劉洪政,普承恩,胡 洲,賴玉敏,曹 海,崔允紅,黃 松
(四川航天系統(tǒng)工程研究所,成都 610100)
隨著武器裝備的發(fā)展,彈上電氣系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試任務(wù)呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)量大、測(cè)試項(xiàng)目雜、參數(shù)種類多的特點(diǎn),測(cè)試數(shù)據(jù)判讀是保證電氣系統(tǒng)質(zhì)量性能的重要一環(huán),有助于問(wèn)題的排查,對(duì)故障進(jìn)行定位。目前在彈上電氣系統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試工作方面,主要依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀及復(fù)查,不僅工作量大、效率低,而且容易造成人為判讀遺漏和偏差。因此,迫切需要在彈上電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)判讀過(guò)程中引入自動(dòng)判讀,提高判讀效率和判讀質(zhì)量。
針對(duì)人工進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)判讀的不足,近年來(lái)有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀研究,取得了顯著成果。陳二雷等針對(duì)制導(dǎo)彈藥的測(cè)試數(shù)據(jù)人工判讀時(shí)間長(zhǎng),誤判概率大等不足,根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn)對(duì)各物理量參數(shù)進(jìn)行分類并設(shè)計(jì)了判讀規(guī)則,依據(jù)該判讀規(guī)則可對(duì)物理參量是否合格進(jìn)行自動(dòng)判斷,最后將判讀結(jié)果生成測(cè)試報(bào)告,提高了測(cè)試效率和判讀的準(zhǔn)確性。為提高數(shù)據(jù)判讀的實(shí)時(shí)性、完整性、準(zhǔn)確性,韓璐分析試飛測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn),建立通用判讀規(guī)則,設(shè)計(jì)試飛數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀系統(tǒng),具備快速判讀、詳細(xì)判讀、異常診斷的功能,很大程度提高對(duì)飛行結(jié)果的綜合分析評(píng)估能力。陳策等為了提高運(yùn)載火箭遙測(cè)參數(shù)起始電平的判讀效率和覆蓋性,更好地滿足高密度測(cè)試的需求,基于LabVIEW平臺(tái)和ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一款遙測(cè)參數(shù)起始電平自動(dòng)判讀軟件,該軟件融合了數(shù)據(jù)庫(kù)模型、自動(dòng)判讀、包絡(luò)分析、實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警等多個(gè)功能,可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)參數(shù)全波道數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)試?;輫?guó)娟等從測(cè)試數(shù)據(jù)的復(fù)雜性出發(fā),對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的判讀比對(duì)和統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行了研究,提高了產(chǎn)品全壽命周期產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)分析和判讀能力。此外,曹永梅、吳婧等針對(duì)衛(wèi)星控制系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和判讀難點(diǎn),開展了測(cè)試數(shù)據(jù)判讀規(guī)則、判讀方法和判讀系統(tǒng)研究,提高了測(cè)試效率和判讀的準(zhǔn)確性。
