基于ATML的D矩陣診斷模型實(shí)現(xiàn)

(成都天奧測控技術(shù)有限公司，成都 611731)

0 引言

自動測試系統(tǒng)(ATS)是裝備維修保障的重要手段，通過自動測試、診斷推理將故障隔離到內(nèi)場可更換模塊(SRU)或元器件，給出維修建議，指導(dǎo)維修，是ATS的主要使命，故障診斷性能是決定ATS 效能的關(guān)鍵要素。故障診斷技術(shù)是對系統(tǒng)、設(shè)備故障進(jìn)行檢測、識別、分辨和定位的技術(shù)[1]，傳統(tǒng)故障診斷方法有直接觀察法、參數(shù)測試法等[2]，在自動測試系統(tǒng)中采用的故障診斷方法通常有故障字典[3]、故障樹[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]和專家系統(tǒng)[6]等等。

新一代的自動測試系統(tǒng)采用ATML系列標(biāo)準(zhǔn)用于信息交換，其核心在于利用XML語言按照規(guī)定的語法和結(jié)構(gòu)描述測試系統(tǒng)、被測設(shè)備、測試流程和測試診斷結(jié)果等信息，ATML標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 1671、IEEE 1641、IEEE 1636和IEEE 1232等標(biāo)準(zhǔn)族譜，故障診斷遵循IEEE 1232標(biāo)準(zhǔn)[7]。IEEE1232標(biāo)準(zhǔn)推薦了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、D矩陣推理、診斷邏輯和故障樹等故障診斷模型[8]，其中D矩陣模型建立較容易，易于工程實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于故障診斷和測試性設(shè)計(jì)領(lǐng)域[9]。田橫、段富海、江秀紅等基于信息熵研究了一種D矩陣故障診斷新算法[10], 孫萌、景博、黃以鋒等針對單特征量D矩陣的不足提出一種多特征量D矩陣模型[11]，文獻(xiàn)[12]在測試性D矩陣基礎(chǔ)提出了單故障化的多故障診斷與維修策略。

1 D矩陣推理模型的建立

1.1 建立依賴模型

IEEE1232“測試設(shè)備人工智能信息交換服務(wù)使用指南”標(biāo)準(zhǔn)定義的D矩陣推理模型主要用于測試-診斷依賴矩陣的信息交換，具體包含一系列診斷推理規(guī)則的編碼，構(gòu)建D矩陣推理模型的信息根源來自于系統(tǒng)測試-故障依賴性建模[8]。下文以圖1所示的電鈴電路為例，說明依賴模型建立過程。

圖1 電鈴電路圖

電鈴電路主要包括電池、開關(guān)、線圈和鈴舌等4個(gè)部件。按下開關(guān)時(shí)，電路導(dǎo)通，線圈產(chǎn)生磁力吸引鈴舌，鈴舌與鈴鐺脫離接觸，電路斷開，線圈失去磁力，鈴舌彈回，敲擊鈴鐺發(fā)出聲響，電路再次導(dǎo)通，如此循環(huán)產(chǎn)生連續(xù)敲鈴聲；松開開關(guān)，電路斷開，鈴聲停止。電池、開關(guān)、線圈和鈴舌故障會引起電路失效。開關(guān)故障可分為常閉和常開兩種模式，常閉是指開關(guān)粘連或卡死導(dǎo)致開關(guān)不能彈回，一直處于接通狀態(tài)。開關(guān)常開指開關(guān)卡死不能按下或接觸簧片斷裂導(dǎo)致開關(guān)不能接通，一直處于斷開狀態(tài)。電池故障指電量不足以驅(qū)動線圈，主要表現(xiàn)為電壓低于規(guī)定值。線圈故障主要指線圈斷開，不能形成電流回路，不能產(chǎn)生磁力。鈴舌故障包括常閉和常開兩種情況，通常為機(jī)械卡死導(dǎo)致不能來回移動，敲擊鈴鐺發(fā)出聲音。電鈴電路故障模式如表1所示。

