基于多信號(hào)模型的綜合化航電系統(tǒng)綜合診斷算法設(shè)計(jì)*

文 佳

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

隨著現(xiàn)代航空電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展以及戰(zhàn)機(jī)對(duì)航電系統(tǒng)功能需求的快速提升，航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷朝著綜合化和一體化的方向發(fā)展，從第一代“分立式”到第二代“聯(lián)合式”，再到第三代“數(shù)字系統(tǒng)綜合”，最后到第四代高度綜合化(射頻綜合)，航電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)字與射頻資源的高度共享，功能更加強(qiáng)大，容錯(cuò)能力更強(qiáng)［1－2］。但是，高度綜合化帶來的功能重構(gòu)與子系統(tǒng)之間邊界模糊使得整個(gè)航電系統(tǒng)異常復(fù)雜，其故障現(xiàn)象更是復(fù)雜多變，具有復(fù)雜性、層次性、相關(guān)性和不確定性的特點(diǎn)，給航電系統(tǒng)的故障診斷帶來極大的難度和挑戰(zhàn)［3］。與此同時(shí)，機(jī)上BIT(Built－in Test)系統(tǒng)故障診斷能力的不足，以及機(jī)上與機(jī)下構(gòu)成診斷能力的各要素之間缺乏綜合考慮和統(tǒng)一的規(guī)劃，使得飛機(jī)航電系統(tǒng)的故障診斷能力已經(jīng)無法滿足當(dāng)前高度綜合化情況下航電系統(tǒng)故障診斷的要求［4］。因此，迫切需要對(duì)航電系統(tǒng)的綜合診斷技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)以最少的費(fèi)用達(dá)到最有效的檢測，隔離裝備內(nèi)已知的或預(yù)期發(fā)生的所有故障，以滿足航電系統(tǒng)任務(wù)要求［5］。

綜合診斷技術(shù)的核心是故障綜合診斷算法。只有將機(jī)上與機(jī)下，以及機(jī)上各層次的故障診斷算法的有機(jī)融合，才能實(shí)現(xiàn)故障的綜合診斷，提高故障診斷效能。多信號(hào)模型是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析的基礎(chǔ)上，以分層有向圖表示信號(hào)流導(dǎo)向和各組成單元(故障模式)的構(gòu)成及相互連接關(guān)系，并通過定義信號(hào)(功能)以及組成單元(故障模式)、測試與信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性，來表征系統(tǒng)組成、功能、故障及測試之間相關(guān)性的一種模型表示方法［6］。基于多信號(hào)模型的故障診斷具有如下特點(diǎn)［7－10］:一是多信號(hào)模型類似于在結(jié)構(gòu)模型上覆蓋上依賴模型的集合，建模與系統(tǒng)的原理簡圖密切相關(guān)，便于復(fù)雜系統(tǒng)模型的分層建立、集成、校驗(yàn)和更新;二是模型適應(yīng)面廣，可以綜合考慮電應(yīng)力、溫度和振動(dòng)環(huán)境的影響，在測量信號(hào)的選擇上，既可考慮單個(gè)測點(diǎn)測單個(gè)信號(hào)或特征，也可以考慮單個(gè)測點(diǎn)測量多個(gè)信號(hào)或特征;三是診斷推理速度快，算法魯棒性和通用性好;四是能有效診斷復(fù)雜系統(tǒng)多故障并發(fā)情況。上述特點(diǎn)使得基于多信號(hào)模型的故障診斷方法非常適合復(fù)雜電子系統(tǒng)的綜合診斷，并且近10年來在美國航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用［11－13］。

鑒于多信號(hào)模型在測試性建模以及故障診斷方面的優(yōu)勢，本文在分析總結(jié)綜合化航電系統(tǒng)的故障發(fā)生特征及其故障診斷算法設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于多信號(hào)模型的綜合診斷算法，包括算法總體架構(gòu)、診斷流程和算法模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)綜合診斷算法的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行梳理，為工業(yè)部門進(jìn)行航電系統(tǒng)綜合診斷算法的設(shè)計(jì)提供參考。

