航空繼電器故障適應(yīng)性診斷系統(tǒng)

王建軍，顧占波

（空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引言

目前，在飛機(jī)上有數(shù)以百計的繼電器，它們多以繼電器盒的形式安裝在飛機(jī)上，而用于檢測和修理航空繼電器故障的費(fèi)用特別高[1]，本文將介紹一種專家系統(tǒng)，它可以把發(fā)現(xiàn)和修理故障的費(fèi)用減少到大約50%。

發(fā)現(xiàn)和修理故障費(fèi)用包括下列四項內(nèi)容，其中前三項都可用該專家系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[2～4]：①不準(zhǔn)確性費(fèi)用：故障模式診斷不正確和進(jìn)行不必要的修理所消耗的費(fèi)用；②無效率費(fèi)用：進(jìn)行不必要或多余的檢測所消耗的費(fèi)用；③重復(fù)性費(fèi)用：診斷專家沒有能力找出故障而重復(fù)一個錯誤的決策所消耗的費(fèi)用；④統(tǒng)計最小化費(fèi)用：做出全部正確的決策后才去修理設(shè)備所消耗的費(fèi)用。

1 適應(yīng)性診斷系統(tǒng)

1.1 定義

專家系統(tǒng)是利用程序指定發(fā)生故障的部件，而不是給出排除故障的步驟[5]。本文所述的專家系統(tǒng)——適應(yīng)性故障診斷系統(tǒng)（ADS）所陳述的問題包括故障模式、征兆模式和相關(guān)費(fèi)用。該系統(tǒng)所解決的問題是優(yōu)化要修理繼電器盒的檢測和替換順序，使成本費(fèi)達(dá)到最小。

用來解決這個問題的機(jī)構(gòu)稱之為適應(yīng)性模式匹配。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。問題的陳述以訓(xùn)練序列的形式輸入到學(xué)習(xí)算法LA（Learning Algorithm），LA 把訓(xùn)練序列信息壓縮到判別式矩陣D 中，由D 輸出結(jié)果。解壓縮算法利用D 矩陣計算由每一種故障模式產(chǎn)生的故障征兆次數(shù)，這些故障征兆和測試單元UUT（Unit under Test）內(nèi)的征兆相似。如果兩個以上故障模式產(chǎn)生的故障征兆和所觀察到的相似，與每一種故障模式相關(guān)的輸出數(shù)值為非零。系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，由此確定每一種故障模式的相對概率。

ADS 利用分析的結(jié)果確定修理繼電器盒的最劃算方法。在診斷過程中的任何時刻，系統(tǒng)都可以指導(dǎo)技術(shù)人員測試或替換繼電器盒。它提供不同選擇的費(fèi)用對比，給出指導(dǎo)性的決策。這些決策加上技術(shù)人員可能得到的其它信息（即缺少的繼電器盒），使他們拿出最合適的解決辦法。

通過準(zhǔn)確預(yù)測合適的替換件，ADS 使不準(zhǔn)確性費(fèi)用達(dá)到最低。借助其隔離故障原因的能力，在諸多可以進(jìn)行的測試中選擇出下一步應(yīng)進(jìn)行的測試，可使無效率費(fèi)用最小。通過監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測準(zhǔn)確性，并由此修改系統(tǒng)的統(tǒng)計信息，可使重復(fù)性費(fèi)用最小。

圖1 適應(yīng)性模式匹配

1.2 相關(guān)術(shù)語

NF：故障模式數(shù)；NT：測試次數(shù)；Dij：NF×NT 維判別式矩陣。矩陣中的第i 行第j 列元素表示：故障模式中的第i 個繼電器盒在第j 次測試失敗次數(shù)；Sj：NT維故障征兆陣列。陣列中的元素表示第j 次測試通過或失敗的結(jié)果（1=失敗，0=通過，-1=不知道）；TFi：NF 維全部故障陣列。陣列中的元素表示第i 個故障模式出現(xiàn)的總次數(shù)；Pi：第i 個故障模式是所觀察到的故障征兆的原因的概率：

1.3 故障原因的預(yù)測

一個故障模式所表現(xiàn)出的征兆和陣列Sj中已觀察到的征兆的相似次數(shù)計算公式：

由于S 和D 之間的元素數(shù)有所不同，這個公式可降低總的故障索引，得出了故障次數(shù)N。每一種故障模式的概率是：

1.4 修理費(fèi)用

只依靠概率還不能做出最佳替換的決定，需要把備用的替換件考慮進(jìn)去，按下列公式得出修理費(fèi)用CR：

上述公式中的CostX 表示每一種備用替換件的成本。修理費(fèi)用CR 的下標(biāo)表示選擇哪一種故障模式首先進(jìn)行修理。在無法確定的情況下，這一組公式模擬高費(fèi)用修理過程。如果首先做出替換的是1 號繼電器盒，計算修理費(fèi)用時，P1=100%。此時就存在一個概率為1-P1，這種替換將不對繼電器盒進(jìn)行修理。在這種情況下，對第二次替換（2 號繼電器盒）就會產(chǎn)生一個額外的費(fèi)用。接下來還存在一個概率為1-P1-P2，這種替換將是錯誤的，還需要做另外一些替換。計算修理費(fèi)用時，就要用到這些項的加權(quán)和。

