圖形化外場通用故障診斷模型開發平臺設計與實現

摘 要： 外場裝備的故障診斷系統要求具有通用性、直觀性等特點，不依賴精確的數學模型和在線數據。基于符號有向圖（SDG）的故障診斷系統具有邏輯直觀清晰，a推理計算高效，使用簡單方便等優點，特別適用于外場通用故障診斷系統。通過分析SDG模型及其建模方法，開發了圖形化故障診斷模型開發平臺，實現了拖曳式繪圖和智能化圖形分析功能，使得裝備使用維護人員也能夠方便地開發故障診斷庫，提高了外場裝備保障能力。

關鍵詞： 符號有向圖； 故障診斷； 故障庫； 診斷模型； 軟件平臺

中圖分類號： TN911?34； TP315.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0012?04

0 引 言

現代海軍武器裝備向著大型化、自動化和復雜化方向發展，對裝備運行的安全性、可靠性和可維修性提出了更高的要求。裝備維修受外場維修條件限制，缺乏大型專用故障診斷系統，且主要依靠裝備使用人員完成。要求現場級故障診斷設備必須具有便攜性、通用性、直觀、易用等特點，能夠實現對不同裝備的快速、自動化的故障診斷。

作為故障診斷領域的一個重要研究分支，基于符號有向圖（Signed Directed Graph，SDG）的故障診斷方法近年來得到了迅速發展[1]。該方法以被診對象的直觀結構特征為出發點，對系統變量間的因果關系和故障傳播路徑提供的簡要和圖形化的描述，能夠滿足現場級通用故障診斷設備對通用性、直觀性的要求。

1 SDG模型及建模方法

SDG是對復雜系統的一種抽象描述方式，能夠清楚地表示系統的組成、狀態，以及局部之間的相互影響關系。SDG模型[γ]定義為有向圖[G]和符號函數[φ]的組合，其中，有向圖[G]由節點集合[V、]支路集合[E、]鄰接關聯符[δ+]和[δ-]組成，定義如下[2?3]：

[γ=（G，φ）] （1）

其中：

[G=（V，E，δ+，δ-）] （2）

[φ：E→{+，-}] （3）

節點集合[V={v1，v2，…，vn}，]用于描述系統組成的元部件。定義[ψ：V→{+，0，-}]為節點狀態函數，[ψ（vk）（vk∈V）]表示節點[vk]的狀態，“0”表示節點狀態正常，“+”表示節點物理量超出正常范圍上限，“-”表示節點物理量低于正常范圍下限。

支路集合[E={e1，e2，…，en}，]表示各元部件之間的故障傳遞關系。[φ（ek）（ek∈E）]稱為支路[ek]的符號，“+”表示支路源節點[（δ+ek）]對目的節點[（δ-ek）]的影響效果是增強，“-”則表示影響效果是減弱。

鄰接關聯符[δ+，][δ-]描述支路的鄰接關系，其中[δ+：E→V]為支路的起始節點，[δ-：E→V]為支路的終止節點，分別記作[δ+ek]和[δ-ek。]

當任何一個節點出現非零狀態時，表示系統出現故障。故障診斷就是利用SDG模型對故障源進行定位。根據SDG的定義，如果[ψ（δ+ek）φ（ek）ψ（δ-ek）=+，]說明支路[ek]參與了故障傳播，稱為相容的，采用回溯搜索的方法便可實現對故障源的定位。

基于SDG故障診斷的一個重要內容在于SDG模型的構建，通過一套規范化的方法將系統的深層知識，即它的結構和行為方面的知識，轉化為有向圖的形式，并進一步地描述為計算機可以識別的矩陣形式[4]。此外，有效的故障源定位方法能大大減少測試診斷時間，盡快求出診斷解。這種建模?推理的過程是往復循環的：如果診斷結果不符合實際情況，則需要返回到建模階段、計算推理階段進行修正。如此循環，直至得到精確的診斷結果。

作為一種基于定性模型的智能診斷方法，SDG故障診斷對在線數據依賴少，搜索和推理算法靈巧且可靠性高，有利于診斷設備的通用化實現。SDG模型中的節點、支路等元素都有著明確的物理意義，模型庫可采用直觀的圖形化方法建立，非工程技術人員也容易掌握和使用，有利于克服知識獲取瓶頸[4]。非常適用于現場板級電路的快速診斷，尤其是不便使用大型專用診斷系統的野外或海上。