2 需求分析

2.1 故障特征分析

現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的航電系統(tǒng)屬于高度綜合化的復(fù)雜系統(tǒng)，其故障的發(fā)生具有復(fù)雜性、層次性、相關(guān)性和不確定性等4 個(gè)特征。

(1)復(fù)雜性

航電系統(tǒng)一體化綜合設(shè)計(jì)的直接結(jié)果是帶來了多種傳感器資源的共用，以及模塊的通用化設(shè)計(jì)。對(duì)于共用的模塊或其他資源而言，其故障帶來的影響是復(fù)雜的，可能引起多個(gè)功能線程的失效，再考慮到故障后的系統(tǒng)重構(gòu)或基于不同使用任務(wù)需求的資源配置，系統(tǒng)的故障表現(xiàn)更加復(fù)雜，給系統(tǒng)的故障診斷帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

(2)層次性

航電系統(tǒng)屬于多層次系統(tǒng)，自頂向下一般可劃分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、功能線程、模塊、最小功能電路單元和元器件。系統(tǒng)的層次性決定了其故障縱向傳遞的層次性。任何故障都是與系統(tǒng)的某一層次相聯(lián)系的，高層次的故障可以由低層次故障所引起，而低層次的故障必定引起高層次的故障。航電系統(tǒng)故障的這種縱向傳遞關(guān)系可以在其失效模式與效果分析(FMEA)中得到體現(xiàn)，并最終反映到故障診斷算法的設(shè)計(jì)中。

(3)相關(guān)性

航電系統(tǒng)內(nèi)部同層次的模塊之間、模塊內(nèi)部功能電路單元之間都存在負(fù)責(zé)的交聯(lián)關(guān)系，任何一個(gè)原發(fā)故障都存在多條潛在的傳播途徑，從而導(dǎo)致關(guān)聯(lián)故障的發(fā)生，這就是系統(tǒng)故障的相關(guān)性，也稱為故障的“橫向性”。故障的相關(guān)性是導(dǎo)致系統(tǒng)故障現(xiàn)象復(fù)雜、診斷困難的主要原因。但是，在對(duì)故障發(fā)生和傳播過程進(jìn)行測試性建模后，故障傳遞這種相關(guān)性也是基于模型的故障診斷推理的重要依據(jù)。

(4)不確定性

從微觀層次來說，航電系統(tǒng)內(nèi)部電子器件故障的發(fā)生本身具有偶發(fā)性和隨機(jī)性;從宏觀層次來說，航電系統(tǒng)功能重構(gòu)使得故障傳播的縱向和橫向傳播途徑發(fā)生變化。微觀器件故障發(fā)生的不確定性和宏觀故障傳播途徑的不確定性，使得航電系統(tǒng)的故障發(fā)生具有不確定性的特點(diǎn)。

2.2 綜合診斷算法設(shè)計(jì)要求

結(jié)合綜合化航電系統(tǒng)故障發(fā)生的特點(diǎn)以及當(dāng)前航電系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，可以確定航電系統(tǒng)綜合診斷算法設(shè)計(jì)的要求。

(1)提高檢測率，降低虛警率

在BIT 發(fā)展過程中，虛警問題一直是困擾現(xiàn)役武器系統(tǒng)，特別是航空武器系統(tǒng)的重大難題。美軍F15 上的BIT 系統(tǒng)存在嚴(yán)重的虛警問題，據(jù)美國空軍試驗(yàn)和評(píng)價(jià)中心的分析報(bào)告，BIT 的虛警率高達(dá)85%［14］。由于綜合化航電系統(tǒng)故障發(fā)生的復(fù)雜性、相關(guān)性和不確定性特點(diǎn)，使其故障診斷的難度大，虛警率高，主要體現(xiàn)為測試門限的設(shè)置不合理、關(guān)聯(lián)故障難以消除。因此，綜合診斷算法設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)就是在算法的不同層次對(duì)虛警進(jìn)行控制，在保證故障檢測率的前提下，最大限度降低虛警率。

