CN102426671B - 一种基于综合成本最优的排故方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于综合成本最优的排故方法，综合考虑检测成本、故障概率等因素，计算排故检测顺序，将各点检测成本求和得到检测总成本；分别将各故障的故障概率和检测总成本相乘，再求和，作为对应于该故障现象在此种故障诊断方案下的综合成本；通过比较不同方案对应的综合成本，选取综合成本最小的方案为排故优选方案。本发明综合考虑了检测成本和故障概率，切合实际，适用于考虑降低大量产品排故的总成本的情况，如工厂批次性大量生产产品的日常排故，具有强大的应用前景。

Description

一种基于综合成本最优的排故方法

技术领域

本发明涉及一种基于综合成本最优的排故方法，特别是涉及机电类产品的故障诊断方法，属于电气测试技术领域，适用于军用、民用领域的电气系统排故。

背景技术

目前，国际形势愈加凸显不稳定因素。非洲、南亚等地域的战争与骚乱频频发生，各国也相继展开了各种军备竞赛以及军事演习等活动。我国也十分重视战备武器的配备，随着近几年我国军工事业的飞速发展，我海军、空军已装备了大量武器。作为我军构建一流精确打击体系的飞航导弹的地位越来越高。然而，在现在各型号导弹的研制和生产过程中经常会遇到各种故障，一旦出现故障，就需要专业技术人员赶赴现场进行分析解决。这样耗费了大量的人力、财力、物力，而且，这种解决方法对专业技术人员有很大的依赖性，所以排故成本相当之高。由于目前技术人员常要奔赴各基地进行相应的售后服务，工厂的故障维护问题不能得到及时解决。这种无奈的时间消耗大大降低了总装厂的生产制造能力。

因此，亟需一套能够为各种排故工作提供一个指导性帮助的专家级的故障诊断系统，企业车间内部的操作人员可以按照故障诊断系统流程解决大部分简单的故障问题，能够节省大量的人力物力成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种在电气系统测试时能够快捷有效的排除故障的基于综合成本最优的排故方法。

本发明的技术解决方案：一种基于综合成本最优的排故方法，通过以下步骤实现：

第一步，根据机电产品出现的故障确定故障现象，对于某一确定的故障现象，有M种故障原因即故障点b_m导致，m＝1，2，…M，故障点的每一个输入或输出为一个检测点，每个故障点至少有一个输入检测点和一个输出检测点，对于本故障现象有N′个检测点d_i，i＝1，2，…N′，根据所有故障点b_m和所有检测点d_i的逻辑关系建立故障树。

机电产品常出现的故障现象有：继电器线圈加电后单组或多组触点无输出；电压输出异常；电流输出过大或过小；两信号点之间的绝缘电阻超差；芯点之间的导通关系异常等等。

以下举例说明，故障现象由b₁～b₆6个故障点和由d₁～d₇7个检测点组成，对于故障点b₁、b₂来说，d₁为其共有的输入检测点，d₂、d₃分别为故障点b₁、b₂的输出检测点，对于故障点b₃和b₄来说，d₂为其共有的输入检测点，d₄、d₅分别为故障点b₃和故障点b₄的输出检测点，对于故障点b₅和b₆来说，d₃为其共有的输入检测点，d₆、d₇分别为故障点b₅和故障点b₆的输出检测点。根据上述逻辑关系建立如图2所示的故障树，从检测点到故障树底事件的输入的分支称为检测点后的分支，从检测点到故障树顶事件的输出的分支称为检测点前的分支。

在确定具体故障现象时，会有一些检测点的检测结果为已知(这些检测结果已知的检测点一般为故障现象的首尾检测点)，因此，在后续的寻优中舍去，只对检测结构未知的检测点进行寻优。

第二步，确定每个故障点的故障概率P_m。

本发明针对一种确定的故障现象，结合该类故障的特点，运用统计分析的方法，对各个故障点出现故障的频率进行统计汇总，再结合逻辑关系，确定故障点的概率P_m。

定义故障概率的计算公式为其中G表示历史上(选择的一段时间内统计结果，统计时间可以根据实际情况来相应调整，一般来说，统计时间越长其概率就会越准确)此种故障现象出现的总次数，g_m表示由故障点b_m导致此种故障现象的次数(g_m与G的统计时间一致)，λ_m表示对应于故障点b_m的专家经验补偿参数，此参数取决于专家的故障分析意见(专家经验值，取值范围为0～1)。

第三步，确定每个待检测点的检测成本C_i。

结合产品的逻辑结构特点，梳理各故障点的检测过程，根据产品拆装所需要的人工劳动、所耗费的材料以及检测过程所用到的检测设备及其使用次数等人力、物力成本，确定检测点的检测成本C_i。

定义检测成本的计算公式为C_i＝R_i+W_i，其中R_i表示检测点d_i完成检测所消耗的人力成本的总和，W_i表示检测点d_i完成检测所耗费的物力成本的总和。

第四步，确定寻优的基准函数其中是与第i个检测点相邻的故障点的故障概率平均值；

寻优的基准函数是指用函数表达式将变量因子与评判依据形成固定的数学逻辑关系，即该函数的函数值就是寻优的评判依据，函数表达式中包含寻优过程中需要综合参考的因素。在此，寻优基准函数须包含C_i和寻优的基准函数有许多，一般为一阶函数、二阶函数、三阶函数或四阶函数等，还可以根据实际需要任意选择。常用的寻优基准函数如一阶函数二阶函数其中是与第i个检测点相邻的故障点的故障概率平均值，相邻故障点是指以该检测点为输出或输入检测点的所有故障点。以图2所示的故障树为例，对于检测点d₂来说，其相邻故障点为b₁、b₃和b₄，因此是故障点b₁、b₃和b₄的故障概率的平均值，这样的计算方法更为科学。另外，寻优基准函数越复杂，后续的寻优函数就越复杂，可能最终得到的寻优结果越准确，但是寻优所消耗的时间和成本就越大，所以在排故时，应根据实际情况选取合适的寻优基准函数。

