基于人工智能的雷达设备

基于人工智能的雷达设备

基于人工智能的雷达设备

故障诊断系统的应用研究

毛庆华

(中国太原卫星发射中心测量部，宁夏银川

750004)

摘要：本文应用人工智能的部分研究成果对雷达设备中的故障诊断做了初步地探讨，主要介绍了该系统的总体框架和实现功能，尤其是对实现该系统的关键技术作了重点的研究，该研究为有关复杂设备的故障诊断，提供了一定的理论依据和可靠的方法。

关键词：人工智能；雷达设备；故障诊断

1 引言

故障是设备或设备的某一部分不能或不能完成预定功能的事件或状态。对于某些不能修复的产品，如电子元器件、机械部分等称为失效。在工程技术领域，故障诊断可描述为：根据技术设备若干个可以直接测量的信号，推断设备是否正常，确定故障部位，预测故障的发生。一般而言，故障诊断可以实现故障检测（根据所采集到的数据以及已知的电路结构与标称参数，判断电路是否存在故障）、故障监控（对被测对象的主要性能参数进行监视和记录，一旦发生故障就发出故障警示信号）和故障定位（根据故障现象、工作经验、历史记录及诊断知识等确定故障的具体部位）。

航天测控系统中的雷达设备作为精密测量系统的重要组成部分，设备复杂，测量要求高，对设备故障的诊断要求快速、准确，否则就可能影响航天试验任务的进程和工作质量，由于雷达设备诊断对象的复杂性，在故障诊断过程

中很大程度上依赖于诊断者的工作经验，这种传统的故障诊断方法很难保证诊断结果的合理性及诊断过程的科学性。近年来，人工智能、数字化技术等现代科技的发展，尤其是专家系统在故障诊断方面的研究取得了一定的成就，例如国内外有关研究者应用人工智能的方法、技术来设计故障诊断系统，具有一定的研究价值和应用前景。本文应用人工智能、虚拟仪器技术等对雷达设备的故障诊断从理论到实际应用进行了研究。

2 系统的总体结构

近年来，随着现代电子技术的迅速发展，雷达设备的集成度越来越高，同时随着计算机技术在雷达设备中参与的程度越来越深，现代雷达分机之间的界限变得越来越模糊，逐步向数字化雷达发展。现代我们应用的雷达设备仍然是模拟电路、数字电路及部分数字模块等的综合体，因此，我们在设计故障诊断系统时，要立足于现实设备，又着眼于未来设备集成化，软件化的发展。

2.1 系统的基本结构

故障诊断系统的组成如图1所示，信息处理中心控制虚拟测试仪器和被测量的雷达设备对设备关键点参数进行采样，然后把采样数据送入信息处理中心计算机，信息处理中心运用先进的智能方法和专业技术进行故障检测和定位的综合处理。

图1 系统的总体结构

本诊断系统主要用于在雷达工作过程中检测和记录雷达系统性能，监视雷达运行时各个阶段的故障状况，以便用户如实掌握雷达设备的工作情况（特别是故障情况）它贯穿在雷达的整个工作过程中，在雷达系统中一般有以下几种故障检测诊断的工作方式：

2.1.1 预检测试

在系统加电以后，各系统启动后进行自动测试，并将测试结果全部送往中心计算机，确定设备加电以后初始状态是否正常，有关检测电路是否正常工作。

2.1.2 周期性巡检

根据中心机的指令，周期性地（周期可以人工或自动设置）对设备各关键点、相关点电路参数，及分系统主干电路等进行连续或定期检测，并将每次测试的记录存档并处理，以确定雷达系统的整体运行状况。

2.1.3 随机检测

指用户可以随机地启动故障检测机构，特别是怀疑某一部分有故障时，根据设备的任务状态，可以联机或脱机进行。

2.2 故障诊断系统的基本功能和组成

2.2.1 基本功能

该系统的基本功能是对实时采集监测的信号进行分类、判断并做出及时诊断；对较复杂的故障现象运用知识库帮助分析，做出决策；通过信息中心的指令或人工控制模拟有关的故障，进行故障仿真和考核训练。

