基于人工智能的雷达设备8485.docx

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1、 基于人工工智能的的雷达设设备故障诊断断系统的的应用研研究毛庆华(中国太太原卫星星发射中中心 测测量部，宁宁夏银川川 75500004)摘要：本本文应用用人工智智能的部部分研究究成果对对雷达设设备中的的故障诊诊断做了了初步地地探讨，主主要介绍绍了该系系统的总总体框架架和实现现功能，尤尤其是对对实现该该系统的的关键技技术作了了重点的的研究，该该研究为为有关复复杂设备备的故障障诊断，提提供了一一定的理理论依据据和可靠靠的方法法。关键词：人工智智能；雷雷达设备备；故障障诊断1 引言言故障是设设备或设设备的某某一部分分不能或或不能完完成预定定功能的的事件或或状态。对对于某些些不能修修复的产产品，如如电

2、子元元器件、机机械部分分等称为为失效。在在工程技技术领域域，故障障诊断可可描述为为：根据据技术设设备若干干个可以以直接测测量的信信号，推推断设备备是否正正常，确确定故障障部位，预预测故障障的发生生。一般般而言，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）。航天测控控系统中中的雷达达设备作作为精密密测量系系统的重重要组成成部分，设设备复杂杂，测量量要求高高，对设设备故障障的诊断断要求快快

3、速、准准确，否否则就可可能影响响航天试试验任务务的进程程和工作作质量，由由于雷达达设备诊诊断对象象的复杂杂性，在在故障诊诊断过程程中很大大程度上上依赖于于诊断者者的工作作经验，这这种传统统的故障障诊断方方法很难难保证诊诊断结果果的合理理性及诊诊断过程程的科学学性。近近年来，人人工智能能、数字字化技术术等现代代科技的的发展，尤尤其是专专家系统统在故障障诊断方方面的研研究取得得了一定定的成就就，例如如国内外外有关研研究者应应用人工工智能的的方法、技技术来设设计故障障诊断系系统，具具有一定定的研究究价值和和应用前前景。本本文应用用人工智智能、虚虚拟仪器器技术等等对雷达达设备的的故障诊诊断从理理论到实

4、实际应用用进行了了研究。2 系系统的总总体结构构近年来，随随着现代代电子技技术的迅迅速发展展，雷达达设备的的集成度度越来越越高，同同时随着着计算机机技术在在雷达设设备中参参与的程程度越来来越深，现现代雷达达分机之之间的界界限变得得越来越越模糊，逐逐步向数数字化雷雷达发展展。现代代我们应应用的雷雷达设备备仍然是是模拟电电路、数数字电路路及部分分数字模模块等的的综合体体，因此此，我们们在设计计故障诊诊断系统统时，要要立足于于现实设设备，又又着眼于于未来设设备集成成化，软软件化的的发展。2.1 系统统的基本本结构故障诊断断系统的的组成如如图1所所示，信信息处理理中心控控制虚拟拟测试仪仪器和被被测量的

5、的雷达设设备对设设备关键键点参数数进行采采样，然然后把采采样数据据送入信信息处理理中心计计算机，信信息处理理中心运运用先进进的智能能方法和和专业技技术进行行故障检检测和定定位的综综合处理理。信息处理中心虚拟测试仪器被测量雷达设备荒备备图1 系系统的总总体结构构本诊断系系统主要要用于在在雷达工工作过程程中检测测和记录录雷达系系统性能能，监视视雷达运运行时各各个阶段段的故障障状况，以以便用户户如实掌掌握雷达达设备的的工作情情况（特特别是故故障情况况）它贯贯穿在雷雷达的整整个工作作过程中中，在雷雷达系统统中一般般有以下下几种故故障检测测诊断的的工作方方式：2.1.1 预检测测试在系统加加电以后后，各