找出最佳替換順序的目的就是將修理費(fèi)用降到最低。如果我們只對下一步替換做出選擇，而不是按照整個順序來進(jìn)行，就會簡化這一工作過程。

通過下列步驟可選擇出下一步要進(jìn)行的替換：引入故障概率為PX=1 的假定故障模式X，使修理故障X 的費(fèi)用和N 個實際故障中的一個故障修理費(fèi)用相等，即：

在式（3）這一組公式中，因只有前兩項不同，所以式（4）可以變?yōu)椋?/p>

另外，由于式（3）中的第3 個公式中第二項等于零,于是:

因此，由公式（4）可得：

因為故障X 的引入對費(fèi)用公式作了變形處理，所以式（8）只是近似公式。這樣做的結(jié)果與實際情況有很大的出入。為了解決這個問題，必要時可在Pi 項加入一個校正因子。

式（8）給出了一個簡單的方法，通過預(yù)測每種修理選擇所需要的費(fèi)用，系統(tǒng)使不準(zhǔn)確性費(fèi)用達(dá)到最低。這是系統(tǒng)提供給測試人員主要方法之一。如果修理費(fèi)用仍然太高，很可能需要附加測試，進(jìn)一步隔離故障原因。

1.5 測試順序

在診斷過程中，當(dāng)測試運(yùn)行到某個位置而對修理費(fèi)用影響最大，此位置便是最佳測試。測試有兩種結(jié)果：通過或失敗，對應(yīng)的概率分別為：

此處：NSPi' 故障模式i 測試通過（Testj=通過）時，給出和陣列S 相似的故障征兆總次數(shù)；NSFi' 故障模式i測試失?。═estj=通過）時，給出和陣列S 相似的故障征兆總次數(shù)。

修理費(fèi)用測試結(jié)果計算如下：

此處：CRR（Testj=通過）表示測試通過時計算出的修理費(fèi)用，CR（Testj=失敗）表示測試失敗時計算出的修理費(fèi)用。唯一剩下的問題是最佳測試是否值得實施，可用下式算出：

公式表示第j 次測試的費(fèi)用。如果Vj＞j（實施測試的費(fèi)用），這樣的測試值得投資。

2 實際應(yīng)用中需要考慮的問題

本文所研究的專家系統(tǒng)實現(xiàn)了對航空繼電器的評估，并由此給技術(shù)人員提供合理化建議。其效用更多還在于減少發(fā)現(xiàn)和排除航空繼電器故障的費(fèi)用。它必將以較小的代價應(yīng)用到新的程序中去，并且為用戶所接受。

2.1 知識庫的開發(fā)

最初給系統(tǒng)輸入的是用于訓(xùn)練的故障模式關(guān)系，在測試程序?qū)懭氲耐瑫r，就完成這些輸入。故障模式關(guān)系可采用下列兩種形式中的一種：

X 表示在故障模式對應(yīng)的測試期望結(jié)果。X=1，測試失?。籜=0，測試通過。考慮到也可能無法確定，所以X 也可以是分?jǐn)?shù)。

其它資料還需要的有：每次修理和測試的費(fèi)用，以及對TF 陣列的初始評估。故障平均時間估值乘以1 至5年的故障時間周期（取決于用戶在先驗統(tǒng)計中的信心）將使TF 陣列有一個良好的開始。

2.2 人為因素

對于像這樣一個系統(tǒng)，要使其有使用價值，必須在一個較短的周期內(nèi)給使用者帶來明顯的利潤，估計費(fèi)用必須快速準(zhǔn)確，容易理解，操作簡單。這就要求適應(yīng)性診斷系統(tǒng)和測試裝置之間有一個綜合接口。我們已經(jīng)在該系統(tǒng)中插入了測試裝置控制軟件，自動化程度提高，最低限度地降低了用戶的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)束語

本文所描述的系統(tǒng)能為故障診斷技術(shù)人員提供有價值的建議。該系統(tǒng)所使用的方法非常準(zhǔn)確，這與其計算和邏輯簡單化不無關(guān)系。系統(tǒng)無論是精確度，還是速度都能滿足要求，本系統(tǒng)將對提高發(fā)現(xiàn)和修理航空繼電器故障的效率和質(zhì)量起到重要的作用。

[1]宮錫芳.最優(yōu)化控制問題的計算方法[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

[2]岳朝生. 某型飛機(jī)火控計算機(jī)等可靠性鑒定試驗及分析[J].航空精密制造技術(shù)，2001，3.

[3]張光澄.最優(yōu)控制計算法[M].成都:成都科技大學(xué)出版社，1991.

[4]馮國楠.最優(yōu)控制理論與應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[5]吳信東，鄒燕.專家系統(tǒng)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1988.