以上多種判讀方法的研究,提高了測(cè)試數(shù)據(jù)的判讀效率和判讀準(zhǔn)確性。然而,針對(duì)時(shí)序臺(tái)階量尤其是大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量的研究依舊較少。周輝峰等提出了中值濾波算法實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階參數(shù)和脈沖參數(shù)的濾波平滑處理,并采用雙邊多點(diǎn)閾值判斷方法與符號(hào)判讀方法相結(jié)合的臺(tái)階識(shí)別算法,實(shí)現(xiàn)了臺(tái)階的自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別,但存在兩點(diǎn)不足:第一,該方法對(duì)于數(shù)據(jù)的邊界點(diǎn)未作處理,當(dāng)臺(tái)階量出現(xiàn)在邊界點(diǎn)處會(huì)導(dǎo)致閾值矩陣下標(biāo)溢出,無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別出臺(tái)階量;第二,該方法的閾值取值需要依靠經(jīng)驗(yàn)獲取,因此在大基數(shù)臺(tái)階量測(cè)試數(shù)據(jù)判讀中,當(dāng)不同量級(jí)的臺(tái)階幅值同時(shí)存在時(shí),取值不合適則會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階量漏判。
因此針對(duì)彈上電氣系統(tǒng)大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量測(cè)試數(shù)據(jù)開展自動(dòng)判讀方法研究,提出了時(shí)序差分矩陣判別和臺(tái)階幅值映射兩步方法,分別實(shí)現(xiàn)臺(tái)階量的準(zhǔn)確識(shí)別和大基數(shù)的臺(tái)階自動(dòng)判讀,以提高大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量的判讀效率和判讀準(zhǔn)確性。
時(shí)序臺(tái)階量主要由彈上電氣系統(tǒng)控制時(shí)序決定。實(shí)際工程測(cè)試中發(fā)現(xiàn),由于某些指令的特殊性,時(shí)序臺(tái)階量中往往存在控制指令基數(shù)大而指令之間數(shù)值相差小的臺(tái)階量,導(dǎo)致不同量級(jí)的指令混合在一起,這類數(shù)據(jù)通常具有時(shí)序性、基數(shù)大、跳變復(fù)雜的特點(diǎn),將具有上述特點(diǎn)的臺(tái)階量稱為大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量。大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量示意如圖1所示。
圖1 大基數(shù)臺(tái)階量示意圖
由圖1可得,大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量測(cè)試數(shù)據(jù)具有以下一些特點(diǎn):
1)臺(tái)階指令是嚴(yán)格按照時(shí)序產(chǎn)生的,不會(huì)在時(shí)間上產(chǎn)生跳躍,因而具有時(shí)序性的特點(diǎn)。
2)部分臺(tái)階指令幅值較大,而部分臺(tái)階的指令幅值較小,由于小量級(jí)與大量級(jí)臺(tái)階同時(shí)存在,臺(tái)階數(shù)量多,且在時(shí)序上緊鄰,若依靠人工進(jìn)行大基數(shù)數(shù)據(jù)判讀,則很難在數(shù)據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)量級(jí)較小的臺(tái)階指令。
3)不同臺(tái)階指令的持續(xù)時(shí)間不同,一些指令持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),而一些指令持續(xù)時(shí)間較短,導(dǎo)致了臺(tái)階測(cè)試數(shù)據(jù)的跳變復(fù)雜,人工判讀時(shí),對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的臺(tái)階容易判斷,而持續(xù)時(shí)間較短的臺(tái)階則容易漏判。
大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階參數(shù)判讀的原理是首先準(zhǔn)確尋找測(cè)試原數(shù)據(jù)中的每一個(gè)臺(tái)階量,并對(duì)每一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行標(biāo)記和保存,然后將臺(tái)階量與指令庫(kù)進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果按照幅值映射規(guī)則進(jìn)行映射,將映射結(jié)果保存和顯示,最后制作判讀報(bào)表,輸出判讀結(jié)果。
在上述過(guò)程中,關(guān)鍵在于大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量的準(zhǔn)確識(shí)別和臺(tái)階幅值正確性的自動(dòng)判讀,根據(jù)大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階參數(shù)判讀的原理,將自動(dòng)判讀過(guò)程分為3個(gè)模塊:第1部分為臺(tái)階量識(shí)別模塊;第2部分為幅值映射模塊;第3部分為判讀結(jié)果顯示模塊。大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量自動(dòng)判讀總體方案如圖2所示。
