基于D-S證據(jù)理論的數(shù)據(jù)鏈故障診斷方法

易昭湘，李 釗，王 剛，郭甜甜

(1.西安高技術(shù)研究所，陜西西安710025;2.二炮駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北石家莊050081;3.第二炮兵裝備研究院，北京100085;4.中國(guó)人民解放軍96626部隊(duì)，浙江東陽(yáng)322100)

0 引言

作為無(wú)人機(jī)的重要組成部分，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈［1］連接著無(wú)人機(jī)和指揮控制站，保障兩者之間快速、可靠和實(shí)時(shí)通信，因此，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的可靠性對(duì)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)性能的發(fā)揮起著決定性的作用。

目前，有關(guān)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈診斷方法的研究并不多，文獻(xiàn)［2］基于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作原理，提出了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)信號(hào)測(cè)量和性能指標(biāo)判別進(jìn)行故障診斷，易發(fā)生漏診和誤診問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈測(cè)試中存在的精度低、人為干擾大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于GPIB總線的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)接收機(jī)靈敏度、輸出信噪比、AGC電壓、中心頻率和頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的指標(biāo)測(cè)試和故障診斷。文獻(xiàn)［4］等針對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈發(fā)射機(jī)故障，提出了一種基于決策樹(shù)SVM的故障診斷方法，將故障準(zhǔn)確定位到內(nèi)部功能模塊，有效地提高了故障診斷的正確率。由此可見(jiàn)，目前對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的診斷主要集中于故障檢測(cè)，即通過(guò)測(cè)量值和參考值進(jìn)行比較以判別故障，這種方法較為簡(jiǎn)單，但故障診斷精度相對(duì)較低，并且需要專家進(jìn)行輔助分析才能實(shí)現(xiàn)故障定位;同時(shí)，當(dāng)前的故障診斷方法主要針對(duì)的是發(fā)射機(jī)或接收機(jī)，欠缺對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈整個(gè)系統(tǒng)的有效診斷手段。

為此，提出了一種基于D-S證據(jù)理論的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)和電路板級(jí)2層診斷框架，將故障現(xiàn)象作為證據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)施系統(tǒng)級(jí)診斷，利用系統(tǒng)性能參數(shù)作為證據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行電路板級(jí)故障診斷。實(shí)驗(yàn)證明該方法正確、有效，為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷提供了新的途徑。

1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷框架

1.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作原理

通常，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)由兩部分設(shè)備組成:一部分安裝在無(wú)人機(jī)上，另一部分則安裝在地面控制站內(nèi)。一般將數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的地面部分稱為GDT，而將系統(tǒng)的機(jī)載部分稱為機(jī)載測(cè)控設(shè)備。按照功能將數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)劃分為信號(hào)處理及顯示分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、天線分系統(tǒng)和接收分系統(tǒng)等4個(gè)部分。其基本工作原理是:測(cè)控終端發(fā)出的遙控信號(hào)送往發(fā)射系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)調(diào)制放大由天線輻射出去。在接收端，天線將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成射頻信號(hào)送給接收系統(tǒng)，接收系統(tǒng)將射頻信號(hào)再轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)送給飛控機(jī)處理;飛控機(jī)發(fā)出的遙測(cè)信號(hào)送給發(fā)射系統(tǒng)，調(diào)制放大后經(jīng)天線輻射出去，接收系統(tǒng)接收處理后送給測(cè)控終端。

1.2 診斷框架

由無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作原理可知，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類多，直接進(jìn)行故障診斷和定位比較困難。為此，采用分層診斷的思想，首先根據(jù)故障現(xiàn)象，建立初步故障征兆，結(jié)合故障記錄和專家知識(shí)，運(yùn)用融合診斷算法進(jìn)行初步診斷，得出疑似故障分系統(tǒng)，再對(duì)故障分系統(tǒng)進(jìn)行性能指標(biāo)參數(shù)檢測(cè)，得到分系統(tǒng)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取建立故障征兆，運(yùn)用融合算法推理診斷得出最終的故障電路板，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障定位。根據(jù)分層診斷的思想，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷框架如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷框架

2 基于D-S證據(jù)理論的故障診斷方法

由于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在運(yùn)行環(huán)境、傳感器信號(hào)以及數(shù)據(jù)的采集和處理中存在著不確定性，給檢測(cè)和診斷過(guò)程帶來(lái)了諸多問(wèn)題，考慮到證據(jù)理論在處理多傳感器數(shù)據(jù)融合方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能將相互交叉的不確定數(shù)據(jù)信息合理地分配到多模式中，能夠有效地合成不同傳感器得到的數(shù)據(jù)信息，從而得到一個(gè)更為可信的結(jié)果。因此，運(yùn)用D-S證據(jù)理論解決無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷中的不確定性問(wèn)題。

