張宇坤

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所第8研究室，陜西西安 710119)

飛機機電系統(tǒng)信息化水平正逐步提高，系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中有著大量的數(shù)據(jù)，因而可使用基于數(shù)據(jù)的故障診斷方法來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以決定系統(tǒng)當(dāng)前控制策略，保證飛機安全［1－2］。免疫算法本身具有魯棒性，滿足飛機高可靠性要求，可用來處理機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)以實現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷。但免疫算法復(fù)雜度高，運行耗時長，難以滿足機電系統(tǒng)實時性，需進(jìn)行算法改進(jìn)以適應(yīng)飛機機電系統(tǒng)要求。入侵機體的過程實現(xiàn)的，算法流程如圖1所示。一般免疫算法完全繼承了生物免疫系統(tǒng)的自適應(yīng)性，對抗原的入侵有完備的方案。以高突變方式處理新抗原，記憶新抗體，并增加抗體種群;以繼承的方式獲取舊抗原的最優(yōu)處理方法。算法在經(jīng)歷多種類抗原學(xué)習(xí)后，抗體種群會隨著學(xué)習(xí)次數(shù)趨于完善。

圖1 一般免疫算法流程圖

1 經(jīng)典免疫算法機制

免疫算法是生命科學(xué)中的免疫機制在工程實踐領(lǐng)域的算法實現(xiàn)，具有使用方便、魯棒性強等特點。經(jīng)典免疫算法分為一般免疫算法、陰性選擇算法和克隆選擇算法［3］。

一般免疫算法流程是按照生物免疫系統(tǒng)處理抗原

陰性選擇算法是生物免疫系統(tǒng)抗原識別過程的實現(xiàn)，算法流程如圖2所示。陰性選擇算法是將檢測器與被保護(hù)的對象進(jìn)行匹配，并將成功匹配的檢測器做變異處理，直到與被保護(hù)對象不匹配為止。然后將檢測器與待檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計算，若匹配則說明待檢查數(shù)據(jù)異常。陰性選擇算法的效果依賴于檢測器的質(zhì)量，檢測器審查越嚴(yán)格，算法效果越好。

圖2 陰性選擇算法流程圖

圖3 改進(jìn)算法流程圖

克隆選擇算法是卡斯特羅(Decastro)基于免疫過程中克隆選擇原理提出的一種算法，擅長模式識別等機器學(xué)習(xí)任務(wù)，在故障診斷上應(yīng)用較少，不再做具體介紹［4－5］。

2 算法改進(jìn)設(shè)計

機電系統(tǒng)故障診斷就是對機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)的診斷，即判定數(shù)據(jù)是否處于正常范圍。就此而言，陰性選擇算法較為合適，相對應(yīng)的，系統(tǒng)數(shù)據(jù)即為待處理數(shù)據(jù)，待處理數(shù)據(jù)中的故障數(shù)據(jù)即為故障診斷的依據(jù)，但算法效果依賴于檢測器的質(zhì)量，檢測器無學(xué)習(xí)能力，實際檢測效果不如一般免疫算法;一般免疫算法雖性能優(yōu)異但資源占用較大，不適合嵌入式使用，由于故障數(shù)據(jù)在實際中無需要多次識別，因而抗體增殖功能在故障診斷中也沒有使用價值［6－8］?；谏鲜鲈蚩紤]，可將兩種算法優(yōu)勢進(jìn)行部分整合。

改進(jìn)后算法采用適合數(shù)據(jù)處理的陰性選擇算法作為基本架構(gòu)進(jìn)行檢測器初始化和檢測器審查，其次計算每個檢測器的作用域，為已審查檢測器增加故障數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)以保證算法性能，提高檢測器質(zhì)量，接著增加檢測器優(yōu)化環(huán)節(jié)以滿足算法實時性要求，再計算優(yōu)化后檢測器作用域，最終進(jìn)行待測數(shù)據(jù)匹配，匹配數(shù)據(jù)即為故障數(shù)據(jù)。改進(jìn)后算法流程如圖3所示。

檢測器C(i)初始化。改進(jìn)算法首先進(jìn)行檢測器初始化，檢測器在實際應(yīng)用中為n個長度為x的一維數(shù)組，檢測器的每個元素是位于待診斷量傳感器量程之內(nèi)的隨機值，檢測器定義為C(i)，0≤i＜n。

