基于VMTS的旋翼伺服作動器故障診斷過程可視化

史永勝，黃　杰

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津　300300)

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基于VMTS的旋翼伺服作動器故障診斷過程可視化

史永勝，黃杰

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津300300)

摘要：為了解決直升機(jī)旋翼伺服作動器維修保障過程中訓(xùn)練資源有限，拆裝難度高，故障率較高且難以確定故障點等難題，在直升機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)(VMTS, virtual maintenance training system)的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用虛擬儀器檢測，確定故障點的直升機(jī)故障診斷可視化設(shè)計方法；分析了故障診斷過程中儀器、工具、環(huán)境等對故障診斷的影響，實現(xiàn)了動態(tài)的建立仿真模型和數(shù)據(jù)處理；通過虛擬儀器和推理機(jī)的功能配合，解決了直升機(jī)維護(hù)中復(fù)雜多變的故障診斷難題，形成一個邏輯推理能力強(qiáng)的故障診斷系統(tǒng)；最后以直升機(jī)旋翼伺服作動器故障診斷為例，驗證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬維修；故障診斷；虛擬儀器；可視化

0引言

故障診斷技術(shù)是監(jiān)控、檢測、判斷和連續(xù)預(yù)警機(jī)械裝備工作狀態(tài)和故障，保障機(jī)械裝備安全穩(wěn)定運行的一門科學(xué)技術(shù)[1]。故障診斷的過程中，診斷是最困難的決策任務(wù)，一般除了要完成現(xiàn)有征兆和新征兆的檢測，還要通過系統(tǒng)行為進(jìn)行預(yù)測，最終通過預(yù)設(shè)模式的識別和診斷推理實現(xiàn)故障的診斷。這就使得診斷的過程要求診斷者擁有豐富的理論知識和規(guī)范的工程實踐經(jīng)驗，無疑限制了故障診斷技術(shù)、方法的訓(xùn)練，給故障診斷培訓(xùn)帶來了不便。本文在直升機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的平臺之上，提出了根據(jù)客觀需求設(shè)計的虛擬儀器和可視化、交換式表現(xiàn)形式的專家系統(tǒng)相結(jié)合的故障診斷邏輯方法，能夠?qū)⒊橄蟮墓收显\斷活動，利用三維模擬現(xiàn)實的場景表現(xiàn)出來，特別是把那些復(fù)雜的，規(guī)律性不強(qiáng)的專家級經(jīng)驗知識細(xì)致、形象的表現(xiàn)出來，使得操作者能輕松掌握診斷流程以及儀器使用方法，提高其理論水平和工程實踐能力，充分體現(xiàn)了“一圖勝千言”的優(yōu)越性[2]。

直升機(jī)旋翼是直升機(jī)的關(guān)鍵部件，而保證旋翼伺服作動器的適航性則是保障直升機(jī)旋翼系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)[3]。然而，旋翼伺服作動器拆裝難度較高，故障診斷復(fù)雜，用于訓(xùn)練的資源也十分有限。所以，開發(fā)一種廉價、高效、易于學(xué)習(xí)和掌握的旋翼伺服作動器的虛擬訓(xùn)練平臺已經(jīng)迫在眉睫。

本文研究了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的旋翼伺服作動器故障診斷可視化方法，并將其應(yīng)用于直升機(jī)VMTS平臺中，在可視化的過程中實現(xiàn)了機(jī)械裝備可視化，故障診斷可視化。其中，機(jī)械裝備的可視化主要是在虛擬的現(xiàn)實場景中建立直升機(jī)3D模型、拆裝工具3D模型；故障診斷可視化涉及虛擬拆卸、裝配和虛擬儀器使用過程的可視化。

