無人機故障診斷技術概述

聶學華,紀紅霞,裴闖,張賾

95894部隊

本文主要闡述故障診斷技術發展現狀，介紹專家系統定義、分類及如何建立專家系統，為下一步無人機故障診斷系統研究提供理論參考，為無人機安全性提供支撐。

故障診斷技術發展至今，已提出大量方法，一般將其劃分為基于解析模型的方法、基于信號處理的方法和基于知識的方法三種。近年來，業界提出了無人機安全監控與健康管理系統的概念，功能主要包括無人機飛行過程中的數據采集、分析、故障檢測與隔離、故障預測分析、飛行安全評估與預測等，為無人機安全飛行提供輔助決策，并將機載信息傳輸給地面測控系統，以進行故障診斷和預測。例如，美國F-22“猛禽”戰斗機項目中，采用了實時監測診斷、離線診斷、遠程診斷與維修及保障相結合的層次化、一體化的綜合診斷體系。目前，國內無人機有關單位對該方向也開展了大量研究工作，但大部分工程實現僅被認為是故障診斷的雛形。

按照故障檢測與預測的對象與流程，本文重點介紹無人機地面故障診斷技術。

國內外研究現狀

故障診斷技術經歷了三個發展階段。第一階段，診斷結果在很大程度上取決于該領域專家的感官和專業經驗，對診斷信息只作簡單的數據處理。第二階段是以傳感器技術和動態測試技術為手段，以信號處理和建模處理為基礎的現代診斷技術，在工程中已得到廣泛應用。近年來，隨著計算機及人工智能的發展，為滿足復雜系統的診斷要求，診斷技術進入以知識處理為核心，信號處理、建模處理與知識處理相融合的第三發展階段，即智能診斷技術階段。

早期航空領域的地面故障診斷技術在相當長的時期內停留在第一階段，維修人員通過學習故障手冊，根據故障發生的現象與特征進行故障診斷。這種方法不但浪費人力物力，而且對特殊故障的處理缺乏準確性，只有提升維修人員的專業水平才能提高維修效率與準確率。隨著飛機可靠性日益被重視，僅僅依靠維修人員的個人維修經驗已不能滿足現代飛機可靠性的要求，地面故障診斷技術進入了第二階段。對于各種主要戰機，美國采用了自動化水平更高的機內自檢測（BIT）技術，提高了故障檢測的準確率和精確度，有效保證了飛機性能。但是由于整個飛機系統的復雜性以及系統各組成部分具有相對的關聯性，使得BIT不能夠處理一些系統部件的相關故障診斷問題，這一缺點導致了故障診斷準確率長期處在一個比較低的水平。

為了改善這種狀態，美國空軍將智能理論與故障診斷結合起來，提出采用智能化理論解決準確率不高的問題。智能化診斷應用于空軍軍事領域，不但使故障診斷效率得到巨大的提升，同時也進一步推動了智能診斷和專家系統相關領域的發展，這一應用具有重大理論意義和實際工程價值。美國主要現役機型都采用了智能化故障診斷技術，確保在地面就能排除故障，使故障維修具有更好的及時性。在伊拉克戰爭中，美軍“全球鷹”、“捕食者”、F-15、F-16、F-18、B-2等機型均采用了智能故障診斷技術，使專用檢測設備數量減少，維修人員工作負擔減輕，維修時間縮短，整機完好率提升。

我國航空電子設備檢測與維護的傳統方法也是先由維修人員定期將設備從飛機上卸下，運用儀器對信號進行檢測，再通過有經驗的專家運用經驗知識，對故障原因和故障部件進行分析，判斷，由維修工程師維修后將設備裝上飛機。這種維修方法效率低下，必須靠有經驗的技術人員和專業檢測設備來決策，造成人力物力和時間的浪費。從上世紀80年代開始，軍用裝備特別是機載航空電子設備的檢測與故障診斷被納入裝備研制過程，帶來了故障檢測與診斷技術的發展，新一代航空電子設備均采用BIT設計，效果顯著。但是，由于我國開展測試性、可靠性及維修性的工作經驗比較欠缺，大多數檢測系統功能設計簡單，檢測準確性偏低，故障覆蓋率難以滿足航空電子設備故障診斷的要求。2000年以后，隨著診斷理論、診斷設備性能和診斷技術的提高，機載設備地面故障診斷技術水平在精確性、可靠性與效率上都有大幅提高，通過地面故障診斷系統的檢測和故障診斷定位，排除故障，保證飛行安全。