(2)考慮多故障并發(fā)情況

綜合化航電系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)，內(nèi)部包含的LRU/LRM 數(shù)量眾多，故障并發(fā)的概率增大;同時(shí)，對(duì)于一些關(guān)鍵模塊，不可能頻繁地進(jìn)行測試維護(hù)，進(jìn)一步增加了多個(gè)故障同時(shí)存在的可能。因此，多故障并發(fā)成為航電系統(tǒng)故障診斷時(shí)不可忽視的問題，在綜合診斷算法設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。

(3)提高故障隔離率，降低模糊組

鑒于機(jī)內(nèi)測試設(shè)備(BITE)設(shè)計(jì)過程中獨(dú)立測試電路對(duì)航電系統(tǒng)硬件功能電路體積、重量和可靠性的影響，即使在引入邏輯測試點(diǎn)的情況下，測試點(diǎn)的數(shù)量依然難以支持隔離所有的故障到單個(gè)模塊。在這種情形下，進(jìn)行診斷算法設(shè)計(jì)時(shí)如何綜合各種測試診斷因素，最大限度地利用收集的測試信息，從而降低模糊組，提高系統(tǒng)隔離度，成為綜合診斷算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3 診斷算法架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到綜合化航電系統(tǒng)故障發(fā)生的特點(diǎn)以及對(duì)綜合診斷算法的要求，再結(jié)合多信號(hào)模型在測試性建模以及故障診斷方面的優(yōu)勢，本文構(gòu)建了基于多信號(hào)模型的綜合化航電系統(tǒng)綜合診斷算法框架，如圖1所示。

圖1 綜合診斷算法架構(gòu)Fig.1 The framework of integrated diagnostic algorithm

綜合診斷算法架構(gòu)主要包括工作維和技術(shù)維兩部分。其中，工作維是指航電系統(tǒng)機(jī)上與機(jī)下的整個(gè)故障診斷過程以及故障診斷過程使用的各個(gè)診斷算法模塊;技術(shù)維與工作維相對(duì)應(yīng)，是指綜合診斷過程中應(yīng)用的診斷算法和技術(shù)。

在工作維中，航電系統(tǒng)的故障診斷主要包括機(jī)上診斷和在線診斷兩大部分。機(jī)上診斷分為三個(gè)層次:LRU/LRM 級(jí)故障診斷、子系統(tǒng)級(jí)(如CNI 子系統(tǒng)、雷達(dá)子系統(tǒng)和電子戰(zhàn)子系統(tǒng))故障診斷和系統(tǒng)級(jí)故障診斷。其中，LRU/LRM 級(jí)故障診斷主要負(fù)責(zé)測試點(diǎn)信息的采集與預(yù)處理，輸出LRU/LRM 測試點(diǎn)矩陣到子系統(tǒng);子系統(tǒng)級(jí)故障診斷主要實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)測試點(diǎn)矩陣的防虛警處理以及子系統(tǒng)級(jí)故障的初步診斷，并輸出相關(guān)診斷結(jié)果到系統(tǒng)級(jí);系統(tǒng)級(jí)故障診斷通過綜合運(yùn)用各子系統(tǒng)上報(bào)的故障信息，完成對(duì)子系統(tǒng)上報(bào)的故障診斷結(jié)果的確認(rèn)以及故障的進(jìn)一步隔離(主要針對(duì)各子系統(tǒng)間的交聯(lián)故障)。在線診斷作為機(jī)上診斷的重要補(bǔ)充，將在地面維護(hù)時(shí)對(duì)機(jī)上BIT 的故障診斷結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，以及對(duì)機(jī)上無法準(zhǔn)確定位的故障模糊組做進(jìn)一步的診斷隔離。

與工作維對(duì)應(yīng)，可以得到綜合診斷算法的技術(shù)維，即關(guān)鍵技術(shù)，主要包括:LRU/LRM 級(jí)故障診斷算法，包括小波降噪方法、多次平均方法;基于TEAMS 軟件的多信號(hào)建模技術(shù)，包括僅考慮電應(yīng)力參數(shù)的多信號(hào)建模以及綜合考慮溫度、振動(dòng)等環(huán)境參數(shù)的多信號(hào)建模;基于多信號(hào)模型的故障診斷推理算法，包括基于D 矩陣的實(shí)時(shí)推理算法和基于貝葉斯最大后驗(yàn)概率和拉格朗日松弛的故障精確推理算法;基于多信號(hào)模型的交互式診斷算法。