1故障診斷可視化

可視化是通過一些特殊的算法實現(xiàn)的，它能夠?qū)崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成幾何圖像，將抽象的物理量直觀的表現(xiàn)出來，方便人員研究，并能完成交互控制[4-5]。在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，故障診斷技術(shù)和可視化技術(shù)的結(jié)合運用較為廣泛。圖像、視頻配合一般診斷理論能夠快速準(zhǔn)確的定位病灶，進(jìn)而對癥下藥，科學(xué)醫(yī)治[6]。近些年來，故障診斷可視化技術(shù)也被應(yīng)用到了機(jī)械裝備故障診斷領(lǐng)域。傳統(tǒng)的故障診斷方法對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的分析深度難以達(dá)到，而且對于操作人員的技術(shù)水平要求也高[7-8]。當(dāng)前智能故障診斷技術(shù)也存在操作性差，界面復(fù)雜，不夠友好的缺點，尤其利用其對于人員的培訓(xùn)更是難上加難。而若在智能故障診斷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)其可視化，則可以將抽象的故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具有鮮明特點、辨識度高的圖形圖像，并且能夠充分利用人對于空間立體圖像的敏感特性，迅捷的發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的重要故障信息[9]。因此，將可視化技術(shù)應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域是一個創(chuàng)造性的嘗試。

2虛擬儀器設(shè)計

虛擬儀器將計算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)結(jié)合起來，通過設(shè)計完整的儀器系統(tǒng)實現(xiàn)通常傳統(tǒng)儀器所實現(xiàn)的數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理以及顯示結(jié)果的功能。但是，虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器在設(shè)計、管理、應(yīng)用中的局限性，具有經(jīng)濟(jì)靈活，便于維護(hù)，功能拓展升級等優(yōu)點。

虛擬儀器是故障診斷過程中的重要診斷工具。在VMTS平臺中，要根據(jù)用戶需求來設(shè)計虛擬儀器，分析所需測量的常見物理量，對各儀器進(jìn)行分類。建立較普遍的函數(shù)庫、元件庫和其他輔助元件，配合數(shù)據(jù)庫來建立不同類型、不同功能的虛擬儀器，實現(xiàn)軟件就是儀器的構(gòu)想[10]。圖1為虛擬儀器設(shè)計原理圖。

圖1　虛擬儀器設(shè)計原理圖

從圖1可見，將各元素設(shè)計成為儀器的過程中主要完成4個模塊的設(shè)計工作：基礎(chǔ)單元模塊、功能模塊、管理模塊和應(yīng)用模塊，最終完成儀器，投入使用。函數(shù)庫、元件庫、輔助工具庫組成基礎(chǔ)單元模塊，每一個功能模塊都要靠三者實現(xiàn)功能。函數(shù)庫中有常用函數(shù)、有各模塊的特定函數(shù)，其中虛擬儀器的功能函數(shù)是可以繼續(xù)開發(fā)和功能拓展的模式。元件庫中則有虛擬儀器元件、控制元件和工具元件?？刂圃心Ｊ睫D(zhuǎn)換開關(guān)，量程選擇開關(guān)等元件；工具元件有錄像元件、拍照元件。舉例儀器界面如圖2所示。

圖2　虛擬儀器界面

根據(jù)圖2所示，其中控制元件有旋轉(zhuǎn)式的模式選擇開關(guān)、量程選擇開關(guān)、方位控制開關(guān)等；還有輔助作用的錄像拍照按鈕開關(guān)。

虛擬儀器的開發(fā)設(shè)計本著按需開發(fā)的原則，即節(jié)省不必要的開支和浪費，又能保障檢測使用需求。同時，儀器能夠進(jìn)行搭配使用減輕代碼的編寫難度，縮短研發(fā)周期，與實際儀器相比有巨大的開發(fā)潛力和優(yōu)勢。

3故障診斷過程可視化設(shè)計

3.1故障診斷過程可視化原理

故障診斷技術(shù)和可視化技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的兩項核心技術(shù)。本文設(shè)計平臺是將真實的機(jī)械、裝備元件轉(zhuǎn)化成三維模型應(yīng)用于仿真平臺，為故障診斷提供一個虛擬的場景?？傮w來說，故障診斷可視化系統(tǒng)將虛擬環(huán)境、3D模型、虛擬設(shè)備和檢測方法等結(jié)合在一起來實現(xiàn)故障診斷流程可視化[11]。

