航空繼電器故障適應性診斷系統

王建軍，顧占波

（空軍第一航空學院，河南 信陽 464000）

0 引言

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

發現和修理故障費用包括下列四項內容，其中前三項都可用該專家系統進行優化[2～4]：①不準確性費用：故障模式診斷不正確和進行不必要的修理所消耗的費用；②無效率費用：進行不必要或多余的檢測所消耗的費用；③重復性費用：診斷專家沒有能力找出故障而重復一個錯誤的決策所消耗的費用；④統計最小化費用：做出全部正確的決策后才去修理設備所消耗的費用。

1 適應性診斷系統

1.1 定義

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

用來解決這個問題的機構稱之為適應性模式匹配。系統的結構見圖1。問題的陳述以訓練序列的形式輸入到學習算法LA（Learning Algorithm），LA 把訓練序列信息壓縮到判別式矩陣D 中，由D 輸出結果。解壓縮算法利用D 矩陣計算由每一種故障模式產生的故障征兆次數，這些故障征兆和測試單元UUT（Unit under Test）內的征兆相似。如果兩個以上故障模式產生的故障征兆和所觀察到的相似，與每一種故障模式相關的輸出數值為非零。系統對這些數據進一步處理，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，系統都可以指導技術人員測試或替換繼電器盒。它提供不同選擇的費用對比，給出指導性的決策。這些決策加上技術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。

通過準確預測合適的替換件，ADS 使不準確性費用達到最低。借助其隔離故障原因的能力，在諸多可以進行的測試中選擇出下一步應進行的測試，可使無效率費用最小。通過監控系統預測準確性，并由此修改系統的統計信息，可使重復性費用最小。

圖1 適應性模式匹配

1.2 相關術語

NF：故障模式數；NT：測試次數；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；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 個故障模式出現的總次數；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 故障原因的預測

一個故障模式所表現出的征兆和陣列Sj中已觀察到的征兆的相似次數計算公式：

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

1.4 修理費用

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去，按下列公式得出修理費用CR：

上述公式中的CostX 表示每一種備用替換件的成本。修理費用CR 的下標表示選擇哪一種故障模式首先進行修理。在無法確定的情況下，這一組公式模擬高費用修理過程。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行修理。在這種情況下，對第二次替換（2 號繼電器盒）就會產生一個額外的費用。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。計算修理費用時，就要用到這些項的加權和。

找出最佳替換順序的目的就是將修理費用降到最低。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 的費用和N 個實際故障中的一個故障修理費用相等，即：

在式（3）這一組公式中，因只有前兩項不同，所以式（4）可以變為：

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 的引入對費用公式作了變形處理，所以式（8）只是近似公式。這樣做的結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，通過預測每種修理選擇所需要的費用，系統使不準確性費用達到最低。這是系統提供給測試人員主要方法之一。如果修理費用仍然太高，很可能需要附加測試，進一步隔離故障原因。

1.5 測試順序

在診斷過程中，當測試運行到某個位置而對修理費用影響最大，此位置便是最佳測試。測試有兩種結果：通過或失敗，對應的概率分別為：

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；NSFi' 故障模式i測試失敗（Testj=通過）時，給出和陣列S 相似的故障征兆總次數。

修理費用測試結果計算如下：

此處：CRR（Testj=通過）表示測試通過時計算出的修理費用，CR（Testj=失敗）表示測試失敗時計算出的修理費用。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 次測試的費用。如果Vj＞j（實施測試的費用），這樣的測試值得投資。

2 實際應用中需要考慮的問題

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

2.1 知識庫的開發

最初給系統輸入的是用于訓練的故障模式關系，在測試程序寫入的同時，就完成這些輸入。故障模式關系可采用下列兩種形式中的一種：

X 表示在故障模式對應的測試期望結果。X=1，測試失敗；X=0，測試通過。考慮到也可能無法確定，所以X 也可以是分數。

其它資料還需要的有：每次修理和測試的費用，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，要使其有使用價值，必須在一個較短的周期內給使用者帶來明顯的利潤，估計費用必須快速準確，容易理解，操作簡單。這就要求適應性診斷系統和測試裝置之間有一個綜合接口。我們已經在該系統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擔。

3 結束語

本文所描述的系統能為故障診斷技術人員提供有價值的建議。該系統所使用的方法非常準確，這與其計算和邏輯簡單化不無關系。系統無論是精確度，還是速度都能滿足要求，本系統將對提高發現和修理航空繼電器故障的效率和質量起到重要的作用。

[1]宮錫芳.最優化控制問題的計算方法[M].北京：科學出版社，1979.

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

[3]張光澄.最優控制計算法[M].成都:成都科技大學出版社，1991.

[4]馮國楠.最優控制理論與應用[M].北京：北京工業大學出版社，1991.

[5]吳信東，鄒燕.專家系統技術[M].北京:電子工業出版社，1988.