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    便攜式雷達(dá)綜合檢測平臺及智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計

    2018-04-25 07:34:21,,,
    計算機測量與控制 2018年4期
    關(guān)鍵詞:故障診斷雷達(dá)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    , , ,

    (1.西安黃河機電有限公司設(shè)計研究所,西安 710043; 2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院, 武漢 430033)

    0 引言

    活動目標(biāo)偵察校射雷達(dá)可以在夜間或惡劣氣候條件下偵察敵方運動中的人員、車輛、坦克和艦船等目標(biāo),測定其坐標(biāo)和速度,并測定己方射彈地面炸點對目標(biāo)偏差以校正火炮射擊。某型活動目標(biāo)偵察校射雷達(dá)作為新一代定型裝備,已經(jīng)大量裝備我軍地面?zhèn)刹觳筷牎T趯嶋H作戰(zhàn)使用維修以及裝備保障時,研制廠家研制了該雷達(dá)的中繼級檢測維修車。檢測維修車配備了三大單元和顯示組合獨立的檢測臺,以及專家診斷系統(tǒng),但是由于配套設(shè)備繁多、造價高昂,部隊裝備數(shù)量很少,難以解決該雷達(dá)特別是野戰(zhàn)基層級維修保障能力嚴(yán)重不足的問題。原有的檢測維修車雖然配備了專家系統(tǒng),但是專家系統(tǒng)的故障檢測準(zhǔn)確率偏低,專家系統(tǒng)知識庫已不能滿足部隊日益增長的維修需求和部隊作戰(zhàn)任務(wù)[1-2]。

    為解決該雷達(dá)維修成本高、野戰(zhàn)基層級維修保障能力嚴(yán)重不足和日常訓(xùn)練的問題,提高專家系統(tǒng)故障檢測準(zhǔn)確率,研制設(shè)計了一種便攜式雷達(dá)綜合檢測平臺(簡稱檢測平臺)[3],該平臺以滿足部隊需求、智能化設(shè)計思路,多功能集成及多樣化檢測手段,將雷達(dá)檢測設(shè)備、模擬訓(xùn)練器和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能故障診斷系統(tǒng)的功能集于一體,實現(xiàn)檢測平臺的集成化、小型化和檢測的智能化。

    1 主要功能和技術(shù)指標(biāo)

    該檢測平臺主要功能和指標(biāo)如下:

    1)檢測平臺可實現(xiàn)對雷達(dá)三大單元、顯示組合的獨立檢測、自檢結(jié)果的采集和匯流環(huán)的自動檢查,檢測項目覆蓋三大單元和顯示組合技術(shù)條件規(guī)定的所有條目;

    2)產(chǎn)生跳頻編碼、量程控制、目標(biāo)特性、 高低控制、高壓控制、DGC中頻增益控制曲線等控制信號;

    3)產(chǎn)生并模擬和路以及差路模擬目標(biāo)視頻信號,實現(xiàn)以下功能:

    (1)模擬運動目標(biāo):模擬目標(biāo)個數(shù):3個;模擬目標(biāo)速度范圍:0~200 km/h,可任意設(shè)置; 信號幅度連續(xù)可調(diào);

    (2)模擬炸點目標(biāo):炸點方位、距離、持續(xù)時間和多普勒頻率可設(shè)定;數(shù)量:3發(fā);

    (3)信號靈敏度檢測:模擬信號幅度±0.1 V;方位、距離可任意設(shè)定,多普勒頻率為0~200 Hz;數(shù)量:3個;

    (4)跟蹤精度測試:實時錄取方位和距離跟蹤數(shù)據(jù),并進(jìn)行閉環(huán)跟蹤精度的圖像和數(shù)據(jù)處理。

    4)智能故障診斷系統(tǒng):具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動故障分析、報警和預(yù)測能力,同時具備可以根據(jù)歷史故障信息進(jìn)行深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)自訓(xùn)練和校正能力;

    可根據(jù)雷達(dá)三大單元的自檢信息或故障現(xiàn)象,利用聲音、文字、圖像等多媒體手段,對維修人員現(xiàn)場維修提供強大的技術(shù)支持和維修指導(dǎo);

    在雷達(dá)單元維修過程中可隨時調(diào)用,保證雷達(dá)現(xiàn)場維修時的故障分析和維修能力。

    5)覆蓋率:可更換單元檢測覆蓋率不小于95%。

    6)故障檢測率:電子線路板故障檢測率不小于95%。

    7)虛警率:電子線路板故障檢測虛警率不大于2%。

    2 硬件組成及工作原理

    檢測平臺的硬件組成如圖1所示,其構(gòu)成部分有:主控計算機板、雷達(dá)綜合信號產(chǎn)生及處理板、時序檢查板、DGC接口板、母板、圖像信號處理組合、綜合電源、加固液晶屏、操作面板、固態(tài)繼電器、機箱、24V直流穩(wěn)壓電源、一體化鍵盤機箱、信號電纜、電源電纜和測試電纜組成。

