基于PMA的IETM 故障诊断系统设计

便携式维修辅助设备（Portable Maintenance Aids, PMA）主要用于装备的现场实时维修，为维修人员提供一定的维修支持。因此，故障诊断是其最重要的一项功能，固化在PMA中的交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manual, IETM）作为PMA软件系统的主要组成部分，其中的故障诊断系统必不可少。为此，本文设计了一种IETM 故障诊断系统，用以实现PMA的故障诊断功能。该系统分为基于专家系统的维修向导模式、故障自动诊断模式以及远程维修协同支持系统等三个组成部分。

1. 基于专家系统的维修向导模式

专家系统（Expert System）是一个具有大量专门知识的程序系统。它应用人工智能（Artificial Intelligence, AI）技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识进行推理，通过模拟人类专家作决定的过程来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。专家系统的第一个重要组成部分是知识库，它存储着从专家那里得到的、关于某个领域的专门知识。专家系统的第二个组成部分是推理机，它具有依据一定的策略进行推理的能力，即能够根据知识推导出结论，也可以根据已有案例指导维修人员进行排故。该诊断模式可帮助维修人员通过检查，试机等途径直接发现故障。

1.1知识库的构造

根据知识库信息量大，数据使用频繁的特点，本系统采用XML技术来实现和建立知识库。基于S1000D标准的IETM公共源数据库也是由XML文档构成的，因而采用XML技术也可方便整个系统的制作。由于XML文档是作为文本来编辑的，故可以把XML文档作为一个普通的文本文件直接存储在文件系统中，此方法实现简单，并且不需要专门的数据库系统或者存储管理器，在每次访问XML文档时，只需要先对其进行解析即可。

XML文档是基于文本格式的，它的最基本构成包括XML声明、处理指令和XML元素三部分。另外，还可以有注释，元素中还可以包含属性或者子元素等。XML声明一般出现在文档的开头部分，包括版本号、可能的语言编码、可选的文档类型定义（DTD）等。XML文档中的元素是XML标记的基本组成部分，它必须有起始标记符和对应的结束标记符，而且应逐层嵌套。属性是元素的性质，用于表述元素的开始标签内的信息，由＜？和？＞字符组界定。XML中的注释以＜！——开始，以——＞ 结束，它可以出现在文档的任何位置。

故障库将故障信息、故障原因和维修方法一一对应。为提高搜索效率、简化搜索程序，本文对设备各个测点的故障信息进行了统一编号，并建立了格式统一的故障知识库，其结构如图1所示。该知识库清晰地描述了测试设备故障的相关信息，其中包括故障编号、故障原因和维修方法。以某故障为例建立的部分XML故障知识库的优码如下：

＜？＝ｎｌ　ｖｅｒｓｉｏｎ＝"１．０" ｅｎｃｏｄｉｎｇ＝"ｇｂ２３１２" ？＞

＜ｘｍｌ＞＜Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｂａｓｅ＞

＜ｉｔｅｍ＞

＜ｉｄ＞１＜／ｉｄ＞

     ＜ｎａｍｅ＞故障１＜／ｎａｍｅ＞

     ＜ｅｒｒｏｒ＞扫描线扫完全屏后，图像只集中在扫描线根部，显示错误＜／ｅｒｒｏｒ＞

     ＜ｃａｕｓｅｏｆｅｒｒｏｒ＞接收机故障＜／ｃａｕｓｅｏｆｅｒｒｏｒ＞

     ＜ｍｅｔｈｏｄ＞更换接收机＜／ｍｅｔｈｏｄ＞

＜／ｉｔｅｍ＞

＜ｉｔｅｍ＞

＜ｉｄ＞故障２＜／ｉｄ＞

……

＜／ｉｔｅｍ＞

＜／Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｔｍｓｅ＞＜／ｘｍｌ＞

1.2推理机的设计

推理机是基于知识库进行工作的，推理机可分为两个部分，一个部分是根据已有案例引导维修人员按照案例的步骤进行维修和排故。另一部分是在没有相同案例的情况下，根据故障现象，寻找相似案例或进行推理，为维修人员提供一个或多个解决方法。维修人员可以先使用第一部分的功能，如果不能排除故障，再利用第二部分进行分析，进而排除故障。

实现第一部分功能的方法：可以直接对故障现象进行匹配搜索，若发生的故障现象与已有案例中的描述相同，系统则直接从知识库中调用该案例的数据，并显示给维修人员。实现第二部分功能则需要经过多个步骤。首先要将故障信息与已有案例进行匹配，案例匹配度大于某一阈值，则提取案例。然后，将提取的案例置于规则库下进行推理，以便生成初步的排故方案。如果没有匹配案例，则直接调用思想库来生成初步排故方案。最后，由维修人员在初步排故方案制定的基础上进行加工，以得到最终的排故方案。推理机的设计流程如图2所示.

