基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航天器在線故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴峻峰，趙 建

(1.成都信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，成都 610200；2.成都信息工程大學(xué) 電子工程實(shí)踐中心，成都 610200)

0 引言

航天環(huán)境復(fù)雜、地面試驗(yàn)有限，不可避免地會(huì)出現(xiàn)航天器運(yùn)行異?；蛳到y(tǒng)故障等問題[1]。應(yīng)用算法診斷技術(shù)和知識(shí)管理方法，對(duì)載人飛船、空間站、動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、風(fēng)云衛(wèi)星等進(jìn)行了故障診斷，并開發(fā)了原型系統(tǒng)。但是，由于這些診斷系統(tǒng)采用的只是單一智能診斷技術(shù)，導(dǎo)致其在適應(yīng)性、知識(shí)獲取和錯(cuò)誤信息處理方面性能較差[2]。以往采用時(shí)域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要用于檢測和分析導(dǎo)體絕緣故障，但是該系統(tǒng)采用的測量信號(hào)是較窄電壓脈沖，易受原始電源信號(hào)影響，只適合于對(duì)電纜故障進(jìn)行離線檢測；采用頻域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可將掃頻信號(hào)傳送給待測電纜，用傅里葉變換測量反射信號(hào)的峰值頻率，從而實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)距離的轉(zhuǎn)換。盡管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)電纜故障檢測與定位，但由于算法復(fù)雜程度較低，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，所以該方法只能用于離線檢測。基于此，設(shè)計(jì)了基于 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航天器故障在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)避免了盲法故障識(shí)別，為后續(xù)軌道交通故障檢測奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)方案確定

1.1 航天器在線故障檢測原理

航天器故障在線檢測系統(tǒng)分為硬件模塊設(shè)計(jì)與軟件算法兩部分。硬件模塊以基于FPGA控制芯片的上位機(jī)采集板核心，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將PXI機(jī)箱、FPGA控制芯片及電路板主、子適配器互聯(lián)成專屬網(wǎng)絡(luò)，用以接收處理故障定位信息；軟件部分引入多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建識(shí)別器，采用確定性邏輯推理規(guī)則得出故障條件，設(shè)定故障閾值，將故障信息傳輸至硬件模塊PCI主控芯片，完成航天器在線故障檢測。

1.2 航天器在線故障檢測總體架構(gòu)

航天器故障在線檢測需增加激勵(lì)信號(hào)，使其與測試信號(hào)相分離，使測試信號(hào)與輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)，并分析輸出信號(hào)，以確定缺陷所在模塊[3]。失效位置應(yīng)該是模塊級(jí)別或者設(shè)備級(jí)別，在待測電路板上加裝模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)及開關(guān)控制信號(hào)，以確定響應(yīng)信號(hào)是否滿足預(yù)期處理標(biāo)準(zhǔn)[4]。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在圖1中可以看到，子適配器與測電路板相連，同時(shí)連接主適配器。主適配器引導(dǎo) PXI機(jī)箱內(nèi)的板卡資源，并將其連接到通用 PC終端[5]。主機(jī)控制 PXI箱內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)[6]。在被測電路板之中引入激發(fā)信號(hào)作為電路板識(shí)別信號(hào)，完成系統(tǒng)在線故障檢測[7]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 PXI機(jī)箱

采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) PC組件為核心模塊，結(jié)合高級(jí)觸發(fā)及同步擴(kuò)展背板，使得PXI機(jī)箱能夠完成系統(tǒng)模塊化封裝結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性。通過 PC機(jī)控制 PXI測量模塊[8-9]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測量模塊的遠(yuǎn)程控制。上位機(jī)控制PXI系統(tǒng)各個(gè)模塊，通過遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)操作[10]。PXI機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PXI機(jī)箱結(jié)構(gòu)

嵌入或遠(yuǎn)程 PXI機(jī)箱插槽可容納 PXI模塊，混合外設(shè) PXI Express外圍模塊、32位Compact PCI外圍模塊以及混合兼容 PXI外圍模塊均可在 PXI機(jī)箱外設(shè)上使用。PXI外設(shè)模塊和 PXI 內(nèi)部模塊定時(shí)模塊可安裝在同一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)槽內(nèi)，利用MXI-4接口工具，無需額外編程，具有一整套驅(qū)動(dòng)接口軟件[11]。

MXI-4接口工具包括PC-PXI橋接器系統(tǒng)，包括 PCI接口卡插入 PC機(jī)、PXI接口卡插入底板、高速互連光纖，通過接口組件連接PC機(jī)。利用MXI-4接口工具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，使 PC機(jī)可以控制 PXI機(jī)箱，通過電隔離光纖連接，無需額外編程，保證MXI-4是透明的。系統(tǒng)采用200米的光纖連接或10米的銅線連接，采用MXI-4級(jí)光纖連接方式，能較好解決外界對(duì)系統(tǒng)定位識(shí)別干擾[12]。