在臺(tái)階量識(shí)別模塊中,主要完成原始測(cè)試數(shù)據(jù)的臺(tái)階量識(shí)別,保存和記錄臺(tái)階量的時(shí)間、幅值等信息,為后續(xù)工作做準(zhǔn)備;在臺(tái)階幅值映射模塊中,主要對(duì)所識(shí)別到的臺(tái)階量,完成臺(tái)階參數(shù)的正確性判讀以及幅值映射任務(wù);在判讀結(jié)果可視化顯示中,主要完成判讀結(jié)果報(bào)表的制作,幅值映射結(jié)果的可視化顯示任務(wù)。
圖2 大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量自動(dòng)判讀總體方案
為準(zhǔn)確識(shí)別出每一個(gè)時(shí)序臺(tái)階參數(shù),針對(duì)大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階參數(shù)的特點(diǎn)提出時(shí)序差分矩陣判斷法,該方法可檢測(cè)到數(shù)據(jù)中的所有跳點(diǎn),并結(jié)合判斷規(guī)則對(duì)跳點(diǎn)進(jìn)行判斷,能準(zhǔn)確識(shí)別出臺(tái)階量。
假設(shè)一組電氣系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)按照時(shí)序排列為{,,,…,},其中為測(cè)試數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。大基數(shù)臺(tái)階識(shí)別具體步驟如下:
1)查找跳點(diǎn)
由于臺(tái)階量的第一個(gè)周期數(shù)值相對(duì)于前一個(gè)周期數(shù)值具有跳變的特征,因此要實(shí)現(xiàn)臺(tái)階量的識(shí)別,應(yīng)該首先查找原始數(shù)據(jù)中的跳點(diǎn)。查找跳點(diǎn)的方法為:
按照時(shí)序遍歷原始測(cè)試數(shù)據(jù),將第(+1)個(gè)數(shù)據(jù)與第個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,即+1-,若|+1-|>,則將+1標(biāo)記為跳躍點(diǎn),其中=1,2,…,-1;為判斷數(shù)據(jù)+1是否為跳點(diǎn)的條件閾值。
為了避免對(duì)大基數(shù)臺(tái)階量的漏判,閾值的確定應(yīng)當(dāng)根據(jù)預(yù)先裝訂的指令庫(kù)進(jìn)行確定,指令庫(kù)由一組各不相同的指令值按照時(shí)序排列組成,設(shè)指令庫(kù)為:
(1)
式中:為指令的個(gè)數(shù);代表產(chǎn)生指令所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。則有:
(2)
式中:=2,3,…,;=1,2,…,-1。
2)創(chuàng)建核窗口
當(dāng)在測(cè)試數(shù)據(jù)中查找到跳點(diǎn)+1后,創(chuàng)建一個(gè)核窗口。創(chuàng)建方法是以+1為中心,取其前后對(duì)稱周期的數(shù)據(jù)賦值給核窗口,為后續(xù)計(jì)算時(shí)序差分矩陣做準(zhǔn)備。則核窗口為:
{,,…,}=
{-(-3)2,…,,+1,+2,…,+(+1)2}
(3)
式中:為核窗口大小,為保證核窗口中心對(duì)稱,為奇數(shù)。的取值決定了后續(xù)臺(tái)階量識(shí)別的準(zhǔn)確度其值需要根據(jù)臺(tái)階量的特點(diǎn)來(lái)確定;的大小決定了差分矩陣的大小,若取值太大,將導(dǎo)致差分矩陣維數(shù)增大,從而使自動(dòng)判讀速度減慢,因此取5~9。
當(dāng)核窗口的大小確定下來(lái)之后,將源數(shù)據(jù)按照時(shí)序賦值給核窗口,然后進(jìn)行臺(tái)階量判斷,判斷完成之后,繼續(xù)尋找下一個(gè)跳點(diǎn),直至遍歷完所有測(cè)試數(shù)據(jù)為止。假設(shè)檢測(cè)到+1為跳點(diǎn),則核窗口工作原理如圖3所示:
圖3 大小為m的核窗口工作原理
3)核窗口越界處理
從圖3中可看出,核窗口的工作原理是將核窗口中心點(diǎn)之后的元素與中心點(diǎn)之前的元素分別進(jìn)行差分。需要注意的是,當(dāng)<(+1)2-1以及>-(-1)2-1時(shí),即跳點(diǎn)+1位于測(cè)試數(shù)據(jù)的邊界處時(shí),核窗口與源數(shù)據(jù)無(wú)法對(duì)齊,將導(dǎo)致核窗口的賦值越界,以=5為例,核窗口越界示意圖如圖4所示。
圖4 m=5的核窗口越界示意圖
為了避免越界,核窗口取值時(shí)需進(jìn)行如下處理:
(4)
4)求解時(shí)序差分矩陣
