李凱凱,丁天寶,呂啟元

( 西北機(jī)電工程研究所,陜西 咸陽(yáng) 712099 )

現(xiàn)代自行高炮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能化、集成化程度越來(lái)越高，使其故障發(fā)生概率逐漸增加，故障發(fā)生情形日益多樣化，給系統(tǒng)測(cè)試診斷帶來(lái)了較大困難。例如，可用測(cè)試點(diǎn)少、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)和使用維護(hù)費(fèi)用高等，使得對(duì)故障診斷方法提出了新的更高的要求。

傳統(tǒng)的故障診斷都是根據(jù)所要研究對(duì)象的組成來(lái)構(gòu)建模型，并通過(guò)詳細(xì)的元件關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，確定元件故障傳播方向和影響范圍，從而完成系統(tǒng)故障診斷。這種建模診斷分析方法所需的時(shí)間和工作量很大，既不利于故障診斷的及時(shí)性，也不利于故障診斷的有效性。

因此，為了能及時(shí)有效地檢測(cè)和隔離系統(tǒng)故障，提高系統(tǒng)的故障檢測(cè)和故障隔離能力，本文采用多信號(hào)流圖建模診斷工具——TEAMS Designer，以某自行高炮供電系統(tǒng)為例建立模型，并對(duì)模型進(jìn)行分析，最后得到科學(xué)、合理、有效的故障診斷策略。采用該方法得到的故障診斷策略，減少了不必要的測(cè)試，提高了診斷的效率。

1 多信號(hào)流圖模型建模方法

1.1 多信號(hào)流圖模型產(chǎn)生背景

以往復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷方法按照所用模型的不同大致可分為定量模型、定性模型、結(jié)構(gòu)模型和依賴模型。其中，采用定量模型和定性模型，可以精確地描述系統(tǒng)功能，在隔離功能故障方面具有卓越的能力。但是，需要預(yù)先知道系統(tǒng)的具體參數(shù)及元件的完全特性，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)很難獲得這些精確的信息，并且建模過(guò)程復(fù)雜，因而不適合用于大型復(fù)雜系統(tǒng)建模。

結(jié)構(gòu)模型用有向圖代表模塊的連接性和故障傳播方向，該有向圖和系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖密切對(duì)應(yīng)?；诮Y(jié)構(gòu)模型的診斷分析簡(jiǎn)單，速度快，便于系統(tǒng)的測(cè)試診斷分析。但結(jié)構(gòu)模型無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng)的功能，因此，只能判斷系統(tǒng)或部件的完全故障，無(wú)法診斷功能故障。

依賴模型主要用來(lái)描述系統(tǒng)故障和測(cè)試之間的相關(guān)性關(guān)系，將模型的故障源與測(cè)試以及測(cè)試與測(cè)試之間的關(guān)系以方向圖的方式表達(dá)。這種測(cè)試診斷模型對(duì)系統(tǒng)而言存在內(nèi)在的簡(jiǎn)化性，但是，結(jié)構(gòu)平鋪且建模過(guò)程中主觀性較強(qiáng)，不易驗(yàn)證模型的有效性。

考慮到以上幾種建模方法的不足，并且為了繼承其優(yōu)點(diǎn)，有學(xué)者于1994年提出了多信號(hào)流圖建模診斷方法。

1.2 多信號(hào)流圖建?；舅枷?/h3>

多信號(hào)流圖模型類似于在結(jié)構(gòu)模型上覆蓋了依賴模型的集合，其主要思想如下[1-3]：

1) 為了進(jìn)行診斷,只需要對(duì)故障(或原因)如何傳播到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行建模。一個(gè)或多個(gè)元件故障使系統(tǒng)產(chǎn)生功能異常，可以通過(guò)系統(tǒng)中不同測(cè)試點(diǎn)觀測(cè)到。對(duì)于故障診斷及現(xiàn)場(chǎng)維修，其目標(biāo)是用最少的時(shí)間和費(fèi)用確定故障原因。因此，在系統(tǒng)的故障空間建模就足夠。