2.2 芯片外圍結(jié)構(gòu)

FPGA的EP3C10芯片外圍結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FPGA的EP3C10芯片外圍結(jié)構(gòu)

可編程控制器外圍采用20 MHz有源晶振型號(hào)外圍時(shí)鐘，為電源提供3.3 V和1.2 V電源，供給各個(gè)端口；軟核處理器采用高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，并提供系統(tǒng)軟核程序運(yùn)行空間。當(dāng)該空間關(guān)閉時(shí)，所有內(nèi)部邏輯配置信息都會(huì)丟失，作為 Flash的EPCS4仍然能夠保存相關(guān)配置信息和程序。EPCS4在電路重新啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)提供 邏輯配置信息，讀取EPCS4配置信息，重啟配置 FPG邏輯，實(shí)現(xiàn)開機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。GPS導(dǎo)航模塊是系統(tǒng)軟核外設(shè)，使用 SD卡備份數(shù)據(jù)，下載 JTAG是 FPGA程序一個(gè)編程界面，外圍時(shí)鐘輸入是由20 MHz主動(dòng)晶體振蕩器提供的。

2.3 電路板主、子適配器

2.3.1 主適配器

主適配器的主要是將硬件資源與子適配器連接起來，使子適配器能夠自主選擇硬件資源。所以，綜合考慮多種測試板的需求，在設(shè)計(jì)主適配器時(shí)，將測量硬件資源與斷路器開關(guān)板相連接。由于所要連接的管腳相對(duì)較多，因此，繼電器使用數(shù)量應(yīng)根據(jù)管腳數(shù)量來決定。

2.3.2 子適配器

對(duì)于子適配器的設(shè)計(jì)，其主要目標(biāo)是通過連接器將待測電路面板和主適配器上的繼電器連接。在設(shè)計(jì)每一個(gè)子適配器時(shí)，需要清楚地將繼電器模塊的管腳與待測管路相連的情況指出。另外，在數(shù)字 I/O方面，可以在不通過繼電器情況下，嘗試直接與數(shù)字輸入輸出模塊連接。在設(shè)計(jì)中，有必要指出測試管腳與數(shù)字 I/O模塊通道相連接，保證每個(gè)子適配器上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)電路。

2.4 上位機(jī)采集板

設(shè)計(jì)了基于FPGA控制芯片上位機(jī)采集板，如圖4所示。

圖4 基于FPGA控制芯片上位機(jī)采集板

利用2個(gè)高速 AD轉(zhuǎn)換器差分采樣，通過 FIFO的一級(jí)緩沖技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器之中。在該系統(tǒng)中，故障發(fā)生到跳閘所需時(shí)間不超過1秒，由此選擇容量為128M的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器可以在故障排除時(shí)保存出現(xiàn)故障信號(hào)。在 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)已存滿情況下，PCI主控芯片將動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)傳送至下位機(jī)存儲(chǔ)器之中，由定位程序確定故障位置。

2.5 電子負(fù)載板設(shè)計(jì)

被測板具有一個(gè)上拉電阻引腳，在引腳與地面的阻值相等情況下，外接一個(gè)阻值與上拉阻值一致的電阻，測量該電阻的引腳電壓，控制該部分電壓值為引進(jìn)引腳電壓的一半；對(duì)于具有下拉電阻的被測板引腳來說，只需添加一個(gè)與下拉電阻值相同上拉電阻即可。由于上拉電阻與下拉電阻阻值不同，所設(shè)計(jì)的電子負(fù)載板具有多種阻值設(shè)計(jì)方案，負(fù)載板設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電子負(fù)載板繼電器控制模塊

分析圖5可知，普通 PC機(jī)與LM3S600通過串口通信。而LM3S600通過驅(qū)動(dòng)芯片控制繼電器的插入，可選擇不同繼電器配合不同阻值，使每一個(gè)繼電器的電阻模塊都是獨(dú)立的，形成可調(diào)電阻串聯(lián)模式，在此情況下，對(duì)于不同的引腳電壓可以選擇不同的電阻設(shè)計(jì)方案，完成電子負(fù)載板設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型

基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線故障檢測器設(shè)計(jì)就是在多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持下，構(gòu)造出系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，識(shí)別模型如圖6所示。

圖6 識(shí)別器結(jié)構(gòu)

多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線故障檢測器設(shè)計(jì)思路為：

1)多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入：輸入變量x(t)、狀態(tài)變量y(t)，訓(xùn)練多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其成為系統(tǒng)中非線性函數(shù)g(x(t)，y(t))。

3.2 識(shí)別規(guī)則庫構(gòu)建

依據(jù)上述內(nèi)容，識(shí)別門限值。判定要求如下所示：

在n個(gè)參數(shù)中，存在m個(gè)參數(shù)超過下限，由此形成某種故障，應(yīng)對(duì)其采取對(duì)應(yīng)處理措施。在多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持下，采用確定性邏輯推理規(guī)則，由此成立故障條件共有k種：

