宋海靖 陳曉敏 張聯(lián)禾

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

隨著航空機(jī)載設(shè)備不斷集成復(fù)雜化，而外場(chǎng)維護(hù)信息化程度較低等問(wèn)題，導(dǎo)致排故成為飛機(jī)不必要停放的重要因素之一。長(zhǎng)期以來(lái)，外場(chǎng)故障診斷基本靠人工完成，機(jī)務(wù)人員依據(jù)告警信息，查閱維護(hù)手冊(cè)確定可能的隔離方法，需用替換法逐步隔離出故障件。若遇到的故障在排故手冊(cè)中無(wú)相應(yīng)索引，機(jī)務(wù)人員只能靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和智慧來(lái)診斷，主觀性強(qiáng)。本文正是基于上述思路，總結(jié)以往飛機(jī)排故實(shí)例，基于專家知識(shí)建立一個(gè)故障診斷系統(tǒng)，以期提高機(jī)務(wù)人員排故效率和飛機(jī)試飛任務(wù)率。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于故障診斷的研究較多，但實(shí)際應(yīng)用于機(jī)務(wù)維修系統(tǒng)的較少[1]，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)為西南航空開(kāi)發(fā)的“波音737飛機(jī)故障診斷與維修指導(dǎo)系統(tǒng)”。但考慮到軟件本身基于民航系統(tǒng)，且成本昂貴，加上試飛階段軍民機(jī)型號(hào)較多，各機(jī)型故障排故方法存在的不兼容性，直接引入軟件系統(tǒng)意義不大。本文建立的故障診斷系統(tǒng)，基于外場(chǎng)維修實(shí)踐，故障發(fā)生后，能基于專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)隔離方法進(jìn)行優(yōu)化決策，為機(jī)務(wù)人員提供最佳解決方案；若信息庫(kù)無(wú)此類故障，則基于IEMM分析，查找故障件線路圖，快速診斷隔離故障。

1 故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)專家系統(tǒng)原理[2-3]，本文所構(gòu)建的故障診斷專家系統(tǒng)主要組成有：基于故障信息獲取的信息庫(kù)、基于專家打分法的知識(shí)庫(kù)、基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的推理機(jī)制及IEMM人機(jī)界面等部分，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 基于專家經(jīng)驗(yàn)的故障診斷系統(tǒng)

2.1 基于故障信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的應(yīng)是飛機(jī)外場(chǎng)維修過(guò)程，經(jīng)使用驗(yàn)證有效的排故方法。此外，故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)還應(yīng)向機(jī)務(wù)專家、飛機(jī)設(shè)計(jì)人員獲取故障診斷的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，主要包括：故障發(fā)生的時(shí)間、現(xiàn)象；飛機(jī)狀態(tài)、外場(chǎng)維護(hù)對(duì)系統(tǒng)故障的影響；及機(jī)務(wù)專家進(jìn)行故障診斷時(shí)的思維過(guò)程、采取的方法、步驟等。

2.2 基于專家打分建立評(píng)價(jià)知識(shí)庫(kù)

2.2.1 決策對(duì)象與評(píng)價(jià)指標(biāo)

設(shè)關(guān)聯(lián)算法的決策對(duì)象為V，有

V中元素vi表示同一故障描述下的第i種排故方法，m表示同一故障描述下信息庫(kù)中所有排故方法的數(shù)量，且元素vi有特征向量Ui， 其中

式中：uin表示Ui中第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)元素值。

其中，考慮故障診斷涉及多因素，本文實(shí)際評(píng)

價(jià)指標(biāo)為多因素集，用序列E表示，經(jīng)專家討論咨詢，確定出對(duì)故障隔離方法影響較大的5個(gè)評(píng)價(jià)因素，有：

其中：U1表示排故方法的使用頻度；

U2表示故障隔離方法的重要性積累，按隔離方法對(duì)排除故障所起的作用不同，由維修工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，分為一般、較重要和重要3檔，對(duì)應(yīng)取值0、1、2；

U3表示機(jī)務(wù)人員等級(jí)積累，根據(jù)機(jī)務(wù)人員的排故水平將其分為一般、較高和高級(jí)3檔，對(duì)應(yīng)取值為0、1、2，機(jī)務(wù)水平等級(jí)取值由職稱及飛行保障單位評(píng)定給出；