在應(yīng)用D-S證據(jù)理論進(jìn)行故障診斷時(shí)需解決基本概率賦值函數(shù)獲取、沖突證據(jù)合成和決策規(guī)則制定等問(wèn)題。其中，基本概率分配函數(shù)是證據(jù)理論診斷的前提和基礎(chǔ)，合成規(guī)則是推理的核心，而決策規(guī)則是診斷的關(guān)鍵。為此，基于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的特點(diǎn)，對(duì)基于D-S證據(jù)理論故障診斷關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2.1 基本概率分配函數(shù)獲取

只有獲取了基本概率分配函數(shù)才能得到信任函數(shù)、似然函數(shù)進(jìn)而進(jìn)行合成、決策判斷，所以應(yīng)用D-S證據(jù)理論時(shí)需要首先獲取基本概率分配函數(shù)。目前，基本概率分配函數(shù)獲取方法有基于近鄰距離的方法、基于智能知識(shí)的方法和基于語(yǔ)義量化的方法［5，6］。

基于近鄰距離的方法把研究的問(wèn)題看作是一個(gè)分類的問(wèn)題，識(shí)別框架Θ是類的集合，各類的典型樣本數(shù)據(jù)為 Xi(k)，i=1，2，…，n，n 為識(shí)別框架中類的數(shù)目。對(duì)于一個(gè)新的數(shù)據(jù)Xj(k)，它屬于某類的基本概率分配函數(shù)取決于新數(shù)據(jù)與已知的各類樣本數(shù)據(jù)之間的距離。根據(jù)“距離”的不同，又可以分為信息熵貼近度、灰度關(guān)聯(lián)法和模板匹配法［5－7］。信息熵貼近度的方法需要已知信息熵，計(jì)算出信息熵之間的距離，然后根據(jù)距離計(jì)算出兩者的貼近度，最后對(duì)貼近度進(jìn)行歸一化即得到基本概率分配函數(shù)，這種方法需要選擇合適的信息熵，計(jì)算量較大;灰度關(guān)聯(lián)法是基于數(shù)據(jù)序列之間的關(guān)聯(lián)度得出基本概率分配函數(shù)，需要建立各類的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)序列，首先計(jì)算出新數(shù)據(jù)與各類數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度，然后對(duì)關(guān)聯(lián)度歸一化即得到基本概率分配函數(shù)，這種方法計(jì)算量也比較大;相比較而言，模板匹配法是基于歐式距離得出基本概率分配函數(shù)，方法簡(jiǎn)單，計(jì)算適中，是獲取2個(gè)事物接近程度的最傳統(tǒng)、最直接的方法，能更好地反映待測(cè)數(shù)據(jù)的屬性。

綜上所述，考慮到無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的故障樣本數(shù)據(jù)較少，對(duì)診斷時(shí)間要求較短，選用模板匹配法解決基本概率獲取的問(wèn)題，其步驟如下:

①計(jì)算Xi(k)與Xj(k)之間的距離:

②計(jì)算Xi(k)與Xj(k)之間的匹配度:

③對(duì)匹配度進(jìn)行歸一化得到基本概率分配函數(shù):

2.2 基于沖突度和重要度的沖突證據(jù)合成

在D-S合成規(guī)則中，當(dāng)K→1時(shí)表明合成的證據(jù)高度沖突，此時(shí)利用D-S合成規(guī)則合成會(huì)出現(xiàn)有悖常理的結(jié)果，這樣的證據(jù)就稱為沖突證據(jù)。解決該問(wèn)題的方法主要有3種:修改合成規(guī)則的方法［8］、修改證據(jù)源的方法［9］以及同時(shí)修改證據(jù)源和合成規(guī)則的方法［10］。從無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路診斷的角度考慮，改進(jìn)的合成方法都增加了許多計(jì)算量，降低了診斷速度和效率，由于修改證據(jù)源的方法比修改合成規(guī)則方法計(jì)算量小，所以選擇基于修改證據(jù)源的方法對(duì)合成進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 沖突度

