基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的虛擬故障診斷的實(shí)現(xiàn)＊

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

目前，軍事通信裝備呈現(xiàn)出集成度更高和造價(jià)更加昂貴的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的裝備維修保障訓(xùn)練以實(shí)裝訓(xùn)練為主，面臨人才培訓(xùn)周期長(zhǎng)、訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)高、裝備損耗嚴(yán)重和受環(huán)境和條件的限制等問(wèn)題。虛擬故障診斷采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建裝備訓(xùn)練平臺(tái)，使受訓(xùn)人員能夠在虛擬的環(huán)境中接受裝備維修保障訓(xùn)練，有效解決了上述問(wèn)題［1］。設(shè)備故障診斷技術(shù)起源于美國(guó)，20世紀(jì)60年代末70年代初在美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家取得較大發(fā)展。我國(guó)從20世紀(jì)80年代中期開始研究設(shè)備故障診斷技術(shù)，如今已形成高校、研究所及工廠的梯隊(duì)式研究、開發(fā)和應(yīng)用模式［2］。虛擬故障診斷技術(shù)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與故障診斷技術(shù)相結(jié)合，在虛擬的環(huán)境中模擬故障診斷的整個(gè)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)故障維修訓(xùn)練的目的。當(dāng)前，電子設(shè)備故障診斷系統(tǒng)已能夠?qū)崿F(xiàn)電路板級(jí)的故障診斷，但是，元件級(jí)故障檢測(cè)極其復(fù)雜，主要依靠人工測(cè)量，憑經(jīng)驗(yàn)判決，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和效率都難以保證，給日常的裝備保障維修帶來(lái)不便［3］。本系統(tǒng)將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于元件級(jí)故障診斷，以Delphi為系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)可視化界面，構(gòu)建電路板的三維模型，運(yùn)用Multisim 仿真工具完成電路仿真和故障模擬，生成故障數(shù)據(jù)庫(kù)［4］，經(jīng)過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算得到故障診斷結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備元件級(jí)故障診斷。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子設(shè)備的虛擬故障診斷系統(tǒng)要求既能向受訓(xùn)者展示各電路板的三維模型和拆裝過(guò)程，與受訓(xùn)者進(jìn)行交互，又要根據(jù)測(cè)量的信號(hào)，進(jìn)行故障診斷，找出故障點(diǎn)，指導(dǎo)受訓(xùn)者完成故障診斷與維修。整個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，要綜合運(yùn)用虛擬仿真、電路仿真與故障模擬、故障診斷和可視化界面開發(fā)等技術(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種并行結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)，具有自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)性，能夠較好地解決電子設(shè)備元件級(jí)故障診斷的問(wèn)題［5］。考慮到Delphi強(qiáng)大的可視化界面開發(fā)能力，整個(gè)系統(tǒng)以Delphi為開發(fā)平臺(tái)［6］。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3．1 電路仿真與故障模擬

通過(guò)電路仿真進(jìn)行故障診斷可以用圖2所示框圖［7］來(lái)表示。

圖2 仿真電路故障診斷框圖

該框圖由測(cè)試信號(hào)發(fā)生器、待測(cè)電路、標(biāo)準(zhǔn)電路和比較分析器四個(gè)模塊構(gòu)成，測(cè)試信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生電路的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)電路認(rèn)為是沒有故障的正常電路，待測(cè)電路是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)置某一故障后得到的電路。測(cè)試信號(hào)同時(shí)輸入給待測(cè)電路和標(biāo)準(zhǔn)電路，通過(guò)比較測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)波形，就可以得到故障信號(hào)以及發(fā)生故障的元件。

某型通信設(shè)備的電源模塊由整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路和保護(hù)電路等構(gòu)成［8］。根據(jù)實(shí)際使用和故障診斷經(jīng)驗(yàn)，確定電路關(guān)鍵點(diǎn)，作為仿真測(cè)量的節(jié)點(diǎn)［9］。系統(tǒng)以Multisim 作為電路仿真工具，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)置特定類型故障（如三極管基極和集電極短路）得到待測(cè)電路，仿真待測(cè)電路和標(biāo)準(zhǔn)電路，得到各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的電壓，連同故障類型和故障元件編號(hào)一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以構(gòu)成該故障的所有特征信息。

3．2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

3．2．1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層（Input Layer）、隱含層（Hidden Layer）和輸出層（Output Layer）構(gòu)成，輸入層、輸出層節(jié)點(diǎn)（同神經(jīng)元）個(gè)數(shù)分別由輸入矢量、輸出矢量的維數(shù)決定。隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的確定，目前還沒有統(tǒng)一、準(zhǔn)確的方法，可以參考以下三個(gè)公式［2］：

式中n，h，m分別代表輸入層、隱含層和輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，a為1～10之間的常數(shù)。M為樣本數(shù)，當(dāng)i＞h時(shí)，

三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出矢量分別為x＝（x1，x2，…，xn）T，y＝（y1，y2，…，ym）T。自隱含層開始，從神經(jīng)元j到i的連接權(quán)值為wij（輸入層連接權(quán)值規(guī)定為1），第u層（u＝1代表隱含層，u＝2代表輸出層）的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為Nu，第u層第k個(gè)神經(jīng)元的權(quán)值向量寫為，k＝1，2，…，Nu。第u層第k個(gè)神經(jīng)元的輸出記為，狀態(tài)記為，那么

