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

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0012?04

0 引 言

現(xiàn)代海軍武器裝備向著大型化、自動化和復(fù)雜化方向發(fā)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(tǒng)，且主要依靠裝備使用人員完成。要求現(xiàn)場級故障診斷設(shè)備必須具有便攜性、通用性、直觀、易用等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同裝備的快速、自動化的故障診斷。

作為故障診斷領(lǐng)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(fā)展[1]。該方法以被診對象的直觀結(jié)構(gòu)特征為出發(fā)點，對系統(tǒng)變量間的因果關(guān)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(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備對通用性、直觀性的要求。

1 SDG模型及建模方法

SDG是對復(fù)雜系統(tǒng)的一種抽象描述方式，能夠清楚地表示系統(tǒng)的組成、狀態(tài)，以及局部之間的相互影響關(guān)系。SDG模型[γ]定義為有向圖[G]和符號函數(shù)[φ]的組合，其中，有向圖[G]由節(jié)點集合[V、]支路集合[E、]鄰接關(guān)聯(lián)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(jié)點集合[V={v1，v2，…，vn}，]用于描述系統(tǒng)組成的元部件。定義[ψ：V→{+，0，-}]為節(jié)點狀態(tài)函數(shù)，[ψ（vk）（vk∈V）]表示節(jié)點[vk]的狀態(tài)，“0”表示節(jié)點狀態(tài)正常，“+”表示節(jié)點物理量超出正常范圍上限，“-”表示節(jié)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(guān)系。[φ（ek）（ek∈E）]稱為支路[ek]的符號，“+”表示支路源節(jié)點[（δ+ek）]對目的節(jié)點[（δ-ek）]的影響效果是增強(qiáng)，“-”則表示影響效果是減弱。

鄰接關(guān)聯(lián)符[δ+，][δ-]描述支路的鄰接關(guān)系，其中[δ+：E→V]為支路的起始節(jié)點，[δ-：E→V]為支路的終止節(jié)點，分別記作[δ+ek]和[δ-ek。]

當(dāng)任何一個節(jié)點出現(xiàn)非零狀態(tài)時，表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。故障診斷就是利用SDG模型對故障源進(jìn)行定位。根據(jù)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(xiàn)對故障源的定位。

基于SDG故障診斷的一個重要內(nèi)容在于SDG模型的構(gòu)建，通過一套規(guī)范化的方法將系統(tǒng)的深層知識，即它的結(jié)構(gòu)和行為方面的知識，轉(zhuǎn)化為有向圖的形式，并進(jìn)一步地描述為計算機(jī)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(fù)循環(huán)的：如果診斷結(jié)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(jìn)行修正。如此循環(huán)，直至得到精確的診斷結(jié)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(shù)據(jù)依賴少，搜索和推理算法靈巧且可靠性高，有利于診斷設(shè)備的通用化實現(xiàn)。SDG模型中的節(jié)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(shù)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(xiàn)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(tǒng)的野外或海上。

2 基于SDG的現(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備

現(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備采用基于PXI總線的虛擬儀器技術(shù)、嵌入式設(shè)備技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)綜合集成，能夠應(yīng)用于各種復(fù)雜的外場環(huán)境。圖1是一種現(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備的硬件組成框圖。該設(shè)備以PXI總線為核心，將嵌入式計算機(jī)、I/O電路、數(shù)字示波器、激勵信號源、矩陣電路、多用表與計數(shù)器、智能探筆、電源等多種模塊有機(jī)結(jié)合起來，并可通過USB，LCD，PS/2和VGA等接口實現(xiàn)功能擴(kuò)展。對于特定的診斷對象，還可通過配置專用設(shè)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(fā)平臺和SDG模型開發(fā)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(huán)境、測試腳本、動態(tài)測試與診斷數(shù)據(jù)、通信接口、GUI以及流程控制模塊等。通過讀取SDG模型數(shù)據(jù)庫建立測試診斷腳本，調(diào)用相應(yīng)的TPS獲取UUT動態(tài)狀態(tài)參數(shù)，運行搜索算法并最終得到診斷結(jié)果。

圖1 某型現(xiàn)場級通用診斷設(shè)備硬件組成框圖

圖2 某型現(xiàn)場級通用診斷設(shè)備軟件組成框圖

SDG模型是故障診斷設(shè)備實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵因素，診斷是否準(zhǔn)確很大程度上取決于提供模型的準(zhǔn)確性和完備性。SDG模型開發(fā)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(shù)人員建立被診斷對象的抽象模型，并自動將其轉(zhuǎn)換成SDG診斷測試平臺所需的數(shù)據(jù)格式。

3 SDG模型開發(fā)平臺

現(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備面向的診斷對象種類多、差異大，其結(jié)構(gòu)組成、信號流程及操作方法各不相同。僅僅依靠診斷設(shè)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(xiàn)，開發(fā)SDG模型庫的主要是具有一定技術(shù)經(jīng)驗的裝備使用維護(hù)人員。借助SDG模型開發(fā)平臺軟件，他們能夠依靠現(xiàn)有知識和技能快速地建立診斷對象的系統(tǒng)原理模型。建模軟件能夠“智能”地進(jìn)行正確性檢驗，并自動轉(zhuǎn)換成SDG模型庫。

3.1 功能設(shè)計

SDG模型開發(fā)平臺的功能主要包括三個方面：圖形建模、模型分析及數(shù)據(jù)庫管理功能。

3.1.1 圖形建模

圖形建模主要實現(xiàn)SDG圖形文件的創(chuàng)建、編輯等功能?？紤]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(gòu)成的基本元素。具體包括以下功能：