4 綜合診斷流程設(shè)計(jì)

首先，LRU/LRM 級(jí)故障診斷模塊對(duì)模塊內(nèi)部測試點(diǎn)采集上來的測試參數(shù)進(jìn)行一些必要的信號(hào)預(yù)處理(包括虛警處理和特征提取)以及初步診斷，判斷測試參數(shù)是否在正常的范圍內(nèi)，給出測試通過/不通過的結(jié)果，輸出模塊測試點(diǎn)矩陣(通過/故障、0/1矩陣)。

各模塊采集的測試點(diǎn)矩陣通過數(shù)據(jù)總線傳送到其所屬子系統(tǒng)的健康管理單元。若子系統(tǒng)內(nèi)所有模塊的測試點(diǎn)矩陣都是0 值，即測試都通過，則子系統(tǒng)無故障;若有測試點(diǎn)報(bào)故，則啟動(dòng)子系統(tǒng)級(jí)故障推理模塊。

子系統(tǒng)級(jí)故障診斷推理模塊包括子系統(tǒng)級(jí)防虛警處理子模塊、子系統(tǒng)級(jí)實(shí)時(shí)推理子模塊和子系統(tǒng)級(jí)精確推理子模塊3 個(gè)子模塊。子系統(tǒng)級(jí)故障診斷流程如圖2所示。首先，由子系統(tǒng)級(jí)防虛警處理子模塊對(duì)輸入的測試點(diǎn)矩陣進(jìn)行虛警校驗(yàn)，判斷是否存在虛警的測試點(diǎn)。若存在虛警，則對(duì)虛警進(jìn)行修正，并給出修正后的測試點(diǎn)矩陣，然后進(jìn)入故障診斷流程;若不存在虛警，則直接進(jìn)入診斷流程。故障診斷包括快速診斷與精確診斷兩種方式，分別對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)級(jí)實(shí)時(shí)推理子模塊和子系統(tǒng)級(jí)精確推理子模塊。根據(jù)BIT 工作模式，選擇診斷方式，一般在加電BIT和周期BIT 模式下，選擇快速診斷方式;在維護(hù)BIT模式下，選擇精確診斷方式。

圖2 子系統(tǒng)級(jí)故障診斷流程Fig.2 Fault diagnostic workflow of sub－system

系統(tǒng)級(jí)主要完成故障確認(rèn)與增強(qiáng)診斷兩個(gè)功能。各子系統(tǒng)的故障信息上報(bào)給系統(tǒng)級(jí)以后，首先進(jìn)行故障確認(rèn)，通過對(duì)各子系統(tǒng)上報(bào)的故障診斷結(jié)果進(jìn)行綜合比較，判斷是否在系統(tǒng)層次存在沖突矛盾;若存在矛盾，則需要重新進(jìn)行故障診斷，進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)故障診斷推理流程;若不存在矛盾，則綜合各子系統(tǒng)的診斷結(jié)果進(jìn)一步判斷是否需要在系統(tǒng)級(jí)做故障隔離(針對(duì)子系統(tǒng)間交聯(lián)故障，例如跨子系統(tǒng)功能的公共資源故障)，若不需要，則流程結(jié)束，上報(bào)故障診斷結(jié)果;若需要進(jìn)一步隔離，則進(jìn)入系統(tǒng)級(jí)故障診斷流程。系統(tǒng)級(jí)故障診斷流程由系統(tǒng)級(jí)故障診斷推理模塊完成，主要包括虛警處理與故障診斷兩個(gè)步驟。