故障診斷過程可視化包括系統(tǒng)建?？梢暬驮\斷操作過程可視化。系統(tǒng)建?？梢暬僮髦噶钤诳梢暬缑嫔蟿討B(tài)構(gòu)建仿真模型的過程可視化，即將各診斷過程抽象成直觀的圖像元素并且能夠完整的顯示在可視化界面中。診斷操作過程可視化是指算法執(zhí)行前對相關(guān)的數(shù)據(jù)的輸入可視化以及算法執(zhí)行過程中動態(tài)實時顯示的可視化。圖3為可視化原理框圖。

在故障診斷可視化過程中，將零部件、工具、接口、手動等用特定圖形元素表示，各圖形元素表示方法如表1所示。

表1　圖形元素表示方法零部件工具接口手動

3.2可視化框架設(shè)計

故障診斷框架分為特征提取、虛擬儀器、端口設(shè)置、開始檢測、重置檢測5個部分。圖4為故障診斷框架圖。

圖4　故障診斷框架圖

點擊特征提取按鈕，可以提取飛機(jī)系統(tǒng)、子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，比如，VEMD信息、警告儀表板信息、控制面板信息、維護(hù)歷史等；點擊虛擬儀器按鈕可對儀器進(jìn)行相應(yīng)的管理；點擊端口設(shè)置按鈕對零件端口和儀器端口進(jìn)行設(shè)置；點擊虛擬檢測按鈕則進(jìn)行檢測過程的仿真，其中要調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的樣板模型和形成檢測報告；點擊重置檢測按鈕則將之前所有檢測步驟重置，方便重新檢測。

3.3故障診斷過程仿真

故障診斷過程仿真是一個不斷調(diào)用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)信息動態(tài)的完成數(shù)據(jù)運算以及做出響應(yīng)和顯示各類信息的過程。其過程仿真的偽代碼如下：

OpenModel();

//打開模型

StoreData();

//保存已輸入數(shù)據(jù)

ShowInference();

//接受征兆信息后，顯示推理界面

CheckLink();

//檢測被測對象和儀器的連線情況

StoreNeedNum();

//執(zhí)行算法

Execution();

//執(zhí)行檢測過程

SetState();

//接受檢測結(jié)果，并給出反應(yīng)。

If(endornot1)

{

//檢測結(jié)束并形成檢測報告

EndWindow.Show();

}

else

{

//檢測未結(jié)束，檢測將繼續(xù)

Execution();

}

圖5　故障診斷流程圖

故障診斷過程的流程如圖5所示。根據(jù)圖5可知，將使用虛擬儀器檢測的過程融合到推理的過程中。整個推理的可視化穿插著使用虛擬儀器檢測的可視化以及根據(jù)使用需求對于虛擬儀器的管理和功能擴(kuò)展。從故障發(fā)生到進(jìn)入推理機(jī)使用具有一定功能虛擬儀器測量，要提取特征值分析所要測量的物理參數(shù)，確定要測量的參數(shù)之后將儀器進(jìn)行配置完成測量，當(dāng)沒有適當(dāng)儀器還要進(jìn)一步添加儀器或者在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能。將檢測的結(jié)果重新送回推理機(jī)，完成故障診斷。

4實例驗證

本文以直升機(jī)旋翼液壓系統(tǒng)伺服作動器故障為例，建立了旋翼伺服作動器故障模型。飛行員在操縱飛機(jī)過程中明顯感覺到操縱桿操縱吃力，同時HYD警示燈亮起，完成飛行任務(wù)后對直升機(jī)伺服作動器進(jìn)行故障診斷和維修。可視化建模如圖6所示。在故障診斷之初，首先要完成將零件從機(jī)體拆除或者是調(diào)整到便于診斷檢測的位置。這些準(zhǔn)備過程在VMTS系統(tǒng)中，通過手動、常用工具或者專用工具從機(jī)體模型上完成。點擊機(jī)構(gòu)外形按鈕查看實際零部件外形；點擊端口連線按鈕查看所設(shè)置端口以及連接端口情況；點擊儀器顯示按鈕查看儀器讀數(shù)。

