張志虎，余酣冬，黃 強(qiáng)

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著雷達(dá)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，性能越來越高，對(duì)雷達(dá)可靠性、可測(cè)試性和可維護(hù)性的要求也越來越高。在保證雷達(dá)可靠性，提高雷達(dá)裝備的可測(cè)試性和可維護(hù)性，提高測(cè)試維修效率，降低測(cè)試維修費(fèi)用等方面，雷達(dá)機(jī)內(nèi)自檢(簡(jiǎn)稱雷達(dá)BIT)技術(shù)無疑是一種重要的途徑。

常規(guī)BIT在提高武器裝備測(cè)試性和維修性，提高測(cè)試維修效率，降低測(cè)試維修成本方面起到了極大的作用［1］，但常規(guī)BIT同時(shí)存在一些不足，例如功能相對(duì)簡(jiǎn)單、故障診斷能力差、狀態(tài)檢測(cè)能力有限、虛警率高［2-3］。智能BIT的出現(xiàn)，為彌補(bǔ)常規(guī)BIT的不足提供了新的思路。國(guó)外大型航空公司和軍工生產(chǎn)企業(yè)都在大力支持智能BIT技術(shù)的研究，并將最先進(jìn)的研究成果應(yīng)用于各種飛機(jī)、雷達(dá)等裝備［2］。國(guó)內(nèi)智能BIT技術(shù)的研究起步較晚，基礎(chǔ)理論和方法相對(duì)薄弱。

智能BIT就是將包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、信息融合等智能理論應(yīng)用到常規(guī)BIT的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、診斷、決策等方面，提高BIT綜合效能，從而降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用的理論、技術(shù)和方法。本文以機(jī)械掃描雷達(dá)為例，借助人工智能理論和工具——邏輯程序，設(shè)計(jì)一種機(jī)掃雷達(dá)智能BIT系統(tǒng)，使得雷達(dá)BIT系統(tǒng)能夠進(jìn)行智能化診斷和決策。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于常規(guī)的機(jī)械掃描雷達(dá)設(shè)備，構(gòu)建如圖1所示的智能BIT系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、事實(shí)產(chǎn)生器、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)庫、知識(shí)庫管理模塊、控制模塊以及人機(jī)交互接口。

圖1 機(jī)掃雷達(dá)智能BIT系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備

罩內(nèi)設(shè)備包括裂縫天線、饋線、波控器、驅(qū)動(dòng)器、罩內(nèi)冷卻設(shè)備等分系統(tǒng)，艙內(nèi)設(shè)備包括發(fā)射機(jī)、中央單元、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)等分系統(tǒng)。罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備實(shí)時(shí)或定時(shí)向狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊上報(bào)各個(gè)設(shè)備BIT狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊根據(jù)推理機(jī)產(chǎn)生的指令或者人為指令對(duì)罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行控制。事實(shí)上，控制模塊是結(jié)合專家知識(shí)和當(dāng)前BIT狀態(tài)控制各設(shè)備正常工作、停止工作、性能降級(jí)工作或者自動(dòng)轉(zhuǎn)入另外一種工作方式?？刂颇K也可直接接受人機(jī)交互接口輸入的控制指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控。

1.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊是故障診斷的前提和基礎(chǔ)。通過監(jiān)測(cè)罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，收集和分析各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否正常和故障，從而產(chǎn)生BIT信息發(fā)送給事實(shí)產(chǎn)生器模塊。

1.4 事實(shí)產(chǎn)生器

事實(shí)產(chǎn)生器以某種知識(shí)表示方法將狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊收集的BIT信息表示為事實(shí)知識(shí)，作為推理機(jī)開展推理的依據(jù)。事實(shí)產(chǎn)生器實(shí)際上是一個(gè)知識(shí)獲取模塊。

