基于TEAMS 的調(diào)距槳電液系統(tǒng)故障診斷測試性建模與分析

婁 康，王 溢，付黃龍

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 210031；2. 大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116021)

0 引言

近幾年來，隨著調(diào)距槳裝置使用數(shù)量和使用強(qiáng)度的大幅提升，設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率和風(fēng)險越來越高，艦員級故障處理過程中暴露出故障定位困難和處置措施缺乏等問題[1-2]，艦船使用單位迫切希望研制單位全面提升調(diào)距槳裝備尤其是電液系統(tǒng)的故障診斷水平，并通過故障診斷技術(shù)實現(xiàn)裝備運(yùn)行狀態(tài)的自評估、運(yùn)行維護(hù)和檢修作業(yè)的智能引導(dǎo)，從而全面提升裝備的保障性，提升現(xiàn)場故障處置能力[3-5]。

國外調(diào)距槳的主要生產(chǎn)廠商有KAMEWA公司、Wartsila公司、SCHOTTEL公司和MAN公司等。國際上主流廠商的調(diào)距槳裝置均實現(xiàn)了一定程度的智能化，人機(jī)界面友好，具有一定故障診斷和狀態(tài)預(yù)測能力[6-7]。調(diào)距槳電液系統(tǒng)的智能化和在線診斷測試技術(shù)受到了非常高的關(guān)注，各廠商均投入了較多的研發(fā)資源從事相關(guān)工作，并取得了一定的進(jìn)展。

國內(nèi)廠商和科研機(jī)構(gòu)圍繞調(diào)距槳的研究工作主要集中于裝備的基礎(chǔ)功能和技術(shù)性能的實現(xiàn)，在故障診斷方面開展的研究工作較少、實用性的成果非常缺乏[8-10]，在調(diào)距槳裝備整體的測試性、保障性和維護(hù)性方面與國外同行相比仍有較大差距，對裝備全壽命周期的運(yùn)行支持和保障能力較弱[11]。

本文結(jié)合實際裝備使用需求，結(jié)合TEAMS對調(diào)距槳裝置電液系統(tǒng)開展測試性建模，故障診斷算法等研究工作。

1 電液系統(tǒng)測試性建模研究

由于當(dāng)前的電液系統(tǒng)測點(diǎn)較少，僅有系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)油溫和螺距指示電流等少量測點(diǎn)，且系統(tǒng)實際使用過程中非線性及干擾性較強(qiáng)，因此，本文采用多信號流測試性建模方法，建立調(diào)距槳電液系統(tǒng)的測試性模型。

該模型是一種以系統(tǒng)信號傳遞關(guān)系為基礎(chǔ)的測試性建模方法，采取分層建模確定一種失效模式對其他模塊影響的傳播途徑，不用建立系統(tǒng)準(zhǔn)確的定量關(guān)系，只需確定系統(tǒng)重要的功能屬性。由于多信號流圖模型覆蓋了多個信息流模型，所以模型更接近于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。此外，由于模型中的信號是獨(dú)立的，信號之間不會相互影響，這些特征使得多信號流圖模型建模簡單，模型的集成和驗證都相對簡單。

本文首先對調(diào)距槳電液系統(tǒng)進(jìn)行故障模式與對應(yīng)征兆進(jìn)行拆解分析，確定系統(tǒng)的各個部件在設(shè)計和制造過程中所有可能的故障模式以及每一故障模式的征兆。據(jù)此對電液系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，完整建立電液系統(tǒng)內(nèi)的模塊層次和隸屬關(guān)系、功能及信號的傳遞關(guān)系，結(jié)合可用測試點(diǎn)建立相關(guān)性模型，在電液系統(tǒng)可開展測試的位置布置測試點(diǎn)，設(shè)置測試點(diǎn)的測試屬性，最后得到D矩陣模型（也稱“診斷矩陣或依賴性矩陣”）。在建立了D矩陣模型后，以實際電液系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系為基礎(chǔ)，進(jìn)行測試點(diǎn)優(yōu)選計算，并利用生成的診斷策略在建模工具TEAMS的支持下完成測試檢測率、故障隔離率和測試模糊組等分析。電液系統(tǒng)層次化測試性模型見圖1。

圖1 電液系統(tǒng)層次化測試性模型

基于測試性建模的方法可以較好地分析調(diào)距槳電液系統(tǒng)的測試性指標(biāo)，并可根據(jù)測試性分析結(jié)果優(yōu)化測試點(diǎn)的布局和測試屬性，從而確保在期望的測試偏好和測試代價前提下開展測試工作，定位并隔離故障單元。通過反復(fù)測試和優(yōu)化，可以建立符合期望測試特性的電液系統(tǒng)模型，并為電液系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供明確的指導(dǎo)。

建立調(diào)距槳電液系統(tǒng)測試性模型后，可以通過分析軟件對模型進(jìn)行測試性分析并得出測試性分析報告，測試性分析報告主要從故障隔離率、故障檢出率、模糊組大小分布（即開展所有測試后還未能區(qū)分的故障集）、系統(tǒng)測試使用率等指標(biāo)對系統(tǒng)的可測試性進(jìn)行綜合評價從而指導(dǎo)推動實際裝備及裝備模型的進(jìn)一步完善。