U4表示基于飛機(jī)的分布輸出矩陣，見(jiàn)下文介紹；U5表示基于季節(jié)的分布輸出矩陣。

2.2.2 飛機(jī)分布輸入矩陣

飛機(jī)分布輸入矩陣是故障描述下各排故方法的使用次數(shù)，記為：A=(Aij)m×p，其中p表示該型飛機(jī)的架數(shù)，Aij表示第j架飛機(jī)第i種排故方法的使用頻度。

利用飛機(jī)分布輸入陣A，可計(jì)算各排故方法在不同飛機(jī)上的普遍適用性。若說(shuō)明第i種排故方法普遍適用，則bij=1；否則bij=0，由此得到飛機(jī)分布輸出陣為B=(bij)m×p，作為灰色關(guān)聯(lián)子算法的第4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)U4，提供各排故方法在飛機(jī)使用上的普遍參數(shù)陣。

同時(shí)，考慮隔離方法在各架飛機(jī)上的使用概率，根據(jù)貝努里大數(shù)定理[4]，可得出使用概率陣：

其中，qj表示針對(duì)某飛機(jī)該故障描述的次數(shù)，n0為常整數(shù)，基于大數(shù)定理，經(jīng)驗(yàn)值取2或3可滿足排序精度需要[5]，則矩陣C表示同一故障描述各架機(jī)排故方法的使用優(yōu)先順序集。

2.2.3 時(shí)間分布輸入集

時(shí)間分布輸入集是指同一故障描述下知識(shí)庫(kù)中所有方法的使用時(shí)間分布集，記為T(mén)=(tij)m×q，其中q表示排故方法涉及的月份數(shù)，tij表示第i種排故方法在月份j時(shí)的使用頻度。

本文首先根據(jù)外場(chǎng)維修所在地季節(jié)情況，設(shè)定四季時(shí)間段，查詢時(shí)間分布輸入集Tv1到Tvm，計(jì)算各方法在不同季節(jié)使用的頻率。若存在各季度均使用的排故方法，說(shuō)明該排故方法在使用時(shí)間上覆蓋程度廣，則sij=1；否則sij=0。由此得時(shí)間分布輸出陣為S=(sij)m×4，輸出到灰色關(guān)聯(lián)子算法中作為第5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)U5，提供各方法在使用時(shí)間上的覆蓋程度參數(shù)陣。

同樣，若設(shè)某隔離方法在各季節(jié)的使用概率陣為P，算法參考公式（4），可得出同一故障描述下針對(duì)各季節(jié)的排故方法使用優(yōu)先順序集。

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)法優(yōu)化故障隔離方法

本文應(yīng)用關(guān)聯(lián)算法對(duì)各隔離方法使用的優(yōu)先順序進(jìn)行計(jì)算，灰色關(guān)聯(lián)算法是建立在外場(chǎng)故障信息庫(kù)的基礎(chǔ)上[6]，考慮針對(duì)不同飛機(jī)個(gè)性、不同季節(jié)個(gè)性、所有同型飛機(jī)共性等因素。算法框圖如圖2所示。

圖2 基于關(guān)聯(lián)算法的故障隔離方法優(yōu)化框圖

灰色關(guān)聯(lián)算法分3個(gè)步驟[7]。

2.3.1 建立原始數(shù)據(jù)陣R

根據(jù)決策對(duì)象V及其評(píng)價(jià)指標(biāo)E，統(tǒng)計(jì)同一故障描述下各隔離方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)U1、U2、U3，再由飛機(jī)分布子算法得到U4和時(shí)間分布子算法得到U5，共同構(gòu)成原始數(shù)據(jù)矩陣R=(uij)m×n。

2.3.2 原始數(shù)據(jù)陣R的規(guī)范化處理

為消除量綱影響，需對(duì)R作規(guī)范化處理，得到矩陣RI。由于本文評(píng)價(jià)指標(biāo)均為“正向指標(biāo)”（值越大越好），無(wú)量綱處理即對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的各個(gè)參數(shù)歸一化。

2.3.3 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

建立RI后，基于V的最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最優(yōu)母序列Y0=( y0( j ))，( j=1,2,3,4,5)。此外，設(shè)y0為參考序列，yi( j=1,2,3,…,m)為比較序列，則y0與yi的關(guān)聯(lián)系數(shù)?( j )，算法如下：

由于灰色關(guān)聯(lián)度Gi的大小得出對(duì)某故障描述下的各排故方法優(yōu)先排序集。

3 基于IEMM的故障診斷系統(tǒng)