2 基于SDG的現場級通用故障診斷設備

現場級通用故障診斷設備采用基于PXI總線的虛擬儀器技術、嵌入式設備技術和標準化技術綜合集成，能夠應用于各種復雜的外場環境。圖1是一種現場級通用故障診斷設備的硬件組成框圖。該設備以PXI總線為核心，將嵌入式計算機、I/O電路、數字示波器、激勵信號源、矩陣電路、多用表與計數器、智能探筆、電源等多種模塊有機結合起來，并可通過USB，LCD，PS/2和VGA等接口實現功能擴展。對于特定的診斷對象，還可通過配置專用設備測試適配器連接至被測對象（Unit Under Test，UUT）以提高測試的自動化程度[5]。

該故障診斷儀的軟件主要由SDG測試診斷程序、TPS測試程序集、SDG模型庫組成，輔以測試程序集（Test Program Set，TPS）開發平臺和SDG模型開發平臺。軟件組成框圖如圖2所示。其中，SDG測試診斷程序包括診斷推理（搜索算法）模塊、TPS運行環境、測試腳本、動態測試與診斷數據、通信接口、GUI以及流程控制模塊等。通過讀取SDG模型數據庫建立測試診斷腳本，調用相應的TPS獲取UUT動態狀態參數，運行搜索算法并最終得到診斷結果。

圖1 某型現場級通用診斷設備硬件組成框圖

圖2 某型現場級通用診斷設備軟件組成框圖

SDG模型是故障診斷設備實現其功能的關鍵因素，診斷是否準確很大程度上取決于提供模型的準確性和完備性。SDG模型開發平臺的作用是通過提供圖形化的SDG建模與分析工具，幫助技術人員建立被診斷對象的抽象模型，并自動將其轉換成SDG診斷測試平臺所需的數據格式。

3 SDG模型開發平臺

現場級通用故障診斷設備面向的診斷對象種類多、差異大，其結構組成、信號流程及操作方法各不相同。僅僅依靠診斷設備研制單位來完成對所有診斷對象的SDG建模幾乎不可能實現，開發SDG模型庫的主要是具有一定技術經驗的裝備使用維護人員。借助SDG模型開發平臺軟件，他們能夠依靠現有知識和技能快速地建立診斷對象的系統原理模型。建模軟件能夠“智能”地進行正確性檢驗，并自動轉換成SDG模型庫。

3.1 功能設計

SDG模型開發平臺的功能主要包括三個方面：圖形建模、模型分析及數據庫管理功能。

3.1.1 圖形建模

圖形建模主要實現SDG圖形文件的創建、編輯等功能。考慮到用戶對裝備原理圖較為熟悉，主要以電路模塊或元件作為模型構成的基本元素。具體包括以下功能：

（1） 圖形元素的創建、修改與刪除，包括對圖形元素位置、外觀、屬性、隸屬關系、連接點、圖層的修改。

（2） 圖形元素的組合與拆分功能。能夠將單一對象組合成復合對象，作為單一對象進行操作。

（3） 繪圖輔助工具，如標尺，黏附、對齊、參考線等。

（4） 圖形文件序列化，支持圖形文件的保存、打開等功能。

3.1.2 模型分析

模型分析的主要作用是將用戶創建的圖形文件轉換成推理機所需的SDG矩陣（或數據庫）形式。基本方法是：通過遍歷、列舉圖形元素建立SDG節點集合，通過提取各圖形元素連接關系，建立SDG支路集合和鄰接關系，通過讀取圖形元素屬性，建立節點狀態庫以及支路符號函數庫。

為了防止因為SDG模型錯誤導致推理機搜索算法出現無解、模糊解或錯誤解等情況，在將圖形文件轉換成SDG模型前應依據SDG模型定義對圖形文件進行檢查，及時發現和定位錯誤，幫助用戶對圖形模型進行修正。

3.1.3 數據庫管理

數據庫管理功能用于提供對診斷對象SDG模型的存儲和訪問，包括對節點、支路信息的查詢、追朔等。此外，還需要對SDG中各節點狀態進行實際測量和裝訂，如節點取值正常范圍的門限，節點對應元部件在實際裝備中的位置等等。這些工作需要一個良好的數據庫管理接口，以實現對海量數據的維護和裝訂。

3.2 關鍵技術與實現

根據功能設計要求，SDG模型開發平臺關鍵在于實現拖曳式繪圖技術和智能化圖形分析技術[6]。前者簡化了傳統圖形建模工具的復雜性，即使不具有專業繪圖基礎的人員，也能夠充分利用圖形表達自己的思維；后者為SDG模型的驗證和數據構建提供了工具。

