基于機(jī)器學(xué)習(xí)的裝甲車輛故障診斷系統(tǒng)研究

鄭一帆 魏寧 劉毅 王嘉偉 郝興斌

摘要：本文以裝甲裝備電氣系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，針對(duì)該系統(tǒng)部件種類多、型號(hào)繁雜，故障現(xiàn)象與故障原因耦合關(guān)系復(fù)雜，故障難以排查的情況，設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建開(kāi)放式可擴(kuò)展知識(shí)庫(kù)，以交互式電子技術(shù)手冊(cè)的形式，指導(dǎo)相關(guān)人員排查電氣系統(tǒng)故障，并提供修理意見(jiàn)，滿足各級(jí)維修保障分隊(duì)裝甲車輛電氣系統(tǒng)維修保障需求。

關(guān)鍵詞：裝甲車輛;數(shù)據(jù)庫(kù);機(jī)器學(xué)習(xí);故障診斷系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP181? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0166-02

0? 引言

裝甲車輛電氣系統(tǒng)是產(chǎn)生、輸送、分配和使用電能的各種設(shè)備、部件和子系統(tǒng)所構(gòu)成的綜合性系統(tǒng)，是坦克、步兵戰(zhàn)車、自行火炮、輪式車輛等裝備的重要組成部分，是保障車輛戰(zhàn)技性能的關(guān)鍵系統(tǒng)。該系統(tǒng)部件種類多、型號(hào)繁雜，故障類型多，故障現(xiàn)象與故障原因耦合關(guān)系復(fù)雜。原有的紙質(zhì)維修指導(dǎo)手冊(cè)按兵種、裝備型號(hào)編寫，只具備簡(jiǎn)單故障的排查功能，不具備知識(shí)更新和智能故障診斷推理能力，只適合單一兵種、單一裝備電氣系統(tǒng)故障的排查，查詢效率低，對(duì)人員要求高，不能滿足現(xiàn)階段多兵種裝備聯(lián)合作戰(zhàn)快速保障需求，急需依據(jù)改革后裝備維修保障體系和工作模式的新要求，構(gòu)建一套基于專家知識(shí)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的電氣系統(tǒng)智能故障診斷決策支持系統(tǒng)，用于輔助各級(jí)維修保障人員診斷故障，并指導(dǎo)修理，提高電氣系統(tǒng)維修保障效率[1]。

1? 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)裝甲車輛電氣設(shè)備、部件種類及型號(hào)繁多，故障現(xiàn)象和故障原因各異的實(shí)際情況，首先打破原有的區(qū)分裝備型號(hào)建立維修2指導(dǎo)手冊(cè)的模式，分析不同裝備同類設(shè)備故障模式的公共屬性，區(qū)分電源系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、三防系統(tǒng)等分別設(shè)計(jì)專家知識(shí)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上研究知識(shí)更新方法及推理方法[2]。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 設(shè)備架構(gòu)

電氣系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備總體設(shè)計(jì)采用“主控單元+測(cè)試單元系列”組合的技術(shù)體制架構(gòu)，測(cè)試單元按照功能單元指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)，能夠滿足并行測(cè)試及未來(lái)新型裝備擴(kuò)展需求。

電氣系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備由主控單元、測(cè)試單元系列組成。主控單元由嵌入式控制器、網(wǎng)絡(luò)通信單元、電源管理單元、人機(jī)交互單元及殼體組成。測(cè)試單元系列由通用測(cè)試管理單元和專用測(cè)試單元組成。通用測(cè)試管理單元，為測(cè)試單元提供測(cè)試資源管理和通用測(cè)試接口;專用測(cè)試單元系列要包括非總線裝備的測(cè)試單元、防護(hù)系統(tǒng)測(cè)試單元、綜電系統(tǒng)測(cè)試單元等，用于對(duì)通用儀表、啟動(dòng)系統(tǒng)、底盤電源系統(tǒng)、三防系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、煙幕彈/榴霰彈控制部件、綜電系統(tǒng)部件的分系統(tǒng)或部件檢測(cè)。