圖1 美軍“全球鷹”無人機采用了智能故障診斷技術。

當前我國大型無人機系統地面故障診斷主要依靠地面綜合保障系統，一般來講主要包括一臺地面綜合檢測車和相關輔助設備，保障無人機日常維護、檢修、訓練和起飛前各項技術指標、狀態的檢測，是無人機無故障飛行的關鍵保障設備。當前，該系統的完善受到用戶的高度關注，也是未來發展的一個重要方向。

故障診斷關鍵技術研究

故障診斷是指系統在一定工作環境下，查明導致系統某種功能失效的原因或性質，判斷有隱患的部位或部件，以及預測狀態劣化的發展趨勢等，由當前預測未來，由局部推測整體的過程。在工程技術領域，需要根據各種可測量的物理現象和技術參數的檢測來推斷設備是否正常運轉，判斷發生故障的原因和部件，預測潛在故障的發生等。對機器設備進行故障診斷的過程稱為故障診斷。

故障診斷步驟

當系統發生故障時，系統中可測的或不可測的各種變量，或其中部分變量會表現出與正常狀態不同的特性，這種特性差異就包含豐富的故障信息，如何找出這種故障的特征描述，并利用其進行故障的檢測與隔離，這就是故障診斷的任務。故障診斷包含故障特征提取、故障分離與估計、故障評價與決策等幾方面內容。

圖2 無人機故障診斷流程圖。

（1）故障特征提取

通過測量和采用一定的信息處理技術，獲取反映系統故障特征的過程；

（2）故障分離與估計

根據檢測的故障特征，確定系統是否出現故障以及故障嚴重程度的過程；

（3）故障評價與決策

判斷故障的嚴重程度，以及故障對系統的影響和發展趨勢，針對不同情況采取不同措施。

專家系統

（1）專家系統基本含義

專家系統是一種基于知識的計算機程序系統，它能模擬特定領域的專家，獲得求解問題的能力，對面臨的復雜問題做出專家水平的結論。由于它解決問題的能力主要取決于它擁有的知識，所以又稱為知識庫系統。這種基于知識的計算機程序，事先總結出有關專家的知識、經驗，形成一系列規則后以適當形式存入計算機，即建立知識庫。然后，采用合適的控制策略，按輸入的原始數據選擇一定的規則進行推理、演繹，做出判斷和決策，并能根據用戶要求給出滿意的解釋。

根據專家系統的結構，將專家系統定義如下：一個專家系統由一個四元組組成。

其中，P是要解決的問題，S為系統的推理控制策略，L是學習機制，K為知識庫。

專家系統是解決具有適當規模的問題，采取一定的推理控制策略，具備相當豐富和權威的知識，并具有學習機制，能對知識庫進行改進，以增強解題能力的計算機系統。

專家系統的知識庫一般由規則庫、語義網絡、事實庫組成。規則庫存放的啟發式知識，是知識的主要形式。事實庫存儲應用領域所需的數據、信息和事實。語義網絡用于表述領域的概念、事實、實體以及它們之間的關系。隨著解決問題的復雜性增加，語義網絡涉及的對象和實體也增多。如果知識庫比較大，就需要尋找比較有效的搜索知識的方法。因此，知識庫K可表示為如下三元組。

圖3 德國空軍人員正在檢測“梭魚”無人機故障。

其中，RB是規則庫，FB是事實庫，SN是語義網絡。

一個知識庫可以由規則不相交的若干知識庫組成，包括有限個數的規則組、事實組以及語義網絡組，用Kj表示知識塊，j表示知識塊號：

知識庫是有多個輸入端且只有一個輸出端的基本構造單位，而且每條規則是知識庫的原子，用這種方式表示知識庫，意味著知識庫可以按一定方式分塊。

推理機制是專家系統的重要且必不可少的組成部分。將用戶要求、數據和事實輸入到系統后，推理機制在一定控制策略下，搜索知識庫中的規則、事實和語義網絡，并按某種推理控制方式進行推理、判斷，最后得到推理結果。為了用戶方便，附帶此結果的可信度值，或提供更多種結果并有不同的可信度，作為用戶判斷的依據。

