基于CLIPS的智能無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)開發(fā)

郭忠毅　龍飛　樊慧津　劉磊　王永驥

摘? ?要：針對(duì)智能無人飛艇的故障診斷問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于CLIPS框架的故障診斷專家系統(tǒng)。首先，根據(jù)診斷專家的知識(shí)進(jìn)行故障分類并建立故障樹;其次，基于CLIPS工具設(shè)計(jì)了智能無人飛艇的故障事實(shí)庫和規(guī)則庫。然后采用靜態(tài)鏈接的方式將CLIPS框架嵌入到C++中，并設(shè)計(jì)了"路由跳轉(zhuǎn)"功能，實(shí)現(xiàn)了用戶輸入與CLIPS的數(shù)據(jù)交換接口，并利用MFC框架開發(fā)了相應(yīng)人機(jī)交互界面。該智能無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)，改善了現(xiàn)階段人工故障診斷的不規(guī)范及效率低下等問題，為智能無人飛艇的故障診斷、分析和排除提供了平臺(tái)和支持技術(shù)。

關(guān)鍵詞：智能無人飛艇;CLIPS;故障診斷專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Fault Diagnosis Expert System Development

for Intelligent Unmanned Airship Based on CLIPS

GUO Zhong-yi1，LONG Fei2，F(xiàn)AN Hui-jin1？覮，LIU Lei1，WANG Yong-ji1

（1. School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430070，China;

2. China Special Vehicle Reach Institute，Jingmen，Hubei 448035，China）

Abstract：For the intelligent unmanned airships，a fault diagnosis expert system based on CLIPS is designed and developed. Firstly，based on the knowledge of the diagnostic expert，the faults are classified，and the fault tree has been established according to the causal relationship. Secondly，the fact base and rule base are respectively designed with the CLIPS framework，and a forward reasoning control strategy is employed. CLIPS is embedded in the C++ environment by static linking mode. In addition，the "route jump" function is designed to realize the data exchange interface between user input and CLIPS. Finally，the human-computer interaction interface is developed with the MFC framework. The development of the fault diagnosis expert system has improved the irregularity and inefficiency of manual fault diagnosis，and provides a platform and support technology for thefault diagnosis，analysis and elimination of intelligent unmanned airships.

Key words：intelligent unmanned airship;CLIPS;fault diagnosis expert system

智能無人飛艇屬于浮空飛行器的一種，相較于飛機(jī)等其他航空器，其最大優(yōu)勢是能耗低、制造成本低廉，同時(shí)具有留空時(shí)間長，污染小，起降場地要求靈活方便等諸多優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、運(yùn)輸、通訊、勘探等方面[1]。在智能無人飛艇實(shí)際飛行中，由于外界環(huán)境或電子、機(jī)械等內(nèi)部原因的影響，某些部件元件或系統(tǒng)的運(yùn)行特性或參數(shù)與其正常飛行的額定值出現(xiàn)了較大的偏差，或其軟件控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)一些不可預(yù)見性的故障，導(dǎo)致無人飛艇系統(tǒng)的性能嚴(yán)重低于正常水平，難以完成操作無人飛艇正常的控制任務(wù)[2]。例如一個(gè)較為突出的問題就是在飛艇低速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)力不足的現(xiàn)象，進(jìn)而降低舵面的控制效果，導(dǎo)致舵面故障[3]。當(dāng)類似舵面這種操縱機(jī)構(gòu)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致控制指令錯(cuò)誤，從而影響飛艇的動(dòng)態(tài)過程，造成嚴(yán)重后果，威脅人身安全。因此，必須在無人飛艇發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)根據(jù)飛艇的運(yùn)行參數(shù)和故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，快速準(zhǔn)確的診斷出飛艇的故障原因和部位，為后續(xù)智能飛艇的容錯(cuò)控制提供準(zhǔn)確信息，避免造成更加嚴(yán)重的后果。