3? 硬件實(shí)現(xiàn)方案

電氣系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備硬件上采用嵌入式模塊化設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括主控單元硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試單元系列硬件設(shè)計(jì)兩部分。其總體架構(gòu)如圖2所示。

3.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控單元硬件設(shè)計(jì)上采用手持平板式主機(jī)設(shè)計(jì)方案，以利于在狹窄空間內(nèi)操作使用。主控單元為設(shè)備系統(tǒng)軟件提供運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)測(cè)試單元的配置、監(jiān)控、流程控制、數(shù)據(jù)分析與處理等。

主控單元由嵌入式控制器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源管理模塊、人機(jī)交互模塊及殼體組成。通過(guò)嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)主控單元的控制中心;通過(guò)內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試單元系列的通信控制和數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)“云-端”上傳接口;通過(guò)內(nèi)置電源模塊，實(shí)現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換及電池電量管理。

3.2 測(cè)試單元設(shè)計(jì)

測(cè)試單元設(shè)計(jì)分為通用測(cè)試管理單元模塊、專用測(cè)試單元模塊（可依托測(cè)試單元載架），測(cè)試單元具有多級(jí)級(jí)聯(lián)的可擴(kuò)展性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)任意測(cè)試模塊的結(jié)構(gòu)和電氣特性組合化使用。通過(guò)對(duì)地面突擊裝備、火力壓制武器裝備、防空裝備、指控裝備、通信裝備、偵察情報(bào)裝備、電子對(duì)抗裝備、密碼保密裝備和戰(zhàn)斗保障裝備等保障對(duì)象的電氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元進(jìn)行歸類整合，按功能分為通用測(cè)試單元、非總線設(shè)備測(cè)試單元、防護(hù)系統(tǒng)測(cè)試單元、綜電系統(tǒng)測(cè)試單元等。

測(cè)試單元由通用檢測(cè)電路和專用檢測(cè)電路組成。通用檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電源管理、總線控制和數(shù)據(jù)采集功能，是測(cè)試單元的控制中心;專用檢測(cè)電路具有信號(hào)的衰減、放大、濾波、隔離等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備接口信號(hào)的匹配。測(cè)試單元之間采用自定義總線連接，可以單個(gè)測(cè)試單元與主控設(shè)備連接使用，也可多個(gè)測(cè)試單元級(jí)聯(lián)后與主控設(shè)備連接使用。

4? 軟件實(shí)現(xiàn)方案

本系統(tǒng)采用面向功能的開(kāi)發(fā)方法，區(qū)分不同子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)同類裝備及系統(tǒng)的通用檢測(cè)流程。以通用裝備信息化管理系統(tǒng)為依托，結(jié)合裝備管理和裝備保障要求，制定測(cè)試設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式、信息互聯(lián)方式。全面收集各型號(hào)裝備的故障信息與維修策略，完成故障診斷知識(shí)與維修步驟的抽象描述，綜合運(yùn)用專家知識(shí)庫(kù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，基于所能采集的特征參數(shù)，研究裝甲車輛故障診斷及推理方法[3]。

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

數(shù)據(jù)庫(kù)是專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與書本知識(shí)、常識(shí)的存儲(chǔ)器，是基于規(guī)則通用專家知識(shí)庫(kù)故障診斷方法的核心之一，其主要功能是存儲(chǔ)和管理專家知識(shí)庫(kù)故障方法中的知識(shí)。采用MySQL為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，建立后臺(tái)知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫(kù)不僅能便捷的保存文本和非文本信息，而且其數(shù)據(jù)安全性有保障，能夠很好防范目前常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊[4]。

