基于CLIPS的机载光电跟踪设备故障诊断专家系统研究

基于CLIPS的机载光电跟踪设备故障诊断专家系统研究常静;吴琼雁;任戈
【摘要】针对机载光电跟踪设备传感器种类多、单元部件结构复杂和急需快速故障定位的要求,设计了机载光电跟踪设备故障诊断专家系统;通过建立跟踪系统故障树并分析其故障特点,确定了模糊多值产生式规则的知识表示方式和冲突消解策略,构建了专家系统知识库和推理机;同时结合数据库建立的故障表和规则表,实现专家系统解释器功能;最后将CLIPS嵌入VC设计友好人机交互界面;实验表明,该专家系统操作方便,能快速准确定位故障、解释故障成因以及提供维修建议.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)003
【总页数】3页(P749-751)
【关键词】机载光电跟踪设备;专家系统;故障诊断;数据库
【作者】常静;吴琼雁;任戈
【作者单位】中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光束控制重点实验室,成都 610209;中国科学院大学,北京100049;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光束控制重点实验室,成都 610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光束控制重点实验室,成都 610209
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
0 引言
复杂光电跟踪设备大量应用于光电测量、天文观测以及激光通讯等领域［1］，随着机载应用领域的发展，对机载运动载体平台的复杂光电跟踪设备的需求变得越来越迫切。

由于复杂光电跟踪设备单元部件多，规模大，复杂度高，因此出现故障时一般由相关专业人员进行排查和维修。

受载体空间的限制，机载光电跟踪设备一般只有1到2个操作手完成全部操作和任务期间的系统维护工作，而操作手并不是专业人员，因此不能快速进行故障定位和维修；而且机载光电跟踪设备的故障与其征兆之间的关系错综复杂，具有不确定性及非线性，应用解析模型、信号处理等数值处理方法定位故障较为困难，而基于知识的方法不需要建立系统定量数学模型，它依据领域经验知识积累实现故障诊断。

近年来人工智能方法中的专家系统在航空航天领域大型设备故障诊断方面取得了突出的成果［2-3］，为机载光电跟踪设备故障诊断专家系统的研究奠定了技术基础。

1 专家系统基本结构
专家系统是一种基于特定领域内的大量知识与经验的计算机程序系统，根据领域内的专业知识以及专家经验进行推理和判断，模拟专家做决定的过程来解决需要专家解决的问题。

在工程应用中专家系统主要用于解决当专业人员不在现场不能及时对故障设备进行诊断时，外场人员通过对专家系统输入已知的故障现象，对设备进行故障诊断与定位。

此外专家系统还能有效地存储故障数据以及记录故障解决方法，为完善故障诊断系统提供知识储备。

专家系统主要包括以下6个部分［4］，它的基本组成框图如图1所示。

知识库：存放专家提供的知识。

综合数据库：存放专家系统运行中产生的所有信息及所需的初始故障信息。

推理机：针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结
论，以得到问题求解结果。

知识获取：知识工程师与专家系统的接口。

通过它与知识工程师的交互，使专家系统能够不断更新诊断必须的事实库和规则库，进而使系统系统性能得到不断改善。

解释器：对求解过程做出说明，并回答用户的提问。

它让用户理解程序正在做什么和为什么这样做，向用户提供了关于系统的一个认识窗口。

人机接口：系统与用户进行交互的界面。

2 机载光电跟踪设备故障诊断专家系统设计
图1 专家系统基本组成框图
机载光电跟踪设备由粗跟踪控制系统、精跟踪控制系统、人机交互、供电管理等组成，是集光机电为一体的复杂设备。

各系统间以及系统内部各组件需要进行数据通信，例如当系统启动时，数据交换中心会采集传感器、人机交互、驱动、粗跟踪控制处理器以及精跟踪控制处理器各模块数据；在机架运行过程中驱动也会和编码器、粗跟踪控制处理器、精跟踪控制处理器进行信息交互。

当核心部件出现故障时，出现的故障征兆有多个且故障原因与故障征兆不能形成直观的对应，例如当数据交换中心的FPGA 模块出现故障时，系统会出现传感器数据通信，驱动数据通信等故障。