2 故障診斷算法研究

測試性模型建立后，可以將測試模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出，得到描述系統(tǒng)測試性的動態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣（D矩陣）、測試資源文件、測試描述文件。動態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣是一個規(guī)模較大的二維矩陣，D矩陣中的一行對應(yīng)到一個基本的現(xiàn)場可更換單元（如中控模塊、隔離模塊和比例閥等），一列對應(yīng)一種測試行為（如：測試點(diǎn)的電壓、電流和壓力等），列中的元素分別表示了測試對系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)場可更換單元運(yùn)行狀態(tài)的判決能力。測試資源文件定義了開展測試所用器具的全部信息。測試描述文件定義了測試的附加屬性，其中包括了圖文表示的測試提示信息、診斷輔助信息，可用于在實際開展測試階段生成圖文向?qū)А?/p>

調(diào)距槳裝置故障診斷軟件具有多種診斷策略，用于應(yīng)對不同場景。調(diào)距槳裝置故障診斷策略流程圖見圖2。

圖2 調(diào)距槳裝置故障診斷軟件診斷策略流程圖

由于動態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣規(guī)模較大，測試和模塊之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系，所以必須根據(jù)已經(jīng)獲得的信息或測試結(jié)果動態(tài)生成并調(diào)整診斷測試策略。為了實現(xiàn)測試策略的動態(tài)生成，本項目擬采用基于故障概率和信息熵的滾動（Rollout）推理算法。

基于調(diào)距槳電液系統(tǒng)測試性模型與故障診斷經(jīng)驗，所得的D矩陣表示調(diào)距槳電液系統(tǒng)測試點(diǎn)與對應(yīng)故障模式的依賴關(guān)系，涵蓋了測試信息，故障信息與測試序列信息。故障診斷策略的形成均是基于對測試性D矩陣的處理，D矩陣其形式如下：

式中：D矩陣的行f0為故障；t1列為測試。如果測試t1可以檢測故障f0，則dij=1，否則為0。

Rollout算法是一種近似尋優(yōu)算法，可以在期望的時間復(fù)雜度條件下獲取的較好的優(yōu)化結(jié)果。算法優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)考慮了故障概率和信息熵2個因素，通過多步尋優(yōu)策略選擇最有可能隔離故障單元的診斷測試行為序列。為了提升Rollout算法生成診斷測試策略的性能，本文在傳統(tǒng)Rollout策略基礎(chǔ)上增加案例推理的功能，所謂案例就是實際出現(xiàn)過的故障現(xiàn)象和最終隔離的故障模塊之間的關(guān)系，案例的引入可以顯著提升現(xiàn)場支持系統(tǒng)診斷測試策略的性能，可部分防止由于人為設(shè)置的器件故障概率偏離實際情況而導(dǎo)致開展不必要的測試行為。

調(diào)距槳電液系統(tǒng)故障診斷過程首先假設(shè)要測試的模擬電路的故障狀態(tài)集為F，可用測點(diǎn)集為T，則初始化節(jié)點(diǎn)f={F}，可用測點(diǎn)集t={T}。

首先用測點(diǎn)集t中的每個測點(diǎn)tq將節(jié)點(diǎn)f中的所有故障狀態(tài)集分別劃分為多個子集，所有包含元素大于1個的子集組成節(jié)點(diǎn)fq，對節(jié)點(diǎn)fq中的所有子集，用信息熵算法計算對應(yīng)的優(yōu)化測點(diǎn)集，然后計算節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化測點(diǎn)集。

比較測點(diǎn)集t中每個測點(diǎn)對應(yīng)的優(yōu)化測點(diǎn)集中測點(diǎn)的個數(shù)，選擇最小測點(diǎn)集對應(yīng)的測點(diǎn)。若有多個最小測點(diǎn)集，則選擇其中序號最小的測點(diǎn)。在Rollout算法的計算過程中，每前進(jìn)一步，都用信息熵算法進(jìn)行試探并選擇最優(yōu)的結(jié)果，不難分析出，Rollout 算法的計算結(jié)果優(yōu)于信息熵算法。最終通過TEAMS對調(diào)距槳裝置電液系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，仿真驗證結(jié)果見圖3。

圖3 調(diào)距槳裝置電液系統(tǒng)故障診斷仿真驗證結(jié)果圖

根據(jù)已經(jīng)建立的調(diào)距槳裝置電液系統(tǒng)測試性模型，分析結(jié)果中故障模糊集大小為1的占82%，模糊集數(shù)量大于9的占18%，最終實現(xiàn)故障隔離需要用到18個測試的占72%，利用這種直觀的數(shù)據(jù)和圖形顯示, 測試性設(shè)計人員可直觀地得到系統(tǒng)測試診斷能力和測試性設(shè)計中存在的缺陷，其中故障檢測率與故障隔離率均大于80%，滿足項目要求。

3 結(jié)論

通過基于TEAMS的調(diào)距槳電液系統(tǒng)測試性建模與分析，積累了調(diào)距槳電液系統(tǒng)的故障模式與對應(yīng)征兆關(guān)系，通過軟件設(shè)計診斷步驟測點(diǎn)序列和實物試驗，驗證了診斷思路和軟件應(yīng)用的正確性、合理性、可靠性。探索了調(diào)距槳裝置電液系統(tǒng)故障診斷的新思路，為后續(xù)調(diào)距槳裝置深層次故障診斷打下了初步的基礎(chǔ)。根據(jù)調(diào)距槳裝置故障診斷的實際需求，通過理論分析、試驗驗證，不僅提高了調(diào)距槳裝置最小可更換單元的分析深度，更積累了調(diào)距槳系統(tǒng)電液系統(tǒng)基本故障信息和寶貴排障經(jīng)驗。