近年來故障診斷的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果[4-6]。針對(duì)無人機(jī)及運(yùn)載火箭等航空器故障，文獻(xiàn)[4]以運(yùn)七飛機(jī)起落架為實(shí)例，利用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù)建立系統(tǒng)模型，分別針對(duì)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)了故障診斷專家系統(tǒng)。然而，該系統(tǒng)所采用的面向?qū)ο蠓椒ú簧瞄L邏輯推理，其規(guī)則比產(chǎn)生式規(guī)則更復(fù)雜。此外，無人飛艇在工作原理和外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上與上述航空器也存在較大差別，且針對(duì)無人飛艇的問題，目前研究較少。文獻(xiàn)[5]針對(duì)無人飛艇的壓力氣囊故障進(jìn)行了研究，利用故障樹分析法對(duì)其故障原因進(jìn)行了定性分析。該文所給出的故障樹分析法可應(yīng)用于本智能無人飛艇的知識(shí)整理和分析上，但由于缺少智能化的知識(shí)保存和積累功能，因此無法推廣，具有一定的局限性。

現(xiàn)階段無人飛艇的故障診斷主要依靠人工檢驗(yàn)、簡單儀器儀表測量等方式進(jìn)行。而這些嘗試性的故障診斷方式往往存在操作流程不規(guī)范，診斷效率低下等問題。同時(shí)，培養(yǎng)專業(yè)的無人飛艇故障診斷人員周期較長，需要長期的經(jīng)驗(yàn)積累。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)基于專家系統(tǒng)的無人飛艇故障診斷系統(tǒng)來幫助普通操作人員快速實(shí)現(xiàn)飛艇故障診斷是十分有必要的。

因此，在已有的研究基礎(chǔ)上，依托體積約100立方米的小型飛艇作為研究對(duì)象，針對(duì)無人飛艇的軟硬件組成結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種基于CLIPS的智能無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)。首先，借助故障樹分析法以無人飛艇系統(tǒng)較常見的故障狀態(tài)作為分析的出發(fā)點(diǎn)，找出能導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素即中間事件，按此層級(jí)查找的方式一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的底層原因。接著，基于故障分析樹，利用CLIPS專家系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)了表征飛艇工作狀況的事件庫及專家知識(shí)表達(dá)的規(guī)則庫，并采用正向推理控制。此外，為最大限度的方便用戶使用故障診斷專家系統(tǒng)，本文通過靜態(tài)鏈接的方式將CLIPS框架嵌入C++中，在此基礎(chǔ)上利用Visual Studio中的MFC框架開發(fā)了人機(jī)界面。為了實(shí)現(xiàn)用戶輸入與CLIPS的數(shù)據(jù)交換，除借助CLIPS內(nèi)置的EnvLoad函數(shù)加載規(guī)則庫和事實(shí)庫外，本文另外設(shè)計(jì)了“路由跳轉(zhuǎn)”功能作為交換接口。最后，為本文專家知識(shí)庫設(shè)計(jì)了維護(hù)和編輯界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)新的故障知識(shí)的增加和刪改，從而完成了故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)，為智能無人飛艇的故障診斷、分析和排除提供了平臺(tái)和支持技術(shù)。

1? ?需求分析

所研究的智能無人飛艇對(duì)象采用中舟100飛艇的單囊體布局形式，以囊體為主體，外露布置頭錐、動(dòng)力裝置、尾翼及設(shè)備吊艙等，并采用“X”形布置的梯形尾翼，舵面偏轉(zhuǎn)角度-30-30°;主要結(jié)構(gòu)部件包括氣囊、副氣囊、吊艙、起落裝置、尾翼、頭錐等，智能無人飛艇的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1? ?飛艇總體結(jié)構(gòu)布局示意圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)智能無人飛艇各個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)備故障進(jìn)行診斷和定位。由于當(dāng)前人工故障診斷存在操作流程不規(guī)范，診斷效率低下等問題，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)基于專家系統(tǒng)的無人飛艇故障診斷系統(tǒng)，從而有效地幫助普通操作人員提高無人飛艇故障診斷的效率及準(zhǔn)確度。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，并充分利用智能無人飛艇領(lǐng)域內(nèi)專家現(xiàn)有的故障診斷知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，需重點(diǎn)考慮如下兩點(diǎn)：

