呂鎮(zhèn)邦, 陶來發(fā), 孫 倩, 丁 宇
(1.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,西安 710068;2.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院,北京 100191)
由于機(jī)載健康管理系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)和診斷為主要手段,并完成維修支持,必須建立在狀態(tài)或者信息感知、融合和辨識(shí)的基礎(chǔ)上,其功能的實(shí)現(xiàn)完全依賴于所大量使用的各種推理模型。因此,機(jī)載診斷模型的開發(fā)成為健康管理系統(tǒng)研制中最核心的技術(shù)問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)故障診斷技術(shù)已開展了大量研究,但研究重點(diǎn)主要集中在故障診斷技術(shù)的理論研究和實(shí)驗(yàn)室模型/算法的實(shí)現(xiàn)方面,在工程應(yīng)用領(lǐng)域的研究較為薄弱,特別是在機(jī)載診斷的數(shù)據(jù)建模方面,與國(guó)外先進(jìn)機(jī)型相比存在明顯的差距,嚴(yán)重制約了機(jī)載健康管理系統(tǒng)效能的發(fā)揮。系統(tǒng)的高度復(fù)雜性往往導(dǎo)致故障癥狀與故障原因之間的映射關(guān)系表現(xiàn)為不清晰、不確定, 系統(tǒng)參數(shù)的變化以及報(bào)警提示未必能正確反映故障的類型及位置, 為系統(tǒng)建模帶來困難。本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和具體型號(hào)技術(shù)需求的基礎(chǔ)上,對(duì)機(jī)載診斷模型開發(fā)的工程化方法進(jìn)行了深入研究,并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的輔助開發(fā)工具,為機(jī)載健康管理系統(tǒng)的診斷能力提升提供支持。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和IEEE等許多國(guó)際組織和機(jī)構(gòu)專門組建了聯(lián)盟來推動(dòng)故障診斷與健康管理技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)和推廣,由波音等50多家公司和組織組成的機(jī)械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟(MIMOSA)一直致力于開放的使用與維護(hù)信息標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā),這為故障診斷模型開發(fā)工作提供了基礎(chǔ)和指導(dǎo)[1-2]。
Honeywell公司研制的診斷模型開發(fā)工具(DMDT)接收來自各種渠道的信息,包括飛機(jī)接口控制數(shù)據(jù)庫、機(jī)組人員告警信息和故障模式與影響分析報(bào)告,然后由飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員輸入子系統(tǒng)特定診斷信息,最終完成診斷模型的構(gòu)建[3]。Impact技術(shù)公司的模型開發(fā)工具NeticaTM,將權(quán)重方法和貝葉斯推理方法相結(jié)合,可建立貝葉斯認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)模型(BBN),進(jìn)而描述整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,完成診斷推理[4]。由機(jī)載系統(tǒng)部件性能退化而引起的潛在有害事件的早期檢測(cè)和緩解是目前健康管理領(lǐng)域所面臨的重要挑戰(zhàn),IEEE的Daniel L. C. Mack等人采用知識(shí)工程方法,將飛行參數(shù)數(shù)據(jù)挖掘與專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,對(duì)現(xiàn)有貝葉斯推理模型進(jìn)行修正,建立更為有效的故障早期診斷模型[5]。機(jī)載系統(tǒng)的復(fù)雜性和工況變化導(dǎo)致機(jī)載診斷不確定性問題日益嚴(yán)重,針對(duì)此問題文獻(xiàn)[6]提出將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控信息相聯(lián)合的智能診斷建模方法,充分利用可用信息,降低了診斷不確定性,提高維修效率。