通常用傳統(tǒng)合成規(guī)則中K來(lái)衡量證據(jù)的沖突，但是沒(méi)有定量分析K，沒(méi)有一個(gè)具體的判斷標(biāo)準(zhǔn)。K既跟組合的證據(jù)數(shù)目有關(guān)又和證據(jù)的維數(shù)有關(guān)，當(dāng)組合的證據(jù)數(shù)目增加時(shí)，K會(huì)變大，當(dāng)證據(jù)中的維數(shù)變大時(shí)，K也會(huì)變大。因此在利用K衡量證據(jù)間的沖突時(shí)需要根據(jù)不同的證據(jù)組合數(shù)和組合證據(jù)的維數(shù)設(shè)置不同的判決值。當(dāng)證據(jù)中各個(gè)元素的基本概率值都相等時(shí)，合成結(jié)果跟融合前的證據(jù)相同，沒(méi)有發(fā)生信任聚焦，此時(shí)可以看作D-S合成規(guī)則失效，本文將合成規(guī)則失效時(shí)的沖突度K設(shè)置成判決沖突的閥值，當(dāng)2條證據(jù)的合成沖突K大于或等于此閥值時(shí)，視為2條證據(jù)有沖突，否則就認(rèn)為2條證據(jù)一致。

2.2.2 重要度

在實(shí)際應(yīng)用證據(jù)理論進(jìn)行診斷決策時(shí)，不是所有的證據(jù)都具有相等的重要度，傳統(tǒng)D-S合成規(guī)則沒(méi)有考慮各證據(jù)對(duì)決策的重要度。因?yàn)橄嗤淖C據(jù)對(duì)不同的故障模式具有不同的重要度，所以在利用多證據(jù)融合診斷時(shí)一定要考慮證據(jù)的重要度。運(yùn)用重要度修改證據(jù)源的步驟如下:

①建立貢獻(xiàn)度矩陣V*，它表示證據(jù)和故障之間的關(guān)系。其中，0 ≤ vi，j≤ 1，i=1，2，…，m ，j=1，2，…，n，m為證據(jù)數(shù)目，n為故障模式總數(shù)，它表示證據(jù)i對(duì)故障j的貢獻(xiàn)度;，它說(shuō)明所有證據(jù)對(duì)故障j′的貢獻(xiàn)度總和為1。

②利用證據(jù)的貢獻(xiàn)度構(gòu)建證據(jù)的重要度，證據(jù)i對(duì)故障j的重要度wi，j可表示為:

③利用證據(jù)的重要度修改證據(jù)源mi(A)，得到新的證據(jù)源m′i(A)，如式(2)所示。

2.2.3 沖突證據(jù)合成

首先，根據(jù)兩兩證據(jù)間的沖突度K和閥值將證據(jù)分為一致證據(jù)組和沖突證據(jù)組，設(shè)證據(jù)i與其他證據(jù)之間的沖突度為 kj，j=1，2，…，m且j≠i，沖突度的閥值 ε由表1所得，沖突度較大的為 kj′，j′=0，1，…，l且 k≥ ε ，如果 l≥，那么就將j′證據(jù)i歸為沖突證據(jù)組中，否則就將證據(jù)i歸為一致證據(jù)組中。

其次，根據(jù)式(2)分別對(duì)一致證據(jù)組和沖突證據(jù)組進(jìn)行修改，得到新的一致證據(jù)組和沖突證據(jù)組，然后再運(yùn)用D-S合成規(guī)則分別對(duì)2組證據(jù)進(jìn)行融合運(yùn)算，得到2個(gè)融合后的證據(jù)，最后計(jì)算2個(gè)證據(jù)的沖突度K，如果K≥ε就用式(3)進(jìn)行融合運(yùn)算，否則仍用D-S合成規(guī)則進(jìn)行融合運(yùn)算。

2.3 基于基本概率分配函數(shù)的決策

選用基于基本概率分配函數(shù)進(jìn)行決策判斷。該決策規(guī)則如下:

設(shè)?A1，A2?Θ，滿足:m(A1)=max{m(Ai)，Ai?Θ}，且 m(A2)=max{m(Ai)，Ai? Θ且Ai≠A1}。

若有

則選擇A1為判決結(jié)果，ε1、ε2是決策閥值。

2.4 故障診斷方法

通過(guò)上述分析，基于D-S證據(jù)理論的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障診斷方法的步驟如下:

①確定故障空間。根據(jù)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈故障履歷表，統(tǒng)計(jì)發(fā)生過(guò)的故障情況，對(duì)這些情況按照其原因和特點(diǎn)分為若干典型故障類型，最后，由這些故障類型構(gòu)成故障空間。