（1）結(jié)合無人飛艇的飛行狀態(tài)和故障現(xiàn)象并借助各個(gè)艇載設(shè)備檢測方法，采用科學(xué)可行的故障診斷方式-故障專家系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)智能無人飛艇的故障診斷和定位。

（2）在無人飛艇后續(xù)的實(shí)際飛行過程中，對(duì)于新的故障知識(shí)，可將新的專家經(jīng)驗(yàn)添加到故障診斷專家系統(tǒng)中，從而有效的解決專業(yè)診斷人員缺乏，診斷效率低下等實(shí)際問題。

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)智能無人飛艇的故障診斷，本系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能主要包含兩方面：一是具有故障診斷功能，能夠結(jié)合專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)通過規(guī)則推理快速定位故障點(diǎn)，并生成故障診斷結(jié)果報(bào)告;二是具有知識(shí)庫管理和編輯功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)專家知識(shí)庫進(jìn)行增加、刪除和修改等維護(hù)操作。

2? ?CLIPS專家系統(tǒng)框架簡介

CLIPS即“C語言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)（CLanguage Integrated Production System）”，它是美國航空航天局/約瀚遜太空中心（NASA/Johnson Space Center）用C語言設(shè)計(jì)的，是一種多范例編程語言[7]。該語言支持基于規(guī)則的、面向?qū)ο蟮暮兔嫦蜻^程的編程，是一種高效的開發(fā)專家系統(tǒng)工具，為構(gòu)建基于規(guī)則或?qū)ο蟮膶＜蚁到y(tǒng)提供了完整的底層開發(fā)環(huán)境[8]。在語法方面，CLIPS規(guī)則與ART、ART-IM、Eclipse和Cognate語言的規(guī)則極為相似，而且更加簡便、低成本和易于與外部系統(tǒng)集成[9]。

目前，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和高校利用CLIPS框架進(jìn)行專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了一定的研究成果，如文獻(xiàn)[10]研究了專家系統(tǒng)在飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用，使用CB（C ++ Builder）和CLIPS開發(fā)了一套診斷專家系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。故本文選擇CLIPS專家系統(tǒng)框架作為智能無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)工具是可行的。

3? ?故障診斷專家系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)系統(tǒng)需求的分析，結(jié)合專家系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合開發(fā)的方便性，本文所構(gòu)建的基于CLIPS的無人飛艇故障診斷系統(tǒng)主要包含了：綜合數(shù)據(jù)庫模塊、診斷信息獲取模塊、知識(shí)庫管理模塊、診斷咨詢模塊、管理模塊、解釋機(jī)模塊和人機(jī)接口模塊。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

綜合數(shù)據(jù)庫模塊：主要用來存放無人飛艇正常飛行狀態(tài)的狀態(tài)數(shù)值信息的模板事實(shí)、當(dāng)前飛行狀態(tài)的初始事實(shí)數(shù)據(jù)、專家知識(shí)構(gòu)成的邏輯規(guī)則以及推理過程中得到的中間結(jié)果等，該部分主要基于CLIPS編寫規(guī)則和自定義模板來完成。

診斷信息獲取模塊：是專家診斷人員與故障診斷系統(tǒng)信息交互的橋梁，將與無人飛艇故障診斷的相關(guān)的專家知識(shí)通過整理和歸納，編輯為CLIPS專家知識(shí)可接受的知識(shí)表示方式。

圖2? ?故障診斷專家系統(tǒng)模塊組成

知識(shí)庫管理模塊：本質(zhì)上也是對(duì)無人飛艇的故障診斷知識(shí)的獲取，通過對(duì)已有知識(shí)庫的繼續(xù)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷知識(shí)的擴(kuò)展，修改以及刪除等管理與維護(hù)操作。