國(guó)內(nèi)許多院校開展了故障診斷技術(shù)方法和應(yīng)用方面的相關(guān)研究,研究的熱點(diǎn)集中在建立故障診斷模型/算法,實(shí)現(xiàn)故障診斷原型系統(tǒng)等方面。為了提高層與層之間的推理準(zhǔn)確性,某機(jī)液壓系統(tǒng)采用基于狀態(tài)、元件、傳感器和功能的交叉增強(qiáng)校核方法,建立交叉增強(qiáng)校核診斷推理模型,提高診斷精度和準(zhǔn)確性[7]。產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段往往缺乏明確的故障模式數(shù)據(jù),文獻(xiàn)[8]通過定義故障與功能的關(guān)聯(lián)關(guān)系及功能故障率,將故障與功能間的不確定性關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)化為確定性關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段建立混合診斷模型。針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷建模及推理的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)不足、領(lǐng)域知識(shí)及監(jiān)測(cè)信息不完備等問題,北京航空航天大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開展基于動(dòng)態(tài)不確定因果圖,對(duì)權(quán)重邏輯推理進(jìn)行系統(tǒng)化研究,引入綁定權(quán)重系數(shù)的邏輯事件推理機(jī)制,確保變量狀態(tài)概率的自動(dòng)歸一性和鏈?zhǔn)酵评淼淖晕乙蕾囆裕瑸槎噘x值因果關(guān)系的簡(jiǎn)潔、不完備表達(dá)提供了解決方案[9]。 但上述工作大都圍繞各自不同的具體成員設(shè)備作為研究對(duì)象而展開,主要停留在理論研究層面,普遍偏于學(xué)術(shù)探索性,比較缺乏對(duì)通用性和工程化的考慮,也沒有在具體的工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。
基于模型的診斷(Model-based diagnosis,MBD)是一種全新的診斷方法,該方法分析、合并和處理系統(tǒng)故障,并將其隔離到產(chǎn)生故障的根源LRU上。MBD方法與傳統(tǒng)診斷方法的本質(zhì)區(qū)別在于MBD克服了傳統(tǒng)診斷方法的嚴(yán)重缺陷,其基本觀點(diǎn)是可以使用系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與行為知識(shí)模型進(jìn)行智能推理[10]。該方法從待診斷設(shè)備的模型和具體觀測(cè)行為出發(fā),依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際觀測(cè)行為和模型預(yù)計(jì)行為之間的差異,通過診斷推理確定出現(xiàn)故障的組件或單元,并給出診斷結(jié)果,其診斷原理如圖1所示。
圖1 基于模型的診斷方法原理
1)模型預(yù)計(jì)行為和產(chǎn)品實(shí)際觀測(cè)行為的比對(duì)是診斷的基礎(chǔ),依據(jù)診斷知識(shí)構(gòu)建診斷推理模型;
2)當(dāng)已知系統(tǒng)輸入時(shí),可以獲取系統(tǒng)的實(shí)際觀測(cè)行為,并通過邏輯推理得到模型的預(yù)計(jì)行為;
3)將二者進(jìn)行比較,若存在差異,按照沖突識(shí)別、候選診斷和診斷鑒別的步驟進(jìn)行診斷推理;
4)最后根據(jù)診斷鑒別結(jié)果,確定下一步的檢測(cè)順序,進(jìn)行故障定位與隔離,直至找到真正的故障原因。
基于模型的故障診斷方法的流程如圖2所示。
圖2 基于模型的故障診斷方法流程
1)系統(tǒng)啟動(dòng),針對(duì)診斷對(duì)象,獲取診斷知識(shí),構(gòu)建新設(shè)備或者選擇已有設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能和行為模型;
2)在模型化的基礎(chǔ)上,依據(jù)診斷模型和系統(tǒng)輸入得到模型的預(yù)計(jì)行為;
3)獲取系統(tǒng)當(dāng)前的實(shí)際觀測(cè)行為,判斷觀測(cè)行為和預(yù)計(jì)行為之間是否存在差異;
4)若存在差異,則按照沖突識(shí)別、候選產(chǎn)生和診斷鑒別的診斷推理順序?qū)ふ艺嬲墓收希?/p>
5)若沒有差異,則設(shè)備正常。