2) 系統(tǒng)的故障空間不是二值的(即簡(jiǎn)單的“通過(guò)”與“未通過(guò)”)。功能空間是多維的，故障空間作為功能空間的補(bǔ)集也是多維的。例如，正弦波信號(hào)發(fā)生器的功能是產(chǎn)生規(guī)定的幅值、相位和頻率，如果輸出的正弦波沒(méi)有固定的幅值、相位和頻率，就說(shuō)它發(fā)生了故障。

3) 由于故障狀態(tài)的任意性，因而沒(méi)有必要對(duì)精確的定量關(guān)系進(jìn)行建模。只需要確立系統(tǒng)重要的功能信號(hào)，并將其與適當(dāng)?shù)牟考蜏y(cè)試相關(guān)聯(lián)。

4) 常見(jiàn)故障存在兩種不同的類型，功能故障和完全故障。前者指影響系統(tǒng)功能執(zhí)行的故障。后者是通過(guò)阻礙信息流的流過(guò)，影響程度超過(guò)正常性能的承受能力導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失的災(zāi)難性故障。

1.3 多信號(hào)流圖建模方法特點(diǎn)

1) 多信號(hào)流圖模型覆蓋了多個(gè)信息流模型，模型更接近于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。它克服了僅基于結(jié)構(gòu)分析粗糙、容易導(dǎo)致錯(cuò)誤診斷結(jié)論及僅基于依賴模型結(jié)構(gòu)平鋪的缺點(diǎn)。

2) 多信號(hào)流圖模型建模方便、模型的集成和驗(yàn)證都相對(duì)簡(jiǎn)單。它與精確描述系統(tǒng)功能，并且推理過(guò)程太過(guò)緩慢的定量或定性模型相比更適合于大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模。

3) 多信號(hào)流圖建模方法只需要獲取系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)等方面的知識(shí)，不需要系統(tǒng)中故障模型清晰的知識(shí)。這意味著多信號(hào)建模方法能夠探測(cè)和隔離不曾預(yù)料到的故障。

4) 多信號(hào)流圖建模方法進(jìn)行故障診斷能更好地降低診斷的虛警率，提高準(zhǔn)確性。該方法除了能進(jìn)行單故障診斷，還能進(jìn)行多故障的有效隔離。

1.4 多信號(hào)流圖建?；静襟E

多信號(hào)流圖建模主要有以下4個(gè)步驟[4-5]：

1) 輸入或構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型、原理框圖或概念框圖。在TEAMS軟件中系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型能夠從VHDL建模、EDIF建模中自動(dòng)導(dǎo)入生成，或由圖形用戶界面直接構(gòu)建。

2) 給模塊或測(cè)試點(diǎn)添加相應(yīng)的功能信號(hào)。功能信號(hào)能夠從功能規(guī)范或傳遞函數(shù)基本變量中得到識(shí)別，對(duì)于任何獨(dú)特的屬性都可以定義一個(gè)相聯(lián)系的信號(hào)。例如，電源放大器的信號(hào)特性包括輸出失真，諧波失真和電源輸出等。

3) 對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)特定情形。例如，若系統(tǒng)有冗余(如A和B必須都故障時(shí)系統(tǒng)才故障)，采用與(AND)節(jié)點(diǎn)配置冗余元件；如果一個(gè)系統(tǒng)有不同的運(yùn)行模式，則使用轉(zhuǎn)換(SWITCH)節(jié)點(diǎn)建模等。

4) 模型修正及有效性驗(yàn)證。多信號(hào)流圖模型的構(gòu)建是一個(gè)由簡(jiǎn)到繁，根據(jù)知識(shí)和需求逐漸完善的過(guò)程。通過(guò)診斷設(shè)計(jì)分析和專家的審定評(píng)估，對(duì)模型設(shè)計(jì)的診斷方案或診斷能力作出客觀的評(píng)估，指出模型和測(cè)試診斷方案中的不足，便于更進(jìn)一步的改進(jìn)。最后根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)與物理模型對(duì)多信號(hào)流圖模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 多信號(hào)流圖建模實(shí)踐