檢測器審查。初始化的檢測器需進(jìn)行合格性審查，將含有正常數(shù)據(jù)元素的檢測器執(zhí)行分段函數(shù)變異處理，使其滿足檢測器條件，分段函數(shù)只需保證用不合格檢測器處理后能合格即可。

作用域計算。在進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配前需計算每個檢測器的作用域，使用正常數(shù)據(jù)產(chǎn)生m個長度為x的一維數(shù)組D(j)，0≤j＜m，定義檢測器C(i)與所有D(j)向量差的二范數(shù)的最小值r(i)為檢測器C(i)的作用域，在作用域計算時使用的D(j)要盡量多，否則檢測器作用域會變大，后期會造成誤診斷情況。

故障數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)。此時生成的檢測器會因為隨機性有檢測盲區(qū)，需進(jìn)行學(xué)習(xí)來彌補。使用系統(tǒng)異常時待診斷量傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生l個長度為x的一維隨機數(shù)組F(k)，0≤k＜l，查看檢測器 C(i)與 F(k)的二范數(shù)是否＜C(i)的作用域，如果某個數(shù)組F(e)，0≤e＜l不在任何檢測器作用域之內(nèi)，則將F(e)增加為檢測器，重新計算其作用域，在進(jìn)行故障學(xué)習(xí)時，大量的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)能保證檢測器的完整性，提高檢測器的質(zhì)量［5］。

檢測器優(yōu)化:學(xué)習(xí)后的檢測器存在作用域重復(fù)和檢測時間期望值較小的問題。計算任兩個檢測器向量差二范數(shù)是否小于兩個檢測器作用域的較小值，若存在則將作用域較小的檢測器剔除，來解決作用域的重復(fù)問題;針對檢測時間期望值較小可在進(jìn)行故障學(xué)習(xí)時，將每個檢測器匹配次數(shù)進(jìn)行記錄，匹配次數(shù)反映了故障的概率，按照匹配次數(shù)由大到小的順序?qū)z測器進(jìn)行重新排序。

數(shù)據(jù)匹配。將待檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行向量化處理，將待檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為多個長度為x的一維數(shù)組S(r)，0≤r＜x，且同一個待檢測數(shù)據(jù)可多次出現(xiàn)在S(r)中，以提高算法可靠性，但次數(shù)會影響檢測時間，需權(quán)衡處理。向量化處理方法示意圖如圖4所示，d0～d7為待檢測數(shù)據(jù)，S(0)、S(1)和S(2)為處理后的向量。

圖4 數(shù)據(jù)向量化處理示意圖

3 故障診斷應(yīng)用

使用飛機機電系統(tǒng)燃油子系統(tǒng)供油泵出口壓力和供電系統(tǒng)地面電源電壓對改進(jìn)算法進(jìn)行驗證。改進(jìn)算法產(chǎn)生供油泵出口壓力檢測器52個，地面電源電壓檢測器46個，每個檢測器都是長度為4的一維向量。使用檢測器處理各自80個待檢測數(shù)據(jù)，改進(jìn)算法實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 供油泵出口壓力和地面電源電壓診斷結(jié)果

供油泵出口壓力診斷成功率由93.75%提高至97.50%，供油泵出口壓力診斷成功率由93.75%提高至98.75%。表明改進(jìn)算法提高了診斷成功率，由于改進(jìn)算法具有學(xué)習(xí)能力，其也可應(yīng)用在未明確量化判據(jù)的數(shù)據(jù)診斷上。

4 結(jié)束語

改進(jìn)后的算法比一般免疫算法提高了診斷成功率，也能滿足機電系統(tǒng)實時性的要求，并在使用時只需將產(chǎn)生的檢測器存儲在機電系統(tǒng)計算機內(nèi)，檢測簡單易實現(xiàn)。但機電系統(tǒng)待診斷數(shù)據(jù)種類龐大，都使用此算法進(jìn)行診斷時，會受到計算機存儲和計算資源的限制，還有可能引起系統(tǒng)周期超時，因而需權(quán)衡資源和降額設(shè)計進(jìn)行使用。

［1］ 石山．飛機機電BIT技術(shù)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2010．

［2］ 郎榮玲，潘磊，呂永樂．基于飛行數(shù)據(jù)的民航飛機故障診斷專家系統(tǒng)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2014．

［3］ 韓旭明，王麗敏．人工免疫算法改進(jìn)及其應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2013．

［4］ 田玉玲，段富．免疫優(yōu)化算法、模型及其應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2013．

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