    圖1 檢測平臺硬件組成圖

    主控計算機板采用PC104嵌入式計算機為主控計算機,以3片BK51SD單片機作為從機,從機分別位于主控計算機板、雷達(dá)綜合信號產(chǎn)生及處理板和時序檢查板,采用多微機共總線分布式控制技術(shù),通過DPRAM雙端口存儲器完成與從機數(shù)據(jù)交互。主控計算機板通過LVDS接口連接加固液晶顯示屏,通過PS/2接口連接鍵盤鼠標(biāo),通過音頻接口連接內(nèi)置音箱,以實現(xiàn)人機交互[4-5]。主控計算機板運行智能故障診斷系統(tǒng)和雷達(dá)綜合檢測軟件,并用于完成對天線座單元的檢測,是檢測平臺的核心控制模塊。

    雷達(dá)綜合信號產(chǎn)生及處理板該板由3個DDS控制器AD7008、FPGA、放大濾波電路、調(diào)制電路、頻率自檢電路和加法電路等組成[6]。主要用于完成對主控臺單元的檢測,并具有模擬訓(xùn)練器的主要功能。

    時序檢查板主要由BK51SD單片機、DPRAM、CPLD、光電耦合器、基準(zhǔn)時鐘濾波放大電路等組成,主要用于為本組合和被測設(shè)備提供時序和狀態(tài)控制信號,同時在加電管理軟件的控制下,通過光耦控制兩個固態(tài)繼電器進(jìn)行加電控制,其中24 V Ⅰ用于本組合加電,由綜合電源產(chǎn)生5 V、15 V和200 V三種電源;24 V Ⅱ用于被測單元加電。

    DGC接口板主要由BK51SD單片機、CPLD、E2PROM、DPRAM、D/A轉(zhuǎn)換器等組成,主要用于完成對收發(fā)倉單元的測試,同時負(fù)責(zé)產(chǎn)生DGC接收機增益控制曲線。

    圖像信號處理組利用FPGA及大規(guī)模存儲電路,產(chǎn)生行同步信號、幀同步信號和二次圖像信號,以完成對雷達(dá)顯示組合的測試和維修。

    3 智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

    3.1 診斷系統(tǒng)原理設(shè)計

    檢測平臺的智能故障診斷系統(tǒng)綜合了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的優(yōu)勢。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強大的非線性映射能力,而且還具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、容錯性和并行處理等性質(zhì)。在工作過程中,根據(jù)一組輸入,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便按已確定的權(quán)值計算出對應(yīng)的輸出,同時還可以根據(jù)其輸出與實際情況的差值,按各訓(xùn)練過程相同的學(xué)習(xí)規(guī)則修改權(quán)值,即進(jìn)行自學(xué)習(xí),使之能適應(yīng)外界環(huán)境的變化,采用簡單的神經(jīng)元連接而形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有高度復(fù)雜的非線性動力學(xué)系統(tǒng)特點[7]。

    BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其神經(jīng)元的傳輸函數(shù)為S函數(shù),可以實現(xiàn)從輸入到輸出的任意的非線性映射,用于淺層次經(jīng)驗推理。專家系統(tǒng)主要用于深層次符號推理,可通過內(nèi)容進(jìn)行匹配邏輯推理。通過利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合的方式,不僅可存儲信息,處理統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),還可對知識進(jìn)行存儲并解決問題,推理故障發(fā)生整個過程[8-9]。

    對于故障診斷系統(tǒng)來講,故障表示是故障系統(tǒng)的首要問題。文中假設(shè)F為某雷達(dá)系統(tǒng)故障表,其中各故障的屬性組成固定屬性集Z,F(xiàn)={f0,f1,f2…fn},其中,f0表示正常系統(tǒng),f1,f2…fn代表各個故障。

    ASi={Ai|Ai作為某雷達(dá)的動態(tài)屬性,表示故障fi導(dǎo)致的差錯};IN-AS={AK|AK為某雷達(dá)的輸入屬性,決定某雷達(dá)動態(tài)特性}。

    AS=AS′∪IN-AS

    其中,AS為雷達(dá)系統(tǒng)故障集F所對應(yīng)的屬性集,令A(yù)S={A1,A2,…,An},L是系統(tǒng)對故障進(jìn)行的具體診斷,則在t時刻對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行的具體診斷故障為:fi=L(A1(t),A2(t),…,An(t)),i=0,1,…,n。自變量可取到是屬性集AS在各時刻t的所有取值,對雷達(dá)系統(tǒng)的故障診斷結(jié)果是由故障集多個故障的邏輯運算綜合而成。

    圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    基于故障檢測機理,該平臺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)主要劃分為3層模塊,3層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示。前模塊分別實現(xiàn)故障原因輸入;中間模塊為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理;后模塊為反邏輯,實現(xiàn)清晰化[10]。其中,為保證合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù),降低網(wǎng)絡(luò)計算復(fù)雜度與訓(xùn)練難度。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)點數(shù)主要依據(jù)先前雷達(dá)故障發(fā)生經(jīng)驗公式設(shè)定,并依據(jù)訓(xùn)練結(jié)果而調(diào)整。具體經(jīng)驗公式如下:

    nimpic=2ninput+1

    (1)

    (2)

    (3)

    nimpic=log2ninput

    (4)

    其中,nimpic為隱藏層神經(jīng)元個數(shù),ninput為輸入層神經(jīng)元個數(shù),noutput為輸出層神經(jīng)元個數(shù),a取值為1~10。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法如下:

    1)輸入層節(jié)點i,其輸出等于xi,i=1,2,…,n;

    2)隱含層節(jié)點j,其輸入hi,輸出Oj分別為:

    (5)

    (6)

    其中,j=1,2,…,m;Tj=wn+1jxn+1,xn+1=-1。

    3)輸出層節(jié)點,其輸入hk,輸出yk分別為:

    (7)

    (8)

    其中,k=1,2,…,l;Tj=wm+1kOn+1,Om+1=-1。

    (9)

    (10)

    3.2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

    3.2.1 系統(tǒng)軟件概述

    綜合檢測平臺采用定制裁減的Win XPE嵌入式操作系統(tǒng),具有內(nèi)核小、占用系統(tǒng)資源少、啟動速度快、增強寫保護等特點。研發(fā)了基于WinXPE操作系統(tǒng)下的底層驅(qū)動軟件、庫維護軟件和應(yīng)用程序,實現(xiàn)了Windows系統(tǒng)下的實時控制及數(shù)據(jù)交換[11],最小采樣周期50 ms。

    研制開發(fā)了智能故障診斷系統(tǒng)、雷達(dá)綜合檢測軟件、集總接口分配軟件、直接數(shù)字合成DDS1和DDS2軟件、通訊接口軟件、模擬信號檢測軟件、接口采集軟件、數(shù)模接口控制軟件、DGC數(shù)據(jù)存儲等軟件,其中Win XPE系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用軟件17個,F(xiàn)PGA軟件4個、CPLD軟件2個、數(shù)據(jù)存儲軟件1個。

    雷達(dá)綜合檢測軟件和智能故障診斷系統(tǒng)均采用delphi語言編寫,通過二維矢量圖形和虛擬儀表控制界面,使人機交互界面更加簡單明確,易學(xué)易用。各軟件受雷達(dá)綜合檢測軟件統(tǒng)一調(diào)度,其核心目標(biāo)是為智能故障診斷系統(tǒng)提供被測產(chǎn)品的當(dāng)前信息。

    3.2.2 主要技術(shù)難點

    1)BP整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整及訓(xùn)練指標(biāo)的確定。智能診斷系統(tǒng)的核心是知識,擁有的知識的多少及知識的質(zhì)量決定了一個診斷系統(tǒng)所具有解決問題的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識獲取與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)知識獲取完全不同,隨著對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究的深入,發(fā)現(xiàn)該方法存在主要難點是網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點數(shù)的選取上,基本上是根據(jù)經(jīng)驗采用試探法選取的。為了使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更加有效地解決實際的故障診斷問題,需要找到其結(jié)構(gòu)特性最能反映故障診斷問題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并且其權(quán)值能比較精確地表示故障征兆到故障原因之間的非線性映射關(guān)系。這需要通過大量的實例來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并不斷調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及確定訓(xùn)練指標(biāo),使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得相應(yīng)的領(lǐng)域知識。與傳統(tǒng)專家系統(tǒng)的知識獲取相比,它實際上大大節(jié)省了時間,而且由于它可以直接從數(shù)據(jù)中獲取知識,所以也大大增加了知識的來源。

    2)信息融合。對于未經(jīng)學(xué)習(xí)的樣本和遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離樣本的輸入數(shù)據(jù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的診斷能力將下降,甚至可能得出錯誤的結(jié)論。因此,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷時,對診斷對象的機理必須十分清楚。智能故障診斷系統(tǒng)在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)上,必須充分利用雷達(dá)綜合檢測軟件提供的被測產(chǎn)品的其它的參數(shù)信息,通過信息融合,提高診斷的準(zhǔn)確性。

