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地空导弹智能故障诊断的规则推理
摘要：简要介绍了故障诊断专家系统的工作机理，建立了基于规则推理的地空导弹武器系统故障诊断专家系统结构，研究了故障知识的获取与表示方法、故障诊断的推理机制和解释机制以及知识库管理与维护等关键内容。
关键词：地空导弹；规则推理；故障诊断；专家系统
中图分类号：TP182,E91 文献标识码：A
Study on Intelligent Fault Detection of Ground to Air Missile Based on Rule Inference
GAO Yong-chang, DING Yong-jun, ZHANG Peng
(Air Defense Forces Command Academy, Henan 450052，China)
Abstract: The work principle of fault detection expert system(FDES) is introduced simply in this paper, builds the structure of FDES for ground to air missile based on rule inference, studies on several key problems such as the collection and expression method of fault knowledge, the reasoning and explanation strategy of fault detection, and knowledge base management and maintenance of FDES.
Key words: Ground to air missile; Rule inference; Fault detection; Expert system
前言
故障诊断是指当系统和设备工作状态异常时，确定故障的性质和部位，寻找故障的原因并提出相应的排除措施的措施，是系统维护的重要内容。传统的故障诊断主要是系统维护人员根据当前系统信号检测结果和已有的故障诊断知识与经验进行，这种方法对一般简单系统故障诊断较为适用，但对地空导弹武器系统这样由能源、推进、弹体、引战、控制等诸子系统组成的复杂大系统显然是不行的。因此，研究新的故障诊断技术和方法，就成为提高地空导弹武器系统故障诊断效率和系统维护水平的必要途径。本文结合当前故障诊断向智能化方向发展的趋势，提出了一种基于规则推理的故障诊断专家系统方案。
1 故障诊断专家系统概述
所谓专家系统就是指利用存储在计算机内的某一特定领域的人类专家的知识，来解决需要人类专家才能解决的复杂问题的一组计算机程序。从结构组成角度来看，专家系统是一个由存放专门领域知识的知识库和一个能选择和利用知识的推理机制组成的计算机系统。如图1所示。
图1 专家系统简化原理图
故障诊断专家系统是专家系统在故障诊断领域的应用，即利用专家系统强大的知识处理能力，根据故障发生的历史和系统的结构等信息进行知识推理，从而很快作出判断和决策，因此对于复杂大系统的故障诊断优势非常明显。主要由知识库、推理机、解释器、接口等部分组成，如图2 所示。
（1）知识库：用于存储与故障相关的某系统领域知识，包括故障事实、可行操作与规则知识等。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题；知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。
（2）黑板：又称为工作存储区或全局数据库。用于存储问题求解过程中的初始数据、求解状态、中间结果、前提假设和最终诊断结果等。
（3）推理机：记忆所采用的规则和控制策略，引导整个系统以逻辑方式协调地针对全局数据库中的当前信息，搜索和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。
（4）解释器：向用户解释专家系统的行为，包括解释整个推理过程和得出的结论以及系统输出其它候选解的原因，使用户更容易接收。
（5）人机接口：又称人机界面，是专家系统与用户之间进行信息交换的媒介。使用户能够向系统输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等，还可通过人机接口为知识库提供和修改知识，通过对实际情况的归纳总结获取新的知识。系统则能够要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。
图2 故障诊断专家系统一般组成结构图
