通用测试诊断专家系统的设计与实现

南淑君，李宏哲

（南京熊猫汉达科技有限公司,江苏　南京　210000）



通用测试诊断专家系统的设计与实现

南淑君，李宏哲

（南京熊猫汉达科技有限公司,江苏南京210000）

摘要：自动测试与故障诊断专家系统可以大幅度地提高装备维修保障效率,达到节约研发成本、有效利用测试资源的目的。探讨了通用测试诊断专家系统的设计方案和关键技术,设计了系统硬件结构和软件构架,基于故障树分析法设计了测试诊断策略,并以某卫星通信设备为例对该系统的功能进行了验证。

关键词：自动测试；故障诊断；故障树分析法；诊断专家系统

0　引言

随着测试技术和人工智能的发展,将测试与智能故障诊断、故障定位和维修分析有机结合的自动测试技术已经成为了当前军用装备维修保障领域研究的热点。测试诊断专家系统具有智能化程度高、诊断精准和操作简单等特点,能够大幅度地提高装备的综合保障能力[1]。

为了降低开发成本,提高测试资源的利用率,需要测试诊断专家系统能适应不同的设备的测试诊断需求,即实现测试诊断专家系统的通用性[2]。这一方面要求,系统必须采用开放式架构,具有良好的扩展性和可移植性。另一方面要求,必须选择合适的测试诊断策略,将测试、故障诊断和维修分析有机地结合起来。

针对上述问题,本文提出了一种满足测试诊断系统通用性要求的设计方案,并以某型号卫星通信设备为例对系统的功能进行了验证。

1　系统架构及通用性设计

测试诊断专家系统主要由主控系统、自动测试系统、诊断专家系统、图形化人机界面和测试诊断数据库等模块组成,其工作原理框图如图1所示。其中,主控系统管理测试对象,设置测试模式和参数,并通过界面完成必要的人机交互；自动测试系统根据测试模式配置测试环境,实现测试结果的采集和分析；诊断专家系统完成故障判别和故障定位。

图1　测试诊断系统原理框图

为了实现系统的通用性,对于硬件而言,就必须要实现测试仪器可互换、测试通道可配置。笔者的设计思路为采用通用总线以中心处理器为核心,设计开关矩阵管理,配置测试通道。矩阵规模可按需配置,测试仪器通过通用总线接入矩阵,被测设备通过专用的接口匹配模块接入矩阵,能灵活地选择测试仪器搭建不同规模的测试环境,改变测试通道不会影响软件工作。

对于软件而言,主要是要实现测试程序集可移植、能够兼容多种仪器仪表,软件结构和软件组件的标准化, TPS与底层仪器、硬件无关化,测试数据处理、故障诊断无关化。因此,开发软件时采用了结构化设计思想,自顶向下地将软件分为运行服务层、系统管理层、系统监测层和受控对象层4个层次,软件层次结构如图2所示。

运营服务层主要包括人机交互模块和系统运行模块,完成测试人员,即用户和测试程序之间的交互,实现测试系统的流程管理、数据处理、结果显示、组成子系统和扩展新系统等功能。系统管理层主要包括测试系统、诊断专家系统和数据库,综合管理系统的软、硬件资源；系统监测层主要由仪器驱动、设备驱动和TPS组成；TPS以动态库的形式供上层调用,通过调用驱动来控制底层仪器和模块；受控对象层即底层,是系统管理的全部硬件资源。

图2　系统软件架构

2　通用测试诊断专家系统方案

2.1基于FTA的测试诊断策略

测试的最终目的是故障诊断和维修,为了适应各类被测设备的特点,通过故障树分析法（FTA: fault tree analysis）将测试与诊断和维修联系起来。故障树分析法能够对导致故障发生的各种因素的概率和原因进行定性和定量的分析,是复杂系统故障预测和诊断的一种重要方法,广泛地适用于各种类型的设备[5]。基于FTA的测试诊断策略的生成过程如下所述。