表1 電鈴故障模式

當(dāng)按下開關(guān)電鈴不能發(fā)出聲音或松開開關(guān)后聲音不能停止，均為電鈴電路失效?？梢酝ㄟ^按壓開關(guān)聽取聲音、測量電池電壓、短接開關(guān)兩端和直接給振鈴施加激勵(lì)電壓等方法來檢查和隔離故障。按壓開關(guān)，若不能聽到振鈴音，則代表“按壓”測試失敗，可能的原因包括“開關(guān)-常開”、“電池故障”、“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”等；按壓開關(guān)，若能正常聽到振鈴音，則代表“按壓”測試通過，可排除“開關(guān)-常開”、“電池故障”、“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”等故障模式。連續(xù)按壓、松開開關(guān)，若開關(guān)能正常彈起則“連續(xù)按壓”測試通過，否則測試失敗，測試通過可排除“開關(guān)-常閉”故障，測試失敗則代表存在“開關(guān)-常閉”故障。利用萬用表測量電池正極和負(fù)極兩端電壓，若等于或高于額定值，則“電壓測量”通過，排除“電池故障”，若低于額定值，則測試失敗，存在“電池故障”。利用導(dǎo)線橋接開關(guān)兩端，若出現(xiàn)振鈴音，則“橋接”測試通過，可排除“電池故障”、“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”故障；若沒有出現(xiàn)振鈴音，則“橋接”測試失敗， “電池故障”、“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”可能故障。在振鈴兩端施加電壓激勵(lì)，若能聽到振鈴音，則“激勵(lì)”測試通過，可排除“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”故障；若不能聽到振鈴音，則“激勵(lì)”測試失敗，“線圈-斷路”、“鈴舌-常閉”和“鈴舌-常開”可能故障。電鈴電路測試項(xiàng)目及診斷邏輯如表2所示。

表2 電鈴測試項(xiàng)

依據(jù)表2診斷邏輯，可推導(dǎo)出“開關(guān)-常開”故障模式將導(dǎo)致“按壓”測試失??；“開關(guān)-常閉”故障模式將導(dǎo)致“連續(xù)按壓”測試失敗；“電池故障”將導(dǎo)致“按壓”、“電壓測量”、“橋接”測試失??；“線圈斷路”故障會導(dǎo)致“按壓”、“橋接”、“激勵(lì)”測試失敗；“鈴舌-常開”會導(dǎo)致“按壓”、“橋接”、“激勵(lì)”測試失??；“鈴舌-常閉” 會導(dǎo)致“按壓”、“橋接”、“激勵(lì)”測試失敗。這種“故障”將導(dǎo)致“測試”失敗的關(guān)系，即為故障-測試依賴關(guān)系?！皽y試”與“測試”之間也存在依賴關(guān)系，包括：“電壓測量”失敗會導(dǎo)致“按壓”、“橋接”測試失??；“激勵(lì)”測試失敗會導(dǎo)致“橋接”、“按壓”測試失?。弧皹蚪印睖y試失敗會導(dǎo)致“按壓”測試失敗。根據(jù)這些信息可建立電鈴依賴模型，如圖2所示。

圖2 電鈴依賴模型

1.2 建立D矩陣

圖2中矩形框?yàn)椤肮收夏Ｊ健?，菱形框?yàn)椤皽y試項(xiàng)目”，箭頭代表依賴關(guān)系。“故障模式”到“測試項(xiàng)目”的箭頭表明“故障模式”會導(dǎo)致該“測試項(xiàng)目”測試失敗。“測試項(xiàng)目”到“測試項(xiàng)目”的箭頭表明該“測試項(xiàng)目”測試失敗會導(dǎo)致連接的“測試項(xiàng)目”測試失敗。根據(jù)電鈴依賴模型可構(gòu)建出表3所示的D矩陣。

表3 電鈴D矩陣

表3上部分為測試-測試依賴矩陣，下部分為故障-測試依賴矩陣。矩陣中“1”代表直接依賴關(guān)系，對應(yīng)圖2中的1個(gè)箭頭；“d”代表間接依賴關(guān)系，對應(yīng)圖2 中2個(gè)及以上的箭頭。IEEE1232沒有區(qū)別“1”和“d”，均代表依賴關(guān)系。

1.3 推理規(guī)則

D矩陣中的行中的測試項(xiàng)目測試“失敗”必然會導(dǎo)致具有依賴關(guān)系的列中測試項(xiàng)目測試“失敗”，行中的故障模式“存在”必然會導(dǎo)致具有依賴關(guān)系的列中的測試項(xiàng)目測試“失敗”。從D矩陣中行的測試失敗和故障到列中的測試失敗推理規(guī)則可表達(dá)為：

