故障樹(shù)分析法在無(wú)人機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

李強(qiáng) 霍淑珍 鄭偉

摘 要：文章為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的故障診斷，對(duì)無(wú)人機(jī)故障診斷和故障樹(shù)分析法的特點(diǎn)進(jìn)行了剖析，并將二者進(jìn)行了有機(jī)地融合。最終文章建立了無(wú)人機(jī)的故障樹(shù)模型，通過(guò)故障樹(shù)分析法為專家系統(tǒng)的構(gòu)建提供了思路。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；故障樹(shù)分析法；故障診斷；專家系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V267 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）27-0155-02

Abstract： In order to realize the fault diagnosis of UAV， the characteristics of UAV fault diagnosis and fault tree analysis are analyzed， and the two methods are combined organically. Finally， the paper establishes the fault tree model of UAV， and provides ideas for the construction of expert system through fault tree analysis.

Keywords： UAV； fault tree analysis； fault diagnosis； expert system

隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的功能越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。為了提高無(wú)人機(jī)的可靠性和安全性，無(wú)人機(jī)的故障檢測(cè)和診斷成為了日常必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而由于無(wú)人機(jī)故障診斷的復(fù)雜性和特殊性，使得對(duì)其進(jìn)行故障診斷成為一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。

故障樹(shù)分析法是利用故障樹(shù)模型對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析的方法。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)的建模發(fā)現(xiàn)：無(wú)人機(jī)的各子系統(tǒng)均可以按照樹(shù)型結(jié)構(gòu)表示各種故障之間的邏輯關(guān)系，二者之間存在緊密的聯(lián)系。因此，將故障樹(shù)分析法應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的故障診斷中，成為了一種很好的解決辦法。

1 無(wú)人機(jī)故障診斷的目的和意義

無(wú)人機(jī)不僅在農(nóng)業(yè)、航拍、測(cè)繪、救災(zāi)等民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在軍事、國(guó)防等領(lǐng)域?qū)娛陆ㄔO(shè)也做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。和有人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)造價(jià)低、容易實(shí)現(xiàn)、機(jī)動(dòng)靈活、功能多樣，最關(guān)鍵的是飛行員無(wú)需進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)就能夠完成多項(xiàng)任務(wù)，如作戰(zhàn)、預(yù)警、偵查等。尤其是在近幾次美國(guó)參與的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)的成功應(yīng)用顯示了無(wú)人機(jī)的巨大優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)外均開(kāi)始競(jìng)相研制各類無(wú)人機(jī)。但無(wú)人機(jī)作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是軍用無(wú)人機(jī)，不僅具有多個(gè)主要系統(tǒng)，且各系統(tǒng)間關(guān)系復(fù)雜。往往一個(gè)系統(tǒng)故障，會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)波及到其他系統(tǒng)。此外，隨著各種高科技技術(shù)的引入，無(wú)人機(jī)功能的增加，以及對(duì)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)能力和使用壽命的要求，使得無(wú)人機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化，對(duì)其后期的檢測(cè)與維護(hù)帶來(lái)了巨大的困難。

作為無(wú)人機(jī)測(cè)試和維護(hù)的重要環(huán)節(jié)，無(wú)人機(jī)的故障診斷因此成為了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，越來(lái)越多的國(guó)家投入大量人力、物力開(kāi)展無(wú)人機(jī)外場(chǎng)故障診斷系統(tǒng)的研制。無(wú)人機(jī)需要在多種環(huán)境條件下開(kāi)展工作，為了保證飛行安全并順利完成飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)在起飛前需要進(jìn)行一系列的檢測(cè)，完成對(duì)無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估及故障排除：需要對(duì)無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)及機(jī)載設(shè)備進(jìn)行故障診斷，還要對(duì)檢測(cè)到的故障進(jìn)行分析并報(bào)警，讓維護(hù)人員進(jìn)行處理，將故障排除在起飛線之前[2]。當(dāng)前，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其在無(wú)人機(jī)故障診斷上得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了無(wú)人機(jī)故障診斷的效率和準(zhǔn)確性。

2 故障樹(shù)分析法的作用及特點(diǎn)

故障樹(shù)是指以最不希望發(fā)生事件為出發(fā)點(diǎn)，逐級(jí)描述可能引起故障發(fā)生的所有原因及其相互關(guān)系的樹(shù)狀邏輯關(guān)系圖。

故障樹(shù)分析法是指通過(guò)分析可能造成系統(tǒng)故障的硬件、軟件等因素，對(duì)故障原因構(gòu)建故障樹(shù)模型，通過(guò)對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析最終找到故障原因的一種方法[3]。

運(yùn)用故障樹(shù)分析法，首先要從系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障開(kāi)始，找到能夠直接導(dǎo)致該故障發(fā)生的故障原因，再將這些故障原因分別展開(kāi)，找到產(chǎn)生這些故障的下一級(jí)原因，直至找到構(gòu)成系統(tǒng)的基本單元為止[4]。故障樹(shù)自身就是構(gòu)成這些故障原因的串聯(lián)或并聯(lián)組合方式。

