梁勇 王慶江 趙賀偉

（海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái)，264001）

0 引言

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)從機(jī)械化戰(zhàn)爭(zhēng)向信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的演變，武器裝備作為部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的物質(zhì)基礎(chǔ)，正不斷的向智能化、自動(dòng)化、精密化、復(fù)雜化方向發(fā)展。因此，保證武器裝備的戰(zhàn)備完好率并對(duì)其故障進(jìn)行快速診斷和處理，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

武器裝備故障診斷過(guò)程中，不確定性問(wèn)題占多數(shù)，這主要是因?yàn)樵\斷設(shè)備、武器裝備及其分系統(tǒng)之間存在很多不確定因素及不確定信息。

基于概率計(jì)算的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Networks,BN）具有強(qiáng)大的推理能力和處理不確定性問(wèn)題的能力，是不確定知識(shí)表達(dá)和推理領(lǐng)域較好的模型之一，比較適合處理武器裝備的故障診斷問(wèn)題[1-4]。在文中，根據(jù)武器裝備故障的實(shí)際情況，以BN為理論依據(jù)，對(duì)裝備故障進(jìn)行診斷。

1 武器裝備故障特點(diǎn)

1.1 武器裝備基本情況

具有高可靠性的武器裝備在從出廠交付部隊(duì)之后到其報(bào)廢銷(xiāo)毀之前這段時(shí)間內(nèi)，基本處于后方倉(cāng)庫(kù)貯存或一線戰(zhàn)備值班兩種狀態(tài)，其服役年限[5]一般有十幾年或幾十年。

現(xiàn)代武器裝備通常是一個(gè)機(jī)（如外殼等部件）-電（如芯片、伺服電機(jī)等）-磁（如雷達(dá)）一體化的、復(fù)雜的綜合體。為了保證戰(zhàn)備完好率，無(wú)論武器裝備處于貯存還是戰(zhàn)備值班狀態(tài)，在其服役年限內(nèi)都需要進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)和檢查-測(cè)試。因此，武器裝備的故障通常是在檢查-測(cè)試時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。

1.2 武器裝備故障特點(diǎn)

武器裝備的故障具有以下特點(diǎn)：

①故障具有復(fù)雜性特點(diǎn)。武器裝備是一個(gè)機(jī)-電-磁一體化的綜合體，因此故障可能是機(jī)械方面引起，也可能是電、磁方面引起，而且通常都是一個(gè)故障現(xiàn)象由多種原因共同引起。例如，雷達(dá)某項(xiàng)指標(biāo)超差，可能是雷達(dá)電子元件引起，可能是雷達(dá)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不到位引起，可能是測(cè)量?jī)x器故障引起，可能是測(cè)量用高頻電纜的衰減值發(fā)生變化引起，也可能是以上一種或多種原因共同作用引起。

圖1 武器裝備測(cè)試聯(lián)接圖

②機(jī)械故障較少，易發(fā)現(xiàn)并排除。武器裝備不論是在倉(cāng)庫(kù)中貯存或在戰(zhàn)備值班，通常很少移動(dòng)，因此機(jī)械方面引起的故障較少。而且，機(jī)械故障多是意外磕碰等原因產(chǎn)生的外表?yè)p傷（易發(fā)現(xiàn)和處理），或是機(jī)械部件質(zhì)量原因或外力過(guò)大引起的損壞（設(shè)備拆解后更換新部件即可），這些故障都易發(fā)現(xiàn)和處理。

③電、磁方面故障是武器裝備的主要故障，難發(fā)現(xiàn)并處理。電子元件的性能受環(huán)境影響較大，武器裝備的服役年限較長(zhǎng)，因此在其服役后期經(jīng)常出現(xiàn)由于電子器件失效引起的故障。而且，此類(lèi)失效的電子器件在外觀上基本上與正常電子器件相似，不易被發(fā)現(xiàn)。

