一种适用于飞行器航电综合的故障检测和重构方法
2016-11-17王健康刘文文王琳娜欧连军
胡 欣，王健康，姚 旺，刘 飞，刘文文，王琳娜，欧连军，梁 君
(中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076)
一种适用于飞行器航电综合的故障检测和重构方法
胡 欣，王健康，姚 旺，刘 飞，刘文文，王琳娜，欧连军，梁 君
(中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076)
鉴于特殊的飞行任务需求，某型号航电综合单一的故障逻辑难以满足多元故障状态下自主重构需求，降低了系统容错性；为解决航电综合多元故障模式难以量化表征影响故障重构的工程难题，创新地提出了一种适用于航电综合的故障检测和重构方法，基于决策表数据挖掘技术的航电综合故障预测流程和多源信息故障检测技术确保常规故障检测率大于98%，航电系统重构状态的量化表征分类方式确保了系统快速重构设计，文章提出的故障检测和重构方法极大地提高航电综合系统的故障检测率与容错能力。
航电综合；故障检测；重构
0 引言
根据任务需求，某飞行器航电综合涵盖GNC系统、测控通信、任务管理、电源及配电等多个专业，采取自上而下的顶层设计方法，秉承一体化设计理念，以高速数据总线为数据交互纽带,将飞行器上电子设备进行连接,大大减小航电综合系统的重量、功耗的同时，也实现了系统内部的信息共享和综合控制。
飞行器上航电综合故障检测一般涉及内部测试(BIT)。BIT自检测包括系统加电自检测、周期自检测和指令自检测。在自检测方式中,测试系统对检测到的故障自动分类为警告级和注意级,并记录出现故障代码,同时根据故障代码,显示故障提示信息,从而确定故障源[1]。为实现飞行任务的高可靠性，针对航电综合内部的故障多样性及复杂性，内部测试(BIT)只能完成单一故障的定位和故障重构，难以满足航电综合这类复杂系统的故障检测和重构需求。在对航电综合故障现象及原因研究的基础上,综合运用综合推理方法和故障预测技术,提出了一种适用于航电综合的故障检测和重构方法，解决了航电综合系统多元故障模式难以量化表征及故障重构的工程难题，极大地提高航电综合系统的可靠性与容错能力。
1 一种适用于某型飞行器航电综合的故障检测方法
在常规故障检测的基础上，本文图1所示的故障预测流程，用于对未来可能出现的故障情况进行预测,及时告警，为后续故障处理提供参考。图1中，经数据采集、预处理获取航电综合故障信息数据，然后将数据采集获得的监测数据同期望指标极限值(阈值)进行比较,判别系统状态。同时综合利用预处理的数据信息评估航电综合工作状态是否恶化,并确定故障发生的可能性,预测航电综合工作状态,比如剩余寿命预测等。
图1 航电综合故障预测流程
结合图1的航电综合故障预测流程，本文提出了一种适用于飞行器航电综合的故障检测方法，利用基于决策表的数据挖掘技术，通过对航电综合系统故障的识别、预测以及定位实现对航电综合系统的余度管理，同时结合自适应算法实现航电综合系统的自学习，通过大量历史数据不断建模，完善故障诊断列表，最大限度提高飞行器故障检测率，步骤如下：
1)建立飞行器航电综合系统故障诊断知识库；所述故障诊断知识库包括故障诊断决策表和故障诊断规则；利用基于粗糙集属性约简算法的数据挖掘方法获取飞行器航电综合系统故障类型，进而建立无人机飞行器航电综合系统故障诊断知识库，具体步骤为：
(1)获取飞行器航电综合系统历史故障样本，建立无人飞行器航电综合系统历史故障样本库；
(2)对无人飞行器航电综合系统历史故障样本库中样本按故障类型进行划分，得到按故障类型划分的历史故障样本库，建立按故障类型划分的历史故障样本库集合；
(3)分别对步骤(2)中得到的按故障类型划分的历史故障样本库进行数据预处理，构建每个按故障类型划分的历史故障样本库的故障诊断决策表；所述预处理包括故障提取、离散化和删除重复对象；
(4)用基于差别矩阵的决策表属性约简算法对步骤(3)形成的故障诊断决策表进行属性约简，删除所有冗余条件属性；具体为：
令故障诊断决策表为S=
其中：i,j=1,…,n，ai(xj)为历史故障样本xj在故障属性ai上的取值；所述V为历史故障样本库，f为历史故障样本库的子集；
(8)利用步骤(7)中获取到的具备适应性的诊断规则更新飞行器航电综合系统故障诊断知识库中的初始诊断规则，并删除与初始诊断规则相冲突的具备适应性的诊断规则，所述初始诊断规则为人工获取的诊断规则。
2)获取飞行器航电综合系统故障症状集合，令该故障症状集合为C1，将故障症状集合C1存储于中间数据库；
3)利用步骤2)中的故障症状集合C1与步骤1)中故障诊断知识库中的所有故障诊断规则进行匹配，取出完整包含C1中所有症状的故障诊断规则，设为R1，令R1的全部故障诊断决策表组成的集合为D1；
