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1、1998年2月中国空间科学技术37第1期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY基于故障树分析法的故障诊断专家系统于海文(北京控制工程研究所,北京100080)摘要介绍了一个应用于卫星控制系统的基于故障树分析法的故障诊断专家系统,并描述了此专家系统的基本设计构想及实现方法。该系统既能完成不精确性逻辑推理,又能实现动态知识的过程描述,还能完成必要的复杂的数值计算。该系统也可以应用于其他领域的故障诊断。主题词控制系统故障树形图分析专家系统卫星1前言在航天器运行期间对其可能发生的故障进行预报和对已发生的故障进行检测、诊断是十分必要的。
2、对卫星控制系统的故障诊断,单靠数据处理的传统故障诊断方法是不可能完全胜任的,还会遇到检测手段受限、信息不全和信息不准确的情况,而建立智能化的专家系统是解决这一问题的新途径。故障树分析法是对可能造成系统故障的各种因素进行分析,从而确定各种故障因素的组合方式及传播途径。由于卫星控制系统及其部件往往存在着多种可能的故障模式和不同的故障程度,必须采用多状态故障树进行故障分析。1)处理分系统级的多个故障模式。将每一个故障模式作为控制系统故障顶事件的输入事件,用逻辑或门连接,从而将问题归结为仅有一个故障顶事件的情形来处理。2)处理元部件级的多个故障模式。将每个故障
3、模式作为一个故障事件,它只可能发生或不发生,根据多元布尔变量两两互不相容和全部可能的状态组成完备事件组的性质,采用多元布尔变量来描述每个故障事件的状态,因此,同一部件的多个故障模式之间是两两互不相容的。3)对建好的故障树采用了模块分解的方法。每个模块构成一个模块子树,可单独进行定性和定量分析,且对每个模块子树用一个等效的虚设的底事件来代替,即将顶事件与各模块之间的关系转换为顶事件与底事件之间的关系,使故障树规模减小。专家系统在实际应用中主要对动态系统的知识获取瓶颈问题,较难保证获得知识的完整性;如将故障树分析法与专家系统有机结合,既发挥了专家系统的故障
4、诊断快速有效性特点,又利用故障树分析法增强了诊断知识的获取,从而保证了诊断知识的完整性。收修改稿日期:1997-06-1038中国空间科学技术1998年2月2双自旋卫星章控系统故障诊断专家系统(SCDES)图1SCDES结构图2.1SCDES结构知识库:存放专家经验知识(外部形式表现为规则)和诊断原理性知识(外部形式表现为故障树)。知识获取系统:用户利用SCDES内部编辑器输入专家知识。知识库管理系统:对规则和故障树进行各种操作(增、删、标准化处理等)。推理机制:采用元控制策略进行目标求证。中间结果库:存放推理过程中产生的中间结果和推理过程中人机对话时
5、用户提供的信息,为系统推理提供必要的信息。解释机制:对规则和故障树提供必要的注释,记录推理路径和对目标求证过程提供解释。人机接口:采用窗口式结构和菜单操作,实现人机信息交流。数据库:存放当前检测数据和历史状态记录。控制程序:协调SCDES系统各模块的工作。1998年2月中国空间科学技术39应用程序库:存放对有关数据进行必要的处理和推理过程中完成数值计算的各种应用程序(函数)。人机联合诊断系统:采用对话框方式要求用户回答SCDES系统在推理过程中提出的某些问题,可加快问题求解的进程。2.2SCDES知识库知识库由规则和故障树组成。规则有故障规则、元规则和
6、计算规则三种。故障树是故障诊断的知识模型,它记载故障源的特性、故障决策和求证该故障源所需的目标结点。(1)规则在实际故障诊断过程中,因专家经验知识而总结出规则的各个前提条件的重要程度不尽相同,为此在SCDES系统规则的前提条件中引入了重要度概念。它是前提诸条件中某一条件在所有前提条件中对于确定结论成立所起的重要程度的度量,由领域专家给出。1)故障规则故障规则用来查找故障底事件。〈故障规则〉∷=〈规则名〉〈规则特性〉IF〈前件1〉{imp(e1)}AND〈前件2〉{imp(e2)}…〈前件n〉{imp(en)}THEN〈结论〉〈CF值〉其中〈规则名〉∷=
7、〈字符串〉〈规则特性∷=〈字符串〉〈前件〉∷=〈谓词公式〉
8、〈过程函数〉
9、〈置信度〉〈过程函数〉∷=〈过程结点名〉〈过程序号〉〈过程函数指针〉〈返回值〉〈参量组〉〈置信度〉〈参量组〉∷=〈参数个数〉〈参数1〉…〈参数n〉〈参数i〉∷=〈谓词公式〉i=1,2,…,n〈过程结点名〉∷=〈字符串〉〈结论〉∷=〈谓词公式〉〈置信度〉〈CF值〉∷=规则置信度imp(ei)∷=证据ei的重要度2)元规则元规则用来求证故障子树的顶事件所对应的目标结点。〈元规则〉∷=〈规则名〉〈规则特性〉IF〈前件1〉{imp(e1)}AND〈前件2〉{imp(e2)}…〈前件n〉{
10、imp(en)}THEN〈结论〉〈CF值〉其中〈规则名〉、〈规则特性〉、〈前件〉、imp(ei