圖6　作動器故障模型圖

圖7　檢測推理模型

故障診斷的過程中所進(jìn)行的推理都是依賴于VMTS中的知識庫和推理機(jī)。在完成建模后，所進(jìn)行的檢測及推理模型如圖7所示。部分字母代號的含義如表2所示。

故障診斷模型建立并使用虛擬儀器檢測之后，將所檢測得到的物理值輸入到系統(tǒng)之中，則會根據(jù)所給出的正常數(shù)據(jù)范圍以及維修歷史所形成的故障模板來完成推理過程。推理過程中，數(shù)據(jù)異常的項目就會發(fā)生顏色變化，例如變?yōu)榧t色，如圖7所示。仿真的過程中可以單擊了解各個零部件的工作屬性以及當(dāng)前狀態(tài)和歷史維修更換情況，幫助參訓(xùn)人員快速掌握其理論知識和增強(qiáng)實踐經(jīng)驗。整個過程將零件分類存儲于零件庫內(nèi)；將拆裝工具分類并存儲于工具庫內(nèi)；同樣將虛擬儀器分類存儲于儀器庫內(nèi)統(tǒng)一通過數(shù)據(jù)庫管理，由應(yīng)用程序完成調(diào)用。不同的是所用工具模型及虛擬儀器都是可以根據(jù)實際需要完成添加的，而虛擬儀器更是可以因檢測功能的需要而進(jìn)一步拓展和開發(fā)的。

表2　伺服作動器故障下字母代號含義

表3　輸入及參考數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

本文提出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用虛擬儀器分析方法的直升機(jī)旋翼伺服作動器故障診斷過程可視化建模方法，搭建了一個交互式友好型可視化的建模平臺。系統(tǒng)同時能夠調(diào)用不同功能的虛擬儀器，降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)難度，解決了以往虛擬故障診斷不太友好的界面效果的難題，同時能夠?qū)?fù)雜抽象的專家知識可視化表示，對其他可視化方向研究也具有借鑒意義。通過“直升機(jī)旋翼伺服作動器故障”的實例，驗證了該模型的可行性和算法的正確性。證明這種方法可以應(yīng)用于直升機(jī)其他部位的維修保障工作。

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VMTS Based Rotor Servo Actuator Fault Diagnosis Process Visualization

Shi Yongsheng,Huang Jie

(College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

Abstract:In order to solve a helicopter rotor servo actuator maintenance support during limited training resources, disassembly difficult, high failure rate and it is difficult to determine the point of failure and other problems, the helicopter virtual maintenance training system (VMTS, Virtual Maintenance Training System) is presented on the basis of the proposed application of virtual instrument, to determine the point of fault by visual design. Analysis of the fault diagnostic process instruments, tools, environmental impact on fault diagnosis to achieve a dynamic simulation model and data processing. Through the virtual instrument and reasoning machine functions to solve the helicopter maintenance, troubleshooting complex problems into a logical reasoning ability of fault diagnosis system. Finally, a helicopter rotor servo actuator fault diagnosis, for example, to verify the feasibility of the method.

Keywords：virtual maintenance; fault diagnosis; virtual instrument; visualization

文章編號：1671-4598(2016)02-0018-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.005

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：史永勝(1965-)，男，遼寧錦州人，博士，教授，主要從事結(jié)構(gòu)智能化設(shè)計、故障診斷與結(jié)構(gòu)修理、專家系統(tǒng)、知識表示方向的研究。

基金項目：天津市支撐計劃項目(11ZCKFGX04100)；中央高校項目(ZXH2012D003)。

收稿日期：2015-08-26；修回日期：2015-09-25。