    3.2.3 故障診斷系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

    智能故障診斷系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。在該系統(tǒng)中,知識庫及推理機完全分離,知識庫作為專家系統(tǒng)的核心,其內(nèi)容修改由庫維護軟件完成。推理部分采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和流程控制知識相結(jié)合的推理方式。推理機根據(jù)某雷達(dá)的當(dāng)前信息,首先判斷出是否出現(xiàn)異常,若異常,則根據(jù)原規(guī)則指定由哪個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成進(jìn)行診斷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理采用BP 網(wǎng)絡(luò)的前向運算規(guī)則,其結(jié)果根據(jù)相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成運算得出,從而判斷是否出現(xiàn)故障并指定故障發(fā)生的部位,并通過多媒體手段為用戶提供詳細(xì)的維修指導(dǎo)建議和操作說明[12]。

    圖3 智能故障診斷系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)示意圖

    4 仿真測試與效果評估

    4.1 測試結(jié)果

    雷達(dá)故障系統(tǒng)診斷步驟如下:1)將雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)的故障樣本輸入到輸入層,各節(jié)點也是該層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的輸出;2)根據(jù)由經(jīng)驗值所得到的故障類型閾值去判定對應(yīng)輸出層神經(jīng)元的最終輸出結(jié)果。表1為由實際經(jīng)驗所得出的雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)實際故障樣本和其對應(yīng)特征值,表2為將各樣本輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層從而得到的對應(yīng)訓(xùn)練結(jié)果,即雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)故障原因[13]。

    表1 典型故障樣本

    表2 典型故障樣本網(wǎng)絡(luò)輸出值

    將表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后, 以實際故障樣本為網(wǎng)絡(luò)的原始訓(xùn)練樣本, 送入BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點數(shù)分別取8、9 和10 ,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練3625 次, 得出3 層BP 網(wǎng)絡(luò)的各個連接權(quán)值和閾值。經(jīng)過上述學(xué)習(xí)訓(xùn)練, 網(wǎng)絡(luò)獲取診斷發(fā)射系統(tǒng)的故障知識,網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)輸出“1.00”表示有故障發(fā)生,“0.00”表示對應(yīng)的故障不發(fā)生。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果,將判決門限取0.85,即在某種故障模式下,網(wǎng)絡(luò)的輸出大于0.85,而其它均較小時,則判定為發(fā)生了該故障。訓(xùn)練結(jié)果表明,雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)故障診斷的準(zhǔn)確性大幅提高。

    4.2 測試曲線及診斷性能

    圖4為整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程, 由結(jié)果變化曲線可以看出,經(jīng)過37次迭代,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果可快速收斂到目標(biāo)值0.0001,此時訓(xùn)練誤差為8.2578e-005,表明其對故障檢測性能良好。

    圖4 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果

    在雷達(dá)05批產(chǎn)品中抽調(diào)一部進(jìn)行試驗,每個單元分系統(tǒng)分別人為設(shè)置故障和非故障樣本共 30 組,以這8個分系統(tǒng)共270組樣本檢驗智能故障診斷系統(tǒng)的診斷性能,其結(jié)果如表3所示。

    表3 智能故障診斷系統(tǒng)的診斷結(jié)果

    從表3實測數(shù)據(jù)分析,所有的測試結(jié)果故障診斷正確率都在90%以上,表明該智能故障診斷系統(tǒng)的診斷性能遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的檢測手段。但是天線收發(fā)單元和主控臺單元由于功能和線路設(shè)計復(fù)雜,故障診斷正確率偏低,說明該系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善。

    4.3 整體性能評價

    在設(shè)計鑒定階段,被測產(chǎn)品現(xiàn)場可更換單元(LRU)總數(shù)量為17個,檢測平臺可檢測的可更換單元數(shù)量為17個,可更換單元檢測覆蓋率為100%。檢測平臺對于車間可更換單元(SRU)設(shè)置故障總數(shù)為100個,通過測試,其正確故障檢測為99個,按照70%置信度計算,SRU故障檢測率為98.96%,虛警率為0.04%,完全滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

    經(jīng)部隊使用試驗,檢測平臺以簡單易用、功能完善、故障定位快速準(zhǔn)確、攜行方便等特點得到用戶單位的廣泛好評。

    5 結(jié)論

    綜合檢測平臺是為滿足某型雷達(dá)的野戰(zhàn)基層級維修需要而進(jìn)行研制的專用檢測設(shè)備,集故障檢測、性能測試和模擬訓(xùn)練功能于一體,可對某型雷達(dá)三大單元和顯示組合進(jìn)行獨立的檢查、測試和調(diào)整,并采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障智能診斷系統(tǒng),大幅提升了對某型雷達(dá)的故障分析、故障定位和維修能力,可滿足野戰(zhàn)條件下裝備的快速維修保障和訓(xùn)練,并適用于多級維修,提高了雷達(dá)在部隊實裝配備的綜合診斷檢測效率,為裝備維修提供了有力的支持和保障。

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