在給定輸入樣本［X，Y］后，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值將按照使式（8）目標(biāo)誤差函數(shù)的值達(dá)到最小的方向進(jìn)行調(diào)整。

式（8）中，Y為網(wǎng)絡(luò)期望的輸出，為網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出且，W是網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值矩陣。利用梯度下降最優(yōu)化算法，權(quán)值向量的修正量由式（9）確定：

其中，輸出層的由式（10）得出

對(duì)于隱含層：

上述方法就是BP 算法［2］，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)正向傳遞、誤差反向傳播的過(guò)程。對(duì)于給定的訓(xùn)練樣本，按照上述方法反復(fù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整權(quán)值，直到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出與期望輸出之間的誤差在允許的范圍內(nèi)為止。

3．2．2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Matlab實(shí)現(xiàn)

Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱nnet（Neural Network Toolbox）提供了豐富的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)函數(shù)，有圖形用戶界面函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、訓(xùn)練和仿真函數(shù)，繪圖函數(shù)以及Simulink支持。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Matlab實(shí)現(xiàn)主要用到以下三個(gè)函數(shù)：

newff（·）：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建函數(shù)；

train（·）：網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)；

sim（·）：使用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Matlab實(shí)現(xiàn)程序流程圖如圖4所示。

3．3 Matlab與Delphi的混合編程

Matlab能快速實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算、信號(hào)處理和圖形分析等功能，編程效率高。Delphi使用全新的可視化編程環(huán)境，在工程開發(fā)中可以方便高效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)采集和端口操作等功能。但是，Delphi在數(shù)值計(jì)算和圖形分析方面，其編程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Matlab。因此，Matlab 和Delphi混合編程，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，能為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供更簡(jiǎn)單高效的途徑。

目前應(yīng)用較多的是利用COM 接口實(shí)現(xiàn)Matlab與Delphi的混合編程。在較早版本的Matlab中，用戶可以利用COM tool命令啟動(dòng)COM Builder的圖形用戶界面，然后通過(guò)添加類和函數(shù)文件，再進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置就可以生成COM 組件文件。但是，新版本的Matlab 軟件已不再提供COM tool，取而代之的是Deploy Project工具［10］。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Matlab程序流程圖

系統(tǒng)以Matlab R2011a為開發(fā)工具?；旌暇幊痰倪^(guò)程可概括為：配置編譯環(huán)境、新建COM 工程、添加類和方法，最后編譯完成。

這里，類名決定了導(dǎo)入Delphi的組件的名稱，方法可以是Matlab的函數(shù)文件，其一般格式如下：

function

［y1，y2，…，yn］＝func（x1，x2，…，xn）

…

y＝f（x1，x2，…，xn）；

這里定義了一個(gè)函數(shù)func。

編譯完成后，工程文件夾下將會(huì)生成兩個(gè)文件夾distrib和src，distrib文件夾，里面存放的是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式的COM 組件File＿name＿1＿0．dll，1＿0代表版本信息。

在使用組件之前，必須對(duì)組件進(jìn)行注冊(cè)。Matlab在編譯完成之后會(huì)自動(dòng)對(duì)組件進(jìn)行注冊(cè)。在Delphi中安裝此組件，編寫以下程序［11］實(shí)現(xiàn)COM組件的調(diào)用。

上述程序中，COM＿Name是被調(diào)用組件的名稱，func是該組件的方法。

3．4 系統(tǒng)實(shí)例

電路展示（V）菜單用于展示被測(cè)電路板的模型。通過(guò)故障模擬菜單可以選擇不同類型的故障，這些故障數(shù)據(jù)事先已存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，輸入故障數(shù)據(jù)矢量，系統(tǒng)能完成故障診斷，并定位故障點(diǎn)（元件），給出故障原因，生成維修策略。可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能分析和維修策略的分析。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、電路仿真技術(shù)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Matlab實(shí)現(xiàn)以及Delphi的可視化開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了某型通信設(shè)備的虛擬故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)能夠有效解決有關(guān)故障維修人員在培訓(xùn)中遇到實(shí)際問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，具有實(shí)際價(jià)值。

［1］趙經(jīng)成，付戰(zhàn)平，鐘小平，等．虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：25-28．

［2］夏虹，劉永闊，謝春麗．設(shè)備故障診斷技術(shù)［M］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010：180-203．

［3］張琪，侯加林，閆銀發(fā)，等．基于虛擬儀器的電路板故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的研究［J］．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25（2）：135-140．

［4］常高祥，徐曉剛，王建國(guó)．虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用［J］．工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：157-162．

［5］陳斌，王高山，楊林輝．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜電子設(shè)備實(shí)時(shí)故障診斷專家系統(tǒng)［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16（5）：105-108．

［6］李淵，陳斌，楊路剛．基于EON 的通信裝備虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．通信技術(shù)，2013，46（1）：95-97．

［7］何力．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中仿真電路故障診斷的研究與實(shí)現(xiàn)［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2004．

［8］呂志軍，高俊，關(guān)建新．基于高速DSP的跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．信息安全與通信保密，2006（8）：97-99．

［9］朱大奇，于盛林，陳小平．基于故障樹分析及虛擬儀器的電子部件故障診斷系統(tǒng)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23（1）：16-19．

［10］宋廣東，劉統(tǒng)玉，王晶，等．基于COM 組件的VB 與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)處理［J］．山東科學(xué)，2010，23（1）：32-35．

［11］胡勁松，周方潔．基于COM 的Matlab與Delphi混合編程研究［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005（1）：165-166．