在線診斷主要是通過測試設(shè)備與PMA(便攜式維修裝置)相互配合來完成機(jī)上診斷結(jié)果的確認(rèn)與故障模糊組的進(jìn)一步隔離。PMA 內(nèi)嵌入了在線診斷模塊，在線診斷模塊根據(jù)機(jī)上診斷結(jié)果(包括測試點(diǎn)矩陣和故障模糊組)，分析得出最優(yōu)的交互式故障診斷流程，以測試指令的形式展現(xiàn)給用戶，包括每一步測量使用到的測試設(shè)備、測試參數(shù)、故障判據(jù)、操作步驟。外場維修人員根據(jù)PMA 的指示，操作測試設(shè)備與飛機(jī)有線或無線連接，得到相應(yīng)的測試參數(shù)數(shù)據(jù)，由維修人員人工判故或者將測試數(shù)據(jù)輸入PMA 自動(dòng)判故，最終實(shí)現(xiàn)故障的確認(rèn)與模糊組進(jìn)一步隔離。

5 診斷算法模塊設(shè)計(jì)

由綜合診斷算法架構(gòu)可以得到綜合診斷的算法模塊組成，如圖3所示。

圖3 綜合診斷算法模塊組成Fig.3 The composition of integrated diagnostic algorithm

下面對(duì)各診斷算法模塊的主要功能、算法原理、輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果進(jìn)行闡述。

5.1 LRU/LRM 級(jí)故障診斷模塊

LRU/LRM 級(jí)故障診斷模塊的主要功能是對(duì)模塊內(nèi)部測試點(diǎn)采集上來的測試參數(shù)進(jìn)行一些必要的信號(hào)預(yù)處理(包括虛警處理和特征提取)以及初步的診斷，判斷測試參數(shù)是否在正常的范圍內(nèi)，最終輸出模塊測試點(diǎn)矩陣(通過/故障、0/1 矩陣)。

LRU/LRM 級(jí)故障診斷模塊內(nèi)嵌的算法主要包括多次平均與小波降噪方法。這兩種方法的核心都是降低噪聲的影響，從而降低虛警。相對(duì)多次平均方法，小波降噪方法降噪效果更好，但處理時(shí)間較長。在工程操作上，需要首先對(duì)航電系統(tǒng)的測試參數(shù)進(jìn)行梳理，然后根據(jù)不同參數(shù)的特點(diǎn)以及測試性要求選擇其適用的方法。

5.2 系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)診斷推理模塊

5.2.1 系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)防虛警處理子模塊

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)防虛警處理子模塊主要完成虛警校驗(yàn)和虛警修正兩個(gè)功能。其基本原理是利用測試性模型中的信號(hào)流和邏輯規(guī)則建立測試點(diǎn)之間的約束關(guān)系，對(duì)輸入的測試點(diǎn)矩陣進(jìn)行虛警校驗(yàn)，若測試點(diǎn)矩陣不滿足約束關(guān)系，則判斷存在虛警，找出發(fā)生虛警的測試點(diǎn)，進(jìn)行虛警修正。

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)防虛警處理子模塊包括兩部分:一是系統(tǒng)/子系統(tǒng)D 矩陣(由測試性建模導(dǎo)出);二是防虛警推理機(jī)，以D 矩陣和測試點(diǎn)矩陣為輸入，判斷測試點(diǎn)矩陣是否滿足D 矩陣約束關(guān)系。若滿足，則給出通過虛警校驗(yàn)的結(jié)果;若不滿足，則找出不滿足約束關(guān)系的測試點(diǎn)(報(bào)虛警的測試點(diǎn))，進(jìn)行虛警修正，最后給出修正后的測試點(diǎn)矩陣。防虛警推理機(jī)與建立測試性模型無關(guān)，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)。

5.2.2 系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)快速診斷子模塊

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)快速診斷子模塊主要根據(jù)輸入的測試點(diǎn)矩陣，基于多信號(hào)模型進(jìn)行快速診斷，輸出故障子系統(tǒng)(系統(tǒng)級(jí)診斷)或故障模塊(子系統(tǒng)級(jí)診斷)?？焖僭\斷的特點(diǎn)是診斷速度快，實(shí)時(shí)性好，但是對(duì)模糊組的隔離能力不強(qiáng)。

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)快速診斷子模塊包括系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)D 矩陣(可由TEAMS 軟件導(dǎo)出)和快速診斷推理機(jī)兩部分。