通過(guò)這種圖形演繹法，我們可以把系統(tǒng)故障及導(dǎo)致其故障的各種原因形象地繪成故障圖表，這樣能較直觀地表達(dá)系統(tǒng)、故障、元部件之間的相互關(guān)系，并體現(xiàn)各故障因素對(duì)系統(tǒng)故障產(chǎn)生影響的途徑及程度。

3 故障樹(shù)分析法與無(wú)人機(jī)故障診斷的聯(lián)系

對(duì)無(wú)人機(jī)的故障診斷一般采用專家系統(tǒng)進(jìn)行分析。專家系統(tǒng)是基于知識(shí)的一種計(jì)算機(jī)程序，它對(duì)某領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行總結(jié)并制定規(guī)則，通過(guò)嚴(yán)密地推理，快速準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)及故障原因。采用了專家系統(tǒng)的故障診斷，具有形式統(tǒng)一、表達(dá)直觀、模塊性強(qiáng)、容易推理的優(yōu)點(diǎn)。故障樹(shù)分析法是一種倒立樹(shù)的邏輯圖法，其目的是找到導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障因素，這種自上而下的診斷方式為專家系統(tǒng)推理機(jī)的設(shè)計(jì)提供了便利[5]。

具體來(lái)講，故障樹(shù)的樹(shù)根節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)專家系統(tǒng)要解決的問(wèn)題，葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)專家系統(tǒng)的推理結(jié)果，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行遍歷的過(guò)程對(duì)應(yīng)專家系統(tǒng)的推理過(guò)程。此外，故障樹(shù)一般還具有標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，可以利用系統(tǒng)的故障樹(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的表示方法并將故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容直接添加到知識(shí)庫(kù)中，完成知識(shí)獲取任務(wù)[6]。

4 無(wú)人機(jī)故障樹(shù)的建立與分析

無(wú)人機(jī)由數(shù)個(gè)系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)又分為幾個(gè)模塊。雖然每個(gè)模塊及內(nèi)部各單元之間可能存在錯(cuò)綜復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是根據(jù)信號(hào)傳遞的路徑，可以按照無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)功能，構(gòu)建按功能劃分的唯一確定的故障樹(shù)。按照上述思路，要想建立無(wú)人機(jī)的故障樹(shù)模型，需要分析每種功能對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)的硬件資源及信號(hào)流通途徑，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)類似、互不相同的故障樹(shù)。由于無(wú)人機(jī)內(nèi)部各關(guān)聯(lián)單元之間一般都是邏輯關(guān)系，也就是說(shuō)任意一個(gè)下級(jí)故障都會(huì)導(dǎo)致上級(jí)故障的發(fā)生。按照這一順序抽絲剝繭、層層深入即可建立每種功能完整的故障樹(shù)模型。下面以油門(mén)反饋異常故障樹(shù)為例進(jìn)行分析。

油門(mén)反饋包含了無(wú)人機(jī)的串口、A/D、DO模塊，每個(gè)模塊之間相互聯(lián)系，油門(mén)反饋功能如果想正常工作，必須保證所有模塊都功能正常。油門(mén)反饋的原理是：無(wú)人機(jī)的地檢串口接收到地面?zhèn)鱽?lái)的推油門(mén)指令，之后允許對(duì)應(yīng)推油門(mén)的DO通道輸出信號(hào)，隨后由A/D通道采集數(shù)據(jù)得到反饋的油門(mén)位置，飛控系統(tǒng)最終得到采樣結(jié)果并通過(guò)地檢串口返回[7]。圖1為油門(mén)反饋異常故障樹(shù)模型及對(duì)應(yīng)診斷意見(jiàn)。

與油門(mén)反饋故障樹(shù)的建立方法類似，無(wú)人機(jī)各項(xiàng)功能的故障樹(shù)均可從工作原理、硬件結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析每種功能之間的關(guān)系，逐層深入，層層展開(kāi)，最后根據(jù)故障類型，得到各種故障的解決辦法。對(duì)無(wú)人機(jī)建立出完整的故障樹(shù)模型后，就可以按照專家系統(tǒng)的分析方法進(jìn)行下一步的診斷檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了故障樹(shù)分析法針對(duì)于無(wú)人機(jī)故障診斷的應(yīng)用，同傳統(tǒng)的故障診斷方法相比，以故障樹(shù)分析法為基礎(chǔ)建立起來(lái)的故障診斷專家系統(tǒng)，既降低了故障模型建立的難度，又保證了故障診斷的可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)故障的快速排查并給出科學(xué)的解決方案，為維修人員提供了高效、準(zhǔn)確的故障排除方案，為無(wú)人機(jī)提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障能力。

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