(1)

設(shè)參數(shù)集合為Q(a1，a2，...an)，其中每個(gè)ai都對(duì)應(yīng)一個(gè)上限或下限αi，該值為設(shè)定的閾值，只要超過這個(gè)閾值，參數(shù)即成為故障成立的一個(gè)合取(∩)條件。

在n、m值都相對(duì)較小情況下，設(shè)置Pi為規(guī)則名稱，G表示故障模式，由此構(gòu)建的知識(shí)庫如下所示：

P1:(a1≥α1)∩(a2≥α2)→G

P2:(a2≥α2)∩(a3≥α3)→G

?

Pi:(ai≥αi)∩(ai+1≥αi+1)→G

(2)

通過比較上限值，可選擇一條合適規(guī)則，完成規(guī)則庫構(gòu)建。

3.3 在線故障檢測流程

在航天器發(fā)射提升部分，管理系統(tǒng)模塊診斷中的中央處理機(jī)根據(jù)返回的數(shù)據(jù)，定位識(shí)別推進(jìn)子系統(tǒng)能否正常工作，如果出現(xiàn)異常情況，則需根據(jù)有關(guān)參數(shù)收集切換設(shè)備狀態(tài)。具體工作流程如圖7所示。

圖7 定位識(shí)別流程

從上述流程中可知，在線故障檢測應(yīng)先根據(jù)設(shè)定的閾值比較各輸入?yún)?shù)。若超出閾值，則判定參數(shù)有故障；否則正常。之后再判斷參數(shù)確定曲線是否滿足要求，如果滿足，則參數(shù)輸出為正常，否則為故障。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了方便系統(tǒng)調(diào)試，引入可視化編程模塊Matlab GUI，在短時(shí)間內(nèi)就可編寫分析界面，通過該界面可知基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航天器在線故障檢測系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果。

4.1 Matlab仿真調(diào)試

用 Matlab對(duì) Simulink進(jìn)行仿真，如圖8所示。

圖8 Matlab仿真調(diào)試結(jié)果圖

該系統(tǒng)模擬的是航天器運(yùn)行線路，該信號(hào)發(fā)生器將1 MHz的5個(gè)正弦波周期注入系統(tǒng)，注入時(shí)間為0.02 s。在0.02 s之后，濾除工頻50 Hz的正弦波用數(shù)字濾波，留下1 MHz頻率高頻波。

4.2 故障模式確定

故障模式如表1所示。

表1 故障模式

4.3 調(diào)試結(jié)果與分析

采用中心頻率為60.5 MHz的識(shí)別信號(hào)，分別采用時(shí)域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)A1、頻域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)A2和基于 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)A3對(duì)識(shí)別信號(hào)阻斷效果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

由圖9可知，采用時(shí)域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，定位識(shí)別曲線雜亂無章，無法從中提取出航天器故障正確信息。而使用頻域反射法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖然比時(shí)域反射系統(tǒng)定位識(shí)別曲線要規(guī)整，但與實(shí)際定位識(shí)別曲線相差較大。而基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定位識(shí)別曲線已基本接近實(shí)際曲線，在距離為2和6 m時(shí)達(dá)到最大幅值0.9，這表明信號(hào)阻斷效果十分優(yōu)異。

在上述對(duì)比結(jié)果下，分別將3種系統(tǒng)在不同故障模式下的檢測效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 3種系統(tǒng)檢測效果對(duì)比分析

由表2可知：基于 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與理想故障模式檢測結(jié)果一致，而其余兩種系統(tǒng)存在個(gè)別故障模式情況，但大部分都與理想故障模式不一致。因此，基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航天器在線故障檢測結(jié)果更加精準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

針對(duì)改進(jìn)目標(biāo)系統(tǒng)的故障自動(dòng)診斷問題，以航天器故障定位系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行在線故障檢測，通過相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)識(shí)別的有效性。對(duì)基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航天器在線故障檢測問題進(jìn)行了深入研究，取得了初步成果。鑒于實(shí)驗(yàn)條件限制，還需從以下方面進(jìn)行完善：

1)識(shí)別器設(shè)計(jì)時(shí)，模擬曲線將產(chǎn)生一定程度的偏差振蕩，從而影響設(shè)計(jì)效果。多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)選擇增加了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算量，因此有必要在識(shí)別器設(shè)計(jì)中尋找新的方法，以減少因突變引起振蕩，從而提高估計(jì)或診斷準(zhǔn)確性；

2)多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不確定因素和外部干擾影響識(shí)別過程中，其成功操作的前提是一個(gè)設(shè)備故障，而另一個(gè)設(shè)備正常。該部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證適用于不同設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，需要更多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算量更大，需要考慮因素更多。