快速診斷推理機(jī)工作原理如下:通過定義系統(tǒng)中元件狀態(tài)即G(正常)、B(故障)、S(可疑)、U(狀態(tài)未知)，在診斷推理的開始，先假定系統(tǒng)所有元件的狀態(tài)為未知狀態(tài)。針對(duì)測試點(diǎn)矩陣中的每一個(gè)測試，由D 矩陣找到與該測試相關(guān)的元件，若該測試通過，則該測試相關(guān)元件的狀態(tài)設(shè)置為G;若測試失敗，則將相關(guān)元件的狀態(tài)設(shè)置為S;故障元件(B)是在可疑故障元件(S)中不斷剔除正常元件(G)而獲得的?？焖僭\斷推理機(jī)這種基于排除的診斷方法可以有效解決航電系統(tǒng)的多故障診斷問題。

5.2.2 系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)精確診斷子模塊

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)精確診斷子模塊的功能與系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)快速診斷子模塊相同，但是診斷精度更高，能有效降低模糊組規(guī)模，缺點(diǎn)是耗時(shí)相對(duì)較長。因此，一般只在維護(hù)BIT 模式下使用。

系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)級(jí)精確診斷子模塊包括三個(gè)部分:系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)D 矩陣、系統(tǒng)級(jí)/子系統(tǒng)先驗(yàn)信息矩陣和精確診斷推理機(jī)。

精確診斷推理機(jī)的工作原理是以系統(tǒng)多信號(hào)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)先驗(yàn)故障概率計(jì)算系統(tǒng)中各元件的后驗(yàn)故障概率，以后驗(yàn)故障概率最大為故障定位的準(zhǔn)則，并利用拉格朗日松弛算法進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的故障定位，具體過程可參見文獻(xiàn)［4］。

5.3 在線診斷推理模塊

在線診斷模塊的功能包括生成交互式診斷流程和故障自動(dòng)匹配。其中，在線診斷模塊中的交互式診斷流程可由測試性建模軟件自動(dòng)生成，通過在測試性軟件中設(shè)置測試點(diǎn)的不同屬性，機(jī)上測試和在線測試，生成機(jī)上測試不能完全隔離的模糊組及其對(duì)應(yīng)的在線交互式測試流程。在線診斷模塊記錄在線診斷流程及其與模糊組的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)機(jī)上診斷輸出模糊組信息時(shí)，在線診斷模塊自動(dòng)匹配出對(duì)應(yīng)的在線交互式診斷流程，并輸出到PMA 界面，指導(dǎo)用戶排故。

6 算法設(shè)計(jì)流程

綜合診斷算法的設(shè)計(jì)流程如圖4所示，包括的工作項(xiàng)目有:測試性信息收集;測試性建模及D 矩陣生成，在測試性信息收集完成后開始;公共推理模塊設(shè)計(jì)，綜合診斷算法的核心算法，指公共調(diào)用算法模塊的設(shè)計(jì)，包括防虛警推理機(jī)、快速診斷推理機(jī)和精確診斷推理機(jī)的設(shè)計(jì);LRU/LRM 級(jí)故障診斷模塊設(shè)計(jì);在線診斷模塊設(shè)計(jì)，在測試性建模的基礎(chǔ)上完成;系統(tǒng)/子系統(tǒng)故障推理模塊設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)/子系統(tǒng)D 矩陣和公共推理模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖4 綜合診斷算法設(shè)計(jì)流程Fig.4 Design process of integrated diagnostic algorithm

6.1 測試性信息收集

綜合診斷算法設(shè)計(jì)所需的測試性信息包括:產(chǎn)品設(shè)計(jì)資料，包括整個(gè)系統(tǒng)功能原理框圖、產(chǎn)品功能說明，系統(tǒng)信號(hào)流圖等;產(chǎn)品可靠性信息，包括系統(tǒng)故障模式及影響性分析(FMECA)報(bào)告、可靠性參數(shù)信息(如失效率或平均故障時(shí)間);產(chǎn)品測試性材料，包括系統(tǒng)測試點(diǎn)位置分布圖、各個(gè)測試點(diǎn)信息說明(包括測試參數(shù)、采用的測試設(shè)備、測試需要時(shí)間、成本等)。

