基于測(cè)試信息不完備條件下航空電子設(shè)備故障診斷

郝 瑞 深圳航空有限責(zé)任公司

基于測(cè)試信息不完備條件下航空電子設(shè)備故障診斷

郝 瑞 深圳航空有限責(zé)任公司

基于測(cè)試信息不完備條件下航空電子設(shè)備故障診斷是診斷學(xué)中的一個(gè)重要分支，其基于粗糙集理論，分析診斷信息、儀器參數(shù)之間的相關(guān)性，建立知識(shí)集合，用等價(jià)的元素替換不完備的信息，構(gòu)建決策樹(shù)，找到可能的故障源。在國(guó)外與之相關(guān)的綜合診斷技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)研究者較少，局限性較大，研究有待深入。

航空；電子設(shè)備；故障診斷；信息不完備診斷學(xué)

隨著系統(tǒng)控制的復(fù)雜化、智能化程度越來(lái)越高，航電設(shè)備的集成規(guī)模也越來(lái)越大，設(shè)備的故障報(bào)告率大幅提高。航空電子設(shè)備是系統(tǒng)的核心控制部件，目前多為集成印刷電路板作為功能模塊單元，出于航空安全的考慮，重要的模塊，還需要多余度的設(shè)計(jì)以互為備份。而故障的發(fā)生往往可能起源于模塊上微小的電子元件故障。對(duì)于航空電子設(shè)備而言，準(zhǔn)確的故障診斷，不僅能保證安全有效的運(yùn)行，還能大大降低維修的成本。故航空電子設(shè)備故障診斷技術(shù)是航空工業(yè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，也是各個(gè)零部件修理廠商的技術(shù)核心。

目前，故障診斷方法可分為基于信號(hào)處理、基于解析模型以及基于系統(tǒng)知識(shí)三類(lèi)。航空電子設(shè)備十分復(fù)雜，包含大量的元素，故障診斷初檢通過(guò)后，需要經(jīng)過(guò)完整的整機(jī)測(cè)試診斷，但因很多原因，有時(shí)獲得的信息與現(xiàn)實(shí)情況存在較大出入，從而導(dǎo)致診斷不準(zhǔn)確。本次研究簡(jiǎn)要概述基于測(cè)試信息不完備條件下航空電子設(shè)備故障診斷策略。

1 .理論基礎(chǔ)

信息不完備是指診斷系統(tǒng)中的某個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)丟失、不完全或不確定，導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)不完整。 Kryszkiewiez等認(rèn)為采用粗糙集理論是處理不完全信息的有效手段，其實(shí)際上一種基于參數(shù)診斷方法策略，通過(guò)構(gòu)建不完整的決策樹(shù)，表示故障樹(shù)，通過(guò)合適的算法來(lái)確定最可能出現(xiàn)不模糊信息的故障，從而診斷故障，其需要深入分析實(shí)際系統(tǒng)行為和預(yù)測(cè)行為系統(tǒng)行為之間不一致的原因者，從而找到可能的故障源[1]。理論上，越是復(fù)雜的儀器設(shè)備，內(nèi)部診斷參數(shù)相互之間的聯(lián)系便越復(fù)雜，與此同時(shí)可以獲得的診斷信息也越多，缺失部分的信息對(duì)整個(gè)檢測(cè)信息的影響也明顯減弱，缺失部分能夠被知識(shí)集中其它等價(jià)元素取代，通過(guò)挖掘知識(shí)結(jié)合，能夠處理不精確以及模糊信息，為模糊診斷創(chuàng)造了條件。

2. 不完全信息條件下航空電子設(shè)備故障診斷國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

2.1 國(guó)外進(jìn)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)孔探等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)以及智能機(jī)測(cè)試等技術(shù)成熟。飛機(jī)的數(shù)字化程度提高，同時(shí)機(jī)載系統(tǒng)、飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)也飛速發(fā)展。以上都推動(dòng)了飛行器診斷信息學(xué)發(fā)展，可以獲得診斷信息越來(lái)越多。如波音747-400采用狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)邏輯方程進(jìn)行故障診斷，空客的飛機(jī)電子中央飛機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（ECAM）和飛機(jī)綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)（AIDS）。