利用专家系统在进行故障诊断时，用户首先通过人机接口将故障征兆信息送给推理机，然后推理机根据诊断过程的需要，检索知识库中的各条知识并进一步向用户索取新的征兆信息，进行反复印证推理，最后将诊断结果和解释信息通过人机接口反馈给用户。根据知识处理方法（包括：获取知识、存储知识和知识推理）不同，故障诊断专家系统可分为：基于符号推理和基于数值计算两大类。其中，符号推理能够模拟人的逻辑思维，特别适合于解决需要进行逻辑推理的复杂问题，是当前智能诊断中普遍采用的方法。基于规则推理的故障诊断专家系统是基于符号推理的故障诊断专家系统的一个基本类型，其基本思想是从初始事实出发，用模式匹配技术寻找合适的产生方式，如果代入已知事实后使某产生式的前提（条件）为真，则这个产生式可以作用在这组事实上，从而推出新的事实，以此类推，直到得出结论。
2 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统
2.1 系统结构
系统结构是指系统各组成部分的构造方法和组织形式，与系统的适用性和有效性密切相关的，选择什么样系统结构，在某种程度上决定了该系统的功能和性能的优劣。根据故障诊断专家系统结构特点和工作原理，结合基于规则推理的符号诊断特性，可建立基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构，如图3所示。
图3 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构图
2.2 知识获取和表示
2.2.1 知识的获取
知识的获取是指将用于求解某专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源（人类专家、书籍文献）中抽取出来，以适当的形式加以表示，并存储到计算机（知识库）中的过程。由于拥有知识质量和数量的多少是决定专家系统诊断性能的关键因素，所以知识获取是专家系统开发研究的一个重要课题。
在基于规则推理的故障诊断专家系统中，知识获取任务由知识工程师与专家系统中的知识获取机构共同完成。知识工程师负责获取知识并用规则表示的形式把知识表示出来；知识获取机构负责把知识转换为计算机可识别的形式，然后存入知识库。知识获取过程可用图4描述如下。
图4 知识获取示意图
2.2.2 知识的表示
知识表示指将领域专家和知识工程师获取的知识转换为与诊断专家系统推理规则相适应的形式。基于规则推理系统的知识表示采用规则表示法，其基本形式是：
P Q 或者 IF P THEN Q
其中，P代表条件，如前提、状态、原因等；Q代表结果，如结论、动作、后果等。其含意是：如果前提P被满足，则可推出结论Q或执行Q所规定的动作。
如地空导弹故障诊断中表示打动机故障的知识表示：
IF（如果）：（导弹火焰不连续）AND （推进时间不满足规定）AND（出现
关键词：地空导弹；规则推理；故障诊断；专家系统
中图分类号：TP182,E91 文献标识码：A
Study on Intelligent Fault Detection of Ground to Air Missile Based on Rule Inference
GAO Yong-chang, DING Yong-jun, ZHANG Peng
(Air Defense Forces Command Academy, Henan 450052，China)
Abstract: The work principle of fault detection expert system(FDES) is introduced simply in this paper, builds the structure of FDES for ground to air missile based on rule inference, studies on several key problems such as the collection and expression method of fault knowledge, the reasoning and explanation strategy of fault detection, and knowledge base management and maintenance of FDES.
Key words: Ground to air missile; Rule inference; Fault detection; Expert system
前言
故障诊断是指当系统和设备工作状态异常时，确定故障的性质和部位，寻找故障的原因并提出相应的排除措施的措施，是系统维护的重要内容。传统的故障诊断主要是系统维护人员根据当前系统信号检测结果和已有的故障诊断知识与经验进行，这种方法对一般简单系统故障诊断较为适用，但对地空导弹武器系统这样由能源、推进、弹体、引战、控制等诸子系统组成的复杂大系统显然是不行的。因此，研究新的故障诊断技术和方法，就成为提高地空导弹武器系统故障诊断效率和系统维护水平的必要途径。本文结合当前故障诊断向智能化方向发展的趋势，提出了一种基于规则推理的故障诊断专家系统方案。
