電子信息設備遠程智能感知技術研究

陳虹，張洪江，葉希，潘琎

（西南計算機有限責任公司，重慶，400060）

0 引言

本文結合電子信息設備的工作特性及故障特點，建立遠程智能感知系統，實現設備狀態數據的在線智能采集、處理與傳輸，對推進電子信息設備遠程保障技術發展具有重要意義。

1 系統概述

在優化電子信息設備機內信號采集系統設計的基礎上，研發新型智能傳感器，通過有線、無線方式將采集到的數據自動推送到保障云上，支持維修人員遠程配置采集參數、按需獲取信息，為實現基于狀態的維修保障提供準確、可靠的數據支撐。

2 技術架構

遠程智能感知系統從信息處理流程上分為傳感層、特征層、診斷決策層，三個層次序貫連接，相互獨立執行。系統技術架構如圖1所示。

圖1 遠程智能感知技術架構

(1)傳感層：部署在電子信息設備機內，實現設備工作特性信號的采集，主要由傳感器、變送器、信號調理模塊等組成，如果傳感器選擇不合理、傳感器布局不合適，一旦受外界環境影響、傳感器功能異常，容易導致信號處理及診斷決策出現虛警問題。

(2)特征層：部署在智能傳感器上，將機內傳感器原始信號變換為特征量，并利用數學方法實現最有效的低維特征集，特征提取和選擇的性能決定了狀態和故障特征的信息質量。

(3)診斷決策層：部署在保障云上，基于智能傳感器識別的狀態特征量，對系統運行狀態進行分析、評估。

3 應用模式

根據遠程維修保障需求，智能傳感器在本地端通過專用接口與被測電子信息設備連接，并通過光纖、4G等方式接入保障云，與遠程數據中心及維修保障工作站互聯。

遠程維修保障工作站通過無線方式配置智能傳感器采集參數，智能傳感器按需采集相關數據，并將數據組織成格式化報文，實時發送到保障云數據中心，遠程維修保障工作站通過客戶端瀏覽器訪問保障云的數據，從而實現對電子信息設備的遠程在線監測、評估及故障診斷決策。

4 關鍵技術

4.1 基于功能有向圖的測試點優選技術

由于電子信息設備的設計越來越復雜，機內板件之間的互連信號種類雜、數量多，必須對采集信號及測試點進行優化選擇，才能有效提高測試效率。

4.1.1 建立相關性圖示模型

相關性圖示模型是在UUT（Unit Under Test，簡稱UUT）功能框圖的基礎上建立的，首先基于電子信息設備的功能組成結構，用有向線段標明各個功能之間的連接關系以及功能信號的傳輸方向。

結合 FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，簡稱FMEA）分析結果，在功能框圖上標明每個功能的故障和測試點的位置、編號，繪制出相關性圖示模型。

4.1.2 建立 D 矩陣模型

建立D矩陣模型的方法有直接分析法和通過一階相關性求解的方法。

1）直接分析法

此方法適用于測試點和組成部件都不太多的UUT，逐步分析各個部件的故障信息在各個測試點的反映情況，即可以得到相應的D矩陣模型。

2）一階相關性求解的方法

依次分析單個測試點的一階相關性，列出一階相關性表格;根據相關性關系建立每個測試點對應的一階相關性列，對于某一測試點的一階相關性來說，如果還有其他測試點，則用該測試點相關的部件來代替，這樣就可以找出與這一測試點所有相關的組成部件。最后將n個列組合起來，建立D矩陣。

4.1.3 優選測試點

1）簡化D矩陣模型識別模糊組

2）選擇測試點

假設UUT簡化后的D矩陣模型為：

D=[dij]m×n

首先需要計算出各個測試點的故障檢測權值，計算公式為：

當計算出各個測試點的故障檢測權值后，選用最大權值對應的測試點作為第一個測試點，用把D矩陣一分為二，得到以下兩個矩陣：

在檢測的過程中如果出現故障檢測權值相同的情況，則從中選擇容易實現的一個測試點。

4.2 傳感器優化配置技術

4.2.1 傳感器選擇原則

經過1978—1985年的反貧困努力，我國的貧困因子發生了變化，由過去的制度約束性貧困轉變為區域性條件約束性與貧困戶能力約束性貧困。基于此，1986年，中國政府啟動了大規模的農村專項扶貧計劃，旨在通過專項政策，提升貧困地區和貧困人口的自我發展能力。主要措施有：成立了專門的扶貧機構——“貧困地區經濟開發領導小組”（1994年后改為“扶貧開發領導小組”）；確定了開發式扶貧方針；開始以貧困縣為重點瞄準扶貧對象；安排了專項扶貧資金等。