同时，为了适应机载恶劣环境，机载光电跟踪设备采用了结构较为复杂的无刷电机驱动控制器，并配备了陀螺等用于稳定控制的惯性传感器，这加剧了系统的复杂度。

机载光电跟踪设备的这些特点使得在构建其故障诊断专家系统知识库时存在大量知识冗余的情况，这不利于专家系统推理机推理。

因此本文先构建机载光电跟踪设备故障树，理清故障的成因与形成过程，方便故障诊断知识的获取。

2.1 构建故障树
根据机载光电跟踪设备开发维护人员多年经验，发现当系统出现大面积通信故障时，是因为底层数据通信模块的FPGA故障，或者是信息交互较多的粗跟踪控制处理
器通信模块故障，因此可以先构建这两种特殊情况的故障树，然后再构建其他故障情况的故障树。

下面以粗跟踪控制系统下的机架不工作故障作为实例，给出其部分故障树建立图，如图2所示。

图2 粗跟踪机架不工作部分故障树图
由于以机架不工作为顶事件的故障树较大，所以仅列出其部分故障树。

对故障树中的故障现象（顶事件和中间事件）以及故障原因（中间事件和底事件）的文字性描述统一编码［5］，码值以故障所属的分系统名称缩写为前缀，以具体故障现象缩写为后缀，如：RTCS-FNW 表示粗跟踪控制系统机架不工作，RTCS-DCF表示粗跟踪控制系统数据通信故障，RTCS-ADF表示粗跟踪控制系统A 轴驱动故障。

其中方形框代表中间级故障和顶层故障，如粗跟踪控制系统故障，传感器类故障，驱动故障等；圆形框代表底层故障，是导致故障的最终原
因，如A 轴驱动电流传感器故障，E 轴编码器数据超限等；或门表示当上级故障发生时至少有一个下级故障发生。

2.2 知识库和推理机设计
在构建机载光电跟踪设备故障树时多采用的是该领域专家经验知识，这类知识可以比较方便地用产生式规则表示。

CLIPS（C language integrated production system）是由美国航空航天局用C语言设计的用于编写基于规则的通用专家系统工具。

它采用Rete模式匹配算法，将事实与规则中的模式相竞争，以确定满足条件的规则，实现基于规则的高效推理，因此本文以CLIPS为平台设计专家系统知识库、推理机。

由于机载光电跟踪设备故障树规模较大，将其转化为CLIPS的事实条目较多并且在不同推理阶段会有不同规则，因此CLIPS程序设计采用模块化设计，将推理规则与故障事实隶属于不同模块，这样使程序结构清晰，推理过程明了。

2.2.1 故障知识表示
在一般产生式规则中，前提条件和结论之间具有确定的符合二值逻辑的因果关系，表示方法为：
但是通过分析光电捕获跟踪与瞄准装置故障树，发现上级故障与下级故障往往是一对多的关系，例如上级故障RTCSEPO 是由下级故障RTCS-EPOE 和RTCS-ECDO 其中一个或两个同时引起的，并且该领域专家的经验知识具有一定的模糊性，因此本文将模糊数学中的隶属度概念引入到专家系统知识表示中，同时模仿人的正向推理过程，设计模糊产生式多值逻辑规则的知识表示方法为：
CF 表示下级故障的置信度，是设备运行过程中发生故障的概率值，该置信度可作
为规则冲突消解和故障排查顺序的依据。

将上述专家经验转化为CLIPS的事实描
述为：
（rule（if RTCS-EPO）
（then fault is RTCS-EPOE with certainty 80and fault is RTCS-ECDO with certainty 20））
rule是故障事实模板隶属于RULE 模块，这条知识表明当RTCS-EPO 故障发生时，RTCS-EPOE和RTCS-ECDO 发生故障的概率分别是80%和20%。

2.2.2 冲突消解策略设计
通过故障知识结构可以看出，当上级故障发生时可能是由下级故障一个或多个引起的。

机载光电跟踪设备是个大系统，各个系统间不可能完全独立，也会存在一定耦合。

因此同一下级故障会引发多个上级故障发生，如A 轴编码器的数据会与粗跟
踪控制处理器交互，也会与A 轴驱动处理器交互，其交互图如图3所示。

图3 编码器数据交互图
若A 轴编码器自身处理器故障时便会产生A 轴编码器码值异常与A 轴驱动故障两
条故障代码，这使得专家系统运用知识推理时会产生两条相同的故障事实，所以需要采取冲突调解策略。