2.1 某自行高炮供電系統(tǒng)組成及功能分析

某自行高炮供電系統(tǒng)主要由輔機(jī)穩(wěn)壓裝置、主機(jī)穩(wěn)壓裝置、輔機(jī)發(fā)電裝置、主機(jī)發(fā)電裝置、電站轉(zhuǎn)換箱、高壓隨動(dòng)直流箱和低壓整流濾波裝置等組成，如圖1所示。該供電系統(tǒng)是整個(gè)自行高炮系統(tǒng)的電力來(lái)源，它的作用是給整個(gè)車體和武器系統(tǒng)提供所需的電能，并顯示和檢測(cè)供電的品質(zhì)。

其中，交流XV輸出向某自行高炮全炮電氣系統(tǒng)及交流設(shè)備供電；直流YV輸出向某自行高炮隨動(dòng)系統(tǒng)供電；直流ZV輸出向某自行高炮低壓ZV直流系統(tǒng)供電。由此可見(jiàn)，供電系統(tǒng)是自行高炮系統(tǒng)非常重要的組成部分，它的故障或輸出電壓不正常就可能導(dǎo)致整個(gè)自行高炮系統(tǒng)工作不正常或癱瘓，使得整個(gè)武器失去作戰(zhàn)能力。因此，對(duì)自行高炮供電系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，提高故障定位的速度及準(zhǔn)確性具有十分重要的實(shí)用價(jià)值和意義。

2.2 某自行高炮供電系統(tǒng)多信號(hào)流圖建模

本文采用TEAMS Designer軟件工具建立某自行高炮供電系統(tǒng)多信號(hào)流圖模型。TEAMS Designer工具是QSI公司在多信號(hào)流建模技術(shù)和信息理論-AI算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，它主要用于測(cè)試性設(shè)計(jì)分析、故障診斷及故障診斷策略設(shè)計(jì)、診斷指標(biāo)評(píng)估、診斷知識(shí)推理和可靠性維修性數(shù)據(jù)綜合等。

對(duì)某自行高炮供電系統(tǒng)建立多信號(hào)流圖模型時(shí)，可基本采用其組成框圖，根據(jù)模塊間功能傳遞關(guān)系，可推斷功能失效的傳遞通路。在TEAMS Designer軟件中，使用方框表示功能模塊，使用有向線段表示失效功能(故障模式)的傳遞，使用圓圈表示測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試位置，使用開關(guān)的形式表示轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)對(duì)主機(jī)和輔機(jī)兩種供電模式進(jìn)行選擇。供電系統(tǒng)的故障模式為交流XV輸出不正常、直流YV輸出不正常、直流ZV輸出不正常。供電系統(tǒng)的這些故障模式由其組成模塊的故障模式的傳遞形成了供電系統(tǒng)的多信號(hào)流圖模型，如圖2所示。

使用TEAMS Designer建立多信號(hào)流圖模型時(shí)可將模塊劃分為系統(tǒng)(System)、子系統(tǒng)(Subsystem)、現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)、內(nèi)場(chǎng)可更換單元(SRU)、模塊(Module)、子模塊(Submodule)、元件(Componnent)和故障模式(Failure mode )8個(gè)級(jí)別，建模時(shí)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的組成選擇相應(yīng)的級(jí)別；TEAMS建模中測(cè)試類型包括通過(guò)癥狀進(jìn)行測(cè)試、操作檢查測(cè)試、驗(yàn)收測(cè)試和常規(guī)測(cè)試4種；建模時(shí)按照實(shí)際對(duì)各模塊的測(cè)試方法選擇合適的測(cè)試方法和位置。