1.5 臨時(shí)事實(shí)庫

臨時(shí)事實(shí)庫存放的是當(dāng)前工作狀態(tài)下動(dòng)態(tài)的事實(shí)。動(dòng)態(tài)事實(shí)可由事實(shí)產(chǎn)生器動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，也可由用戶根據(jù)實(shí)際的工作模式、工作狀態(tài)以及當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)等實(shí)際情況臨時(shí)添加。臨時(shí)事實(shí)庫為用戶干預(yù)智能推理提供了接口。

1.6 推理機(jī)

推理機(jī)是實(shí)現(xiàn)推理的程序，按照某種的控制策略，根據(jù)目前的事實(shí)和知識(shí)庫中先驗(yàn)專家知識(shí)進(jìn)行推理。推理產(chǎn)生的結(jié)果輔助用戶進(jìn)行決策或者直接用于對(duì)罩內(nèi)設(shè)備和艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行操控。專家對(duì)故障的診斷和處理思想通過推理機(jī)實(shí)現(xiàn)。推理機(jī)是智能BIT系統(tǒng)的核心模塊。

1.7 解釋器

解釋器是將形式化的知識(shí)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)或者用戶能夠理解的結(jié)果。例如，解釋器將推理機(jī)推理產(chǎn)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化為控制模塊可以接收的控制指令，或者將推理結(jié)果解釋為用戶可以理解的操作步驟以便用戶進(jìn)行后續(xù)的操作。

1.8 知識(shí)庫

知識(shí)庫是以某種知識(shí)表示形式存放專家先驗(yàn)知識(shí)的集合。類似數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是存放數(shù)據(jù)的集合，知識(shí)庫是存放知識(shí)的集合。知識(shí)庫越豐富，推理機(jī)可利用的知識(shí)就越多，越能夠?qū)υO(shè)備的故障進(jìn)行診斷和處理，智能BIT系統(tǒng)就越智能。知識(shí)庫又可以細(xì)化分為規(guī)則庫和事實(shí)庫。在建立知識(shí)庫時(shí)，專家要確保知識(shí)庫的存放的知識(shí)的正確性和知識(shí)之間不存在矛盾。

1.9 知識(shí)管理

知識(shí)管理模塊是專家對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行管理的工具。用于往知識(shí)庫中增加知識(shí)、刪除知識(shí)以及更新知識(shí)的模塊。

1.10 人機(jī)交互接口

人機(jī)交互接口是用戶和專家與內(nèi)部模塊交互界面。一方面，專家通過人機(jī)交互接口對(duì)知識(shí)庫進(jìn)行管理，用戶通過人機(jī)交互接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行操控;另一方面，解釋器通過人機(jī)交互接口向用戶展示雷達(dá)BIT故障診斷結(jié)果以及操作建議。

2 雷達(dá)BIT知識(shí)表示和推理

BIT知識(shí)表示和推理是智能BIT系統(tǒng)的核心。本節(jié)重點(diǎn)闡述系統(tǒng)所采用的知識(shí)表示方法及推理機(jī)制。

2.1 知識(shí)表示

知識(shí)表示方法是構(gòu)建知識(shí)庫的基礎(chǔ)，表示方法選取得是否合理不僅關(guān)系到知識(shí)庫的有效存儲(chǔ)，并且直接影響推理機(jī)的推理效率。

已經(jīng)提出了多種知識(shí)表示方法，如基于產(chǎn)生式規(guī)則的表示、框架表示、邏輯表示、語義網(wǎng)絡(luò)表示等方法。本文基于人工智能領(lǐng)域非常成熟的知識(shí)表示方法——邏輯程序。邏輯程序早在20世紀(jì)60年代末及70年代初就已經(jīng)開始了研究，目前已被應(yīng)用于規(guī)劃、計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證系統(tǒng)、安全分析、產(chǎn)品配置及診斷等領(lǐng)域。值得一提的是，美國(guó)顧問項(xiàng)目(USA Advisor Project)采用的知識(shí)表示方法就是邏輯程序。該項(xiàng)目旨在構(gòu)建美國(guó)航天飛機(jī)飛行控制員決策支持系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的智能BIT系統(tǒng)采用的是邏輯程序中文獻(xiàn)［4-5］中描述的邏輯程序。邏輯程序具備較強(qiáng)的表達(dá)能力和較高的執(zhí)行效率，被視為知識(shí)表示和自動(dòng)推理中最有價(jià)值的工具之一［6］。一個(gè)邏輯程序是由一些規(guī)則和事實(shí)組成。邏輯程序中基本規(guī)則的語法形式如下