a）通过测试来发现不正常的指标,并在数据库中查找相关故障树。

b）通过故障树的定性分析求解最小割集,找出导致顶事件发生的所有可能的故障原因,确定诊断顺序。

c）为故障树的非叶节点添加测试项目,通过测试为故障隔离和故障定位提供依据；为叶结点添加维修说明,包括维修建议、操作步骤和电路图等。

d）按照一定算法自顶向下遍历扩展后的故障树,记录检测顺序,输出测试诊断报告。

2.2测试系统设计

测试系统软件由测试选择、TPS管理软件、TPS软件和驱动4个层次构成, TPS是一系列独立的测试函数,例如:频率测试、功率测试函数等,以动态库的形式供上层调用。在测试时,测试选择软件通过将用户选择的测试项目层层解析,完成测试环境的搭建和测试通道的配置；TPS管理软件以动态库的形式调用TPS,进行测试结果读取和分析处理；TPS调用驱动来控制底层仪器和模块。

在系统中添加被测设备或测试项目时,只需要按统一的接口规格开发相应的TPS和测试数据库,不需要更改其他软件,从而保证了测试系统的通用性。测试流程如图3所示。

图3　测试流程图

2.3诊断专家系统

专家系统（expert system）是一系列智能计算机程序,典型的专家系统由知识库、推理解释模块、数据库和接口等模块构成[3]。

在诊断专家系统中,知识库中存放着故障规则和经解析的故障树信息,知识库中故障信息的数量和质量直接决定着专家系统能否成功[4]。知识管理模块负责对知识库中的规则和故障树进行管理,主要包括故障树的添加、修改和删除等。推理机按照2.1节描述的算法生成并执行测试诊断策略,最终定位故障,解释器向用户解释专家系统的行为,包括解释推理结论即被测装备发生故障的部位和原因,以及系统输出其他建议。数据库用于存放推理过程中需要的各类中间信息。接口即人机界面,能够使用户通过交互参与推理过程,并输出诊断报告。

由上述分析可知,向系统内添加新的被测设备时,只需要按照知识格式和规则添加相应的故障树分析数据,不需要改动其他模块。

3　测试诊断专家系统实例

以某型号卫星通信设备为例,硬件方面开发了专用测试接口模块,软件方面开发了测试程序集和测试参数数据库。统计该设备故障树信息,并通过知识管理模块将其加入诊断专家系统知识库。测试诊断系统实物如图4所示。

图4　测试诊断系统实物图

分别使用该测试诊断系统和人工测试方法对该型号设备整机和8个主要板件的22项性能指标进行测试。对比测试结果发现,采用测试诊断系统进行测试时用用时间更短,测试准确度和测试精度更高。

采用更改指标范围、断开电路连接器和发送BIT信息等方式注入人为故障,测试诊断系统能够迅速地发现并准确地定位故障,故障检测和定位的准确率达到96％,从而验证了该测试诊断系统的有效性,测试过程和故障分析报告如图5所示。

图5　测试诊断界面

4　结束语

军用装备的通用测试系统和故障诊断推理研究是一个实用性很强的领域,是节约很多大型装备、系统装备的开发成本的重要途径。本文提出了一种具有通用性的测试诊断专家系统的总体设计方案,提出了具有开放性的软、硬件架构和基于故障树分析法的测试诊断策略,并以某卫星通信设备为例对该系统的功能进行了验证。案例分析表明,本文提出的方案是切实可行的。

参考文献：

[1]岳伟平,唐金元,岳晓彩, 等.基于自动测试的智能故障诊断系统研究[J] .现代科学仪器, 2010（6）: 69-72.

[2]舒正平,姚战军,郭盟.我军装备维修保障管理法规体系建设研究[J] .装备学院学报, 2012, 23（3）: 22-25.

[3]金鑫,任献彬,周亮.智能故障诊断技术研究综述[J] .国外电子测量技术, 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

作者简介：南淑君（1984-），女，新疆塔城人，南京熊猫汉达科技有限公司助理工程师，硕士，从事软件设计工作。

收稿日期：2015-06-29修回日期：2015-12-29

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.010

中图分类号：TP 182

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0044-04