④服役年限后期裝備故障較多。與民用品相似，武器裝備的故障多出現(xiàn)在服役年限后期。

⑤測(cè)試電纜和測(cè)試插頭座也有可能引發(fā)武器裝備出現(xiàn)測(cè)試“故障”。為了保持武器裝備處于正常工作狀態(tài)，需要定期對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。通常都采用“一（一套測(cè)試設(shè)備+一套測(cè)試電纜）對(duì)多（多套武器裝備）”的配置方式，這導(dǎo)致了測(cè)試設(shè)備/電纜被頻繁使用。在測(cè)試設(shè)備/電纜和武器裝備的服役年限前期問(wèn)題較少，但在后期，由于測(cè)試電纜和靠近武器裝備側(cè)的測(cè)試插頭座被頻繁移動(dòng)及插撥，極有可能使電纜內(nèi)部導(dǎo)線斷開(kāi)或電纜與插頭座的焊點(diǎn)斷開(kāi)或電纜插頭與武器裝備插座間連接的插針彎曲/變形，使武器裝備與測(cè)試設(shè)備間的測(cè)試信號(hào)不能正常傳遞，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果異常，武器裝備出現(xiàn)“故障”（對(duì)于此“故障”，將測(cè)試設(shè)備斷電后重新接電纜及插頭座即可排除）。這種由測(cè)試電纜/插頭座引起的“裝備故障”，也是武器裝備日常維護(hù)保養(yǎng)時(shí)常見(jiàn)的故障之一。

2 BN模型

2.1 BN基礎(chǔ)

BN是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖[6][7]（Directed acyclic graph, DAG），如圖2所示。它使用節(jié)點(diǎn)變量表達(dá)各個(gè)信息要素，如圖中節(jié)點(diǎn)變量 、 等；各節(jié)點(diǎn)之間如有關(guān)聯(lián)（因果關(guān)系），則用一條有向邊從“原因”節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）指向“結(jié)果”節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)），如圖中節(jié)點(diǎn) （“原因”，父節(jié)點(diǎn)）指向 （“結(jié)果”，子節(jié)點(diǎn)）的有向邊；節(jié)點(diǎn)間的有向邊表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以用條件概率表(Conditional Probabilities Table,CPT)來(lái)定性的反映節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，如節(jié)點(diǎn) 與節(jié)點(diǎn) 之間的CPT（ ， ）；在網(wǎng)絡(luò)中，有些節(jié)點(diǎn)處于某種狀態(tài)的概率在沒(méi)有其它信息存的情況下可以通過(guò)以前的經(jīng)驗(yàn)或記錄而獲得，這些被稱(chēng)之為先驗(yàn)概率，如、。

圖2 BN結(jié)構(gòu)圖

2.2 貝葉斯推理

貝葉斯推理主要指的是概率公式、乘法公式、全概率公式和貝葉斯公式，這些在相關(guān)書(shū)籍中可以查到，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。

1）條件概率公式：

2）乘法公式：

3）全概率公式：

4）貝葉斯公式：

3 基于BN的武器裝備故障診斷方法

3.1 武器裝備故障分析

總的來(lái)說(shuō)，引起武器裝備故障的原因可以分為裝備自身故障和測(cè)試設(shè)備故障（包括測(cè)試電纜）兩大類(lèi)。人為操作失誤也會(huì)引發(fā)故障，但這種故障可歸納為設(shè)備故障，例如“操作不當(dāng)使插頭與插座沒(méi)有完全聯(lián)接而導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)試故障”可歸為設(shè)備接口故障。

測(cè)試設(shè)備一般由激勵(lì)源（電源、信號(hào)源）、信號(hào)轉(zhuǎn)接/處理模塊、信號(hào)監(jiān)控/顯示設(shè)備、測(cè)試計(jì)算機(jī)和顯示器、機(jī)柜、測(cè)試軟件等組成。測(cè)試設(shè)備最易出現(xiàn)故障的是信號(hào)源，主要表現(xiàn)為其發(fā)出的信號(hào)不穩(wěn)或超差導(dǎo)致武器裝備測(cè)試報(bào)錯(cuò)。測(cè)試設(shè)備不但需要發(fā)送/接收大量的各種模擬/數(shù)字信號(hào)，還需將其進(jìn)行濾波/采樣/轉(zhuǎn)換，因此通訊接口不通導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正常、及時(shí)的傳送也是其常見(jiàn)故障。此外，測(cè)試計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，其將不能正常開(kāi)機(jī)或工作，測(cè)試不可能進(jìn)行，因此不考慮“測(cè)試計(jì)算機(jī)故障”。