2.2.2 基本组成

故障诊断系统主要采用了面向对象的人工智能技术（如模糊技术、人工神经网络、知识工程等）,集成了综合知识表示方法，包括知识获取机构、人工神经网络知识结构、系统知识库、推理机、人机接口及虚拟测试分系统等。其基本构成如图2所示。Array

图2 故障诊断系统基本组成

（1）人机接口用于用户或专家与机器进行对话，进行知识添加、知识查询及控制处理。（2）中心计算机主要完成有关综合运算、推理、控制及诊断、决策等功能。

（3）虚拟测试平台以虚拟仪器为基础，对设

备的重要参数进行采集测试，并将测试结果存

放到综合数据库中，测试软件用于向被测量对象设备提供必要的电源、激励、负载来模拟实际工作环境，采集必要的响应并进行数据采集和处理。

（4）综合数据库包括：咨询输入数据；初始数据；标准正常数据；通过自动测试获得的动态数据；推理的结论；运行历史记录和经验数据等。

（5）系统知识库包括：控制知识；问题求解与故障知识；故障知识模型；方法知识；诊断原则；权系数赋值；隶属函数；选择知识等。（6）语法检查器完成输入知识的语法检查。（7）推理机完成各种搜索算法、控制策略、规划以及基于各种规则的综合推理。

3 关键技术研究

3.1 虚拟仪器技术

设备信息检测系统作为故障诊断系统重要组成部分，包括检测点的选择、测试信号的确定和产生、被测对象输出响应的采集、处理以及测试和诊断算法的实现，测试和诊断结果的自动显示和记录等内容。要把设备的真实状态、重要参数、规律曲线等逼真地反映出来，运用一般的设备内部或外部测试技术往往不能满足要求。

虚拟仪器技术是近几年发展迅猛的一项新技术。虚拟仪器（VI）是指用户利用PC强大的网络环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板，实现对仪器的控制、数据处理与显示。

图1中的虚拟测试仪器是基于个人计算机的新一代测控仪器，它是由用户自己定义，自由地组合计算机平台、硬件（信号调理板、数

据采集板等）、软件等构成的系统。可以实现被测量设备有关信息的采集、显示、处理和分析等功能。虚拟仪器的结构是开放式的，它把计算机平台具有标准接口的硬件模块与开发测试软件结合起来构成仪器系统，具有灵活性、模块化、开放性、复用性、通用性和开发、测试、应用方便的特点。用于虚拟仪器的硬件模块有4类接口：串行通讯端口GPIB （IEEE488-2）、VXI 总线、插入式信息采集板卡和串行工业网络。在这些硬件的基础上，利用必要的控制元件构成了测控系统的基本组件，可建立满足需要的信息监测系统。本设计中以基于虚拟仪器技术的LabVIEW 为开发平台，利用LabVIEW 简洁直观的图形化G 语言开发了基于虚拟技术的雷达设备信息检测系统。 3.2 系统的知识表示 如何将测量的数据及有关专家的知识用计算机语言表示是本系统的核心问题之一，知识表达旨在寻找知识与其表达之间的映射关系，实质是将知识化为计算机内部表示形式。 作为较复杂的雷达设备，如果出现故障，可能有一个或多个，也可能非常具体或比较模糊。因此确立规范的知识表示非常关键。假定雷达设备的故障诊断系统的知识采用与或树的逻辑来表示。 A =P （b 1,b 2,...b n ）表示如果存在故障A ，则可能的故障原因有,,,21n b b b 可表示为： A =b 1 ∨ b 2 ∨… b n （1） ),,,(21n a a a Q B =表示如果有故障原因B ，则必引起故障现象,,,21n a a a 可表示为 n

a a a B ∧∧∧= 21 （2） 由摩根定理，式①和式②分别有：