咨詢?cè)\斷模塊：主要供操作用戶輸入關(guān)于無人飛艇的初始故障事實(shí)信息，或在推理過程中增添新的輔助事實(shí)，該模塊由Visual Studio開發(fā)。

管理模塊：包含了專家系統(tǒng)的推理機(jī)的全部內(nèi)容，決定了知識(shí)的選擇和規(guī)則的觸發(fā)順序等。除了包含常用的通用控制規(guī)則外，還包含了沖突消解功能。整個(gè)管理模塊里的規(guī)則控制策略均基于CLIPS完成。

解釋機(jī)模塊：主要負(fù)責(zé)將CLIPS推理的中間過程進(jìn)行解釋并顯示到用戶界面或?qū)⒆詈蟮脑\斷結(jié)果回傳到Visual Studio中，該部分由Visual Studio完成。

人機(jī)接口模塊：是與CLIPS進(jìn)行交互的界面接口，利用Visual Studio中的MFC框架來完成專家對(duì)知識(shí)庫的擴(kuò)充和用戶的手動(dòng)輸入故障現(xiàn)象的交互界面設(shè)計(jì)。

4? ?故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)建與開發(fā)

4.1? ?故障樹設(shè)計(jì)

故障樹分析法在航空航天故障分析領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，故障樹模型是描述診斷對(duì)象結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)系的一種定性因果模型，它體現(xiàn)了故障傳播的層次性及因果關(guān)系[11]。故障樹分析法以系統(tǒng)常見的故障狀態(tài)作為分析的目標(biāo)即頂層事件，反推出能導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部可能因素，即中間事件，按此方式一直追溯到引起系統(tǒng)發(fā)生故障的底層原因，也稱底層事件，將系統(tǒng)的頂層事件與中間事件和底層事件之間的邏輯關(guān)系用邏輯門聯(lián)結(jié)起來，形成故障樹，以表示系統(tǒng)與產(chǎn)生原因之間的關(guān)系[12]。

故本系統(tǒng)首先根據(jù)無人飛艇的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將不同類型的故障歸類，然后針對(duì)每一大類系統(tǒng)及其附件進(jìn)行故障追溯，即從最表層的故障現(xiàn)象追溯至中間故障征兆，根據(jù)因果關(guān)系，由上至下，層層細(xì)分，直至底層故障。從而把本無人飛艇的常見的專家系統(tǒng)零散的故障知識(shí)集合起來，構(gòu)成一個(gè)具有邏輯關(guān)系的整體。故障樹中羅列的底層事件就是無人飛艇具體零部件的損壞原因，而頂層事件與中間事件上下層故障之間的關(guān)系就是無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫中的知識(shí)。下面以智能無人飛艇的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障層級(jí)為例，按照因果關(guān)系整理得到的故障樹示例如圖3所示。

其中，G（x）為頂層事件，代表最表層的飛艇的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障;B1，B2以及C1～C3均為中間事件，代表影響飛艇的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的中間故障征兆;X1～X9為底層事件，表示追溯到最底層的不可細(xì)分的零部件故障。上下層事件間的邏輯關(guān)系僅含或門，所以該姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障樹中的任何一個(gè)底層事件均是一個(gè)最小分割集，底層事件中包含的故障均會(huì)對(duì)頂層事件產(chǎn)生影響。通過建立該種以因果關(guān)系為線索的無人飛艇故障樹模型，既能方便使用專家系統(tǒng)工具CLIPS進(jìn)行知識(shí)的表達(dá)，也能根據(jù)其層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)推理控制策略。

（a）故障樹圖

（b）故障樹節(jié)點(diǎn)實(shí)例

圖3? ?飛艇故障樹示例

4.2? ?事實(shí)庫設(shè)計(jì)

為了描述飛艇的工作情況，本系統(tǒng)通過飛艇正常狀態(tài)信息范圍的知識(shí)模板和實(shí)際飛行狀態(tài)模板加以描述，主要借助CLIPS中的自定義模板功能實(shí)現(xiàn)。