6、系系统启动动后进行行自动测测试，并并将测试试结果全全部送往往中心计计算机，确确定设备备加电以以后初始始状态是是否正常常，有关关检测电电路是否否正常工工作。2.1.2 周期性性巡检根据中心心机的指指令，周周期性地地（周期期可以人人工或自自动设置置）对设设备各关关键点、相相关点电电路参数数，及分分系统主主干电路路等进行行连续或或定期检检测，并并将每次次测试的的记录存存档并处处理，以以确定雷雷达系统统的整体体运行状状况。2.1.3 随机检检测 指用用户可以以随机地地启动故故障检测测机构，特特别是怀怀疑某一一部分有有故障时时，根据据设备的的任务状状态，可可以联机机或脱机机进行。2.2 故障诊诊断系统统

7、的基本本功能和和组成2.2.1基本本功能该系统的的基本功功能是对对实时采采集监测测的信号号进行分分类、判判断并做做出及时时诊断；对较复复杂的故故障现象象运用知知识库帮帮助分析析，做出出决策；通过信信息中心心的指令令或人工工控制模模拟有关关的故障障，进行行故障仿仿真和考考核训练练。2.2.2基本本组成 故障障诊断系系统主要要采用了了面向对对象的人人工智能能技术（如如模糊技技术、人人工神经经网络、知知识工程程等）,集成了了综合知知识表示示方法，包包括知识识获取机机构、人人工神经经网络知知识结构构、系统统知识库库、推理理机、人人机接口口及虚拟拟测试分分系统等等。其基基本构成成如图22所示。故障诊断结

8、果事例载入人机接口语法检查中心计算机知识获取机构问题处理系统人工神经网络机构测试信号发生器被测雷达设备解释机构虚拟测试平台推理机综合数据库模糊处理机构系统知识库图2 故故障诊断断系统基基本组成成（1）人人机接口口用于用用户或专专家与机机器进行行对话，进进行知识识添加、知知识查询询及控制制处理。（2）中中心计算算机主要要完成有有关综合合运算、推推理、控控制及诊诊断、决决策等功功能。（3）虚虚拟测试试平台以以虚拟仪仪器为基基础，对对设备的的重要参参数进行行采集测测试，并并将测试试结果存存放到综综合数据据库中，测测试软件件用于向向被测量量对象设设备提供供必要的的电源、激激励、负负载来模模拟实际际工作

9、环环境，采采集必要要的响应应并进行行数据采采集和处处理。（4）综综合数据据库包括括：咨询询输入数数据；初初始数据据；标准准正常数数据；通通过自动动测试获获得的动动态数据据；推理理的结论论；运行行历史记记录和经经验数据据等。（5）系系统知识识库包括括：控制制知识；问题求求解与故故障知识识；故障障知识模模型；方方法知识识；诊断断原则；权系数数赋值；隶属函函数；选选择知识识等。（6）语语法检查查器完成成输入知知识的语语法检查查。（7）推推理机完完成各种种搜索算算法、控控制策略略、规划划以及基基于各种种规则的的综合推推理。3关键技技术研究究3.1 虚拟拟仪器技技术设备信息息检测系系统作为为故障诊诊断系

10、统统重要组组成部分分，包括括检测点点的选择择、测试试信号的的确定和和产生、被被测对象象输出响响应的采采集、处处理以及及测试和和诊断算算法的实实现，测测试和诊诊断结果果的自动动显示和和记录等等内容。要要把设备备的真实实状态、重重要参数数、规律律曲线等等逼真地地反映出出来，运运用一般般的设备备内部或或外部测测试技术术往往不不能满足足要求。虚拟仪器器技术是是近几年年发展迅迅猛的一一项新技技术。虚虚拟仪器器（VII）是指指用户利利用PCC强大的的网络环环境和在在线帮助助功能，建建立图形形化的虚虚拟仪器器面板，实实现对仪仪器的控控制、数数据处理理与显示示。图1中的的虚拟测测试仪器器是基于于个人计计算机的

