基于測試信息不完備條件下航空電子設備故障診斷

郝 瑞 深圳航空有限責任公司

基于測試信息不完備條件下航空電子設備故障診斷

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基于測試信息不完備條件下航空電子設備故障診斷是診斷學中的一個重要分支，其基于粗糙集理論，分析診斷信息、儀器參數之間的相關性，建立知識集合，用等價的元素替換不完備的信息，構建決策樹，找到可能的故障源。在國外與之相關的綜合診斷技術已得到廣泛應用，在國內研究者較少，局限性較大，研究有待深入。

航空；電子設備；故障診斷；信息不完備診斷學

隨著系統控制的復雜化、智能化程度越來越高，航電設備的集成規模也越來越大，設備的故障報告率大幅提高。航空電子設備是系統的核心控制部件，目前多為集成印刷電路板作為功能模塊單元，出于航空安全的考慮，重要的模塊，還需要多余度的設計以互為備份。而故障的發生往往可能起源于模塊上微小的電子元件故障。對于航空電子設備而言，準確的故障診斷，不僅能保證安全有效的運行，還能大大降低維修的成本。故航空電子設備故障診斷技術是航空工業領域研究熱點，也是各個零部件修理廠商的技術核心。

目前，故障診斷方法可分為基于信號處理、基于解析模型以及基于系統知識三類。航空電子設備十分復雜，包含大量的元素，故障診斷初檢通過后，需要經過完整的整機測試診斷，但因很多原因，有時獲得的信息與現實情況存在較大出入，從而導致診斷不準確。本次研究簡要概述基于測試信息不完備條件下航空電子設備故障診斷策略。

1 .理論基礎

信息不完備是指診斷系統中的某個或多個數據丟失、不完全或不確定，導致信息數據不完整。 Kryszkiewiez等認為采用粗糙集理論是處理不完全信息的有效手段，其實際上一種基于參數診斷方法策略，通過構建不完整的決策樹，表示故障樹，通過合適的算法來確定最可能出現不模糊信息的故障，從而診斷故障，其需要深入分析實際系統行為和預測行為系統行為之間不一致的原因者，從而找到可能的故障源[1]。理論上，越是復雜的儀器設備，內部診斷參數相互之間的聯系便越復雜，與此同時可以獲得的診斷信息也越多，缺失部分的信息對整個檢測信息的影響也明顯減弱，缺失部分能夠被知識集中其它等價元素取代，通過挖掘知識結合，能夠處理不精確以及模糊信息，為模糊診斷創造了條件。

2. 不完全信息條件下航空電子設備故障診斷國內外進展

2.1 國外進展

隨著計算機技術、信號處理技術、現代探測技術的進步，發動機孔探等無損檢測技術以及智能機測試等技術成熟。飛機的數字化程度提高，同時機載系統、飛行數據記錄系統、機載維護系統也飛速發展。以上都推動了飛行器診斷信息學發展，可以獲得診斷信息越來越多。如波音747-400采用狀態監控技術邏輯方程進行故障診斷，空客的飛機電子中央飛機監控系統（ECAM）和飛機綜合數據系統（AIDS）。

美國Deb博士等人率先提出了從信號多維屬性出發，分析系統原理、功能，確認信號以及檢測信號之間的因果關系，將系統中的材料流、能量流、信息流、故障添加到組成模塊中，多信號模型可提供被診斷系統的測試性、診斷分析特性，從而合理安排測試幫助提高故障診斷效應，在這樣的系統中，部分信號的丟失會有其他關聯信號補充[2]。 Deb博士等成立的QSI公司基于這種模型開發了TEAMS工具箱，并用于UH-60通用直升機的故障診斷。NASA下屬的Ames研究中心的診斷引擎通過根據待診斷對象的定性模型和輸入參數計算當前理論預測值，而后通過檢測獲得實際觀測值，對比兩者差異，采用廣義約束傳播、模糊集等方法獲得最小的沖突集，通過最佳的搜索策略，生成故障候選集。實際上在國外測試信息不完全條件下的故障診斷已早早的用于太空科技領域，發展數十年基本成熟，成為綜合診斷的組成部分。

2.2 國內研究進展

禹航等[3]認為粗糙集僅能處理完全信息系統，對描述知識不確定性問題過于簡單。其所在的團隊嘗試構建了一種基于沖突信息條件下的裝備故障診斷方法，其構建了近似于表示空間的策略，采用沖突診斷信息系統描述故障信息，對其屬性進行約檢，設計了包含度的針對完全信息對象的故障診斷策略，針對不完全信息對象采用向量補齊的策略，將其用于航空發動機故障診斷，結果顯示其有效的提高故障診斷準確率。翟穎燁等[4]嘗試基于ATE故障診斷系統，設計了一種通用的故障診斷系統軟件，其采用XML語言編寫了所需以及產生信息的模型，結合粗糙集、故障樹分析方法，嘗試構建了某類型飛機電子對抗設備綜合測試與故障診斷系統軟件系統框架。 ATE測試設備，是國內航電系統部件故障測試的主流測試方法。不得不提的是，目前ATE測試設備的測試準確性，完全受制于測試模型的構建和語言的編寫。這將取決于機載航電設備的知識產權和國內的研發水平，對于國內運行的主流民航客機來說，此模塊核心技術基本由國外部件制造廠商掌握。因而國內達不到足夠的檢測和維修深度，檢測維修均停留在高一級的零部件上，這也導致了高的維修成本。從整體來看，我國基于測試信息不完備條件下的診斷研究相對滯后，研究人員少，局限性較大。

基于以上的現狀，電子設備的診斷依然有可提升的方面?，F在機載系統的設計均具備自測功能（bite），該功能不僅保障系統工作的正確，也能在系統內部失效時存儲相關信息到電子設備的存儲器NVM中，對于部件自帶NVM數據的解讀，將彌補測試設備的不完善?；谙到y知識，通過分析建立模型，將NVM中提供的信息應用于設備的診斷中。

3.小結

基于測試信息不完備條件下航空電子設備故障診斷的關鍵在于構架診斷知識的獲取模型，通過合適的算法構建基于特征關系的粗糙集拓展模型，對診斷信息表進行規則提取，同時對特征值進行離散化處理，提高決策規則的準確性。另外基于系統知識對NVM數據的解讀，也是有效的提高診斷準確性的方法。

[1] Kryszkiewicz.M. Rough set approach to incomplete information system[J]. Information Sciences, 1998, 12(2)∶ 39-49.

[2] Shen.L.T, Francis.E.H, Qu.L.S. Fault diagnosis using rough sets theory[J]. Computers in Industry, 2000, 43(1)∶ 61-72.

[3] 禹航,胡雷剛，肖明清.沖突信息條件下的裝備故障診斷方法[J].計算機測量與控制，2012，20(6)∶1583-1586.

[4] 翟穎燁，周越文，梁學明，等.ATE中的故障診斷系統設計與實現[J].空軍工程大學學報，2014，15(1)∶24-28.