3.2.1 拖曳式繪圖技術

拖曳式繪圖技術屬于計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）。該部分將圖形文件設計成模板、模具和形狀三種組件，圖形建模的過程為創建模具，設置模板和繪制圖形等步驟。其中，模板用于描述CAD繪圖環境，包括主題、菜單、模具等；模具是可重復使用的圖形類集合，由同一模具創建的不同圖形對象具有類似的屬性結構；形狀是由模具生成的圖形對象，用于構成實際的SDG支路與節點。由此可見，模具設計是實現圖形建模的核心。

模具設計工具用于幫助開發人員創建和管理復雜的智能形狀，不但能夠利用簡單形狀創建直觀的外觀，還支持多態、派生、繼承等面向對象特性，大大簡化了復雜元件庫的設計。根據SDG模型定義，模具主要由二類基本形狀組成：節點和支路。節點對應于被診對象元部件，具有狀態屬性；支路對應于元部件之間的連接關系，具有符號屬性。針對常見電子設備元部件，常用模具主要包括如圖3所示的形狀樹。

圖3 常見電子設備SDG模具庫結構

利用預先設計好的模具，用戶根據現有知識，通過拖放繪圖方式建立被診斷設備的原理圖。由于模具自身的支路或節點屬性，圖形對象就自然包含了SDG模型中的各個要素。圖4為利用該平臺建立的某型雷達裝備的SDG模型圖。

3.2.2 圖形分析技術

建立初步圖形模型后，需要對圖形文件進行分析，主要包括以下工作：

（1） 將圖形模型轉換成符合SDG模型規則的SDG數據模型。即提取圖形文件形狀及其屬性，將其轉換成節點、節點狀態函數、支路、以及支路符號函數，保存為矩陣或數據庫表格形式，以便于診斷測試平臺的搜索算法模塊進行推理計算，定位故障點。

圖4 某型雷達設備SDG模型圖

（2） 錯誤檢查。用戶繪圖錯誤會導致生成的SDG模型中出現諸如孤立節點，懸空支路等情況，從而使得搜索算法在進行推理計算時出現無解、模糊解或循環計算等錯誤結果[7]。因此，圖形分析模塊能夠對圖形模型進行校驗，并提示用戶錯誤位置便于其檢查修正。

（3） 參數裝訂。對于節點和支路，需要裝訂如節點狀態值范圍、元部件在實際裝備上的位置及其他相關信息等，需要訪問形狀的屬性列表并裝訂自定義參數。

SDG模型開發平臺通過二種方式實現對圖形數據的訪問和分析，一種是直接嵌入宏或腳本文件到圖形文件中，通過解釋器運行；另一種是利用動態鏈接庫實現的具有標準接口的插件模塊。前者開發簡單、調用方便，適用于僅需要訪問圖形文件中的形狀數據，如設置節點和路徑屬性，判斷節點間的路徑連接關系等；后者運行效率高，適用于外部數據訪問，較為復雜的推理計算，響應用戶事件等情況。

圖5為SDG模型開發平臺圖形分析模塊運行時窗口，通過提取圖形文件中的形狀及連接關系，讀取形狀屬性，自動生成診斷推理機所需的數據庫表。

4 結 論

基于SDG模型的故障診斷技術具有模型直觀、搜索算法穩定可靠等特點，非常適用于現場級通用故障診斷設備。通過采用PXI總線結構、靈活豐富的擴展模塊及接口，可以滿足現場級診斷設備便攜性和通用性要求。開發的SDG模型開發平臺較好地解決了圖形建模與圖形分析的難題。對于開發人員而言，模板、模具以及形狀的設計和面向對象功能簡化了模型的開發成本提高了開發效率和軟件可靠性；對于使用人員而言，其直觀性和自我校驗能力，使得裝備使用與維護人員參與到診斷知識庫建設過程中，有利于診斷設備應用范圍的迅速擴展，為真正實現現場級、通用性目標打下堅實的基礎。

圖5 SDG模型分析模塊窗口

參考文獻

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[5] 陳恒.“板級電路診斷平臺”中TPS開發與執行功能的設計與實現[J].計算機測量與控制，2004，12（8）：723?725.

[6] 張貝克.集成化SDG建模、推理與信息處理軟件平臺[J].系統仿真學報，2003，15（10）：1360?1363.

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