雖然測(cè)試設(shè)備對(duì)武器裝備的測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、項(xiàng)目較多、耗時(shí)較多，但是整個(gè)測(cè)試流程均嚴(yán)格按照一定步驟串行/并行進(jìn)行：首先是武器裝備的電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等各分系統(tǒng)按一定順序進(jìn)行單元級(jí)的、局部的串行測(cè)試；然后電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各分系統(tǒng)相互配合、協(xié)同工作，模擬武器裝備的實(shí)際工作過(guò)程，從而進(jìn)行全局的并行測(cè)試。因此，武器裝備出現(xiàn)故障需要考慮其全系統(tǒng)，但對(duì)于一個(gè)具體的故障現(xiàn)象，只需考慮個(gè)別的、局部的分系統(tǒng)即可，例如，武器裝備出現(xiàn)雷達(dá)靈敏度超標(biāo)的故障，我們只需要考慮雷達(dá)系統(tǒng)等，最多關(guān)聯(lián)電氣系統(tǒng)，但絕對(duì)不會(huì)認(rèn)為與其動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)。

總之，對(duì)武器裝備故障進(jìn)行診斷時(shí)，需要考慮其自身的各分系統(tǒng)，以及測(cè)試設(shè)備電纜和測(cè)試設(shè)備。

3.2 基于BN模型的武器故障診斷

3.2.1 故障診斷

由3.1節(jié)分析可知，武器裝備的測(cè)試是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。如果將武器裝備及測(cè)試設(shè)備作為一個(gè)整體使用BN進(jìn)行故障診斷，會(huì)需要較多的參數(shù)，一方面可能影響到診斷的準(zhǔn)確性；另一方面還將導(dǎo)致BN的層級(jí)較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，當(dāng)有以前沒(méi)有出現(xiàn)的新故障出現(xiàn)時(shí)，只能對(duì)原BN結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使BN故障診斷的實(shí)時(shí)性和通用性較差。因此，在本文中以其各分系統(tǒng)（例如：電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等），作為研究對(duì)象，根據(jù)各系統(tǒng)特點(diǎn)分別建立互不干擾的、用于其故障診斷的BN。下面，以武器裝備的“測(cè)高裝置測(cè)試出現(xiàn)故障”為例，進(jìn)行BN設(shè)計(jì)。

武器裝備的測(cè)高裝置實(shí)質(zhì)上是一型特殊雷達(dá)，它的發(fā)射/接收天線安裝于裝備外表面。測(cè)試時(shí)：在測(cè)高裝置發(fā)射/接收天線的外表面使用螺釘固定安裝一套（測(cè)試設(shè)備的）發(fā)射/接收微帶天線用以發(fā)送/回收測(cè)高裝置的高頻探測(cè)/回波信號(hào)；微帶天線通過(guò)各自的高頻電纜（發(fā)射：8號(hào)電纜，接收：9號(hào)電纜）使探測(cè)/回波信號(hào)到達(dá)測(cè)試設(shè)備的測(cè)高裝置控制箱中；測(cè)高裝置控制箱通過(guò)7號(hào)電纜接收/回送控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、電源到武器裝備測(cè)試設(shè)備機(jī)柜中。

根據(jù)3.1節(jié)分析及實(shí)際情況可知，測(cè)試裝置出現(xiàn)故障的部位主要在下三個(gè)方面:

1）測(cè)試設(shè)備自身故障。主要有：測(cè)試設(shè)備的測(cè)高裝置控制箱內(nèi)部故障（如高度延遲線故障）；測(cè)試設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部通訊接口故障，導(dǎo)致接收/發(fā)送信號(hào)失??；

2）測(cè)試電纜故障。主要有：由于頻繁使用導(dǎo)致電纜與插頭或插座之間焊點(diǎn)斷開(kāi)；由于經(jīng)常插、拔7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)電纜，使插頭、座內(nèi)插針彎曲、變形，使其的針、孔處于虛連接狀態(tài)；發(fā)射/接收微帶天線安裝錯(cuò)誤。例如：本該是發(fā)射/接收微帶天線對(duì)應(yīng)測(cè)高裝置的發(fā)射/接收天線，而實(shí)際上安裝成了發(fā)射/接收微帶天線對(duì)應(yīng)測(cè)高裝置的接收/發(fā)射天線，或者將本應(yīng)同向向前的微帶天線安裝成了一個(gè)向前、一個(gè)向后（兩個(gè)微帶天線的安裝螺孔一致，即使是安裝方向反，也能安裝上）。此外，微帶天線安裝不緊固或沒(méi)對(duì)準(zhǔn)發(fā)射/接收天線也是可能導(dǎo)致測(cè)試出現(xiàn)故障。

3）測(cè)高裝置故障。測(cè)高裝置安裝于武器裝備內(nèi)部，其故障主要有：電子元器件失效，導(dǎo)致電路板不能正常工作，這在武器裝備服役年限后期尤為明顯；測(cè)高裝置機(jī)柜內(nèi)電路板與發(fā)射/接收天線間連線斷線，這在頻繁進(jìn)行戰(zhàn)備值班的武器裝備中出現(xiàn)的較多。