CLIPS自定義模板包括模板名和槽名，每個(gè)槽代表一種屬性，可以設(shè)置允許的類型和值，其中槽值可以是單值也可以是多值的[12]。自定義模板被實(shí)例化后，即可表示無人飛艇不同結(jié)構(gòu)部件的狀態(tài)信息。其中本文用來描述飛艇正常狀態(tài)信息范圍的知識(shí)模板如下所示：

（deftemplate device-normal

（slot name （type STRING））;飛艇結(jié)構(gòu)部件

（slot index（type INTEGER））;序號(hào)索引

（slot low-line （type INTEGER））;最低閾值

（slot high-line（type INTEGER）））;最高閾值

根據(jù)上述模板，用戶可以對(duì)應(yīng)插入飛艇的正常狀態(tài)信息，如飛艇正常飛行時(shí)的主氣囊結(jié)構(gòu)的壓力差最低閾值為350Pa，最高閾值為500Pa時(shí)，可向?qū)＜蚁到y(tǒng)中插入如下初始事實(shí)：

（initial-fact）

（device-normal （name“主氣囊壓力差”）

（index 1）

（low-line 350）

（high-line 500））

針對(duì)無人飛艇的實(shí)際飛行狀態(tài)模板，本系統(tǒng)考慮使用序號(hào)索引與前文中的正常狀態(tài)信息范圍的知識(shí)模板進(jìn)行聯(lián)系匹配，后續(xù)插入相同零部件的初始事實(shí)時(shí)，可依據(jù)序號(hào)索引進(jìn)行標(biāo)志匹配，故相應(yīng)的設(shè)計(jì)了無人飛艇實(shí)際飛行狀態(tài)的自定義模板如下：

（deftemplate device-status

（slot index）? ?;序號(hào)索引

（slot status））? ;飛行狀態(tài)值

基于上述兩個(gè)自定義模板，就可以根據(jù)飛艇的正常運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)際飛行過程進(jìn)行描述，按照槽所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型和項(xiàng)目類別不斷向故障診斷專家系統(tǒng)插入初始事實(shí)。

4.3? ?規(guī)則庫設(shè)計(jì)

在5.1節(jié)中，已建立了無人飛艇各組成結(jié)構(gòu)的故障樹，為了將故障樹中的故障知識(shí)提取出來構(gòu)建專家系統(tǒng)知識(shí)庫，需采用合理的知識(shí)表達(dá)方式構(gòu)建規(guī)則庫。且CLIPS專家系統(tǒng)框架支持基于規(guī)則或面向?qū)ο蟮谋磉_(dá)方式，文獻(xiàn)[4]中采用了面向?qū)ο蠓椒ǎ敲嫦驅(qū)ο蟮确椒ú簧瞄L邏輯推理，其規(guī)則比產(chǎn)生式規(guī)則更復(fù)雜，產(chǎn)生式規(guī)則表示法不僅結(jié)構(gòu)簡單，且廣泛適用于經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的關(guān)聯(lián)過程，用以闡述事物間的因果關(guān)系，故本文采用CLIPS框架中的產(chǎn)生式規(guī)則知識(shí)表示方法來實(shí)現(xiàn)無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)規(guī)則庫的設(shè)計(jì)。

CLIPS系統(tǒng)中的規(guī)則是專家知識(shí)的重要組成部分，分為RHS和LHS，即規(guī)則左件和規(guī)則右件。一條規(guī)則可看作為if和then的結(jié)合，規(guī)則可以有多個(gè)模式和行為，即可以有多個(gè)規(guī)則左件和規(guī)則右件[13]。CLIPS的規(guī)則一般格式如下所示：

（defrule<規(guī)則名>[<規(guī)則描述>]

（<故障模式>）

=>

[assert 下一級(jí)故障模式]/printout t （故障原因）（故障處理措施））

CLIPS專家系統(tǒng)內(nèi)部通過規(guī)則的模式與綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)相匹配，如果規(guī)則匹配成功，則該條規(guī)則被激活放入議程中等待被執(zhí)行，該過程中也可能會(huì)有規(guī)則后件的行為，向綜合數(shù)據(jù)庫中增添新的事實(shí)數(shù)據(jù)，從而不斷的為故障診斷專家系統(tǒng)提供推理事實(shí)依據(jù)。