6.2 測試性建模

采用TEAMS 軟件構(gòu)建航電系統(tǒng)的多信號(hào)模型。多信號(hào)模型是進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)，模型的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到診斷算法的準(zhǔn)確程度，因此，建模完成后必須請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師對(duì)測試性模型進(jìn)行核查，保證模型的正確性和完整性。

由于航電系統(tǒng)屬于復(fù)雜的多層次系統(tǒng)，其研發(fā)一般采用系統(tǒng)集成的方式，不同層次產(chǎn)品的研發(fā)主體可能不同?？紤]到這個(gè)因素，在測試性建模時(shí)也往往采用不同層次研發(fā)單位分別構(gòu)建各自層次的模型，最后由系統(tǒng)研發(fā)主體進(jìn)行集成和驗(yàn)證的開發(fā)方式。航電系統(tǒng)的測試性建模一般分為以下4 個(gè)步驟:

(1)系統(tǒng)層次劃分，明確不同層次建模的責(zé)任主體和建模要求;

(2)初步測試性模型構(gòu)建，包括構(gòu)建各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)模型，以及添加信號(hào)到模塊和測試點(diǎn);

(3)模型調(diào)整。構(gòu)建初步測試性模型后，在下列一些情況下，模型需要進(jìn)行必要的修正和調(diào)整［15］:

1)如果一個(gè)系統(tǒng)有一些組件能夠阻斷(block)一個(gè)信號(hào)集或完全故障，則應(yīng)為這些組件定義一個(gè)被阻斷信號(hào)集;

2)如果一個(gè)系統(tǒng)有一些組件能夠映射一個(gè)或多個(gè)信號(hào)到另一個(gè)信號(hào)子集，則需為這些組件定義一組映射函數(shù);

3)如果一個(gè)復(fù)雜信號(hào)(或函數(shù))是由一組簡單信號(hào)(或函數(shù))構(gòu)成，則可將這些簡單(或底層)信號(hào)組合為一個(gè)復(fù)雜信號(hào)或超信號(hào);

4)如果一個(gè)系統(tǒng)存在冗余(如A 和B 都故障，系統(tǒng)才故障)，則使用“并聯(lián)—AND”節(jié)點(diǎn)對(duì)冗余部分建模;

5)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;

6)如果一個(gè)系統(tǒng)有可更換數(shù)字集成電路，則采用等效模型。等效模型是芯片的簡化模型，包含在芯片中檢測故障(而不是隔離故障)必要的相關(guān)性信息;

(4)模型集成與驗(yàn)證。在得到各層次的測試性模型后，一般由系統(tǒng)級(jí)研發(fā)主體對(duì)模型進(jìn)行集成與有效性驗(yàn)證，最終得到完整正確的航電系統(tǒng)測試性模型。

7 結(jié) 論

本文分析了現(xiàn)代綜合化航電系統(tǒng)的故障特征，總結(jié)了其故障診斷算法的設(shè)計(jì)要求，為綜合化航電系統(tǒng)故障診斷算法的設(shè)計(jì)提供了依據(jù);設(shè)計(jì)的綜合診斷算法考慮了機(jī)上不同層次診斷以及在線診斷的要求，具有層次清晰、架構(gòu)合理的特點(diǎn);在系統(tǒng)級(jí)與子系統(tǒng)級(jí)故障診斷時(shí)給分別出了快速診斷與精確診斷兩種方式，既滿足了加電BIT 與周期BIT 模式下快速實(shí)時(shí)診斷的要求，又提高了維護(hù)BIT 模式下的故障診斷精度;設(shè)計(jì)了與機(jī)上診斷完全融合的地面交互式診斷模塊，進(jìn)一步提高了航電系統(tǒng)的故障診斷能力，實(shí)現(xiàn)了航電系統(tǒng)的綜合診斷。最后，針對(duì)航電系統(tǒng)現(xiàn)有的研發(fā)體制，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)集成研發(fā)模式下綜合診斷算法的設(shè)計(jì)流程，為工業(yè)部門在研制階段進(jìn)行航電系統(tǒng)綜合診斷算法的設(shè)計(jì)開發(fā)提供支持。

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