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

（2） 圖形元素的組合與拆分功能。能夠?qū)我粚ο蠼M合成復(fù)合對象，作為單一對象進(jìn)行操作。

（3） 繪圖輔助工具，如標(biāo)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(chuàng)建的圖形文件轉(zhuǎn)換成推理機(jī)所需的SDG矩陣（或數(shù)據(jù)庫）形式?；痉椒ㄊ牵和ㄟ^遍歷、列舉圖形元素建立SDG節(jié)點集合，通過提取各圖形元素連接關(guān)系，建立SDG支路集合和鄰接關(guān)系，通過讀取圖形元素屬性，建立節(jié)點狀態(tài)庫以及支路符號函數(shù)庫。

為了防止因為SDG模型錯誤導(dǎo)致推理機(jī)搜索算法出現(xiàn)無解、模糊解或錯誤解等情況，在將圖形文件轉(zhuǎn)換成SDG模型前應(yīng)依據(jù)SDG模型定義對圖形文件進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)和定位錯誤，幫助用戶對圖形模型進(jìn)行修正。

3.1.3 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)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(jié)點、支路信息的查詢、追朔等。此外，還需要對SDG中各節(jié)點狀態(tài)進(jìn)行實際測量和裝訂，如節(jié)點取值正常范圍的門限，節(jié)點對應(yīng)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(shù)據(jù)庫管理接口，以實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的維護(hù)和裝訂。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

根據(jù)功能設(shè)計要求，SDG模型開發(fā)平臺關(guān)鍵在于實現(xiàn)拖曳式繪圖技術(shù)和智能化圖形分析技術(shù)[6]。前者簡化了傳統(tǒng)圖形建模工具的復(fù)雜性，即使不具有專業(yè)繪圖基礎(chǔ)的人員，也能夠充分利用圖形表達(dá)自己的思維；后者為SDG模型的驗證和數(shù)據(jù)構(gòu)建提供了工具。

3.2.1 拖曳式繪圖技術(shù)

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

模具設(shè)計工具用于幫助開發(fā)人員創(chuàng)建和管理復(fù)雜的智能形狀，不但能夠利用簡單形狀創(chuàng)建直觀的外觀，還支持多態(tài)、派生、繼承等面向?qū)ο筇匦?，大大簡化了?fù)雜元件庫的設(shè)計。根據(jù)SDG模型定義，模具主要由二類基本形狀組成：節(jié)點和支路。節(jié)點對應(yīng)于被診對象元部件，具有狀態(tài)屬性；支路對應(yīng)于元部件之間的連接關(guān)系，具有符號屬性。針對常見電子設(shè)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(shè)備SDG模具庫結(jié)構(gòu)

利用預(yù)先設(shè)計好的模具，用戶根據(jù)現(xiàn)有知識，通過拖放繪圖方式建立被診斷設(shè)備的原理圖。由于模具自身的支路或節(jié)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(dá)裝備的SDG模型圖。

3.2.2 圖形分析技術(shù)

建立初步圖形模型后，需要對圖形文件進(jìn)行分析，主要包括以下工作：

（1） 將圖形模型轉(zhuǎn)換成符合SDG模型規(guī)則的SDG數(shù)據(jù)模型。即提取圖形文件形狀及其屬性，將其轉(zhuǎn)換成節(jié)點、節(jié)點狀態(tài)函數(shù)、支路、以及支路符號函數(shù)，保存為矩陣或數(shù)據(jù)庫表格形式，以便于診斷測試平臺的搜索算法模塊進(jìn)行推理計算，定位故障點。

圖4 某型雷達(dá)設(shè)備SDG模型圖

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

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

SDG模型開發(fā)平臺通過二種方式實現(xiàn)對圖形數(shù)據(jù)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(tài)鏈接庫實現(xiàn)的具有標(biāo)準(zhǔn)接口的插件模塊。前者開發(fā)簡單、調(diào)用方便，適用于僅需要訪問圖形文件中的形狀數(shù)據(jù)，如設(shè)置節(jié)點和路徑屬性，判斷節(jié)點間的路徑連接關(guān)系等；后者運行效率高，適用于外部數(shù)據(jù)訪問，較為復(fù)雜的推理計算，響應(yīng)用戶事件等情況。

圖5為SDG模型開發(fā)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(guān)系，讀取形狀屬性，自動生成診斷推理機(jī)所需的數(shù)據(jù)庫表。

4 結(jié) 論

基于SDG模型的故障診斷技術(shù)具有模型直觀、搜索算法穩(wěn)定可靠等特點，非常適用于現(xiàn)場級通用故障診斷設(shè)備。通過采用PXI總線結(jié)構(gòu)、靈活豐富的擴(kuò)展模塊及接口，可以滿足現(xiàn)場級診斷設(shè)備便攜性和通用性要求。開發(fā)的SDG模型開發(fā)平臺較好地解決了圖形建模與圖形分析的難題。對于開發(fā)人員而言，模板、模具以及形狀的設(shè)計和面向?qū)ο蠊δ芎喕四Ｐ偷拈_發(fā)成本提高了開發(fā)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?zāi)芰?，使得裝備使用與維護(hù)人員參與到診斷知識庫建設(shè)過程中，有利于診斷設(shè)備應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)展，為真正實現(xiàn)現(xiàn)場級、通用性目標(biāo)打下堅實的基礎(chǔ)。

圖5 SDG模型分析模塊窗口

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