1）考慮測量條件、環境及安裝條件

根據測試目的，確定傳感器系統的測量范圍、響應特性、精度等要求。對于長時間需要連續使用的傳感器，需要考慮傳感器的長期穩定性；對于時間較短工序，則需要傳感器系統具有較好的靈敏度和動態特性。

氣壓、溫度、電源電壓、電源頻率等因素也會對傳感器功能造成較大影響，要注意環境條件與傳感器相關使用要求和條件的一致性，并在工作環境條件的約束下考慮傳感器溫度指標，包括工作溫度范圍、溫度誤差、溫度飄移、靈敏度溫度系數、熱滯后等。

傳感器的安裝形式直接影響到測試的精度和可靠性。對于接觸型安裝，需要根據被測對象的特性，決定采用的傳感器的體積、剛性、熱容量等會引起負載影響的有關參數的允許范圍；對于非接觸型安裝，需要考慮安裝空間對傳感器外形尺寸、重量、材料、結構特點等的限制而決定參數范圍。

2）考慮使用條件、購買與維修條件

傳感器的供電方式、電壓幅度與穩定度、功耗要在使用條件允許范圍之內，傳感器的可靠性必須滿足使用要求；均衡考慮傳感器的購買和維護價格，考慮傳感器零配件的儲備，盡量采用標準型的傳感器，傳感器的互換性要好、維護要方便。

4.2.2 傳感器優選

基于傳感器選擇原則可以得到一個適用的傳感器集合，進一步考慮與傳感器使用相關的約束，根據不同傳感器的性能、代價和可靠性進行適用的傳感器型號和類型的優選。

在考慮各個指標約束的情況下，選擇綜合指標最優的傳感器。比如最優綜合性能指標、最小購買成本、最大的可靠性、最低維修費用均可作為優選的標準，可基于層次分析法，構建包含綜合性能指標（如分辨率、動態響應、靈敏度、精度、測量范圍、工作溫度等）、購買成本、可靠性、維修費用等評價指標的判斷評估矩陣，實現優選決策。

4.2.3 傳感器配置

對電子信息設備機內布設的傳感器數量和定位進行優化布局是需要重點考慮的問題。

首先,構建故障-傳感器相關矩陣。故障—傳感器相關性矩陣描述了系統故障與傳感器的二元相關性關系，是對復雜系統進行傳感器優化配置的基礎。

其次，完成傳感器優化布局。設備狀態監測和故障診斷的質量很大程度上依賴于傳感器的布局，傳感器的布局方案必須保證對設備故障狀態的覆蓋與辨識。在滿足系統各種測試性指標要求的前提下，選擇盡可能少的傳感器，使成本最小，同時滿足系統的故障檢測可靠性要求，依據傳感器選型原則和故障-傳感器相關矩陣，可建立多個傳感器配置方案，并通過方案優選模型確定最優布局方案。

本系統在綜合考慮電子信息設備故障率和傳感器失效概率的情況下，以傳感器失效概率總和與傳感器價格最低為優化目標，以單故障分辨率、故障檢測率、故障隔離率及虛警率為約束，建立機內傳感器優化布局設計的非線性整數規劃模型（MINLP）[1-2]，實現多目標、多約束條件下的傳感器布局優化設計。

4.3 特征提取與診斷決策降虛警技術

本系統主要由智能傳感器來完成故障特征生成、特征提取和選擇，然而導致虛警的特征層原因通常有噪聲干擾、提取的特征不準確和不靈敏等。針對噪聲干擾，通常采用各種濾波措施進行解決；針對特征提取不準確，通常是采用優化信號處理的方法來解決；對于信號瞬時值變化快等問題，通常采取統計特征值（如均值、標準差等）進行判斷。針對特征層信息質量問題而導致的虛警問題，提出基于核主元分析的特征提取降虛警技術、基于粗糙集理論的特征選擇降虛警技術、基于決策器的特征選擇降虛警技術[1]。

保障云上部署的診斷決策應用主要是根據智能傳感器感知到電子設備狀態特征信息，對設備運行狀態進行分析、評估，并對故障模式、故障位置、故障發生時間、故障幅度等進行判斷、決策。導致診斷決策層虛警的主要原因是BIT診斷方法不足或發生間歇故障，為了解決這些問題，提出信號閾值診斷的虛警抑制技術和間歇故障導致虛警的抑制技術[1]。