測試行：失敗→與列(測試列：失敗)；

故障行：存在→與列(測試列：失敗)。

例如“電壓測量”測試失敗必然會導(dǎo)致“按壓”和“橋接”測試失敗，“開關(guān)-常閉”故障會導(dǎo)致“連續(xù)按壓”測試失敗。

根據(jù)D矩陣中從“行”到“列”推理的逆反命題可推導(dǎo)出，列中的測試項(xiàng)目測試“通過”，則具有依賴關(guān)系的行中的測試項(xiàng)目必然“通過”；列中的測試項(xiàng)目測試“通過”，則具有依賴關(guān)系的行中的故障模式必然“不存在”；列中的測試項(xiàng)目測試“失敗”，則具有依賴關(guān)系的行中的故障模式可能“存在”?！傲小钡健靶小钡耐评硪?guī)則可歸納為：

測試列：通過→與行(測試行：通過)；

測試列：通過→與行(故障行：不存在)；

測試列：失敗→或行(故障行：存在)。

例如：“按壓”測試通過，則“電壓測量”、“橋接”、“激勵(lì)”必然通過；“按壓”測試通過，則“開關(guān)-常開”、“電池故障”、“線圈斷路”、“鈴舌-常開”、“鈴舌-常閉”必然不存在；“按壓”測試失敗，則“開關(guān)-常開”、“電池故障”、“線圈斷路”、“鈴舌-常開”、“鈴舌-常閉”至少存在1個(gè)故障。

1.4 診斷邏輯

測試-測試的推理規(guī)則通常用于測試序列優(yōu)化，例如：當(dāng)“按壓”測試通過時(shí)則不需要再進(jìn)行“電壓測量”、“橋接”、“激勵(lì)”測試，減少測試開銷。測試-故障的推理規(guī)則用于故障診斷，根據(jù)測試結(jié)果推理出存在的故障模式。

診斷算法可表述為：

(1)

例如，假設(shè)“按壓”測試失敗，其余測試項(xiàng)均測試通過。按上述診斷流程，首先將測試通過的第1、3、4、5列進(jìn)行邏輯加，取反后再與第2列進(jìn)行邏輯與，結(jié)果如下：

即D矩陣中第2行 “開關(guān)-常開”故障模式存在，無其他故障模式。

2 某電臺D矩陣推理模型描述

某型電臺由前面板模塊、音頻救生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號處理模塊、頻綜模塊、主接收機(jī)模塊、激勵(lì)模塊、功放模塊和柔板及電纜等內(nèi)場可更換單元(SRU)組成，如表5所示。

表5 某電臺SRU組成表

前面板模塊提供電臺對外接口、整機(jī)電源處理、EMI濾波、收發(fā)轉(zhuǎn)換、音頻接口適配、總線接口等功能；音頻救生模塊實(shí)現(xiàn)音頻處理，接收救生頻率點(diǎn)信號經(jīng)變頻、放大后輸出至信號處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊完成話音編解碼、信道編譯碼及數(shù)據(jù)組/分幀、解/打包等數(shù)據(jù)處理，同時(shí)承擔(dān)電臺整機(jī)控制、BIT、對外狀態(tài)與控制接口；信號處理模塊是電臺的核心處理模塊，要完成不同信號波形和工作模式下的中頻信號處理；頻綜模塊以高穩(wěn)定晶振為頻率源，產(chǎn)生電臺需要的收發(fā)本振，為整機(jī)提供高穩(wěn)定的時(shí)鐘；主接收機(jī)模塊完成對接收射頻信號的調(diào)諧放大及濾波，經(jīng)過二次變頻、濾波及放大，送出符合接口要求的抗干擾中頻和常規(guī)中頻；激勵(lì)模塊完成電臺發(fā)射頻率變換、電調(diào)濾波、信號放大功能，為功放提供足夠大的激勵(lì)功率和保證在全頻段內(nèi)的功率均衡；功放模塊主要完成功率放大、ALC、AM調(diào)制、功率調(diào)節(jié)和各種控制、保護(hù)、檢測功能；柔板及電纜用于模塊間的信號連接。

當(dāng)電臺工作在接收狀態(tài)時(shí)，從天線接收的信號經(jīng)過收發(fā)開關(guān),進(jìn)入接收機(jī)的電調(diào)高放進(jìn)行選頻放大，然后與頻率合成器送來的收一本振信號進(jìn)行一混頻，產(chǎn)生一中頻信號，經(jīng)濾波,一中放；再與頻率合成器送來的收二本振信號進(jìn)行二混頻，得到二中頻信號，再經(jīng)濾波,中頻放大,進(jìn)入信號處理模塊進(jìn)行相關(guān)調(diào)制方式的解調(diào)，解調(diào)出的音頻信號經(jīng)過靜噪控制、音頻處理電路、低放,得到額定功率的音頻信號輸出。