式中:左邊部分為規(guī)則頭;右邊部分為規(guī)則體;中間的←符號(hào)代表推出含義。規(guī)則頭中b1，b2，…，bm代表的含義是b1和b2以及 bm。b1，b2，…，bm和 a均是形式化的符號(hào)，是規(guī)則的基本元素，在具體的應(yīng)用中指代不同的含義。式(1)中規(guī)則代表的直觀意義是如果條件b1和b2以及bm均成立，則可以推理得到結(jié)論a成立。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果我們想表達(dá)“鳥會(huì)飛”這樣一條知識(shí)，用式(1)中的規(guī)則表示如下

式中:brid代表“鳥”;fly代表“會(huì)飛”。整條規(guī)則的含義是如果是鳥則可推理得到結(jié)論會(huì)飛。

邏輯程序中事實(shí)的語法形式為

事實(shí)實(shí)際是一種特殊的規(guī)則。當(dāng)一條規(guī)則的規(guī)則體為空時(shí)，該規(guī)則即為事實(shí)。也就是說不需要任何前提條件，便可得到結(jié)論，該結(jié)論即為直觀意義上的客觀事實(shí)。

邏輯程序中另外一種特殊的規(guī)則為完整約束為

完整約束中規(guī)則頭為空。所代表的含義是，一旦前提條件成立，將推理不出任何結(jié)論。完整約束常在邏輯程序中作為約束準(zhǔn)則。

系統(tǒng)中知識(shí)庫中的知識(shí)就是由上述基本規(guī)則、事實(shí)及完整約束表示。臨時(shí)事實(shí)庫中的知識(shí)僅由事實(shí)表示。在用規(guī)則來表示系統(tǒng)BIT知識(shí)時(shí)，首先需要明確規(guī)則中基本元素，然后根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建規(guī)則。以發(fā)射機(jī)故障診斷知識(shí)為例，首先明確發(fā)射機(jī)故障知識(shí)符號(hào)表，如表1所示。

表1 發(fā)射機(jī)故障知識(shí)符號(hào)表

其次，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建發(fā)射機(jī)故障診斷規(guī)則。專家知識(shí)是:如果雷達(dá)設(shè)備出現(xiàn)真空度異常、前級(jí)故障、調(diào)制器故障、過壓、欠壓、過流、打火故障、末級(jí)故障及冷卻異常中某一種或者多種異?，F(xiàn)象，則代表發(fā)射機(jī)出現(xiàn)故障。對(duì)應(yīng)于該專家知識(shí)，構(gòu)建以下10條規(guī)則:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←Over Press_Err

r5:Tx_Err←Less Press_Err

r6:Tx_Err←Over Flow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)需要嚴(yán)格的控制和保護(hù)機(jī)制，一旦檢測(cè)到異常應(yīng)立刻停止發(fā)射任務(wù)。為了表示該知識(shí)，可在發(fā)射機(jī)故障診斷規(guī)則集上添加以下符號(hào)表和第11條規(guī)則，以便對(duì)發(fā)射機(jī)分系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

表2 發(fā)射機(jī)保護(hù)符號(hào)表

r11:Stop_Work←Tx_Err

下面以另外一條輔助決策知識(shí)為例描述決策知識(shí)的知識(shí)表示過程。機(jī)掃雷達(dá)在下視模式中，如果和通道和保護(hù)通道被檢測(cè)出故障，可以通過控制邏輯，將故障通道的輸入信號(hào)，切換到差通道，能夠完成系統(tǒng)性能降級(jí)的任務(wù)［7］。

根據(jù)決策知識(shí)首先創(chuàng)建符號(hào)表，如表3所示。

表3 決策知識(shí)示例符號(hào)表

然后形成以下規(guī)則:

SwitchDelta_Oper←AirDown_Work，SigmaChan_Err，GuardChan_Err

2.2 推理過程

推理機(jī)進(jìn)行推理的過程:首先，根據(jù)事實(shí)產(chǎn)生器產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)事實(shí)，結(jié)合知識(shí)庫中的已存在的事實(shí)，匹配知識(shí)庫中的規(guī)則體，若匹配成功，則觸發(fā)此條規(guī)則產(chǎn)生結(jié)論;其次，結(jié)論作為新的事實(shí)加入，事實(shí)不斷地去迭代匹配規(guī)則體，直至不再產(chǎn)生新的結(jié)論，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài);最后，該狀態(tài)下所有的事實(shí)作為推理機(jī)在此次推理過程中的輸出。

以上一節(jié)中發(fā)射機(jī)故障診斷和保護(hù)為例，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到發(fā)射機(jī)調(diào)制器故障時(shí)，事實(shí)產(chǎn)生器產(chǎn)生以下事實(shí)并存入臨時(shí)事實(shí)庫:

Modem_Err

結(jié)合臨時(shí)事實(shí)庫中的知識(shí)和知識(shí)庫中存有的知識(shí)，當(dāng)前推理機(jī)具備的知識(shí)如下:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←OverPress_Err

r5:Tx_Err←LessPress_Err

r6:Tx_Err←OverFlow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

r11:Stop_Work←Tx_Err

f1:Modem_Err

臨時(shí)事實(shí)庫中的事實(shí)可以匹配知識(shí)庫中的規(guī)則3，觸發(fā)規(guī)則3產(chǎn)生結(jié)論Tx_Err，即發(fā)射機(jī)故障。結(jié)論Tx_Err作為新的事實(shí)加入推理。此時(shí)推理機(jī)具備的知識(shí)如下:

r1:Tx_Err←Vacuum_Err

r2:Tx_Err←Front_Err

r3:Tx_Err←Modem_Err

r4:Tx_Err←OverPress_Err

r5:Tx_Err←LessPress_Err

r6:Tx_Err←OverFlow_Err

r7:Tx_Err←Fire_Err

r8:Tx_Err←Wave_Err

r9:Tx_Err←Back_Err

r10:Tx_Err←Cold_Err

r11:Stop_Work←Tx_Err

f1:Modem_Err

f2:Tx_Err

新事實(shí)Tx_Err匹配規(guī)則11成功，觸發(fā)規(guī)則11產(chǎn)生結(jié)論Stop_Work，即發(fā)射機(jī)停止工作。該結(jié)論同樣作為新的事實(shí)加入推理過程。然而新的事實(shí)并不再匹配規(guī)則，推理過程達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)輸出故障結(jié)論--發(fā)射機(jī)故障和控制決策——發(fā)射機(jī)停止工作。解釋器進(jìn)而向用戶提示發(fā)射機(jī)故障，同時(shí)控制模塊根據(jù)控制決策實(shí)時(shí)停止發(fā)射機(jī)工作以保護(hù)發(fā)射機(jī)避免發(fā)射機(jī)因?yàn)榇蠊β瘦敵龆鵁龎摹?/p>

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于邏輯程序的知識(shí)表示和推理，可快速構(gòu)建智能BIT系統(tǒng)。本節(jié)主要描述系統(tǒng)流程和原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)流程

專家進(jìn)入系統(tǒng)后可通過人機(jī)交互接口向知識(shí)庫添加故障診斷知識(shí)，同時(shí)也可以刪除認(rèn)為不正確的知識(shí)。雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＜以谔砑又R(shí)時(shí)一定要確保新添加的知識(shí)和知識(shí)庫中原有的知識(shí)不沖突，以確保推理機(jī)能夠正常開展推理分析工作。