4)将集合D1中对应的故障原因按照以往诊断成功次数进行降序排列，将决策集合D1中诊断成功次数最多的故障原因d1作为故障诊断预测结果输出，同时输出d1所对应的故障症状集合中除去C1之外的故障症状集合C2；
5)逐项检查飞行器航电综合是否存在C2中的各故障症状，若飞行器航电综合存在C2中的各故障症状，则d1为正确的诊断结果，结束故障诊断过程；否则，d1为错误的诊断结果，进入步骤6)；
6)从D1中删除d1，即D1=D1-d1，重复步骤4)～步骤6)，直至获取正确的诊断结果dn，进入步骤7)；
7)输出最终诊断结果dn，根据诊断结果dn从预先给定的故障模式查找表中搜索定位故障模式，并且根据故障模式实现飞行器航电综合的自主快速动态重构。
2 某型号航电综合具体重构方案
2.1 某型号航电综合原重构方案
某型号航电综合通过对非关键短路单机进行供电自动切断的故障隔离，对关键单机进行多余度设计和故障后余度切换设计，采用多源信息故障检测、隔离与重构的信息融合设计实现系统重构设计。提高航电综合系统的容错性、可靠性，具体的余度设计如图2所示。
图2 某型号航电综合系统余度示意图
在配电方案设计中，首先依据航电综合设备的重要性进行分类配电，将飞行器上航电综合设备分为关键设备(为保证飞行器飞行安全所必需的用电设备)与非关键设备(飞行器上除关键用电设备之外的用电设备，如可见光摄像装置、传感器等，设备的失效不影响飞行任务的成败)。在此基础上，结合负载的供电类型以及负载所处的飞行器位置，将用电设备接入图1所示的配电网络中。鉴于关键设备一般在飞行器上均考虑冗余设计，单个负载的失效不会导致其功能的丧失，非关键设备的失效不影响飞行任务的前提条件，在航电综合设备发生短路时，通过断路器、磁保持继电器的断路实现故障隔离，在航电综合设备发生断路时，通过另一路备保线路(磁保持继电器的闭合)实现配电网络有效连接。对飞行控制与管理计算机、舵机控制器、舵机进行双余度设计，自动检测主通道通信、供电、时钟、CPU状态等参数，在故障情况下切换至备通道，对惯组、雷达高度表、DGPS、大气数据系统进行主备设计，飞行控制与管理计算机全程监视通信状态、单机状态、测量异常等，并进行主备信号源的切换。在信息融合方面，首先对各信息源设置独立的滤波器，在信息源正常的情况下，利用局部测量进行参数更新，把更新后的局部信息融合成新的全局状态估计。一旦某一信息源出现故障，该故障被限制在其子滤波器内，当检测出故障后隔离有故障的子滤波器，最终的输出结果通过其它正常子滤波器的解合成，保证系统正常工作，通过联合滤波的方法实现故障的有效隔离和系统重构。
2.2 某型号航电综合改进后重构方案
图3 某型号航电综合系统重构流程(改进型)
对于航电综合系统来说,为更好地进行故障诊断及实现有效故障隔离,利用本文提出的一种适用于某型飞行器航电综合的故障检测方法，重新构建了适用于某型航电综合的系统重构流程，如图3所示，根据不同的故障模式进行单机、主总线、配电模块的余度切换，以及针对飞控机的降级重构。
将某型号航电综合系统的重构状态量化表征为6类，分别为，S1：初始化工作方式； S2：任务重启动方式；S3：启动备份模块方式；S4：降级重构方式；S5：电源备份切换方式；S6：总线备份切换方式。基于图2，建立了故障模式与动态重构对照表，如表1所示，明确了多元故障状态下系统重构方式，所述故障模式与动态重构对照图如图4所示。
表1 故障模式与动态重构对照表
图4 故障模式与动态重构对照图
各种重构状态对应的操作如下：
S1：初始工作方式，代表无故障工作模式，不进行操作。
S2：单机重启动方式，重启动关键单机，以便恢复未预知故障。
S3：启动备份模块方式，当关键单机的硬件故障发生或软件故障发生，并且故障发生率超过2次门限值，则启动备份模块。
S4：降级重构方式，本状态发生在关键单机已有故障而又没有可用的备份模块替代，这样为了保证系统继续有效，选择高优先功能工作，而放弃低优先功能工作。
S5：电源备份切换方式，在当前工作电源模块发生故障时，系统将启动备份电源工作，而将故障电源模块隔离。
S6：总线备份切换方式，在确认当前工作总线发生故障后，系统将启动备份总线工作，而将故障总线隔离。
3 试验结果与分析
按照本文的算法对某型航电系统进行故障检测与重构试验，具体的试验详见表2。从预先给定的故障模式查找表中成功搜索定位故障模式，常规故障检测率均大于98%，且根据不同的故障模式进行了飞控机、主总线、配电模块的余度切换。
4 结论
本文提出了一种适用于飞行器航电综合的系统故障检测方
表2 故障检测与重构试验