知識庫管理系統用來完成知識庫存取、組織、管理、修改、維護和學習等，以及完成知識庫的一致性檢驗并提供安全性和完整性檢查，知識庫管理系統作為專家系統的重要組成部分，為專家系統構建和維護提供了有力工具，知識庫管理系統與知識庫的關系正如數據庫管理系統與數據庫的關系。

推理子系統、知識庫管理子系統和人機接口子系統是任何一個專家系統所必須具備的三個子系統。學習機制對知識庫中的規則進行評價、修正或補充。

（2）專家系統分類

圖4 知識庫管理過程圖。

根據實現專家系統方法和技術以及反映人類智能活動的本質，可將專家系統分成演繹型、經驗型、工程型、操作型、探索型、工具型和咨詢型等。根據專家系統所解決問題類型，可將專家系統分成解釋型、預測型、診斷型、設計型、規劃型、監督型、調試型、修理型、教學型和控制型等。還可根據專家系統結構特征對專家系統進行分類，例如按索引表示方法、推理策略、控制策略等方式劃分專家系統類型。

（3）專家系統構建方法

專家系統能模擬特定領域的專家來求解問題，對復雜問題做出具有專家水平的決策。高性能專家系統應包含豐富的無人機理論知識，和該領域專家與維修人員的實踐經驗。構建知識庫后，對其正確運用的過程就是推理，確切的說，推理過程就是按照某種推理策略，由已知事實推出其中蘊含的事實。下面對診斷專家系統幾個重要的功能模塊提出開發策略。

1）用戶界面開發

用戶界面是用戶使用專家系統的操作界面，如果設計的用戶界面不友好，再

好的系統也會讓用戶使用起來不方便，所以構建一個友好的用戶界面極為重要。目前，自然、方便、靈活是專家系統的目標和發展方向。越來越多的技術已應用于專家系統的人機界面開發，通常采用菜單、按鈕等控件方式，另外虛擬技術和多媒體技術也逐漸在專家系統中應用。

2）知識庫管理模塊開發

專家系統的知識需要管理和維護，以便提高系統效率。管理模塊是實現知識庫中知識的管理與維護。由于知識獲取是一個長期積累的過程，不可能在某一固定時期獲得整個系統的全部知識，所以知識庫的建立是一個長期的過程，需要系統具有不斷完善和修正系統知識的功能。不同層次的用戶對知識的理解也不盡相同，應為不同層次的用戶設計一種較通用的診斷知識描述，并提供知識的檢查功能，確保知識的正確性，避免知識庫的冗余等。對有些龐大而復雜的系統故障診斷需分成子系統進行診斷，這就需要對知識進行層次劃分，從而將求解知識劃分為若干個模塊，不同模塊的知識分別存儲且相對獨立。

3）推理模塊開發

診斷知識的表示方法對推理及策略選擇有直接影響。為對復雜問題進行求解并達到求解的嚴密性，智能故障診斷專家系統的診斷推理應設計為可支持多種推理方式的綜合推理機，專家可對推理過程進行指導和修正。雖然綜合推理機制的算法實現具有一定的復雜性，但系統的求解方式更靈活，解決問題的能力更強，推理更嚴密，形成針對特定問題的診斷推理方法，能有效解決各種推理難題，有效提高系統解決問題的能力。

圖5 美空軍人員卸下 “全球鷹”雷達天線罩準備維修，可見雷達天線。

無人機故障診斷專家系統設計與構建

無人機系統復雜，系統中的某種故障特征可能是單一診斷結論的前提，也可能是多個故障診斷結論的前提之一。所以，設計有效的推理策略即推理機，提高診斷的準確性也是系統設計的關鍵。

無人機故障診斷系統主要包括機載設備單元故障檢測、故障定位，并根據故障診斷結果生成診斷結果報告等功能，為無人機系統維修提供依據，提高無人機的安全性。

無人機故障診斷專家系統構建是一個系統工程，需要不斷進行分析、開發、測試和驗證才能得以完善。因此，應圍繞無人機設計和使用，不斷積累、分析、豐富和學習專家知識庫，使故障診斷專家系統越來越完善，為無人機安全性提供支撐。