11、的新一代代测控仪仪器，它它是由用用户自己己定义，自自由地组组合计算算机平台台、硬件件（信号号调理板板、数据据采集板板等）、软软件等构构成的系系统。可可以实现现被测量量设备有有关信息息的采集集、显示示、处理理和分析析等功能能。虚拟拟仪器的的结构是是开放式式的，它它把计算算机平台台具有标标准接口口的硬件件模块与与开发测测试软件件结合起起来构成成仪器系系统，具具有灵活活性、模模块化、开开放性、复复用性、通通用性和和开发、测测试、应应用方便便的特点点。用于于虚拟仪仪器的硬硬件模块块有4类类接口：串行通通讯端口口GPIIB（IIEEEE4888-2）、VVXI总总线、插插入式信信息采集集板卡和和串行工工

12、业网络络。在这这些硬件件的基础础上，利利用必要要的控制制元件构构成了测测控系统统的基本本组件，可可建立满满足需要要的信息息监测系系统。本本设计中中以基于于虚拟仪仪器技术术的LaabVIIEW为为开发平平台，利利用LaabVIIEW简简洁直观观的图形形化G语语言开发发了基于于虚拟技技术的雷雷达设备备信息检检测系统统。3.2 系统的的知识表表示如何将测测量的数数据及有有关专家家的知识识用计算算机语言言表示是是本系统统的核心心问题之之一，知知识表达达旨在寻寻找知识识与其表表达之间间的映射射关系，实实质是将将知识化化为计算算机内部部表示形形式。作为较复复杂的雷雷达设备备，如果果出现故故障，可可能有一一

13、个或多多个，也也可能非非常具体体或比较较模糊。因因此确立立规范的的知识表表示非常常关键。假假定雷达达设备的的故障诊诊断系统统的知识识采用与与或树的的逻辑来来表示。A=P（b1,b2,.bn）表示如如果存在在故障AA，则可可能的故故障原因因有可表表示为： A=b11 b2bn（1）表示如果果有故障障原因BB，则必必引起故故障现象象可表示示为 （22）由摩根定定理，式式和式分别有有： （33） （44）由此可知知，所有有知识可可由、表示，并并都可用用正向、反反向推理理加以应应用。知识表示示应该尽尽量满足足精确表表达、严严格推理理、有利利更新等等需求。目目前运用用人工智智能的知知识表示示方式有有框架

14、、语语义网络络、一阶阶谓词逻逻辑、产产生式规规则、问问题归约约法和面面向对象象等。考考虑到雷雷达知识识的特点点及推理理的方便便性，本本系统采采用产生生式规则则、框架架和面向向对象的的综合知知识表示示。面向向对象（Object-Oriented）方法学显式提供了力图还客观世界本来面目的“对象”的概念，程序设计者可以按照问题空间中对象的丰富特征比较自由地定义解空间的对象，从而用面向对象的方法学构造软件系统或知识系统能够比较自然地反映人们思考问题的方式。在面向对象的知识系统中，各种资源和智能实体均称为对象。一个对象的状态和对象具有的知识组成了该对象的静态属性，一个对象所具有的知识处理方法和各种操作则

15、描述了该对象的智能行为。按照面向向对象方方法学的的观点，一一个对象象形式定定义可以以用如下下四元组组表示：对象：这就是说说，一个个完整的的对象由由该对象象的标识识符IDD、数据据结构DDS、方方法集合合MS和和消息接接口MII组成。在面向对对象的诊诊断系统统中，问问题求解解或程序序的执行行是依靠靠对象间间传递消消息完成成的，消消息流统统一了数数据流和和控制流流，它是是实现对对象之间间联系的的唯一途途径。面面向对象象的程序序设计范范式的基基本点在在于对象象的封装装性和继继承性。通通过封装装能将对对象的定定义和对对象的实实现分开开，通过过继承能能体现类类与类之之间的层层次关系系，便于于用面向向对象