冲突调解规则的实质是对多次出现的故障事实进行置信度加强，计算公式为：
该公式表明当不同上级故障推理出的两个下级故障概率相近时，进行置信度加强后的综合置信度增加幅度较小；而当下级故障概率相差较大时，综合置信度会显著增加。

设计冲突调解规则如下：
此冲突调解规则隶属于主程序模块，具有自动聚焦功能，即当CLIPS内存中一旦出现两条名称相同但置信度不同的故障事实时，便自动执行上述规则。

2.2.3 推理机
本文采用模糊知识表示方式在计算机中存储故障信息，推理机采用包含冲突消解策略的正向推理方式，实现了专家系统的非精确推理［6-7］，其主要推理过程如图4。

图4 专家系统推理流程图
2.3 知识管理与解释器设计
本文采用SQL Sever 2005存储光电跟踪设备故障信息和对故障进行推理的规则，通过在数据库中建立故障表与规则表，实现对故障和规则的增删查改等操作，从而有效的管理知识。

此外，故障表与规则表也为专家系统解释器的设计提供了依据。

当运行CLIPS推理程序诊断出最终故障结果时，根据故障结果编码搜索数据库中建立的故障表与规则表，找出与故障相匹配的上层故障与规则，逐级递推，便可解释整个推理过程。

同时，还可以在故障表中找出与故障结果相匹配的维修建议，方便维修人员快速排查故障。

2.4 人机交互
CLIPS能快速开发专家系统推理程序，但由于CLIPS的操作界面类似DOS命令形式，这要求操作人员熟悉CLIPS的语法及编译环境，因此本文将CLIPS 嵌入
VC2010中，利用VC面向对象的消息处理机制建立人机交互界面［8］，与CLIPS进行信息双向传递，实现推理诊断，同时方便操作人员使用。

3 专家系统测试实例
机载光电跟踪设备启动及运行过程中，会对部分设备进行自检，如检测各传感器、人机交互、驱动有无数据，数据是否正常等。

若检测到数据异常，系统便会给出相应部位的故障条码，操作人员只需将得到的故障信息录入专家系统，系统便会自行推理出可能的故障原因。

在运行机载光电跟踪设备时，若机架工作过程中速度异常，系统会自检出机架飞车相关的错误信息。

操作人员启动故障诊断系统，在系统主界面选择“机架飞车”，并点击“确定”，随后在弹出的机架飞车具体故障录入对话框中选择“A轴飞车”并点击确定，实现具体故障的录入。

在主界面点击“开始诊断”，故障诊断系统推理完成后，在“故障诊断结果”窗口中显示可能故障原因：
1）A 轴反馈通道故障概率60%；
2）A 轴驱动处理器死机概率40%。

点击“生成详细信息”按钮，专家系统会根据故障诊断结果搜索数据库中的故障表，找出相匹配的故障所对应的维修建议，在“维修建议”窗口中显示具体维修方法：1）检查驱动反馈通道电路是否断路或短路；
2）更换驱动处理器模块。

维修人员可结合故障的可能性大小进行故障排查工作。

实践经验表明，该故障诊断专家系统推理出的诊断结果与专业维护人员的经验基本一致。

4 结论
知识表示方式是知识在计算机中的存储形式，是构建知识库的核心。

机载光电跟踪设备故障征兆与故障原因的不确定性、非线性以及多故障可能性使得故障知识的表示变得困难，针对机载光电设备的故障特点，设计了模糊产生式多值逻辑规则的故障知识表示形式，完成系统知识库的建立。

推理机的设计采用正向推理方式结合冲突消解策略。

由于CLIPS界面交互性较差，因此采用VC2010开发人机交互界面。

此外，采用数据库技术维护故障知识与推理规则，实现知识与规则的更新。

实例表明该故障诊断专家系统不仅能快速准确定位故障、提供维修建议，还能有效存储故障知识，为后期专家系统的完善提供知识储备。

【相关文献】
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