根據(jù)上述故障樹知識(shí)，以上文中的B1中間故障征兆為例，對(duì)其下一級(jí)故障現(xiàn)象C2向用戶詢問的推理過程，利用CLIPS的產(chǎn)生式規(guī)則表示法，編寫出上述故障樹中的中間故障信息進(jìn)行交互推理過程的規(guī)則如下：

上述規(guī)則表示當(dāng)操作用戶根據(jù)前一個(gè)問題對(duì)輔助征兆事實(shí)B1做出回答為No的反饋，并通過assert指令插入到綜合數(shù)據(jù)庫中，CLIPS將B1toC2規(guī)則前件與綜合數(shù)據(jù)庫中的事實(shí)進(jìn)行匹配，逐步縮小故障范圍并向用戶提出新的中間輔助事件C2，即向用戶詢問氣路導(dǎo)管是否通暢，并將該問題標(biāo)記為C2，通過人機(jī)界面將問題輸出并等待用戶新的反饋回答。

與上述步驟類似，以無人飛艇的每一類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為頂層事件，然后利用CLIPS產(chǎn)生式規(guī)則方式將造成系統(tǒng)故障原因由上至下，逐級(jí)分解為中間事件，轉(zhuǎn)化為CLIPS內(nèi)部可識(shí)別的語法規(guī)則逐級(jí)推理，最終確定底層故障原因。

4.4? ?推理控制策略

對(duì)于推理方式的選擇，故障診斷專家系統(tǒng)通常有兩種方式：正向推理和反向推理[14]。正向推理是一種以事實(shí)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的控制策略，它是按照由條件推出結(jié)論的方向進(jìn)行的推理方式，它一般從已獲取到的故障模式事實(shí)出發(fā)，將故障事實(shí)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中的所有規(guī)則的前件進(jìn)行匹配，通過匹配來提取更多的信息[14]。反向推理是一種目標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)的控制策略，它的推理方式正好和正向推理相反，是通過某種方式先假設(shè)一個(gè)故障原因，然后由故障原因出發(fā)，將所有的專家知識(shí)的規(guī)則后件與故障原因匹配，然后驗(yàn)證導(dǎo)出的知識(shí)前件中的故障現(xiàn)象或故障模式是否與已有的故障事實(shí)一致[15]。針對(duì)飛艇故障診斷實(shí)例，用戶最容易獲取的是飛艇出現(xiàn)故障時(shí)的現(xiàn)象和狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，故障樹模型中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了正向因果關(guān)系鏈，這種因果關(guān)系鏈與“if…then…”型故障診斷規(guī)則本質(zhì)上具有一致性。此外，CLIPS是基于產(chǎn)生式的前向推理引擎，僅支持正向鏈規(guī)則，故系統(tǒng)選擇正向推理思想進(jìn)行控制，可以很好的展示推理的邏輯和過程，同時(shí)也方便理解。圖4所示即為CLIPS專家系統(tǒng)中正向推理的流程圖。

對(duì)于專家系統(tǒng)運(yùn)行過程中，推理引擎將規(guī)則與當(dāng)前聲明為工作內(nèi)存的所有事實(shí)進(jìn)行匹配。CLIPS專家系統(tǒng)框架中主要采用Rete算法進(jìn)行模式匹配，它用于根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及其事實(shí)確定系統(tǒng)的哪些規(guī)則應(yīng)該觸發(fā)[13]，無需額外編寫模式匹配算法。若在匹配過程中，有多個(gè)規(guī)則同時(shí)被激活，則可能造成規(guī)則的矛盾和沖突，影響下一步的正確推理，故需要設(shè)計(jì)沖突消解機(jī)制，在本無人飛艇中，通過CLIPS中的（declare salience）命令對(duì)不同規(guī)則設(shè)定優(yōu)先級(jí)順序?qū)崿F(xiàn)規(guī)則的沖突消解。