16、的的快速原原型法构构造系统统。因此此，面向向对象的的表示比比较适合合于大型型知识系系统的开开发和维维护。本系统中中采用标标准数据据库如SSQL Serrve来来构建和和管理诊诊断知识识库。利利用数据据库技术术，将各各种数据据和信息息系统化化、规范范化，并并随着经经验的丰丰富可以以不断地地扩充知知识原，维维护知识识库的一一致性和和完整性性。然而而，传统统的数据据库访问问技术存存在许多多缺点，如如编程复复杂，只只能访问问关系数数据库等等。ADDO（aactiive X ddataa obbjecct）是是Miccrossoftt面向对对象的数数据库访访问新技技术。该该技术基基于COOM（ccomp

17、poneent objjectt moodell）,具有CCOM组组件的诸诸多优点点，如跨跨语言、跨跨平台、跨跨操作系系统等特特点，能能够访问问包括关关系数据据库、非非关系数数据库及及所有的的文件系系统，AADO是是一组对对象模块块，是一一系列支支持访问问数据源源的组件件。无论论采用何何种数据据库（数数据源），只只要该数数据库具具有对应应的ODDBC或或OLEEDDBB驱动程程序，AADO对对象就能能加以存存取。AADO具具有先进进的与语语言无关关性和检检索处理理功能。此此外，AADO还还具有编编程简单单、占用用内存少少的特点点。3.3 基于于事例的的推理故障推理理的过程程就是由由已知的的故障

18、现现象来寻寻找故障障原因的的过程，即即在知识识库的网网络图中中，从源源结点（故故障现象象）出发发，按照照一定的的搜索策策略，沿沿着知识识网络图图中的有有向弧进进行推理理搜索，最最后达到到目标结结点（故故障原因因）的过过程。一一般在知知识系统统中，经经常采用用基于规规则的推推理（RRulee-baasedd Reeasooninng,简简称RBBR）和和基于模模型的推推理（简简称MBBR）。这这里的模模型含义义可以是是解析的的，或模模糊关系系的等等等。对于于诊断系系统的推推理在设设计上要要突出特特点和实实用性，基基于事例例的推理理（简称称CBRR）是基基于求解解类似问问题的经经验获得得当前问问题

19、求解解结果的的一种推推理模式式。这种CBBR系统统由事例例索引机机制、检检索机制制、事例例改写和和事例库库四个核核心功能能部件构构成，其其中，事事例库提提供支持持问题求求解的一一组实例例，它是是系统过过去进行行问题求求解经验验的聚集集。根据据问题描描述，事事例检索索机制从从事例库库中查找找一个与与当前问问题相匹匹配的事事例，如如果该事事例满足足问题描描述的要要求，则则将相应应的结果果输出，否否则，根根据问题题描述，对对检索出出的事例例进行修修改，事事例改写写的结果果形成一一个全部部满足问问题描述述要求的的答案，该该结果同同时作为为一个新新的事例例索引机机制组织织到事例例库中以以备将来来使用。显

20、显然，检检索是CCBR进进行推理理的核心心，学习习是CBBR的一一个基本本功能。CCBR求求解问题题的方式式比较直直接，较较容易建建立和维维护。常常见的索索引技术术包括最最近邻法法、归纳纳法和知知识导引引法等，考考虑到建建立一个个有意义义的索引引机制，必必须有足足够的典典型事例例，且检检索效率率较高，融融合归纳纳法和最最近邻两两种索引引机制，当当事例较较少时采采用最近近邻法，而而事例达达到一定定程度且且新的事事例又往往往会引引起事例例库特征征信息分分布明显显变化时时，则采采用归纳纳法对事事例库进进行重新新组织。基于事例例的推理理也是人人工智能能研究中中基于人人工神经经网络来来解决问问题的新新方