盡管飛機(jī)安裝有眾多的傳感器,但在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)傳感器都是安裝在裝有多個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)模塊的箱體外部,不可能直接監(jiān)測(cè)其內(nèi)部的組件,所以影響系統(tǒng)運(yùn)行安全的數(shù)百個(gè)組件只能依賴于所屬系統(tǒng)的觀測(cè)范圍,比如齒輪箱中的軸承和齒輪,它們各自的特性會(huì)給齒輪箱外表可觀測(cè)系統(tǒng)行為留下持久的征兆。因此,如何從系統(tǒng)級(jí)傳感器數(shù)據(jù)解讀這些征兆,并利用其進(jìn)行自動(dòng)推理,進(jìn)而診斷出系統(tǒng)組件以及整個(gè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)就尤為重要?;谀P偷墓收显\斷用于從可觀測(cè)系統(tǒng)行為中檢測(cè)并隔離出系統(tǒng)內(nèi)部的部件故障,并形成部件級(jí)故障傳播模型,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)即將發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行智能估計(jì)。機(jī)載診斷模型建立流程如圖3所示。
圖3 機(jī)載診斷模型建立流程
其實(shí)施步驟如下:
1)在系統(tǒng)部件功能知識(shí)庫的輔助下,建立系統(tǒng)知識(shí)模型;
2)基于診斷過程中提取并合的系統(tǒng)內(nèi)部部件臨近關(guān)系信息,構(gòu)建故障傳播模型;
3)使用工程化平臺(tái)語言將系統(tǒng)知識(shí)模型和故障傳播模型整合在總體的基于模型的診斷推理架構(gòu)中;
4)將上述模型開發(fā)結(jié)果應(yīng)用于飛機(jī)系統(tǒng)的智能診斷中,依據(jù)可見的系統(tǒng)行為對(duì)不可見的故障部件實(shí)施基于模型的診斷推理;
5)對(duì)所開發(fā)的診斷模型庫中的推理算法進(jìn)行計(jì)算復(fù)雜性分析,進(jìn)而確保其性能可以滿足在線執(zhí)行。
機(jī)載診斷建模就是要清晰地描述設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從模型上反映實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為,機(jī)載系統(tǒng)診斷模型庫就是要建立能夠描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為信息的推理模型,根據(jù)輸入的故障現(xiàn)象,依據(jù)各LRU之間的故障關(guān)系推理出可能的故障源。
知識(shí)獲取歷來是知識(shí)工程與人工智能中的瓶頸問題,機(jī)載診斷模型相關(guān)知識(shí)包括有關(guān)設(shè)備的功能結(jié)構(gòu)、工作原理、接口關(guān)系、使用記錄及案例等,也包括領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗(yàn)及個(gè)性知識(shí)。機(jī)載診斷模型知識(shí)獲取的難度在于恰當(dāng)?shù)靥崛『蜌w納診斷對(duì)象的特點(diǎn)、關(guān)系,及相應(yīng)的診斷方法,并把它們用規(guī)范的形式化語言精確地表示出來,是不斷重復(fù)、漸進(jìn)完善的過程。
機(jī)載系統(tǒng)知識(shí)模型是基于模型的故障診斷的基礎(chǔ)。知識(shí)模型不僅需要充分反映系統(tǒng)工作原理、故障傳播路徑以及部件的故障率等基本信息,而且還要結(jié)合故障診斷算法建立算法能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)庫形式,根據(jù)輸入的故障征兆信息,通過模型判斷邏輯推導(dǎo)出故障源。系統(tǒng)知識(shí)模型庫的建立過程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)知識(shí)模型庫建立過程
要建立系統(tǒng)知識(shí)模型,就需要對(duì)機(jī)載系統(tǒng)的故障征兆和故障原因進(jìn)行透徹地分析,分析結(jié)果的正確性將直接影響到診斷結(jié)論的正確性,故障分析過程主要包括以下兩方面工作。
1)確定故障征兆表現(xiàn)形式和所有具體的故障模式。飛機(jī)故障報(bào)告一般有如下多種形式:駕駛艙面板故障燈指示、駕駛艙儀表故障指示和故障報(bào)告、中央顯示單元(Central Display Unit,CDU)上的BITE故障信息、中央維護(hù)系統(tǒng)故障信息等。建立機(jī)載系統(tǒng)診斷模型庫首先明確本飛機(jī)系統(tǒng)的故障表現(xiàn)形式,然后將每種形式下的故障全部收集。此項(xiàng)工作需要參考飛機(jī)系統(tǒng)培訓(xùn)手冊(cè)、故障報(bào)告手冊(cè)等資料進(jìn)行。
2)根據(jù)相關(guān)資料,確定機(jī)載系統(tǒng)總體和子系統(tǒng)結(jié)構(gòu),研究部件工作原理。分析每個(gè)LRU主要可能發(fā)生的故障及每個(gè)故障的表現(xiàn)形式即故障征兆,進(jìn)而確定故障在不同部件間的傳播路徑。