當(dāng)電臺工作在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，話筒送來的話音信號經(jīng)過機(jī)上音響中心送到電臺發(fā)音頻處理電路進(jìn)行處理，AM方式下，由信號處理模塊產(chǎn)生中頻信號經(jīng)變頻后，直接在功放進(jìn)行AM調(diào)制，再經(jīng)功率放大、濾波后輸出；對于其他方式，經(jīng)窄帶A/D，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再作信源編碼，送入信號處理模塊進(jìn)行相關(guān)模式的調(diào)制，輸出已調(diào)載波，最后由激勵(lì)模塊、功放模塊進(jìn)行上變頻、濾波、功率放大后輸出。

在電臺內(nèi)場中繼級檢測中需將故障隔離到內(nèi)場可更換單元(SRU)，測試項(xiàng)目一般包括功耗測試、1553B總線控制測試、自檢測試、話音發(fā)射功率測試、AM調(diào)制度測試、FM頻偏測試、AM側(cè)音測試、頻率誤差測試、數(shù)傳發(fā)射功率測試和接收靈敏度測試。測試通常在外部接口進(jìn)行，不進(jìn)行開蓋測試，電臺依賴模型如圖3所示。

圖3 某電臺依賴模型

某型電臺故障-測試D矩陣如表5所示，矩陣中“1”代表依賴關(guān)系，即“SRU”故障會導(dǎo)致相應(yīng)“TEST”測試失敗，“TEST”測試失敗表明相應(yīng)“SRU”可能故障，“TEST”測試通過表明相應(yīng)“SRU”沒有故障。

表5 某電臺故障-測試D矩陣

假設(shè)“FM調(diào)制頻偏”測試通過，則“前面板模塊”、“音頻救生模塊”、“功放模塊”、“柔板及電纜”均無故障，推理表達(dá)式為：

TEST6：PASS=>(SRU1:GOOD & SRU2:GOOD & SRU8:GOOD & SRU9:GOOD)。

在ATML標(biāo)準(zhǔn)中要求對D矩陣診斷推理模型的描述即是對此類推理表達(dá)式的描述，按照ISO 10303-28格式，采用XML語言描述如下，其中“i261”代表第6列測試通過，“i111”代表第1行無故障，“i121”代表第2行無故障，“i181”代表第8行無故障，“i191”代表第9行無故障。

xmlns:exp="urn:iso:std:iso:10303:-28:ed-2:tech:XMLschema:common"

xmlns:dim="urn:iso10303-28:schema/Ai_estate_dmatrix_inference_model"

targetNamespace="urn:oid:1.3.111.2.1232.100.2011.3"

xsi:schemaLocation=

"urn:iso10303-28:schema/Ai_estate_dmatrix_inference_model

Ai_estate_dmatrix_inference_model.xsd"

express="dim.exp">

假設(shè)“頻率誤差”測試不通過，則“前面板模塊”、“頻綜模塊”、“功放模塊”、“柔板及電纜”其中至少存在1個(gè)故障，推理表達(dá)式為：

TEST8：FAIL=>(SRU1:BAD| SRU5:BAD| SRU8:BAD| SRU9:BAD)。

采用XML語言描述如下，其中“i282”代表第8列測試失敗，“i112”代表第1行可能故障，“i152”代表第5行可能故障，“i182”代表第8行可能故障，“i192”代表第9行可能故障。

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targetNamespace="urn:oid:1.3.111.2.1232.100.2011.3"

xsi:schemaLocation=

"urn:iso10303-28:schema/Ai_estate_dmatrix_inference_model

Ai_estate_dmatrix_inference_model.xsd"

express="dim.exp">

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測試性指標(biāo)評估

測試性指標(biāo)主要包括故障檢測率FDR和故障隔離率FIR，利用電臺故障-測試D矩陣可快速計(jì)算出電臺FDR、FIR，其中：

(2)

電臺D矩陣中沒有全為0的行，即行元素全為0的行個(gè)數(shù)為0，可計(jì)算出FDR=100%。

(3)