21、法。基基于事例例的推理理在解决决一个新新问题时时，不仅仅仅孤立立地依赖赖于问题题领域中中常识性性知识，同同时能够够使用先先前经历历过的具具体问题题中的特特定知识识，通过过回忆先先前与新新故障相相似的情情形，并并复用那那种情形形下的信信息和知知识，来来获得新新问题的的解。基基于事例例推理将将学习和和排除故故障集成成在一起起，它保保存每一一次解决决新问题题的经验验，为解解决将来来问题时时使用，基基于事例例推理的的基本解解决问题题的机制制是依赖赖于检索索调整应用学习周周期循环环。由于于故障现现象、部部位和原原因之间间的关系系较复杂杂，根据据故障诊诊断往往往有许多多不确定定性因素素的特点点，需要要研究

22、支支持模糊糊知识和和确定性性知识综综合表达达和推理理的诊断断系统。基于规则推理（RBR）图3 诊断系统的综合推理框图事例库（有解事例）模型库（深层知识）基于解释学习基于事例推理（CBR）基于模型推理（MBR）规则库（浅层知识）不难看出出，基于于事例推推理是处处于基于于规则推推理、基基于模型型推理及及基于数数据检索索的中间间位置，可可以说处处于桥梁梁的位置置，它们们之间存存在互补补的关系系，可以以将RBBR、CCBR和和MBRR三种推推理方式式有机地地联接起起来（如如图3），形形成三者者的综合合推理，提提高推理理的可靠靠性。本系统中中，可以以应用模模糊技术术和人工工神经网网络技术术，通过过此技术

23、术的综合合运用，主主要完成成由故障障现象寻寻找故障障原因的的过程，采采用模糊糊反向推推理方法法和基于于意向的的神经网网络快速速推理算算法实现现多种有有效的推推理。对对于冲突突消解策策略，按按感官与与直观信信息，设设备外诊诊断到内内诊断规规则规则置置信度从从大到小小规则则本身存存储顺序序选取，可可以提高高推理效效率。模模糊规则则的匹配配及结论论置信度度的计算算采用匹匹配函数数的方法法，而结结论的置置信度为为规则的的前提与与数据库库事实的的匹配值值和规则则置信度度的乘积积。本系统采采用Viisuaal CC+语语言，利利用面向向对象的的技术，并并通过AADO（AAcceess datta oobj

24、eect）存存取技术术，读取取知识库库中的规规则，进进而采用用结构化化查询语语言SQQL语言言建立推推理机制制。SQQL语言言具有强强大的数数据操作作能力，支支持丰富富的数据据类型和和函数，可可以满足足编写推推理程序序的要求求。4 结结束语如何运用用人工智智能的方方法进行行雷达系系统的故故障诊断断，是我我们需要要研究的的重大课课题。近近几年，人人工智能能和虚拟拟仪器的的发展给给故障诊诊断系统统的发展展提供了了机遇。本本文所研研究的设设备故障障诊断系系统具有有技术先先进、通通用程度度强、程程序较易易开发等等特点，特特别是开开放式的的软件结结构平台台，具有有面向对对象、多多种数据据库管理理，基于于

25、事例的的推理和和含有多多媒体的的图形用用户界面面等特点点，对于于提高设设备运行行的可靠靠性，提提高故障障诊断水水平，具具有重要要意义。参考文献献1 许志宏宏，雷达达自动故故障诊断断方法与与实例J. 现代代雷达，220000，4:17-212魏魏震生，张张义忠. 基于于VXII总线的的测试平平台与故故障诊断断系统C.计算机机自动测测量与控控制，220011，1:322-377.3吴吴泉源，刘刘江宁. 人工工智能与与系统M. 长沙沙: 国防防科大出出版社，119955，3：1900-1977.4 何利，王王厚军. 基于于知识的的故障诊诊断系统统的设计计J.计算机机测量与与控制，2002，5：322-323.5KKINCCAIDDRL.Addvanncedd maainttenaancee, AAn eexpeert sysstemm off apppliied triibollogyyM. BBeijjingg; IInteernaatioonall Accadeemicc Puubliisheers,19993.