基于IETM的交互式故障诊断模式研究
引 言
IETM具有良好的人机交互优势，通过表达推理，并按照用户模型、领域模型、任务模型、 对话模型和媒体模型来实现人机交互。基于IETM的故障诊断通过交互式故障诊断模式可以实现面向对象领域的故障诊断方法和面向数据的故障诊断方法的有效结合，克服单纯机器认识固有的局限性，并能够通过人机界面与用户交流询问的方式对装备故障逐步进行深入诊断，从而大大提高诊断的灵活性和效率。
基于IETM的交互式故障诊断模式是指一个具体故障的排除过程在体验上以交互式对话方式来呈现，是一种具有交互功能的故障信息支持程序，可以人性、高效、智能、便捷地指导用户进行故障诊断和维修维护。 交互式故障诊断模式从功能上分为交互式故障显示模式、交互式故障查询模式、交互式故障推理模式。
１ 交互式故障显示模式
交互模式为人机信息交换的概括化方式，而显示属性在交互模式中起到关键作用。交互 式故障显示模式方便用户与IETM系统进行高效交互，实现便捷输入故障现象，将现场的装备故障情况与显示界面上提示的故障征兆、故障现象进行直观比较确认查询关键词，逐步查找定位故障，调用视频动画指导维修等。 用户通过观察来理解IETM界面的含意，同时对比自己的意图，然后根据自己的判断操作IETM并与之进行交互。这一过程是用户学习的过程， 也是交互实现的必要条件。因此，交互式故障显示的关键就是要求IETM界面设计要符合用户的认知特性和操作特性，以减少用户学习、查找故障的难度，实现用户与IETM之间顺畅的交互，更加舒适、人性化地显示故障诊断步骤。IETM交互界面能够根据任务和用户的不同自动调整所要执行的步骤和每个步骤相关信息， 并全程记录用户使用系统的过程， 如导航和参数选择，并通过一个简单的加权算法进行计算，以使用户模型随着系统的使用持续更新的，从而更好地实现个性化交互显示和导航。
1.1 交互式界面设计
用户通过显示界面与IETM进行交互，显示界面的优劣直接影响到用户的使用效果。为 了设计友好而又人性化的IETM显示界面，必须考虑用户具有知识、视听能力、智能、记忆能力、可学习性以及易遗忘、易出错等特点，为IETM显示界面的分析和设计提供依据及参考。IETM的交互显示界面要有形象的表达能力，故障显示应图文并茂、重点突出、显示有序、颜色适当、风格一致。
IETM交互显示界面应具有控件式整体布局，像故障查询、信息导航、辅助维修、远程专家支援等功能只需点击鼠标或键盘操作即可轻松完成，跟踪出现的智能提示信息也可以让用户随时清楚自己的操作情况。显示界面中应显示登录、查询、列表、输入、修改、删除等信息处理手段，实现“所见即所得”。
1.2 交互式故障信息显示
故障信息包括故障报告和隔离步骤。其中，故障报告部分的故障标识、故障状态信息描述以及测试检验过程信息要显示给用户。隔离步骤包括预先定义的故障隔离程序与动态生 成的故障隔离程序，其显示应符合以下要求：
（1）预先定义的故障隔离步骤应由一个特定的固定程序和用来隔离检测到故障的测试操作组成。这些预先定义的故障隔离程序代表了人工故障隔离的给定的故障树，并应基于故障现象报告、告警或是前面测试的一个结果。在显示下一步程序、测试或改正维修动作之前， 需要测试或观察结果的输入。预先定义的故障隔离信息应以程序信息来表示。程序步骤应包含测试指导、观察要求和改正修理动作。通过对话框说明或页内跳转的方式用来引导操作的动作。
（2）动态故障隔离信息是交互式的显示。系统的动态故障隔离应以典型的描述形式（如功能模块图、连接模块图、图标形式）显示当前诊断对象及其故障的相关信息。 主要有：所有子系统的模块图、整个测试和维修程序、故障现象和零部件。通过显示一系列相关故障信息，为用户提供可选择的选项， 引导用户最终隔离、排除故障。诸如：最佳测试和最佳修理清单、在发现并排除故障过程中执行过的动作、测试结果和模块图。
2、交互式故障查询模式
S1000D定义，IETM除了按照装备系统／子系统／设备(SNS)的层次结构目录直接查询 技术信息以外，还应提供关键词检索、组合检索、全文检索、跨库检索、上下文检索，以及适用性过滤等交互式查询功能。交互式故障查询模式主要是利用对话框功能，用户与IETM直接对话，一问一答，逐步深入，IETM通过对用户输入故障相关描述信息的分析，快速理解用户的查询意图，在海量的信息资源中帮助用户快速定位故障信息，找到故障原因，解决信息“迷航”难题。IETM根据用户需求所确定的输入信息，查询CSDB及相关数据库，返回查询结果。用户在与IETM 交互过程中，可以通过动态地修改查询输入，并对查询结果进行筛选，从而在充分考虑穷尽性和专指性的基础上，有效提高故障信息查询的查准率和查全率，满足用户的故障查询要求。