雷達(dá)各分系統(tǒng)正常加電啟動(dòng)后，狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各分系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，一旦收到故障信息，將此信息發(fā)送給事實(shí)產(chǎn)生器模塊。事實(shí)產(chǎn)生器模塊根據(jù)文中上節(jié)描述的知識(shí)表示方法，將故障信息進(jìn)行形式化的表達(dá)，轉(zhuǎn)化為邏輯程序中的事實(shí)存入臨時(shí)事實(shí)庫，同時(shí)觸發(fā)推理機(jī)開展工作。推理機(jī)結(jié)合臨時(shí)事實(shí)庫中的知識(shí)和知識(shí)庫中的規(guī)則，根據(jù)推理機(jī)制開展匹配和迭代，將推理結(jié)論發(fā)送給解釋器模塊。解釋器將形式化的推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為故障信息或者控制指令。故障信息或者控制指令均發(fā)送給人機(jī)交互接口。通過人機(jī)交互接口，用戶可觀察到目前故障信息和故障產(chǎn)生的原因或者獲得對(duì)故障該采取相關(guān)措施的建議。若解釋器送出的是控制指令，則直接發(fā)送給系統(tǒng)控制模塊，對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。圖2給出了關(guān)鍵流程。

圖2 系統(tǒng)故障診斷和決策流程圖

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

具體實(shí)現(xiàn)過程中采用了Windows操作系統(tǒng)，開發(fā)工具使用Visual C++6.0。運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，通過對(duì)成熟邏輯程序推理機(jī)——DLV［6］的封裝，在 VC++支持的MFC對(duì)話框開發(fā)模式下，實(shí)現(xiàn)了智能BIT原型系統(tǒng)。

通過知識(shí)符號(hào)管理界面添加發(fā)射機(jī)故障符號(hào)表，如圖3所示。

圖3 知識(shí)符號(hào)管理界圖

通過知識(shí)管理界面將規(guī)則保存至系統(tǒng)知識(shí)庫，如圖4所示。

圖4 知識(shí)庫規(guī)則管理界面

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到發(fā)射機(jī)調(diào)制器故障，將該故障轉(zhuǎn)化為一條知識(shí)存入臨時(shí)事實(shí)庫中。系統(tǒng)最終運(yùn)行結(jié)果，如圖5所示。

圖5 推理結(jié)果顯示界面

用戶可查看診斷結(jié)果，了解系統(tǒng)BIT狀態(tài)，也可根據(jù)診斷結(jié)果采取相應(yīng)的操作。系統(tǒng)也可以根據(jù)推理結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。

4 結(jié)束語

文中給出了一個(gè)機(jī)掃雷達(dá)智能BIT系統(tǒng)體系架構(gòu)、BIT知識(shí)表示方法及推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)掃雷達(dá)罩內(nèi)設(shè)別和艙內(nèi)設(shè)備故障的智能診斷和決策。

機(jī)掃雷達(dá)智能BIT系統(tǒng)利用智能技術(shù)——邏輯程序進(jìn)行BIT知識(shí)的表示和推理。邏輯程序是一種描述性語言，簡(jiǎn)單、直觀，方便雷達(dá)專家將領(lǐng)域知識(shí)形式化的表達(dá)，易于快速建立BIT知識(shí)庫模型，同時(shí)利用成熟的推理機(jī)，能夠高效、充分利用知識(shí)庫中的知識(shí)對(duì)故障進(jìn)行推理。文中雖然以較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)級(jí)BIT例子為例描述了如何開展智能化的故障診斷和決策，但針對(duì)更復(fù)雜的雷達(dá)BIT故障信息處理過程是完全一樣。關(guān)鍵在于雷達(dá)專家按照邏輯程序的知識(shí)表達(dá)方式將知識(shí)形式化為規(guī)則存入知識(shí)庫中。雷達(dá)專家的知識(shí)越豐富，智能BIT系統(tǒng)對(duì)故障的診斷和輔助決策的能力就越強(qiáng)大。

文中給出的智能BIT設(shè)計(jì)方案并不局限于構(gòu)建機(jī)掃雷達(dá)的智能BIT系統(tǒng)，同樣適用其他類型雷達(dá)BIT系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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