為了對(duì)機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行有效的故障診斷,需要考慮系統(tǒng)的功能知識(shí),建立其故障傳播模型?;谠淼墓收蟼鞑ビ邢驁D模型可用來描述故障現(xiàn)象及該故障在LRU間的傳播關(guān)系。建立故障傳播模型需將子系統(tǒng)分解為各個(gè)組成單元,針對(duì)各個(gè)組成單元的功能模型所表達(dá)的輸入-輸出連接關(guān)系,組成整個(gè)系統(tǒng)的故障傳播模型。針對(duì)機(jī)載設(shè)備的各個(gè)組成單元而言,其故障傳播模型在滿足單元的輸入彼此獨(dú)立和單元的故障模式之間彼此獨(dú)立兩種假設(shè)的前提下建立。
故障傳播模型建立的步驟如圖5所示。
圖5 故障傳播模型建立步驟框圖
1)首先根據(jù)飛機(jī)的自檢和告警信息以及人為觀察信息,提取故障征兆;
2)結(jié)合機(jī)載系統(tǒng)工作原理推斷出相應(yīng)的故障傳播路徑,抽象出相應(yīng)故障傳播有向圖模型;
3)在此基礎(chǔ)上,建立故障傳播鄰接矩陣模型。
故障模式與故障征兆之間的相互作用,以及故障傳播方向,可以采用有向圖的方式將其簡(jiǎn)潔、直觀的表示出來,如圖6所示。其中矩形框代表LRU故障而圓圈代表故障征兆,節(jié)點(diǎn)之間的箭頭代表故障傳播路徑。
圖6 故障傳播有向圖
圖中有3個(gè)LRU,分別是C1、C2和C3,兩個(gè)工作模式A和B。C1的故障征兆是D1~D3,C2的故障征兆是D4~D7,C3的故障征兆是D8~D10。該圖還包含一個(gè)系統(tǒng)故障征兆D11,不與任何LRU相關(guān)聯(lián)。
另外,采用鄰接矩陣也可以表示各要素之間的連接關(guān)系,建立故障傳播模型就是建立對(duì)應(yīng)與不同故障征兆的故障傳遞鄰接模型。由圖論的知識(shí)可知,有向圖與鄰接矩陣有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此為了便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算,在工程上常常以鄰接矩陣的方式來表示有向圖中的全部信息,包括故障傳播圖結(jié)構(gòu)和故障傳播方向。
故障傳播有下向圖模型{S,R}的鄰接矩陣(Adjacency matrix)A=(aij)n×n定義如下,在一般情況下,對(duì)于含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型S={s1,s2, …,sn},則n×n的鄰接矩陣A中的元素aij規(guī)定為:當(dāng)si對(duì)sj有影響時(shí),aij為1;否則,aij為0。也就是說在結(jié)構(gòu)模型有向圖中元素si與sj相鄰(有從si到sj的箭頭),aij為1;否則,aij為0。由于它表示的是要素之間的鄰接關(guān)系,所以這個(gè)方陣叫做鄰接矩陣。如果A和B都是n階鄰接矩陣(n階方陣),則A、B的邏輯和用A∪B表示,它也是n階布爾方陣。若A∪B=C,則C的各元素與A、B各元素的關(guān)系是:cij=aij∪bij=max{aij,bij},即aij和bij中只要有一個(gè)為1,cij就為1,只有當(dāng)aij=bij=0時(shí),cij才為0。
機(jī)載診斷模型適用于航電和非航電系統(tǒng)突發(fā)性故障的在線自主診斷、以及漸發(fā)性故障的在線異常檢測(cè)。為了保證所創(chuàng)建機(jī)載診斷模型的完備性和一致性等,通常借助知識(shí)建模輔助工具進(jìn)行模型開發(fā)、模型檢查和模型修改。機(jī)載診斷模型基本開發(fā)流程如圖7所示。
4.1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
通過對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/設(shè)備的設(shè)計(jì)分析文檔、FMECA、測(cè)試性建模、故障樹分析、“四性”分析數(shù)據(jù)、維修案例、系統(tǒng)需求和數(shù)據(jù)定義等知識(shí)的梳理和分析,獲取系統(tǒng)中每個(gè)組件的以下信息:
1)組件的結(jié)構(gòu)信息描述;
2)組件的功能信息描述;
3)組件的故障模式定義;
4)組件的故障特征定義(名稱、閾值等)。
4.1.2 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型
通過對(duì)系統(tǒng)的各組件物理連接進(jìn)行分析,提取,并以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。包含系統(tǒng)中每個(gè)組件的類型、位置信息和互聯(lián)關(guān)系,以及組件的故障屬性(故障模式、故障特征等)。
4.1.3 獲取功能模型
通過對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行遍歷,結(jié)合數(shù)據(jù)庫中組件的功能描述信息及故障特征相關(guān)屬性,對(duì)每個(gè)組件的結(jié)構(gòu)信息、功能描述信息及相關(guān)屬性進(jìn)行綜合,提取出系統(tǒng)的功能模型,并以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。