2.1 面向XML文档的交互式故障查询
XML是一种结构化的文档，具有明显的结构标记，可表达一定的语义信息。由于其简 单、开放、高效且可扩充的优点，IETM标准明确规定将XML作为其技术信息的描述语言。IETM根据用户提交的相关故障查询条件，在数据模块集合中查询出最符合用户需求的故障信息，这一过程就是对XML文档进行交互查询的过程。
面向XML文档的交互式故障查询利用XML文档具有明显的结构标记可以更加准确地表述用户的故障信息需求， 即用户查询由内容关键词和结构约束组成， 称之为结构化查询， 或“内容＋ 结构”的查询。这可以充分发挥结构化查询语言的XPath、XQuery的优势，通过利用XML文档的结构信息增强用户与IETM的交互，提高故障查询的精准度。
如图１所示为故障类数据模块的XMLSchema结构图，内容部分主要有故障报告、故障隔离、警告注意和引用四部分组成。其中，故障报告用于对故障主要特征进行描述，明确故障的位置情况；故障隔离用于故障的排除，进一步通过故障诊断明确故障位置的情况， 描述故障诊断过程。
故障报告信息来源于装备的中央监控系统、装备的机内自检设备以及装备使用和保障人员感官获取，方便熟练的技术人员能够准确分析报告信息，以便选择适用的故障隔离信息。 根据故障处理状态的不同，故障报告信息可分为已隔离的故障、已检测到的故障信息、已观 察到的故障和相关联故障四类信息。 例如用户可以结合装备运行实际根据自己的经验和判 断，在查询故障过程中输入“故障现象描述”的关键词以及“已隔离的故障”的标签，这样 可以快速准确地查询到故障诊断结果，并通过操作IETM调用修理程序。
故障隔离信息能识别和描述故障并给出诊断路径，以便隔离故障，主要包含有一般信息、 前置要求和故障隔离程序等子元素。用户在进行故障查询的过程中根据自己的需要，结合XML文档的标签输入查询内容，从而准确查询测试、维修、诊断所需人员设备、耗材、安全条件等方面的信息。
2.2 个性化故障查询
面向XML文档的查询需要用户对装备故障及IETM结构有深入的了解，对于一般用户来讲需要更加便捷、智能的查询方式。实际上，用户开始时故障查询的意图并不一定非常清晰，并且大多情况下用 户很难准确描述自己的查询目标，在查询过程中随着对返回结果的理解，逐渐修改和调整查询方向。而且用户的需求是多样化的，不同的用户可能输入相同的故障查询信息，但实际需要可能有很大的不同。因此个性化故障查询就是要主动了解用户意图，掌握用户个性化信息，避免大量的无用浏览，并有效解决解决查询中用户信息需求表达模糊的问题。
个性化故障检索实质上就是一种以用户需求为中心的信息服务，IETM依据用户对信息的个性化差别需求，智能的提供给用户具有针对性的检索策略、界面及相关信息，由用户自己选择定制，并由系统智能分析，以提供有相近用户模型特点信息的检索。IETM结合用户输入查询信息实时给出可能故障信息联想供用户选择，并能够智能分析用户先后输入关键词之间的联系，不断引导用户进行查询，从而提高了检索的效率，是一种以自然语言为接口， 交互式问答、理解用户的查询系统。
交互式故障查询很重要的一点就是要实时采集用户个性化信息，为用户提供针对性的服务，以满足用户个性化的查询要求。采集用户个性化信息的策略有隐式与显式两种，隐式信息搜集一般从用户访问行为中获取能够反映用户兴趣背景的数据，不需要用户参与；显式搜集需要用户参与，用户通过对查询结果的反馈与IETM交互，自动或人工筛选出更合适的查询词，然后将这些词加入到查询语句中或被赋予一定的权重用以进一步的查询。个性化故障查询通过逐步挖掘用户的需求特征，以加强和改善查询结果的质量和效率，提高查询精度和用户满意度。
3 交互式故障推理模式
交互式故障推理模式以基于IETM的故障诊断专家系统为核心，结合故障特征、测试结果以及用户经验进行全面系统的分析，通过内部程序流引导或是根据用户的指令去获取测试跳转条件，逐步深入地推理、检测，从而隔离定位故障。具有机器学习的能力、并预留有故障诊断流程的扩展接口，可以在使用中不断优化已存在的诊断流程，而且可以方便地增加新的诊断流程，实现测试系统的自我丰富与完善。 通过人的实时参与，让整个故障推理过程更加符合人思维和推理的习惯，提高诊断效率。
3.1 交互式故障推理机制
交互式故障推理主要采用基于规则推理和人的判断相结合的混合模式，利用各自优点， 实现多层次、多深度诊断知识的推理。交互式故障推理机制主要分为两类：
