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简谈故障传播模型的飞机电源系统故障诊断研究

  0引言
  基于模型的故障诊断利用系统的内部结构与行为知识来进行诊断,具备不依赖诊断专家经验和诊断案例等优点,迅速发展成为人工智能领域一个十分活跃的研究分支。
  飞机电源系统作为机载电气设备的一个重要组成部分,它承担了向飞机上所有用电设备供电的任务。因此电源系统的故障诊断问题对整个飞机系统的安全与稳定具有重要意义。研究了基于模型的故障诊断,分析了诊断过程,并将其应用于交流电源系统故障征兆出现时的故障诊断,给出了检修策略。
  1基于模型的故障诊断原理
  基于模型诊断的基本思想是:根据系统组成部件与部件之间的连接关系建立待诊断系统的模型,如果观测到的系统实际行为与预期行为有差异,就说明系统存在故障。要进行故障定位,必须建立一个能够完全和有效的描述系统故障的模型。模型不但要能够表达系统内的部件、部件故障模式,还要能表达故障的传播特性。故障传播图模型就是其中一种有效的分析模型。
  2基于故障传播模型的故障诊断
  民用飞机系统已经安装了机内自检测装置、民用飞机状态监控系统和全权限数字电子控制等系统,在民用飞机系统维修和故障诊断过程中通过上述系统显示的故障信息来诊断故障,也就是说通过系统内部产生冲突,根据所产生的冲突来诊断系统故障。
  其诊断过程包括:征兆提取,建立故障传播模型,诊断推理和诊断评价。
  2.1征兆提取
  征兆提取包括系统报警和现场查验两部分,对这两部分要采取征兆融合,就是去除故障发生后系统中多个相关部件或征兆信息之间的冗余关系,提供全面准确的征兆信息。
  2.2建立故障传播模型
  故障传播图是一种定向图,由节点和有向边组成,节点代表部件或物理设备,有向边表示元件间的故障传播关系。故障传播图模型的节点是一个组件故障模式与征兆,不同的系统或不同工作模式下,模型均不同,因此要进行模型匹配和模式匹配,并将模型转化成邻接矩阵的形式。通过故障传播图模型,自下而上进行逐级分析,可以清楚地分析故障产生的原因和故障传播过程。
  2.3诊断推理
  将邻接矩阵用Warshall算法求解得到其可达矩阵。再根据系统可达矩阵获得故障传播路径,推断出极小冲突集。然后通过极小碰集诊断算法法求解所有极小冲突集的极小碰集,产生候选诊断。在计算最小碰集时改进了CWSE-Tree方法,使算法的复杂度大大降低。
  改进算法的基本思想为:将冲突集合簇F表示为二维数组setCluster[m][n],setCluster中每一列表示集合簇中的一个冲突集,其中每行表示一个元素,如果冲突集中存在此元素,则记为1,否则将其标记为0。coverWeight[k]记录所有元素对F的相应的覆盖权重,即coverWeight[k]=CW(F,ck),0≤k≤m。S为当前要进行计算的集合,集合的覆盖权重为CW(F,S),如果CW(F,S)<N,直接得出不为碰集,不必再计算;如果S为F的碰集,则要求S的CW(F,S)≥N,即S中元素覆盖SETCLUSTER中的每一列。如果SETCLUSTER中存在一列没有S被中元素覆盖,则S不为碰集。< p>
  2.4诊断评价
  基于故障传播图模型诊断在经过冲突识别和候选产生之后,得到的是引起故障的部件集合,往往会产生很多组可能的候选诊断,需要用概率论知识计算候选诊断出现的概率,由此作为检修顺序选择的依据,用来指导维护人员检测维修。
  2.5诊断结果
  根据上述的建模和推理过程,最后利用由概率推理方法计算得到的系统部件所处状态的后验概率做出诊断结果,此诊断结果可以为后续的测量选择提供非常有价值的参考,由此确定检测修复的优先顺序,可以迅速而准确地定位故障。
  3飞机电源系统故障诊断的实现
  某型民用飞机电源系统分为交流电源系统、直流电源系统、外电源系统和交和直流配电系统5个子系统,主要负责向飞机上的用电设备提供115/200V、400Hz三相交流电,115V、400Hz单相交流电和28V直流电。其中,交流电源系统又分为主交流电源系统,辅助交流电源系统,应急交流电源系统和外电源系统,提供115/200V、400Hz、三相交流电。发电机控制器(GCU)为电源系统的BIT装置,可以过压和欠压、过频和欠频、差动电流、过载、断相、馈电线短路、发电机故障等LRU级故障进行检查,并将相关信息输出到显示设备MFD上。
  当交流电源系统的征兆“LGCU:LGCU/AC3ESSENTIALWRGFAULT”出现时,可能出现问题的部件有:左发电机控制器交流汇流条断路器(LGCUACESSCB)、交流汇流条A相敏感线路(AC3PHESSBUSPHA)、左发电机控制器(LGCU)。据此可以建立故障征兆的故障传播图模型。
  所有极小冲突集的极小碰集为:{L1},{L2},{L3}。系统的组合有8种,除去4个部件都正常的不可能状态,共有7种可能的系统状态。所有的系统状态及其发生概率如表2所示。由式(1)计算各部件的后验概率得:P′(L1′)=0.61439,P′(L2′)=0.18904,P′(L2′)=0.18904给出排序:P′(L1′)>P′(L3′)>P′(L2′)。由此可见,当上述故障征兆出现时,根据各部件后验概率大小,确定首先应该对部件L1进行检测,然后是部件L3,最后为部件L2。
  将上述诊断方法应用于全机系统,生成整机诊断维修方案,将为维护人员检修维护提供科学的参考,避免了维护人员因经验不足而造成的误操作和误诊断,由此可以提高故障定位的快速性和准确性,达到缩短维修时间,降低维修成本的目的。
  4结束语
  对基于故障传播模型的故障诊断进行了研究,利用改进的CWSE-Tree算法产生候选诊断,采用基于贝叶斯理论的方法计算得到系统部件所处状态的后验概率,由此作为检修决策的依据,最后针对交流电源系统某一故障征兆进行了诊断分析。根据所研究的诊断方法提供的检修顺序可以快速而准确的定位故障,既可以用于指导检测维修,也可以对维护手册的制定和修改提供参考。