2. 故障自动诊断模式

故障自动诊断模式是通过PMA与设备互联，并通过下载故障代码或直接对系统进行测试来得到故障信息，维修人员可根据故障信息给出排故方案。主要功能包括信号设置、信号标定、数据采集、曲线显示、文件操作、分析诊断等。

信号设置包括试验前设置和试验后设置两种，前者可以添加、修改、删除信号，或对各路信号的名称、单位、信号幅值、采集通道、激励电压、低通滤波、画笔颜色以及热电偶类型进行设置，后者则是设置采集评价点数、画笔颜色、热电偶类型和是否进行前零修正。

信号标定是就对采集的各路信号进行标定，从而得到采集值与物理量值的计算参数，以及系统的线性、滞后、重复和使用精度等参数。设置时首先选择要标定信号，包括信号的名称、单位、信号幅值、采集通道、传感器编号，以及上次标定系数、标定零点和标定时间；然后设置标定台阶（1～10）和标定循环次数（1～3），并设置是否标定回程，选择各标定台阶，输入相应的标定值；最后加载进行标定，并记录标定值。

数据采集模块可在线采集参数，数据采集完成或中止后，系统将自动保存数据采集结果到SQL数据库的相应表中。采集过程中或完成数据采集后，可进行数据曲线的查看和对比。系统应同时显示多条曲线，以便进行曲线分析和对比。曲线可以进行水平或垂直拉伸，也可以进行局部放大，还可以自动调整幅值到最大显示区；在曲线显示区移动鼠标时，应有当前时间和当前物理量的坐标值。

文件操作管理包括初始数据、标定数据、采集数据和备份数据等文件。

2.1数据采集模块的实现

通用数据采集模块通常由主控制器FPGA、AD转换器和多路模拟开关等组成。FPGA即现场可编程逻辑门阵列，它内部资源丰富，可以达到比PLD更高的集成度，具有更复杂的布线结构和逻辑实现，因而可广泛地应用在数据采集、自动控制、通讯等各个领域。在系统采集模块的设计中，通过使用FPGA技术，可以大大降低系统的功耗和体积，从而满足系统低功耗、携带方便等要求。

2.2诊断过程

该诊断模式的特点是具有双向性。一是由设备到PMA，即故障代码下载，系统根据故障代码通过查询数据库或知识库，给出排故方案。二是由PMA到设备，即系统测试，维修人员通过手动设置频点、标定信号等手段可对设备进行测试，然后通过曲线显示、数字显示等方式得到测试结果，系统将测试结果与数据库或知识库中的相应数据进行对比，从而生成排故方案。

3. 远程维修协同支持系统

基于CSCW(Computer Supported Cooperative Work)技术的装备远程维修协同支持信息系统，可以通过异地和异(同)步的交流活动，弥补传统诊断方式的不足，使各地专家在规定的时间段内对一个装备的故障现象进行远程协同诊断，从而提高装备维修的效率。在这个系统中，远程协同诊断的专家来自不同的专业，协同的方式主要是基于在线讨论、音（视）频、共享维修信息等。

该系统集成了网络摄像机和Wi-Fi技术，可通过无线局域网与维修支援中心进行联系，主要实现以下功能：

（1）通过Wi-Fi技术实现维修现场与维修支援中心间的信息传输；

（2）音（视）频信息的采集处理；

（3）装备基本信息与维修信息的数据信息查询；

（4）交互式远程诊断。

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是ＩＥＥＥ所定义的无线通信标准IEEE802.11，它是一种无线局域网的标准。在有线局域网的基础上通过无线HuB、无线访问节点AP、无线网桥、无线网卡等设备实现无线通信。在PMA核心处理器中，可以加入网络摄像头、麦克风、耳机等视音频组件。通过摄像头则可以传输维修现场实时图像，也可以将现场维修实况通过照片、视频等多媒体形式传输给远程计算机，以便于专家更好地指导排故。作为IETM数据库的核心，XML文档在网络传输中有着无可比拟的优势，它能使装备基本信息的传输与维修数据信息的查询更加便利。

4. 结 语

本文将三种故障诊断的方式融合于PMA中，形成了全新的IETM 故障诊断系统，增强了IETM系统的诊断能力。三种诊断方式相互联系，相互补充，使得PMA的作用更加强大。该系统可以对武器装备的大部分故障进行诊断，具有一定的推广意义。