（1）将用户的输入故障征兆进行格式化、标准化的调整，作为诊断规则的前提部分，同 IETM知识库进行匹配，若匹配成功，则执行规则的动作部分。动作部分既可以使用变量为表达式赋值控制诊断进程，又可以是某一结论，直到得出诊断结论或规则库被穷尽为止。
（2）设计一系列有内在逻辑关系的问题， 根据用户对上一问题的回答，经过分析、推理、判断，向用户提出下一问 题。IETM基于已经获得的测试数据，综合规则推理和用户经验，提出下一步要测试或判断的步骤， 如此循环得到最终诊断结论。测试判断可以根据需求及诊断情况不同将自动测试判断与人工测试判断有机结合起来或独立运用，从而增加诊断的灵活性。
交互式故障推理机制在机器推理中加入了人机交互的部分，使得诊断过程信息显示和诊断过程控制更能符合用户的习惯，避免推理的冗余和矛盾，在很大程度上可以解决“一种故障现象可能由多种故障原因导致，一种故障原因可以引起多种故障现象” 的故障推理复杂性问题。
3.2 基于诊断过程数据模块的交互式故障推理
基于IETM的故障诊断系统主要通过IETM中的故障诊断信息单元来对装备进行故障诊断。 故障诊断信息单元实质上是以故障类、 程序类数据模块为主构成的粒度更大的数据模块，即诊断过程数据模块。诊断过程数据模块主要包括前置要求、链接单元、测试单元及排故单元等四部分。其中，前置要求给出了进入诊断过程数据模块所必须满足的变量表达式； 测试单元包括了故障隔离所必须进行的检查任务以及测试结果状态描述，每次测试的结果可能是一个明确的故障，也可能是需要进一步测试的不确定故障。排故单元在诊断结束后，通过与测试单元明确故障的输出结果表达式进行匹配、计算，从而过滤冗余的信息，确定最优的故障诊断方案；链接单元为用户提供故障隔离、维修相关的文字、图片、多媒体信息。
交互式故障诊断模式主要是通过引入含有前置要求＜prelreqs＞和后置要求＜closereq＞ 的诊断规则来智能驱动诊断，当然，用户可以随时介入故 障诊断推理过程。基于IETM的故障诊断系统在诊断开始时，会要求用户在IETM交互界面上通过对话框输入故障现象，在 IETM系统内部表现为变量赋值。用户通过对话框提示在合适的时间输入合适的信息，作为执行后续过程的前置要求。通过人机交互，IETM得到一个表征故障状态的变量表达式，该表达式与CSDB中诊断过程数据模块的前置要求表达式进行匹配，根据运算结果激活唯一匹配的诊断过程数据模块。
IETM按照诊断过程数据模块逻辑流程进行故障推理。首先对发生概率最大的装备故障进行诊断测试，用户把测试结果输入IETM，同时将诊断规则前置要求激活。诊断规则前置要求中含有表征该测试所有结果的表达式，这些表达式确定了各个测试结果成立的条件。 然后，将测试结果表达式分别与诊断规则前置要求表达式进行二元运算，根据运算结果取值， 选择一个最合适的输出结果。
如果输出的结果是一个明确的装备故障，那么将进入排故单元进行故障排除。如果输出的结果还需要进一步的测试，继续下一个测试任务。为了给出确定的输出结果，保证诊断继续进行，诊断规则需要设置一个包含了赋值语句的后置要求， 用以记录当前的处理事件，保证后续信息的过滤。该后置要求在没有定位故障时，继续测试；或者在定位故障后，结束测试并进入排故单元。IETM通过与用户交互驱动故障诊断推理运行，通过变量赋值和变量表达式的匹配运算，实现故障诊断推理的信息过滤和推理决策判断，确定故障原因，完成整个交互式故障诊断推理过程。
IETM故障诊断中基于过程数据模块 的推理机制在实际的推理决策中，不需要频繁的 访问数据库，具有较好的独立性，利用过程数据模块变量定义机制，通过表达式的运算结果来判定匹配项或做出推理决策，推理过程简洁清晰。基于过程数据模块的交互式故障诊断推理过程如图2所示：
４ 系统实现
以装甲兵工程学院研制某型坦克使用与维修支持系统来展示基于IETM的交互式故障 诊断模式。 以主离合器故障为例演示整个诊断过程。首先，在查询界面输入关键词“主离 合器”，本系统支持全文查询、组合查询、SNS查询，查询结果如图3所示。
用户根据查询结果选择并启动故障诊断流程，故障隔离过程如图4所示。IETM 通过引导用户回答一系列问题，最终找到故障原因。在故障诊断测试过程中，一些较为重要或可能造成危害的测试事项以警告或注意的方式向用户提出，如果用户没有确认就不能继续进行诊断。
故障隔离后，诊断过程数据模块调用排故单元，IETM向用户展示维修过程说明，如图 5所示。用户也可以按自身需求调用相关维修视频或者查看故障部件的具体原理图，从而安全高效地进行修复。