FIR(N)為模糊組大小為N的故障隔離率，即將故障隔離到N個(gè)SRU(內(nèi)場可更換單元)的故障隔離率。模糊組是指某些SRU具有相同的測試影響，當(dāng)這些SRU分別存在故障時(shí)，其測試結(jié)果完全一致，導(dǎo)致不能將故障精確的隔離到每個(gè)SRU。模糊組大小為N是指有N個(gè)SRU故障的測試影響是一致的，在D矩陣中的表現(xiàn)為行元素完全相同。某行與其它行都不相同則該行的模糊組1，兩行相同則該兩行的模糊組為2，3行相同則該三行的模糊組為3，N行相同則該N行模糊組為N。電臺SRU模糊組如表6所示。

電臺D矩陣中第一行與第九行元素相同，其模糊組大小為2，第二行到第八行元素與任何行都不同，其模糊度為1。則整個(gè)矩陣中模糊度為2的行的個(gè)數(shù)為2，模糊度組大小為1的行的個(gè)數(shù)為7。

FIR(1)=7/9×100%=77.78%，即將故障隔離到1個(gè)SRU的隔離率為77.78%。

FIR(≤2)=(7+2)/9×100%=100%，即將故障隔離到2個(gè)及以下SRU的隔離率為100%。

在電臺D矩陣中由于“前面板模塊”和“柔板及電纜”行元素相同，導(dǎo)致將故障隔離到1個(gè)SRU的隔離率較低，僅達(dá)到77.78%。為提高故障隔離率需對D矩陣進(jìn)行優(yōu)化，電臺自檢測試結(jié)果中包含除“柔板及電纜”之外的各個(gè)SRU模塊的自檢結(jié)果，可據(jù)此擴(kuò)充D矩陣列，減少模糊組，擴(kuò)充后的D矩陣如表7所示。

優(yōu)化后FIR(1)=9/9×100%=100%，有效提高了電臺故障隔離率。

3.2 診斷算法優(yōu)化

按照本文公式(1)表述的診斷算法可以得到1個(gè)故障的集合DIAG[]，其過程為在可能故障的集合中剔除必定不存在的故障。但是，DIAG[]仍然是一個(gè)可能的故障的集合，只有DIAG[]中元素的和為1時(shí)，才能確定1個(gè)必然存在的故障。為了分辨“必然”存在的故障和“可能”存在的故障，可分別將每個(gè)測試失敗列(可能存在故障的集合)中必定不存在的故障排除，若此時(shí)當(dāng)前列只剩下1個(gè)故障，則為“必然”存在的故障。將這些故障“加”在一起，則構(gòu)成“必然”存在的故障集合DIAGCTN；若當(dāng)前列剩下的故障超過1個(gè)，則為“可能”存在的故障，將這些故障“加”在一起，再剔除“必然”存在的故障，則構(gòu)成“可能”存在的故障集合DIAGUNCTN。診斷算法可表述為：

表6 某電臺SRU模糊組

表7 某電臺故障-測試擴(kuò)充D矩陣

(4)

(5)

假設(shè)表7所示的D矩陣中TEST1～11測試失敗，TEST12～17測試通過，按照公式(1)計(jì)算得到：

即：SRU1“前面板模塊”和SRU2“音頻救生模塊”故障。

按照公式(4)、(5)計(jì)算得到：

即：SRU1為“前面板模塊”必定故障， SRU2為“音頻救生模塊”可能故障。

4 結(jié)束語

D矩陣推理是通過建立故障-測試依賴模型，從而建立故障-測試D矩陣，經(jīng)過簡單的邏輯運(yùn)算，可完成故障診斷推理，過程比較容易，推理診斷算法簡單，工程上可較快實(shí)現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于故障診斷領(lǐng)域。在裝備中繼級檢測中，將SRU完全失效定義為故障模式并與測試項(xiàng)目建立關(guān)聯(lián)，即可快速創(chuàng)建故障-測試D矩陣，實(shí)現(xiàn)故障診斷，將故障隔離到SRU。在實(shí)際應(yīng)用中測試失敗通常具備限定性，如功率高于閥值、低于閥值、遠(yuǎn)低于閥值等，自檢測試失敗可能包括SRU1自檢故障、SRU2自檢故障、SRU3自檢故障等，據(jù)此細(xì)分可增加D矩陣列的數(shù)量；同理，對SRU內(nèi)部器件、單元故障模式入手進(jìn)行分析，可將SRU故障劃分為部分功能失效和全部功能失效，增加D矩陣行的數(shù)量，進(jìn)而提高故障檢測率和故障隔離率。