為0；這樣可推導出所有的故障現象。因此，利用這種編碼可以很容易地實現推理機的解釋功能。

3 轟炸故障診斷實例

3.1 故障描述

經過深入研究裝備系統結構、工作原理以及大量用戶的使用經驗，得到實際裝備大量按“表”或“流程圖”表示的故障樹[5]。

表1 為某轟炸系統故障現象、可能原因及故障檢測工作流程。但是，圖表具有比較復雜的邏輯關系，因此，可以按照故障現象和工作流程將其轉換成故障樹，便于推理機進行邏輯推理。

表1 某轟炸系統故障現象及診斷結果Tab.1Faultphenomenaanddiagnosticsresultofa bombingsystem

3.2 故障樹及故障編碼

根據表1 某轟炸系統的故障現象、可能原因和工作流程，總結出故障樹如圖2 所示。

圖2 某炸彈不能正常投放故障樹Fig.2 Fault tree of a bomb dropping fault

圖3 某型炸彈不能正常投下故障樹編碼Fig.3 Fault tree coding of a bomb dropping fault

故障樹分為5 層，包含3 類可能的故障現象，6 個故障診斷結果。根據該故障樹，利用上述編碼原則，可得出3掛點某型炸彈不能正常投下故障樹對應的編碼樹如圖3 所示。

3.3 推理過程及實現

為了實現故障自動推理，首先應判斷故障編碼長度，如“11”、“10”編碼長度為2，首位字母為“1”，表明第2 層為故障現象，“11”代表“是”的判斷，即掛彈鉤存在故障，“10”代表“否”的判斷，即掛彈鉤不存在故障。如果掛彈鉤存在故障，判斷下一層編碼為“010”、“111”，首先，“111”首字母為“1”，代表下一層為故障現象，即“電氣設備發生故障了嗎?”，末尾字母為“1”，表示該故障現象存在，應繼續訪問下一層；其次，判斷字符串“010”，首字母為“0”，代表“沒有電氣發生故障”，末尾字母為“0”，代表故障結果，即：“拆下掛鉤，分解后檢查控制機構、傳動機構，調整搭合量”。以此類推，直到最后一層判斷結束。推理過程的一般流程如圖4 所示。

圖4 故障推理過程Fig.4 Process of fault illation

4 結論

將故障樹編碼技術應用于轟炸故障診斷，將故障樹直接轉換成自動推理機，將故障現象與診斷結果有機結合起來，自動按照轟炸系統一線更換級裝備分解進行邏輯推理。該方法簡潔有效，便于快速確故障原因，定位故障部件，并可廣泛推廣應用到其他各類武器系統故障診斷和維修保障工作中。

[1]吳今培，肖健華．智能故障診斷與專家系統[M]．北京：科學出版社，1997．

[2]倪紹徐，張裕芳，易宏，等．基于故障樹的智能故障診斷方法[J]．上海交通大學學報，2008，42．

[3]胡良明，徐誠，李萬平．基于案例推理的自行火炮故障診斷專家系統[J]．火炮發射與控制學報，2006，2.

[4]馬野，戴耀，岳冬梅．基于故障樹編碼的火炮故障診斷方法研究[J]．火炮發射與控制學報，2014，3.