圖3 用于測(cè)高裝置測(cè)試故障的BN模型

3.2.2 故障診斷的BN模型

通過(guò)上述分析，可得用于武器裝備中測(cè)高裝置測(cè)試故障的BN模型，見(jiàn)圖3所示。其中，BN各節(jié)點(diǎn)變量表達(dá)的含義見(jiàn)表1所示。

接下來(lái)需要給出各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率及節(jié)點(diǎn)間的CPT。測(cè)高裝置測(cè)試故障BN中各節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率及節(jié)點(diǎn)間的CPT主要是日常工作總結(jié)及對(duì)其工作原理的分析所得。

首先確定BN中各父節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)概率。根據(jù)1.2節(jié)的分析可知，故障的原因與其服役年限有直接的關(guān)系（文中的測(cè)高裝置處于其服役年限末期），并且各節(jié)點(diǎn)都是二值變量（1:正常，無(wú)故障；0：異常，故障），根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及故障統(tǒng)計(jì)可得其先驗(yàn)概率，見(jiàn)表2所示。

表2 BN中各父節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率

下一步需要確定各節(jié)點(diǎn)間的CPT。實(shí)際上，各節(jié)點(diǎn)間的CPT也是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及故障統(tǒng)計(jì)得出；此外，各節(jié)點(diǎn)間故障互不影響，符合貝葉斯的條件獨(dú)立性假設(shè)。表3為節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B1之間的CPT，其它節(jié)點(diǎn)之間的CPT與其類(lèi)似。

表1 BN各節(jié)點(diǎn)變量含義

表3 節(jié)點(diǎn)B1的CPT

根據(jù)2.2節(jié)的貝葉斯推理及3.2.2節(jié)的BN節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率和CPT，可得到測(cè)高裝置測(cè)試出現(xiàn)故障的BN初始狀態(tài)，見(jiàn)圖4所示。

4 基于BN模型的武器裝備故障診斷實(shí)例

下面用一個(gè)實(shí)例對(duì)武器裝備測(cè)高裝置測(cè)試故障的診斷進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 BN的初始狀態(tài)

武器裝備在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)“測(cè)高裝置靈敏度超差”的故障提示。對(duì)于此故障，首先需要診斷出故障的部位，然后進(jìn)行處理。根據(jù)2.1節(jié)、3.2節(jié)知識(shí)，將“測(cè)高裝置靈敏度超差”的信息(即：P(A=0)=1)輸入到圖4的BN初始狀態(tài)中，BN會(huì)將此信息向各節(jié)傳播從而完成各節(jié)點(diǎn)的更新，見(jiàn)圖5所示。

由圖4-1所示的BN各節(jié)點(diǎn)變化后狀態(tài)可知， “測(cè)高裝置靈敏度超差”最有可能的原因是B2出現(xiàn)故障（“測(cè)試電纜工作出現(xiàn)故障”，P(B2=0|A=0) =0.7032），而其更深層的原因是C4出現(xiàn)故障（“電纜-插頭/插頭座出現(xiàn)故障”，P(C4=0|A=0)=0.3858）。因此，對(duì)“測(cè)高裝置測(cè)試出現(xiàn)故障”診斷的結(jié)果是：最有可能出現(xiàn)故障的原因是“電纜-插頭/插頭座出現(xiàn)故障”；接著可能的原因是“微帶天線安裝故障”(P(C5=0|A=0)=0.0372）；第三個(gè)可能是“測(cè)試電纜出現(xiàn)故障”(P(C3=0|A=0)=0.0341）。此外，故障的原因也可是以上一個(gè)或多個(gè)原因同時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)致。

圖5 出現(xiàn)故障信息后的BN

診斷出故障原因，需要對(duì)故障進(jìn)行處理。以最有可能原因?yàn)槔幚矸椒ㄊ牵盒枰匦虏褰与娎|頭。具體做法是：①檢查與控制箱和微帶天線高頻插頭連接的8號(hào)、9號(hào)電纜是否斷線或與設(shè)備的連接不好；②檢查與控制箱和測(cè)試設(shè)備連接的7號(hào)電纜是否斷線或與設(shè)備的連接不好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析武器裝備故障特點(diǎn)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在處理不確定性問(wèn)題優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的武器裝備故障診斷的方法，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)武器裝備故障進(jìn)行診斷的可行性和有效性。