南淑君，李宏哲

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇　南京　210000）

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通用測試診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

南淑君，李宏哲

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇南京210000）

摘要：自動測試與故障診斷專家系統(tǒng)可以大幅度地提高裝備維修保障效率,達(dá)到節(jié)約研發(fā)成本、有效利用測試資源的目的。探討了通用測試診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件構(gòu)架,基于故障樹分析法設(shè)計了測試診斷策略,并以某衛(wèi)星通信設(shè)備為例對該系統(tǒng)的功能進行了驗證。

關(guān)鍵詞：自動測試；故障診斷；故障樹分析法；診斷專家系統(tǒng)

0　引言

隨著測試技術(shù)和人工智能的發(fā)展,將測試與智能故障診斷、故障定位和維修分析有機結(jié)合的自動測試技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)前軍用裝備維修保障領(lǐng)域研究的熱點。測試診斷專家系統(tǒng)具有智能化程度高、診斷精準(zhǔn)和操作簡單等特點,能夠大幅度地提高裝備的綜合保障能力[1]。

為了降低開發(fā)成本,提高測試資源的利用率,需要測試診斷專家系統(tǒng)能適應(yīng)不同的設(shè)備的測試診斷需求,即實現(xiàn)測試診斷專家系統(tǒng)的通用性[2]。這一方面要求,系統(tǒng)必須采用開放式架構(gòu),具有良好的擴展性和可移植性。另一方面要求,必須選擇合適的測試診斷策略,將測試、故障診斷和維修分析有機地結(jié)合起來。

針對上述問題,本文提出了一種滿足測試診斷系統(tǒng)通用性要求的設(shè)計方案,并以某型號衛(wèi)星通信設(shè)備為例對系統(tǒng)的功能進行了驗證。

1　系統(tǒng)架構(gòu)及通用性設(shè)計

測試診斷專家系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、診斷專家系統(tǒng)、圖形化人機界面和測試診斷數(shù)據(jù)庫等模塊組成,其工作原理框圖如圖1所示。其中,主控系統(tǒng)管理測試對象,設(shè)置測試模式和參數(shù),并通過界面完成必要的人機交互；自動測試系統(tǒng)根據(jù)測試模式配置測試環(huán)境,實現(xiàn)測試結(jié)果的采集和分析；診斷專家系統(tǒng)完成故障判別和故障定位。

圖1　測試診斷系統(tǒng)原理框圖

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的通用性,對于硬件而言,就必須要實現(xiàn)測試儀器可互換、測試通道可配置。筆者的設(shè)計思路為采用通用總線以中心處理器為核心,設(shè)計開關(guān)矩陣管理,配置測試通道。矩陣規(guī)?？砂葱枧渲?測試儀器通過通用總線接入矩陣,被測設(shè)備通過專用的接口匹配模塊接入矩陣,能靈活地選擇測試儀器搭建不同規(guī)模的測試環(huán)境,改變測試通道不會影響軟件工作。

對于軟件而言,主要是要實現(xiàn)測試程序集可移植、能夠兼容多種儀器儀表,軟件結(jié)構(gòu)和軟件組件的標(biāo)準(zhǔn)化, TPS與底層儀器、硬件無關(guān)化,測試數(shù)據(jù)處理、故障診斷無關(guān)化。因此,開發(fā)軟件時采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計思想,自頂向下地將軟件分為運行服務(wù)層、系統(tǒng)管理層、系統(tǒng)監(jiān)測層和受控對象層4個層次,軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

運營服務(wù)層主要包括人機交互模塊和系統(tǒng)運行模塊,完成測試人員,即用戶和測試程序之間的交互,實現(xiàn)測試系統(tǒng)的流程管理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、組成子系統(tǒng)和擴展新系統(tǒng)等功能。系統(tǒng)管理層主要包括測試系統(tǒng)、診斷專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫,綜合管理系統(tǒng)的軟、硬件資源；系統(tǒng)監(jiān)測層主要由儀器驅(qū)動、設(shè)備驅(qū)動和TPS組成；TPS以動態(tài)庫的形式供上層調(diào)用,通過調(diào)用驅(qū)動來控制底層儀器和模塊；受控對象層即底層,是系統(tǒng)管理的全部硬件資源。

圖2　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2　通用測試診斷專家系統(tǒng)方案

2.1基于FTA的測試診斷策略

測試的最終目的是故障診斷和維修,為了適應(yīng)各類被測設(shè)備的特點,通過故障樹分析法（FTA: fault tree analysis）將測試與診斷和維修聯(lián)系起來。故障樹分析法能夠?qū)?dǎo)致故障發(fā)生的各種因素的概率和原因進行定性和定量的分析,是復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測和診斷的一種重要方法,廣泛地適用于各種類型的設(shè)備[5]?；贔TA的測試診斷策略的生成過程如下所述。

a）通過測試來發(fā)現(xiàn)不正常的指標(biāo),并在數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)故障樹。

b）通過故障樹的定性分析求解最小割集,找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障原因,確定診斷順序。

c）為故障樹的非葉節(jié)點添加測試項目,通過測試為故障隔離和故障定位提供依據(jù)；為葉結(jié)點添加維修說明,包括維修建議、操作步驟和電路圖等。

d）按照一定算法自頂向下遍歷擴展后的故障樹,記錄檢測順序,輸出測試診斷報告。

2.2測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)軟件由測試選擇、TPS管理軟件、TPS軟件和驅(qū)動4個層次構(gòu)成, TPS是一系列獨立的測試函數(shù),例如:頻率測試、功率測試函數(shù)等,以動態(tài)庫的形式供上層調(diào)用。在測試時,測試選擇軟件通過將用戶選擇的測試項目層層解析,完成測試環(huán)境的搭建和測試通道的配置；TPS管理軟件以動態(tài)庫的形式調(diào)用TPS,進行測試結(jié)果讀取和分析處理；TPS調(diào)用驅(qū)動來控制底層儀器和模塊。