外場(chǎng)機(jī)務(wù)新興故障的診斷存在經(jīng)驗(yàn)少、技術(shù)難、無(wú)從下手等問(wèn)題，如何對(duì)新故障快速診斷隔離，成為當(dāng)前必須解決的一項(xiàng)嚴(yán)峻問(wèn)題[8]。

本文分析目前外場(chǎng)維修人員水平和任務(wù)承擔(dān)量，確定基層級(jí)維修需要交互式電子維護(hù)手冊(cè)（IEMM）。為滿足飛機(jī)外場(chǎng)維護(hù)，本文所構(gòu)建的IEMM系統(tǒng)方式和功能如下。

3.1 技術(shù)信息的選擇

根據(jù)外場(chǎng)維修的特點(diǎn)，收集信息主要包括以下方面：

法規(guī)規(guī)程，為保證維修活動(dòng)順利進(jìn)行，制定各種制度。

技術(shù)文件，主要包括設(shè)備使用手冊(cè)和技術(shù)維護(hù)手冊(cè)等。

維修卡片，包括按計(jì)劃或狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行的預(yù)防性維修方法和步驟等。

故障定位，包括維護(hù)人員找出設(shè)備中故障定位的全部圖表和文字資料，及判斷、隔離新故障的步驟和方法。

零件分解圖及元件表。

3.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于IEMM的新興故障診斷系統(tǒng)，旨在將飛機(jī)各系統(tǒng)設(shè)備的紙質(zhì)資料、操作規(guī)程、三維模型、故障處理、維修規(guī)范等信息，以文字、圖像、表格、動(dòng)畫(huà)及視頻等形式顯示，以方便維修人員查詢使用，提供故障診斷與分析，利于維修保障活動(dòng)的實(shí)施。

IEMM 系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

圖3 IEMM 系統(tǒng)框架圖

3.3.1 信息交互功能

實(shí)現(xiàn)各種維修信息的下達(dá)上傳，包括維修任務(wù)發(fā)布、指令卡片收發(fā)等。

3.3.2 資料查詢功能

幫助維護(hù)人員快速獲取所需資料，包括維修手冊(cè)規(guī)范、設(shè)備技術(shù)參數(shù)等。

3.3.3 故障診斷功能

基于故障信息，調(diào)出故障件的線路圖或三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的快速診斷。

3.3.4 備件查詢功能

查詢備件使用情況，為設(shè)備經(jīng)濟(jì)性可靠性分析做準(zhǔn)備。

4 基于某民用飛機(jī)飛控故障的專家系統(tǒng)實(shí)例

本文以某型民機(jī)飛控系統(tǒng)實(shí)際故障為例[9]，構(gòu)建飛控系統(tǒng)排故方法優(yōu)化實(shí)例?，F(xiàn)該民機(jī)試飛階段有故障描述：FLIGHT CONTROL SYS（飛行控制系統(tǒng)故障）。對(duì)應(yīng)該故障描述下知識(shí)庫(kù)中有排故方法如下：

v1：飛行滑行時(shí)，CMS上閃現(xiàn)“FLT CTRL NO DISPATCH”。經(jīng)TIU檢測(cè)為飛控計(jì)算機(jī)FCC故障，串換FCC后，TIU檢查結(jié)果正常。

v2：通電檢查EICAS報(bào)黃色“飛控不派遣”故障信息，且不能消除。方向舵作動(dòng)器壓差傳感器故障，更換新件后，系統(tǒng)工作正常。

v3：通電檢查EICAS報(bào)黃色告警信息“FLT CTRL NO DISPATCH”，且不能消除。升降舵作動(dòng)器壓力傳感器值不正常，更換升降舵作動(dòng)器后，系統(tǒng)工作正常。

v4：CMS告警信息報(bào)“FLT CTRL NO DISPATCH”。經(jīng)TIU檢測(cè)為副翼作動(dòng)器故障，更換新件后，系統(tǒng)工作正常。

v5：飛行員反映左副翼進(jìn)入直接模式，并有飛控丟失余度的青色信息。主作動(dòng)器控制電子設(shè)備PACE內(nèi)部故障，更換新件后，系統(tǒng)工作正常。

此外，該民機(jī)飛控系統(tǒng)在試飛過(guò)程中還出現(xiàn)過(guò)自動(dòng)駕駛儀、飛控控制盒、回油液壓導(dǎo)管等部件故障，但以上述幾種故障發(fā)生頻次較多。

4.1 原始數(shù)據(jù)