②構(gòu)造識(shí)別框架。根據(jù)故障空間構(gòu)造識(shí)別框架，即診斷對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的命題集合。

③確定故障征兆空間。利用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈特征信息，結(jié)合故障空間中各故障類型特點(diǎn)，構(gòu)造各種故障特征子集，進(jìn)而構(gòu)成整個(gè)故障征兆空間。

④選擇證據(jù)體。利用故障特征子集，結(jié)合識(shí)別框架中各命題的特點(diǎn)，構(gòu)造從不同側(cè)面能夠識(shí)別無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈運(yùn)行狀態(tài)的證據(jù)體。

⑤確定各證據(jù)體的基本概率分配函數(shù)。在深入分析各證據(jù)與識(shí)別框架中各命題對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)之上，采用2.1節(jié)介紹的方法獲取各證據(jù)對(duì)識(shí)別框架中各命題的支持程度，即基本概率分配。

⑥合成運(yùn)算處理。利用2.2節(jié)給出的改進(jìn)合成算法，計(jì)算出各證據(jù)聯(lián)合作用下的識(shí)別框架中各命題的基本概率分配值。

⑦得出診斷結(jié)論。利用2.3節(jié)介紹的決策規(guī)則，對(duì)識(shí)別框架中各命題進(jìn)行診斷分析，最終得出診斷結(jié)論。

3 診斷實(shí)例

為驗(yàn)證所提方法的正確性，以典型無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)［2，3］為對(duì)象進(jìn)行診斷和分析。建立無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈常見(jiàn)故障現(xiàn)象如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈常見(jiàn)故障現(xiàn)象

根據(jù)上述無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈組成結(jié)構(gòu)，選擇地面發(fā)射系統(tǒng)故障F1、地面接收系統(tǒng)故障F2、地面天線故障F3、機(jī)載發(fā)射系統(tǒng)故障 F4、機(jī)載接收系統(tǒng)故障F5、機(jī)載天線故障F6為識(shí)別框架，預(yù)先設(shè)置數(shù)據(jù)鏈發(fā)射系統(tǒng)中功放電路板故障，然后進(jìn)行診斷分析。

3.1 系統(tǒng)級(jí)故障診斷

首先得到的故障現(xiàn)象是遙控AGC值偏低和遙控AGC不穩(wěn)，對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象集中的2和3。故障現(xiàn)象2和3對(duì)應(yīng)的故障分系統(tǒng)的基本概率分配值以及融合處理后的基本概率分配值如表2所示。

表2 系統(tǒng)級(jí)故障診斷的基本概率分配

根據(jù)表2結(jié)果，得到故障診斷的結(jié)論是F1，即系統(tǒng)級(jí)故障診斷的結(jié)果是地面發(fā)射系統(tǒng)故障。

3.2 電路板級(jí)故障診斷

為進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)故障診斷，選擇系統(tǒng)正常F7、電源板故障F8、鎖相單元故障F9、振蕩器故障F10、參考源故障F11、衰減器故障F12、功放故障F13作為發(fā)射系統(tǒng)故障診斷的識(shí)別框架。根據(jù)系統(tǒng)級(jí)故障診斷結(jié)果，利用相應(yīng)的檢測(cè)儀器對(duì)頻率J、載波Z、輸出功率W、調(diào)制性能T、輸出頻譜S等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，得到測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用模板匹配法得到基本概率分配值，最后利用改進(jìn)合成規(guī)則進(jìn)行合成處理的結(jié)果如表3所示。

表3 電路板級(jí)故障診斷結(jié)果

根據(jù)表3結(jié)果可知，故障原因?yàn)镕13，即功放故障，這就表明診斷結(jié)果與預(yù)先設(shè)置故障完全一致，從而驗(yàn)證了本文所提方法的正確性和有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述提出了一種基于D-S證據(jù)理論的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路故障診斷方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)和電路板級(jí)兩2層診斷框架，通過(guò)模版匹配法進(jìn)行基本概率分配函數(shù)獲取，基于沖突度和重要度進(jìn)行沖突證據(jù)合成，采用基本概率分配函數(shù)進(jìn)行決策，由此形成的基于D-S證據(jù)理論的診斷方法有效解決了復(fù)雜無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的故障診斷問(wèn)題，為增強(qiáng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的可靠性和維修性提供了新的手段。

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