在系統(tǒng)中添加被測設(shè)備或測試項目時,只需要按統(tǒng)一的接口規(guī)格開發(fā)相應(yīng)的TPS和測試數(shù)據(jù)庫,不需要更改其他軟件,從而保證了測試系統(tǒng)的通用性。測試流程如圖3所示。

圖3　測試流程圖

2.3診斷專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)（expert system）是一系列智能計算機程序,典型的專家系統(tǒng)由知識庫、推理解釋模塊、數(shù)據(jù)庫和接口等模塊構(gòu)成[3]。

在診斷專家系統(tǒng)中,知識庫中存放著故障規(guī)則和經(jīng)解析的故障樹信息,知識庫中故障信息的數(shù)量和質(zhì)量直接決定著專家系統(tǒng)能否成功[4]。知識管理模塊負(fù)責(zé)對知識庫中的規(guī)則和故障樹進行管理,主要包括故障樹的添加、修改和刪除等。推理機按照2.1節(jié)描述的算法生成并執(zhí)行測試診斷策略,最終定位故障,解釋器向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為,包括解釋推理結(jié)論即被測裝備發(fā)生故障的部位和原因,以及系統(tǒng)輸出其他建議。數(shù)據(jù)庫用于存放推理過程中需要的各類中間信息。接口即人機界面,能夠使用戶通過交互參與推理過程,并輸出診斷報告。

由上述分析可知,向系統(tǒng)內(nèi)添加新的被測設(shè)備時,只需要按照知識格式和規(guī)則添加相應(yīng)的故障樹分析數(shù)據(jù),不需要改動其他模塊。

3　測試診斷專家系統(tǒng)實例

以某型號衛(wèi)星通信設(shè)備為例,硬件方面開發(fā)了專用測試接口模塊,軟件方面開發(fā)了測試程序集和測試參數(shù)數(shù)據(jù)庫。統(tǒng)計該設(shè)備故障樹信息,并通過知識管理模塊將其加入診斷專家系統(tǒng)知識庫。測試診斷系統(tǒng)實物如圖4所示。

圖4　測試診斷系統(tǒng)實物圖

分別使用該測試診斷系統(tǒng)和人工測試方法對該型號設(shè)備整機和8個主要板件的22項性能指標(biāo)進行測試。對比測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用測試診斷系統(tǒng)進行測試時用用時間更短,測試準(zhǔn)確度和測試精度更高。

采用更改指標(biāo)范圍、斷開電路連接器和發(fā)送BIT信息等方式注入人為故障,測試診斷系統(tǒng)能夠迅速地發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確地定位故障,故障檢測和定位的準(zhǔn)確率達(dá)到96％,從而驗證了該測試診斷系統(tǒng)的有效性,測試過程和故障分析報告如圖5所示。

圖5　測試診斷界面

4　結(jié)束語

軍用裝備的通用測試系統(tǒng)和故障診斷推理研究是一個實用性很強的領(lǐng)域,是節(jié)約很多大型裝備、系統(tǒng)裝備的開發(fā)成本的重要途徑。本文提出了一種具有通用性的測試診斷專家系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,提出了具有開放性的軟、硬件架構(gòu)和基于故障樹分析法的測試診斷策略,并以某衛(wèi)星通信設(shè)備為例對該系統(tǒng)的功能進行了驗證。案例分析表明,本文提出的方案是切實可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳偉平,唐金元,岳曉彩, 等.基于自動測試的智能故障診斷系統(tǒng)研究[J] .現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2010（6）: 69-72.

[2]舒正平,姚戰(zhàn)軍,郭盟.我軍裝備維修保障管理法規(guī)體系建設(shè)研究[J] .裝備學(xué)院學(xué)報, 2012, 23（3）: 22-25.

[3]金鑫,任獻(xiàn)彬,周亮.智能故障診斷技術(shù)研究綜述[J] .國外電子測量技術(shù), 2009, 28（7）: 30-32.

[4] NIU Xin, ZHAO Xiao-xia. The study of fault diagnosis the high-voltage circuit breaker based on neural network and expert system [ J] . Procedia Engineering, 2012（29）: 3286-3291.

[5] DOKAS I M, KARRAS D A, PANAGIOTAKOPOULOS D C. Fault tree analysis and fuzzy expert systems: Early warning and emergency response of landfill operations [J] . Environmental Modelling and Software, 2008, 24（1）: 8-9.

Design and Realization of Universal Test Diagnosis Expert System

NAN Shu-jun, LI Hong-zhe
（Nanjing Panda Handa Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, China）

Abstract:Automatic test and fault diagnosis system can greatly improve the efficiency of the equipment maintenance, save development costs and effectively use test resources. The design scheme and key technology of the universal test diagnosis expert system are discussed. And the hardware and software architectures of the system are designed. Besides, the test diagnosis strategy based on fault tree analysis is designed, and the function of the system is verified by the example of a satellite communication equipment.

Key words:automatic test；fault diagnosis；fault tree analysis；diagnosis expert system

作者簡介：南淑君（1984-），女，新疆塔城人，南京熊貓漢達(dá)科技有限公司助理工程師，碩士，從事軟件設(shè)計工作。

收稿日期：2015-06-29修回日期：2015-12-29

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.010

中圖分類號：TP 182

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）01-0044-04