序号模拟故障模式故障检测率重构重构动作1模拟飞控机接口模块故障98%S1到S2重启动飞控机2模拟飞控机电源模块故障100%S1到S2重启动飞控机3模拟飞控机中调度而引发的超时故障98%S1到S2重启动飞控机4模拟飞控机中运算结果超出临界值故障98%S1到S2重启动飞控机5模拟飞控机故障发生率超过门限值2次/S2到S3启动备份飞控机并切换至备份单机6模拟惯导故障发生率超过门限值2次/S2到S3启动备份惯导并切换至备份单机7在同一通信周期中,模拟飞控机与其它单机间连续通信五次故障(响应超时或状态字错误)99%S1、S3、S4到S6飞控机对外总线备份切换8供电电压拉偏至16V100%S1、S3、S4到S5飞控机电源备份切换
法和重构流程，构建了6类重构状态，解决了某型号电气系统故障模式分类量化表征问题，极大地提高电气系统的可靠性与容错能力，实现了电气功能复用、统一任务流程管理、能源统一配置优化、故障隔离与余度管理和导航信息故障检测重构，可推广应用于其它型号。
[1] 杨占才,王 红,朱永波,等.飞机航电设备综合智能故障诊断专家系统研究[J].测控技术,2006,25 (4):4-7.
[2] 曹立军,王兴贵,秦俊奇,等.融合案例与规则推理的故障预测专家系统[J].计算机工程,2006,32 (1):208-210.
[3] 张金泽,蓝江桥.基于支持向量机的装备故障诊断专家系统[J].火力与指挥控制,2007,32(5):28-31.
[4] 安跃文,李贤玉,王 晖,等.基于故障树的导弹发动机失效诊断专家系统设计与实现[J].弹箭与制导学报,2006,26 (4):218-220.
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Method of Avionic Fault Diagnosis and System Reconfiguration
Hu Xin, Wang Jiankang, Yao Wang,Liu Fei,Liu Wenwen,Wang Linna,Ou Lianjun,Liang Jun
(R&D Center of China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076，China)
For the special flight mission, the single fault logic of one type of avionics is difficult to meet the demand of autonomous reconfiguration on the multiple failure condition, and the system fault tolerance is reduced. To solve the difficult to quantify impact fault reconstruction of the avionics integrated multiple failure modes, one method of avionic fault diagnosis and system reconfiguration was put forward. By combining data mining technology based on the decision table of avionics integrated fault prediction process and multi-source information fault detection technology, the normal fault detection rate can be ensured more than 98%. And the results of avionics system reconfigurable show that state of the avionics system reconstruction of quantitative characterization of classification can be used to ensure the design of rapid system reconfigurable. In this paper, the method improves avionic fault detection rate and system fault tolerance.
avionic system; fault diagnosis;system reconfiguration
2015-11-10；
2015-12-09。
胡 欣(1985-)，男，湖北襄阳人，博士，高级工程师，主要从事航电综合设计方向的研究。
1671-4598(2016)06-0021-03
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.006
V455
A