時(shí)序差分矩陣是根據(jù)核窗口大小來(lái)進(jìn)行計(jì)算的,計(jì)算原理是核窗口中跳點(diǎn)之后的數(shù)據(jù)與跳點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)分別差分,假設(shè)核窗口的時(shí)序差分矩陣為,則時(shí)序差分矩陣計(jì)算如下:
當(dāng)(+1)2-1<<-(-1)2-1時(shí):
(5)
當(dāng)<(+1)2-1時(shí),核窗口左越界:
(6)
當(dāng)>-(-1)2-1時(shí),核窗口右越界:
(7)
5)時(shí)序差分矩陣映射
時(shí)序差分矩陣是由一系列核窗口數(shù)據(jù)之間的偏差量組成,為了直觀反映出偏差量的正負(fù)情況,引入映射函數(shù),將時(shí)序差分矩陣中的元素通過(guò)映射關(guān)系映射到指定域中,映射函數(shù)設(shè)計(jì)如下:
假設(shè)自變量為,為閾值條件,映射域?yàn)閇-1,0,1],則有:
(8)
結(jié)合閾值條件將時(shí)序差分矩陣通過(guò)映射函數(shù)映射為差分映射矩陣,其中的元素根據(jù)式(8)可表示為:
=()
(9)
式中:=1,2,…,;=1,2,…,(-);為時(shí)序差分矩陣的行數(shù)。
6)求解映射矩陣判讀規(guī)則
為便于差分映射矩陣的判讀,根據(jù)矩陣中的映射值情況,將其中的所有元素求和并設(shè)置相應(yīng)判斷規(guī)則:
(10)
規(guī)則的作用原理是:若差分映射矩陣中值為1的元素個(gè)數(shù)等于所有元素總個(gè)數(shù),則可判定為上跳臺(tái)階,=1;若差分映射矩陣中值為-1的元素個(gè)數(shù)等于所有元素總個(gè)數(shù),則可判定為下跳臺(tái)階,=-1;其他情況則可判定為不是臺(tái)階,=0。完成了臺(tái)階量的識(shí)別,臺(tái)階參數(shù)識(shí)別算法原理如圖5所示。
圖5 臺(tái)階參數(shù)識(shí)別算法原理
臺(tái)階量識(shí)別完成后,應(yīng)對(duì)臺(tái)階的正確性進(jìn)行判斷,臺(tái)階正確性判斷包含兩個(gè)部分,一部分是幅值正確性判斷,另二部分是時(shí)間正確性判斷。為了使輸出結(jié)果直觀易判,提出臺(tái)階幅值映射方法,將大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階參數(shù)判讀結(jié)果按照一定規(guī)則進(jìn)行映射,幅值映射的原理如下:
將識(shí)別到的各個(gè)臺(tái)階參數(shù)幅值記為集合,則幅值映射的基本原理就是將中的元素按照對(duì)應(yīng)法則映射到集合當(dāng)中去,集合稱之為映射域,記為:→。映射規(guī)則設(shè)計(jì)如下:
(11)
式中:為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間;為實(shí)測(cè)臺(tái)階值;為臺(tái)階的序號(hào);為第個(gè)臺(tái)階出現(xiàn)的時(shí)間;Δ為出現(xiàn)第個(gè)臺(tái)階的時(shí)間偏差;為第個(gè)臺(tái)階的期望值。
式(11)的具體原理是:根據(jù)預(yù)先裝訂的指令庫(kù)查找當(dāng)前實(shí)測(cè)的臺(tái)階值,若在指令庫(kù)中未找到當(dāng)前臺(tái)階值,則認(rèn)為臺(tái)階幅值異常,將臺(tái)階幅值映射為-1;若在指令庫(kù)中找到當(dāng)前臺(tái)階值且當(dāng)前時(shí)間在期望的時(shí)間范圍內(nèi),則認(rèn)為臺(tái)階幅值正常,將臺(tái)階幅值映射為;若在指令庫(kù)中找到當(dāng)前臺(tái)階值但當(dāng)前時(shí)間不在期望的時(shí)間范圍內(nèi),則認(rèn)為臺(tái)階時(shí)間異常,將臺(tái)階幅值映射為0。因此,臺(tái)階量判讀結(jié)果為正常時(shí),(,)=;臺(tái)階量判讀結(jié)果為臺(tái)階幅值異常時(shí)(,)=-1;臺(tái)階量判讀結(jié)果為臺(tái)階時(shí)間異常時(shí)(,)=0。臺(tái)階幅值映射原理如圖6所示。
圖6 臺(tái)階幅值映射原理
為對(duì)判讀算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)某導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)配電器指令碼測(cè)試數(shù)據(jù)開展了自動(dòng)判讀試驗(yàn)驗(yàn)證工作,分別包括臺(tái)階識(shí)別算法驗(yàn)證和臺(tái)階幅值映射算法驗(yàn)證兩部分,預(yù)先裝訂的配電器指令如表1所示。
表1 指令表
取時(shí)序差分矩陣的閾值為=0.8,根據(jù)配電器指令碼測(cè)試數(shù)據(jù)的特點(diǎn)將核窗口大小=5,Δ=0.1 s。臺(tái)階自動(dòng)識(shí)別結(jié)果如圖7所示。
圖7 時(shí)序臺(tái)階指令識(shí)別結(jié)果