2.3 某自行高炮供電系統(tǒng)診斷策略生成及分析

按照多信號(hào)流圖建模步驟建立某自行高炮供電系統(tǒng)模型后，通過(guò)對(duì)模型的改進(jìn)與完善，并通過(guò)某自行高炮供電系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及模型審查、確認(rèn)后，運(yùn)用TEAMS的診斷優(yōu)化算法，針對(duì)系統(tǒng)不同的故障現(xiàn)象生成了相應(yīng)的診斷樹診斷策略。某自行高炮供電系統(tǒng)采用輔機(jī)發(fā)電裝置供電時(shí)得到的直流YV輸出不正常故障現(xiàn)象診斷樹如圖3所示。

診斷樹以二叉樹的形式來(lái)展示系統(tǒng)的故障診斷路徑，它是一種故障診斷策略的描述。診斷樹中包括3種節(jié)點(diǎn)：故障現(xiàn)象節(jié)點(diǎn)、測(cè)試節(jié)點(diǎn)、故障源節(jié)點(diǎn)。測(cè)試節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容包括測(cè)試的具體操作手段，診斷樹是被測(cè)試結(jié)果所驅(qū)動(dòng)的，上一步測(cè)試得到的結(jié)果直接影響到下一步的測(cè)試內(nèi)容。

診斷樹與傳統(tǒng)的故障樹不同，傳統(tǒng)的故障樹的頂事件和中間事件是系統(tǒng)或元件，而診斷樹的頂事件是故障現(xiàn)象，中間事件是測(cè)試點(diǎn)。傳統(tǒng)的故障樹是以元件-元件-元件/模糊組的形式來(lái)進(jìn)行診斷，而診斷樹是以測(cè)試點(diǎn)-測(cè)試點(diǎn)-元件/模糊組的形式來(lái)進(jìn)行診斷，頂事件和中間事件的不同決定了其診斷分析過(guò)程的不同。

故障診斷策略是指故障檢測(cè)和故障隔離的測(cè)試順序。基于多信號(hào)流圖模型的故障診斷方法得到的診斷策略是在被測(cè)對(duì)象多信號(hào)流圖模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試優(yōu)選算法，以測(cè)試優(yōu)選后的先后順序來(lái)制定的。

通過(guò)將多信號(hào)流圖建模診斷方法得到的診斷策略，運(yùn)用到某自行高炮實(shí)際的故障診斷中與傳統(tǒng)的測(cè)試診斷方法相對(duì)比，證明該方法具有較高的準(zhǔn)確性和有效性。不僅能在一定程度上減少平均測(cè)試診斷步驟及提高測(cè)試診斷效率，也使得測(cè)試診斷出錯(cuò)率有所降低。

因此，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明多信號(hào)流圖建模方法可以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)得到系統(tǒng)故障診斷較優(yōu)的診斷策略。使用該方法得到的診斷策略進(jìn)行故障診斷，能有效地減少平均測(cè)試診斷步驟，提高故障診斷的準(zhǔn)確性，所以該方法適合用于復(fù)雜武器系統(tǒng)的故障診斷。對(duì)于組成元件越多、故障模式越多的系統(tǒng)，得到的故障診斷策略的優(yōu)越性體現(xiàn)得越明顯。并且該故障診斷策略可以通過(guò)XML、HTML、PDF等多種格式進(jìn)行導(dǎo)出方便用戶使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于多信號(hào)流圖模型的武器裝備故障診斷方法能夠根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)生成較優(yōu)的診斷策略。本文使用多信號(hào)流圖建模工具TEAMS Designer建立了某自行高炮供電系統(tǒng)的多信號(hào)流圖模型，生成了診斷樹故障診斷策略。通過(guò)實(shí)際的故障診斷應(yīng)用，確認(rèn)基于多信號(hào)流圖模型的故障診斷結(jié)果正確、故障診斷效率較高。

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