1 故障诊断专家系统概述
所谓专家系统就是指利用存储在计算机内的某一特定领域的人类专家的知识，来解决需要人类专家才能解决的复杂问题的一组计算机程序。从结构组成角度来看，专家系统是一个由存放专门领域知识的知识库和一个能选择和利用知识的推理机制组成的计算机系统。如图1所示。
图1 专家系统简化原理图
故障诊断专家系统是专家系统在故障诊断领域的应用，即利用专家系统强大的知识处理能力，根据故障发生的历史和系统的结构等信息进行知识推理，从而很快作出判断和决策，因此对于复杂大系统的故障诊断优势非常明显。主要由知识库、推理机、解释器、接口等部分组成，如图2 所示。
（1）知识库：用于存储与故障相关的某系统领域知识，包括故障事实、可行操作与规则知识等。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题；知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。
（2）黑板：又称为工作存储区或全局数据库。用于存储问题求解过程中的初始数据、求解状态、中间结果、前提假设和最终诊断结果等。
（3）推理机：记忆所采用的规则和控制策略，引导整个系统以逻辑方式协调地针对全局数据库中的当前信息，搜索和选取知识库中对当前问题求解有用的知识进行推理。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。
（4）解释器：向用户解释专家系统的行为，包括解释整个推理过程和得出的结论以及系统输出其它候选解的原因，使用户更容易接收。
（5）人机接口：又称人机界面，是专家系统与用户之间进行信息交换的媒介。使用户能够向系统输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等，还可通过人机接口为知识库提供和修改知识，通过对实际情况的归纳总结获取新的知识。系统则能够要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。
图2 故障诊断专家系统一般组成结构图
利用专家系统在进行故障诊断时，用户首先通过人机接口将故障征兆信息送给推理机，然后推理机根据诊断过程的需要，检索知识库中的各条知识并进一步向用户索取新的征兆信息，进行反复印证推理，最后将诊断结果和解释信息通过人机接口反馈给用户。根据知识处理方法（包括：获取知识、存储知识和知识推理）不同，故障诊断专家系统可分为：基于符号推理和基于数值计算两大类。其中，符号推理能够模拟人的逻辑思维，特别适合于解决需要进行逻辑推理的复杂问题，是当前智能诊断中普遍采用的方法。基于规则推理的故障诊断专家系统是基于符号推理的故障诊断专家系统的一个基本类型，其基本思想是从初始事实出发，用模式匹配技术寻找合适的产生方式，如果代入已知事实后使某产生式的前提（条件）为真，则这个产生式可以作用在这组事实上，从而推出新的事实，以此类推，直到得出结论。
2 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统
2.1 系统结构
系统结构是指系统各组成部分的构造方法和组织形式，与系统的适用性和有效性密切相关的，选择什么样系统结构，在某种程度上决定了该系统的功能和性能的优劣。根据故障诊断专家系统结构特点和工作原理，结合基于规则推理的符号诊断特性，可建立基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构，如图3所示。
图3 基于规则推理的地空导弹故障诊断专家系统结构图
2.2 知识获取和表示
2.2.1 知识的获取
知识的获取是指将用于求解某专门领域问题的知识从拥有这些知识的知识源（人类专家、书籍文献）中抽取出来，以适当的形式加以表示，并存储到计算机（知识库）中的过程。由于拥有知识质量和数量的多少是决定专家系统诊断性能的关键因素，所以知识获取是专家系统开发研究的一个重要课题。
在基于规则推理的故障诊断专家系统中，知识获取任务由知识工程师与专家系统中的知识获取机构共同完成。知识工程师负责获取知识并用规则表示的形式把知识表示出来；知识获取机构负责把知识转换为计算机可识别的形式，然后存入知识库。知识获取过程可用图4描述如下。
图4 知识获取示意图
2.2.2 知识的表示
知识表示指将领域专家和知识工程师获取的知识转换为与诊断专家系统推理规则相适应的形式。基于规则推理系统的知识表示采用规则表示法，其基本形式是：
P Q 或者 IF P THEN Q
其中，P代表条件，如前提、状态、原因等；Q代表结果，如结论、动作、后果等。其含意是：如果前提P被满足，则可推出结论Q或执行Q所规定的动作。
如地空导弹故障诊断中表示打动机故障的知识表示：
IF（如果）：（导弹火焰不连续）AND （推进时间不满足规定）AND（出现