系統(tǒng)整體采用前后端分離的架構(gòu)，前端：Webpack、Vue.js、axios和Vue-Router，后端：Spring Boot、Mybatis和MySQL。系統(tǒng)有部隊(duì)、裝備、系統(tǒng)名稱、故障、故障原因、用戶等模塊。各個(gè)模塊都可以通過(guò)頁(yè)面添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)可以從頁(yè)面下載Excel模板，填好模板需要的數(shù)據(jù)后導(dǎo)入，具體處理流程是：

①用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)，在首頁(yè)點(diǎn)擊下載模板，在下載好的Excel里錄入數(shù)據(jù)（所有表頭對(duì)應(yīng)字段數(shù)據(jù)都必須填寫，沒(méi)有填寫“無(wú)”）;

②點(diǎn)擊導(dǎo)入選擇填寫好的Excel;

③Excel數(shù)據(jù)會(huì)以字節(jié)流的形式通過(guò)HTTP協(xié)議傳入后端服務(wù)器，考慮數(shù)據(jù)量可能比較大，服務(wù)器收到Excel數(shù)據(jù)之后會(huì)馬上響應(yīng)瀏覽器避免瀏覽器卡死，同時(shí)服務(wù)器開(kāi)啟一個(gè)線程異步處理Excel數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從Excel中讀取出來(lái)并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)具體字段，寫入MySQL。

4.2 機(jī)器學(xué)習(xí)算法

機(jī)器學(xué)習(xí)是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)挖掘數(shù)據(jù)背后的意義，將雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息。在現(xiàn)如今大數(shù)據(jù)時(shí)代，機(jī)器學(xué)習(xí)具有愈加廣泛的應(yīng)用，如改善商業(yè)決策、提高生產(chǎn)率、檢測(cè)疾病、預(yù)測(cè)天氣、人臉識(shí)別以及產(chǎn)品推薦等等。

機(jī)器學(xué)習(xí)的主要任務(wù)是分類。在采用算法進(jìn)行分類時(shí)，首先需要的是算法訓(xùn)練，即學(xué)習(xí)如何分類，通過(guò)將大量已分類的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集訓(xùn)練，得到特征和目標(biāo)變量之間的關(guān)系。

K最近鄰（k-Nearest Neighbor，KNN）分類算法，是一個(gè)理論上比較成熟的方法，也是最簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)算法之一。它是通過(guò)測(cè)量不同特征值之間的距離進(jìn)行分類。它的思路是：如果一個(gè)樣本在特征空間中的k個(gè)最相似（即特征空間中最鄰近）的樣本中的大多數(shù)屬于某一個(gè)類別，則該樣本也屬于這個(gè)類別，其中K通常是不大于20的整數(shù)。KNN算法中，所選擇的鄰居都是已經(jīng)正確分類的對(duì)象。該方法在定類決策上只依據(jù)最鄰近的一個(gè)或者幾個(gè)樣本的類別來(lái)決定待測(cè)樣本所屬的類別。

本系統(tǒng)采用KNN算法，給每個(gè)故障和故障原因標(biāo)記一個(gè)坐標(biāo)，要查詢某個(gè)故障的原因時(shí)，就計(jì)算該故障與數(shù)據(jù)庫(kù)中各故障之間的向量距離，距離最短的故障對(duì)應(yīng)的故障原因，最可能是該故障的原因。

5? 結(jié)論

本論文針對(duì)裝甲車輛故障原因難以排查的問(wèn)題，建立裝甲車輛電氣系統(tǒng)故障診斷知識(shí)庫(kù)，解決故障信息大數(shù)據(jù)分析、故障診斷系統(tǒng)知識(shí)抽象描述等難題;構(gòu)建知識(shí)更新學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)共享、仿真平臺(tái)等手段，使原有知識(shí)更加豐富科學(xué)，同時(shí)為新裝備知識(shí)擴(kuò)展預(yù)留接口，突破專家系統(tǒng)知識(shí)泛化能力弱、啟發(fā)性差等技術(shù)瓶頸;綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的診斷推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象、故障原因和維修建議的合理映射。

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