根據(jù)信息庫(kù)中該故障描述下各飛機(jī)使用的故障隔離方法次數(shù)，統(tǒng)計(jì)如表1。

由表1顯然可知飛機(jī)輸入矩陣 ，同時(shí)，根據(jù)各故障隔離方法的使用時(shí)間統(tǒng)計(jì)，可得時(shí)間分布輸入集Tv1到Tv5：

表1 故障隔離方法使用頻次統(tǒng)計(jì)表（單位：次）

4.2 基于單因素的隔離方法使用優(yōu)先集

基于飛機(jī)輸入陣A，若設(shè)公式（4）中n0=2，則q＞n0×m=10，且相對(duì)頻度的門(mén)限為1/m=0.2，計(jì)算可得矩陣C。同樣，可求得矩陣P。

顯然，可知針對(duì)飛機(jī)B970L故障隔離方法的使用優(yōu)選順序?yàn)閧v4,v2}；針對(duì)飛機(jī)B1110L為{v1,v4,v5}。

同時(shí)，可知故障發(fā)生后，首先考慮冬季故障，且故障隔離方法的使用優(yōu)選順序?yàn)閧v1,v4}。

4.3 基于多因素集的隔離方法使用優(yōu)先集

基于原始數(shù)據(jù)飛機(jī)輸入陣A，且根據(jù)2.2.2節(jié)飛機(jī)分布子算法，得輸出陣B=[1 0 0 1 0]T。

結(jié)合實(shí)際，設(shè)春季時(shí)間段2～4月、夏季時(shí)間段5～7月、秋季時(shí)間段8～10月、冬季時(shí)間段11～1月。根據(jù)時(shí)間分布子算法，由時(shí)間分布輸入集得輸出矩陣 S=[1 0 0 0 1]T。

統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)U1、U2、U3，再根據(jù)上述得到的矩陣B、S，得到原始數(shù)據(jù)矩陣R，并對(duì)R作規(guī)范化處理，得到矩陣RI：

由于決策對(duì)象V的最有規(guī)范化指標(biāo)均為1，確定最優(yōu)母序列Y0={1,1,1,1,1}，根據(jù)RI和Y0，并利用公式（5），并取ρ=0.5，可計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣?如下：

利用關(guān)聯(lián)度公式（6）可計(jì)算各故障隔離方法（決策對(duì)象）的關(guān)聯(lián)度G如下：

由此可知，一般情況下，針對(duì)F L I G H T CONTROL SYS故障描述下，使用5種故障隔離方法的優(yōu)化排序集為：{v1,v4,v5,v3,v2}，即遇到飛控系統(tǒng)故障，先考慮是因飛控計(jì)算機(jī)FCC故障，其次因副翼作動(dòng)器故障。

5 結(jié)論

本文基于專家知識(shí)的排故方法，統(tǒng)計(jì)故障隔離經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用知識(shí)庫(kù)和多因素灰色關(guān)聯(lián)理論，優(yōu)化決策同一種故障描述下的多種故障原因及隔離方法，得到不同飛機(jī)、季節(jié)和一般情況3種角度的優(yōu)先順序集，解決了故障診斷隔離多解和難以選擇的問(wèn)題。該方法基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，突破了傳統(tǒng)故障診斷力求精確解概念，對(duì)排故指導(dǎo)作用更大。將本文基于排故經(jīng)驗(yàn)的故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用于其他飛機(jī)外場(chǎng)維護(hù)工作，獲得了良好的效果。

[1] 李小青，張文祥．液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)[J]．工礦自動(dòng)化，2005，8(4)：11-13．

[2] 吳今培，肖健華．智能故障診斷與專家系統(tǒng)[M]．北京：科學(xué)出版社，1997：24．

[3] JOSEPH GIARRATANO, GARY RILEY.專家系統(tǒng)原理與編程[M]．印鑒，劉星成，湯庸等譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：175．

[4] Pal N R, Bezdek J C.On cluster validity for the fuzzy C-means model [J].IEEE Trans Fuzzy Syst,1995, 3(3):5-9.

[5] 黃健元．模糊ISODA TA 聚類分析方法的改進(jìn)[J]．南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000， 32(2)：180-182．

[6] Rousseau P J, Trauwaert E, Kaufman L.Fuzzy clustering with high contrast [J].Computer App l Math, 1997, 64 (2):81-90.

[7] Wong W G.Grey evaluation method of concrete pavement comprehensive condition [J].Journal of Transportation Engineering, 1999, 25 (6):27-31.

[8] ZHU Jiayuan, ZHANG Hengxi, REN Bo.Design and development of interactive electronic technical manual [J] .Material Quality ,2004 ,5(1):9～19.