4.1.4 建立故障征兆矩陣和診斷樹
通過對(duì)系統(tǒng)的功能模型進(jìn)行遍歷,結(jié)合組件的故障特征,提取出每種故障模式的故障觸發(fā)診斷邏輯,并以矩陣的形式表示故障模式和與其相關(guān)的故障特征的映射關(guān)系,再轉(zhuǎn)化為診斷樹,如圖8所示。
圖8 診斷樹示意圖
1)根節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn):表示監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào);
2)葉子節(jié)點(diǎn)(含有文字說明):表示發(fā)生故障的組件;
3)葉子節(jié)點(diǎn)(空心圓):表示關(guān)聯(lián)的故障模式;
4)葉子節(jié)點(diǎn)(含有黑色正方形):表示未檢測(cè)或未隔離故障。
4.1.5 建立故障傳播樹
通過對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行遍歷,根據(jù)系統(tǒng)組件包含的故障模式以及連接關(guān)系,梳理故障傳播路徑、建立故障傳播鄰接矩陣,并生成故障傳播樹。
4.1.6 模型集成與管理
對(duì)機(jī)載系統(tǒng)各級(jí)的診斷模型進(jìn)行集成和必要的修正及維護(hù),完善故障相關(guān)維護(hù)信息、模型存儲(chǔ)方式、故障相關(guān)聯(lián)的FDE信息,并可導(dǎo)出統(tǒng)一格式的.XML數(shù)據(jù)文件。
機(jī)載診斷模型的實(shí)現(xiàn)成需要通過圖形化輔助工具來進(jìn)行開發(fā)和集成。模型實(shí)現(xiàn)過程由數(shù)據(jù)輸入、內(nèi)部操作和數(shù)據(jù)輸出3部分共同完成,具體實(shí)現(xiàn)過程如圖9所示。
圖9 機(jī)載診斷模型的圖形化輔助開發(fā)與集成過程
機(jī)載診斷模型融合來自LRU的多個(gè)BIT信息,通過模型數(shù)據(jù)解算,盡可能地將故障隔離到單個(gè)的LRU或接口。機(jī)載診斷模型的工程化實(shí)現(xiàn)示例如圖10所示。
圖10 機(jī)載診斷模型實(shí)現(xiàn)示例
具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
1)建立I/O信息(系統(tǒng)信息,LRU類型,LRU實(shí)例,數(shù)據(jù)源);
2)建立變量信息(變量關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)源,變量基本信息定義);
3)建立異常模型信息(異常屬性信息,異常模型邏輯定義);
4)建立故障模型信息(故障屬性信息,故障轉(zhuǎn)播鄰接矩陣,故障模型邏輯定義);
5)建立FDE信息(FDE描述,F(xiàn)DE等級(jí),關(guān)聯(lián)故障列表);
6)建立健康狀態(tài)信息(健康狀態(tài)信息,觸發(fā)此健康狀態(tài)的關(guān)聯(lián)故障列表);
7)工具內(nèi)部操作(文件和數(shù)據(jù)管理,邏輯運(yùn)算和規(guī)則運(yùn)算,報(bào)告生成);
8)輸出數(shù)據(jù)庫信息(以*.XML格式存放);
9)輸出機(jī)載診斷模型數(shù)據(jù)文件;
10)輸出多種格式的文件報(bào)告,如PDF,WORD, HTML文件。
通過使用圖形化機(jī)載診斷模型開發(fā)工具,使工程應(yīng)用中機(jī)載診斷邏輯的獲取、整理、表示和求解過程規(guī)范化,模型判定規(guī)則和診斷邏輯確定性較強(qiáng),執(zhí)行效率高,適于工程應(yīng)用。該方法重點(diǎn)解決信息增強(qiáng)診斷和接口關(guān)聯(lián)診斷問題,突破了診斷策略的提取和轉(zhuǎn)換瓶頸,形成具有對(duì)內(nèi)部故障、外部接口故障、潛在故障等進(jìn)行綜合診斷和辨識(shí)的完整推理體系。
本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和具體型號(hào)技術(shù)需求的基礎(chǔ)上,對(duì)故障診斷模型開發(fā)的工程化方法進(jìn)行了深入研究。重點(diǎn)闡述了基于模型的故障診斷方法原理、推理架構(gòu)和建模流程,并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的機(jī)載診斷模型工程化開發(fā)輔助工具,為機(jī)載健康管理系統(tǒng)的診斷能力提升提供支持。但為實(shí)現(xiàn)建立統(tǒng)一、可靠、完備的工程適用化機(jī)載診斷模型庫,還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究和工程實(shí)踐工作。