美國(guó)Deb博士等人率先提出了從信號(hào)多維屬性出發(fā)，分析系統(tǒng)原理、功能，確認(rèn)信號(hào)以及檢測(cè)信號(hào)之間的因果關(guān)系，將系統(tǒng)中的材料流、能量流、信息流、故障添加到組成模塊中，多信號(hào)模型可提供被診斷系統(tǒng)的測(cè)試性、診斷分析特性，從而合理安排測(cè)試幫助提高故障診斷效應(yīng)，在這樣的系統(tǒng)中，部分信號(hào)的丟失會(huì)有其他關(guān)聯(lián)信號(hào)補(bǔ)充[2]。 Deb博士等成立的QSI公司基于這種模型開(kāi)發(fā)了TEAMS工具箱，并用于UH-60通用直升機(jī)的故障診斷。NASA下屬的Ames研究中心的診斷引擎通過(guò)根據(jù)待診斷對(duì)象的定性模型和輸入?yún)?shù)計(jì)算當(dāng)前理論預(yù)測(cè)值，而后通過(guò)檢測(cè)獲得實(shí)際觀測(cè)值，對(duì)比兩者差異，采用廣義約束傳播、模糊集等方法獲得最小的沖突集，通過(guò)最佳的搜索策略，生成故障候選集。實(shí)際上在國(guó)外測(cè)試信息不完全條件下的故障診斷已早早的用于太空科技領(lǐng)域，發(fā)展數(shù)十年基本成熟，成為綜合診斷的組成部分。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

禹航等[3]認(rèn)為粗糙集僅能處理完全信息系統(tǒng)，對(duì)描述知識(shí)不確定性問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單。其所在的團(tuán)隊(duì)嘗試構(gòu)建了一種基于沖突信息條件下的裝備故障診斷方法，其構(gòu)建了近似于表示空間的策略，采用沖突診斷信息系統(tǒng)描述故障信息，對(duì)其屬性進(jìn)行約檢，設(shè)計(jì)了包含度的針對(duì)完全信息對(duì)象的故障診斷策略，針對(duì)不完全信息對(duì)象采用向量補(bǔ)齊的策略，將其用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷，結(jié)果顯示其有效的提高故障診斷準(zhǔn)確率。翟穎燁等[4]嘗試基于ATE故障診斷系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種通用的故障診斷系統(tǒng)軟件，其采用XML語(yǔ)言編寫(xiě)了所需以及產(chǎn)生信息的模型，結(jié)合粗糙集、故障樹(shù)分析方法，嘗試構(gòu)建了某類(lèi)型飛機(jī)電子對(duì)抗設(shè)備綜合測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框架。 ATE測(cè)試設(shè)備，是國(guó)內(nèi)航電系統(tǒng)部件故障測(cè)試的主流測(cè)試方法。不得不提的是，目前ATE測(cè)試設(shè)備的測(cè)試準(zhǔn)確性，完全受制于測(cè)試模型的構(gòu)建和語(yǔ)言的編寫(xiě)。這將取決于機(jī)載航電設(shè)備的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和國(guó)內(nèi)的研發(fā)水平，對(duì)于國(guó)內(nèi)運(yùn)行的主流民航客機(jī)來(lái)說(shuō)，此模塊核心技術(shù)基本由國(guó)外部件制造廠商掌握。因而國(guó)內(nèi)達(dá)不到足夠的檢測(cè)和維修深度，檢測(cè)維修均停留在高一級(jí)的零部件上，這也導(dǎo)致了高的維修成本。從整體來(lái)看，我國(guó)基于測(cè)試信息不完備條件下的診斷研究相對(duì)滯后，研究人員少，局限性較大。

基于以上的現(xiàn)狀，電子設(shè)備的診斷依然有可提升的方面。現(xiàn)在機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均具備自測(cè)功能（bite），該功能不僅保障系統(tǒng)工作的正確，也能在系統(tǒng)內(nèi)部失效時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)信息到電子設(shè)備的存儲(chǔ)器NVM中，對(duì)于部件自帶NVM數(shù)據(jù)的解讀，將彌補(bǔ)測(cè)試設(shè)備的不完善?；谙到y(tǒng)知識(shí)，通過(guò)分析建立模型，將NVM中提供的信息應(yīng)用于設(shè)備的診斷中。

3.小結(jié)

基于測(cè)試信息不完備條件下航空電子設(shè)備故障診斷的關(guān)鍵在于構(gòu)架診斷知識(shí)的獲取模型，通過(guò)合適的算法構(gòu)建基于特征關(guān)系的粗糙集拓展模型，對(duì)診斷信息表進(jìn)行規(guī)則提取，同時(shí)對(duì)特征值進(jìn)行離散化處理，提高決策規(guī)則的準(zhǔn)確性。另外基于系統(tǒng)知識(shí)對(duì)NVM數(shù)據(jù)的解讀，也是有效的提高診斷準(zhǔn)確性的方法。

[1] Kryszkiewicz.M. Rough set approach to incomplete information system[J]. Information Sciences, 1998, 12(2)∶ 39-49.

[2] Shen.L.T, Francis.E.H, Qu.L.S. Fault diagnosis using rough sets theory[J]. Computers in Industry, 2000, 43(1)∶ 61-72.

[3] 禹航,胡雷剛，肖明清.沖突信息條件下的裝備故障診斷方法[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(6)∶1583-1586.

[4] 翟穎燁，周越文，梁學(xué)明，等.ATE中的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，15(1)∶24-28.