4.5? ?接口及數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)

CLIPS專家系統(tǒng)框架雖然對(duì)于專家系統(tǒng)底層知識(shí)庫和推理機(jī)的構(gòu)造上十分方便，但在故障診斷過程以及知識(shí)庫的擴(kuò)展時(shí)均需在CLIPS的IDE中進(jìn)行文本代碼編輯，缺乏良好的人機(jī)交互界面。為了設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，首先需考慮的問題就是將CLIPS專家系統(tǒng)底層框架嵌入到C++環(huán)境中，方便后續(xù)借助MFC框架設(shè)計(jì)交互界面。此外，還需考慮的問題就是嵌入完成后如何與C++進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4? ?正向推理流程圖

（1）CLIPS與C++的嵌入

為了運(yùn)行集成例子，必須安裝源代碼，可通過運(yùn)行CLIPS 6.30 Windows源代碼安裝器。通過在CLIPS官網(wǎng)上獲取源碼并借助Visual Studio編譯生成相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件和靜態(tài)數(shù)據(jù)連接庫文件，對(duì)于CLIPS的嵌入有兩種解決辦法：顯式鏈接和隱式鏈接方案。本文所采用的方式為隱式鏈接的方案，其好處是在調(diào)用完成后，無需另外釋放資源，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step1：將上述生成的CLIPS.dll文件放置到工程目錄;

Step2：設(shè)置項(xiàng)目屬性——庫目錄為CLIPSStatic32.lib文件所在的路徑;

Step3：將lib文件添加到項(xiàng)目屬性——鏈接器——輸入——附加依賴項(xiàng)

Step4：在項(xiàng)目的源文件中添加clipscpp.h頭文件由于clipscpp.h為C語言編碼，所以包含時(shí)添加extern“C”。通過上述步驟，便可調(diào)用普通函數(shù)、類、變量嵌入CLIPS專家系統(tǒng)框架。

（2）CLIPS與C++的數(shù)據(jù)交換

對(duì)于Clips從C++讀取數(shù)據(jù)，可以直接通過使用CLIPS中內(nèi)置的EnvLoad函數(shù)，通過C++加載外部clp文件，其中可以包含前面根據(jù)已有的專家故障診斷知識(shí)編寫的clp知識(shí)庫文件和根據(jù)事實(shí)模板定義的有關(guān)無人飛艇的各設(shè)備部件的正常數(shù)據(jù)信息的事實(shí)庫clp文件。

對(duì)于Clips數(shù)據(jù)輸出到C++，本文采用“打印跳轉(zhuǎn)”功能實(shí)現(xiàn)，即更改CLIPS的內(nèi)的printout函數(shù)的路由地址，改成軟件需要的自定義函數(shù)，這樣后面就可以在函數(shù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)想要輸出和數(shù)據(jù)交換的功能，具體步驟如下所示：

1）需要在項(xiàng)目的頭文件內(nèi)包含“clipscpp.h”文件，并在項(xiàng)目里包含CLIPSStatic32.lib庫文件，

2）創(chuàng)建自定義的Router類，用來實(shí)現(xiàn)打印跳轉(zhuǎn)功能，基于該類設(shè)計(jì)兩個(gè)虛函數(shù)Query和Print。

3）對(duì)Query和Print函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)，其中query是跳轉(zhuǎn)時(shí)需要的判斷函數(shù)，判斷此次打印是否需要跳轉(zhuǎn)。print是要跳轉(zhuǎn)到的函數(shù)，在該自定義函數(shù)中，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，數(shù)據(jù)輸出等功能。

通過上述步驟，便可把CLIPS內(nèi)的print函數(shù)路由到用戶自定義的函數(shù)，從而可以直接在知識(shí)內(nèi)將結(jié)論或中間推理信息直接print到MFC的文本框。