圖7(a)原始測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)序臺(tái)階指令識(shí)別結(jié)果;圖7(b)為上跳臺(tái)階識(shí)別結(jié)果以及放大圖,當(dāng)原始數(shù)據(jù)由32 807到35 623變化時(shí),臺(tái)階識(shí)別標(biāo)識(shí)由0到1突變,在指令無(wú)變化區(qū)域,標(biāo)識(shí)為0;圖7(c)為下跳臺(tái)階識(shí)別結(jié)果以及放大圖,當(dāng)原始數(shù)據(jù)由35 623到32 836變化時(shí),臺(tái)階識(shí)別標(biāo)識(shí)由0到-1突變,在指令無(wú)變化區(qū)域,表識(shí)為0;圖7(d)為非臺(tái)階跳點(diǎn)識(shí)別結(jié)果以及放大圖,當(dāng)原始數(shù)據(jù)由35 637到65 535變化以及由65 535到35 637變化時(shí),臺(tái)階識(shí)別標(biāo)識(shí)為0未發(fā)生變化。通過(guò)圖片數(shù)據(jù)分析可以得出,所提出的時(shí)序差分矩陣法能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出了大基數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)中的所有臺(tái)階量以及臺(tái)階類型,并且自動(dòng)判別出了非臺(tái)階量,避免了異常跳點(diǎn)對(duì)臺(tái)階識(shí)別的影響。
在臺(tái)階識(shí)別的基礎(chǔ)上,進(jìn)行大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量幅值映射驗(yàn)證,分為正常測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證和異常測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。
圖8 臺(tái)階幅值映射結(jié)果
表2 異常數(shù)據(jù)判讀報(bào)表
正常數(shù)據(jù)的幅值映射結(jié)果如圖8(a)所示,21個(gè)臺(tái)階和21個(gè)非零時(shí)序指令按照時(shí)間順序依次完成動(dòng)作,且幅值依次增大。異常數(shù)據(jù)的幅值映射結(jié)果如圖8(b)所示,指令隨時(shí)間不是依次增大,存在2個(gè)-1指令(指令異常)和3個(gè)0指令(指令正常,時(shí)間異常),具體異常情況在后續(xù)報(bào)表中詳細(xì)說(shuō)明。
圖8(a)為正常指令映射結(jié)果,與表1中的指令數(shù)據(jù)一致,故不再列出判讀報(bào)表。圖8(b)的判讀報(bào)表如表2所示,報(bào)表內(nèi)容包括指令序號(hào)、時(shí)間、指令值、相對(duì)時(shí)間、臺(tái)階類型、映射值、判讀結(jié)論等。表2中臺(tái)階1和臺(tái)階13均為指令異常,指令序號(hào)顯示為“無(wú)”,代表此臺(tái)階指令不屬于指令庫(kù)中的指令值,因此判定為指令異常;臺(tái)階2、臺(tái)階6、臺(tái)階14的幅值分別對(duì)應(yīng)了指令庫(kù)中的指令2、指令5、指令12,均屬于指令庫(kù)中的指令,但相應(yīng)的時(shí)間不在指令庫(kù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間范圍內(nèi),因此判定為時(shí)間異常。
通過(guò)臺(tái)階幅值的映射,將大基數(shù)指令自動(dòng)映射到指定域中,使配電器測(cè)試數(shù)據(jù)中的每個(gè)指令的正確性都能直觀顯示,不會(huì)由于指令基數(shù)較大而影響判讀,可解決容易誤判和漏判的問(wèn)題,大幅提高判讀效率。
將判讀算法用于某型號(hào)電氣系統(tǒng)綜合試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明,在20個(gè)時(shí)序指令條件下,自動(dòng)判讀時(shí)間不大于10 s,人工判讀時(shí)間不小于5 min,判讀效率顯著提升。
針對(duì)彈上電氣系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的大基數(shù)時(shí)序臺(tái)階量的特點(diǎn),提出了時(shí)序差分矩陣判別和幅值映射兩步判讀方法,該方法可自動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別臺(tái)階量并使臺(tái)階參數(shù)按照映射法則自動(dòng)映射到映射域,使判讀結(jié)果直觀清晰,解決了人工對(duì)時(shí)序臺(tái)階量容易誤判和漏判的問(wèn)題。為驗(yàn)證所提判讀方法的正確性,進(jìn)行了數(shù)據(jù)判讀試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法有效可行,有效提高了判讀效率。