4.6? ?人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了最大限度的方便用戶，使用戶易于操作本系統(tǒng)在前文將CLIPS工具嵌入C++的基礎(chǔ)上，借助visual studio中的MFC框架來開發(fā)人機(jī)界面，基于對(duì)話框應(yīng)用程序，使用Tree Control等控件實(shí)現(xiàn)的主要功能界面包括故障診斷主界面和知識(shí)庫編輯維護(hù)界面。

其中，故障診斷主界面如圖5所示，可分為三個(gè)區(qū)域，左側(cè)的故障征兆選擇區(qū)域交互診斷區(qū)：用戶可以點(diǎn)擊左側(cè)樹控件選擇故障部位和故障征兆添加到故障診斷專家系統(tǒng)的綜合處理數(shù)據(jù)庫中;右上方的數(shù)據(jù)錄入診斷區(qū)：用戶可通過數(shù)據(jù)錄入按鈕輸入初始事實(shí);右下方的推理過程解釋區(qū)：該解釋顯示區(qū)可顯示無人飛艇的故障診斷推理中間過程及診斷結(jié)果輸出。

知識(shí)庫編輯維護(hù)界面如圖6所示，同樣可分為三大區(qū)域，左側(cè)的故障樹選擇查看和編輯區(qū)：操作用戶可通過在左側(cè)選擇頂層故障事件，點(diǎn)擊查看按鈕之后，系統(tǒng)會(huì)加載對(duì)應(yīng)知識(shí)庫的規(guī)則，用戶可以根據(jù)需要對(duì)其查看和編輯。同時(shí)，點(diǎn)擊下方編輯按鈕可對(duì)無人飛艇的整體故障樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)充，方便后續(xù)添加具體的專家知識(shí)。右上方的新增故障知識(shí)維護(hù)區(qū)：點(diǎn)擊交互模式知識(shí)添加或數(shù)據(jù)模式知識(shí)添加按鈕可對(duì)后續(xù)新的故障知識(shí)進(jìn)行添加。右下方的故障知識(shí)解釋顯示區(qū)：該顯示區(qū)用來顯示具體的CLIPS規(guī)則知識(shí)。

圖5? ?故障診斷專家系統(tǒng)推理界面

圖6? ?故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)編輯主界面

6? ?結(jié)? ?論

通過對(duì)無人飛艇的組成結(jié)構(gòu)和故障特點(diǎn)進(jìn)行了分析，將專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)匯總整理為了故障樹的形式。設(shè)計(jì)了智能無人飛艇故障診斷專家系統(tǒng)的總體模塊和架構(gòu)。借助CLIPS專家系統(tǒng)開發(fā)工具，構(gòu)建了描述飛艇運(yùn)行飛行狀況的自定義模板。利用產(chǎn)生式規(guī)則表示方式將故障樹中的故障知識(shí)提取出來構(gòu)建專家系統(tǒng)知識(shí)庫，使用正向推理編寫控制規(guī)則與策略。基于底層CLIPS專家系統(tǒng)框架，在windows平臺(tái)上利用visual studio設(shè)計(jì)了與CLIPS框架的嵌入和數(shù)據(jù)交換接口，開發(fā)了關(guān)于無人飛艇的故障診斷專家系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)故障現(xiàn)象快速診斷飛艇故障原因的功能，同時(shí)可對(duì)該系統(tǒng)中的專家知識(shí)進(jìn)行編輯和維護(hù)，在一定程度上模擬專家思維過程進(jìn)行故障診斷工作。

在后續(xù)實(shí)際飛行里，所建立系統(tǒng)期望通過經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，不斷的對(duì)專家知識(shí)庫進(jìn)行擴(kuò)充和完善，從而更加準(zhǔn)確和全面的對(duì)無人飛艇飛行過程中的故障進(jìn)行診斷。此外，隨著研究的不斷深入，未來可考慮利用專家系統(tǒng)對(duì)智能無人飛艇的故障進(jìn)行故障預(yù)測，提前預(yù)判飛艇可能發(fā)生的故障，并將專家系統(tǒng)和容錯(cuò)控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)容錯(cuò)控制，提高無人飛艇飛行的安全性與可靠性。

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