第五步，通过寻优，确定寻优排故顺序即故障点的寻优排序，得到寻优排序的综合成本；

A5.1、定义寻优函数

寻优函数是指在寻优基准函数的基础上，在函数表达式中加入某些变量，随着这些变量的变化可以调整各个参考因素对寻优判据的权重，从而调整寻优排序。寻优函数根据第四步确定的寻优的基准函数确定。寻优函数选取的一般原则是：对于一阶寻优基准函数，可以在每一个参考因素前增加一个系数；对于二阶寻优基准函数，可以在分别在二次幂和一次幂项前增加相应系数即可。例如假设选定寻优基准函数为一阶函数则寻优函数可选为其中a(u)，b(u)是变量系数；假设选定寻优基准函数为二阶函数则寻优函数可选为 $S\left(u\right)=f_u(C_i,\stackrel{\‾}{P_i})=a\left(u\right)\·{\left(\frac{1}{C_i}\right)}^2+b\left(u\right)\·{\left(\stackrel{\‾}{P_i}\right)}^2+c\left(u\right)\·\frac{1}{C_i}+d\left(u\right)\·\stackrel{\‾}{P_i},$ 其中a(u)，b(u)，c(u)，d(u)是变量系数。变量系数均为u的函数，函数越复杂，寻优的结果可能越准确，但是寻优所耗费的成本肯定会越高，在实际排故过程中，需综合考虑准确性和成本，选择合适的变量系数。

在寻优过程中故障现象的各个故障点的故障概率和各检测点的检测成本不变。

A5.2、令u＝1，得到初步寻优函数利用初步寻优函数计算每个检测点，按照计算结果从大到小对检测点d_i进行排序，得到检测点的初步寻优排序S₁＝{d₁₁，d₁₂，…d_1j，…，d_1N}，其中d₁₁为通过初步寻优函数得到的计算结果最大的检测点，d_1N为通过初步寻优函数得到的计算结果最小的检测点，j＝1，2，…N；

A5.3、根据初步寻优排序S₁，利用公式计算本故障现象中故障点b_m的排故成本，其中C_1mk是初步寻优排序S₁中完成故障点b_m检测所经过的各检测点的检测成本；

A5.3.1、将初步寻优排序S₁中的第一个待检测点作为首选检测点；

A5.3.2、检测首选检测点，若该检测点的检测值与设计值一致即该检测点结果正确，则将该检测点后的故障树分支去除后得到新故障树，若检测值与设计值不一致即该检测点结果错误，则将该检测点前的故障树分支去除后得到新故障树，根据更新后的故障树更新初步寻优排序S₁即去除步骤A5.3.1中初步寻优排序S₁中的无故障分支的待检测点，更新后的初步寻优排序S₁中的检测点排列顺序标准不变，仍按照从大到小的顺序排列；

A5.3.3、将更新初步寻优排序S₁中的第一个待检测点作为首选检测点，重复步骤A5.3.2，直至该故障点b_m的输出检测点和输入检测点均被检测；

A5.3.4、将步骤A5.3.1和A5.3.3中确定的故障点b_m的所有首选检测点的检测时间根据公式计算得到故障点b_m的排故成本；

A5.4、利用公式得到初步寻优排序S₁的排故综合成本，其中P_m是故障点b_m的故障概率；

A5.5、利用寻优函数计算每个待检测点，按照计算结果从大到小对检测点d_i进行排序，得到检测点的寻优排序S_u+1＝{d_(u+1)1，d_(u+1)2，…d_(u+1)j，…，d_(u+1)N}，其中d_(u+1)1为通过寻优函数得到的计算结果最大的检测点，d_(u+1)N为通过寻优函数得到的计算结果最小的检测点；

A5.6、根据寻优排序S_u+1，利用公式计算本故障现象中故障点b_m的排故成本，其中C_(u+1)mk是寻优排序S_u+1中完成故障点b_m检测所经过的各检测点的检测成本；(具体计算过程同步骤A5.3)

A5.7、利用公式得到寻优排序S_u+1的排故综合成本，其中P_m是故障点b_m的故障概率；

A5.8、令u＝u+1，重复A5.5～A5.7步骤，计算出一系列寻优排序的排故综合成本，直至u＝U，其中U为寻优总次数；

寻优总次数根据实际情况而定，一般寻优的次数越多得到结果的准确性越高，同时所花费的时间和成本也越高，实际中需在准确性和成本之间进行权衡，选择合适的寻优次数。

第六步，比较第五步中得到的一系列寻优排序对应的综合成本D_u+1，将综合成本最小的排序确定为最优排故顺序；

第七步，按照第六步确定的最优排故顺序对故障现象进行检测，确定导致本故障现象的故障点；

故障点的输出检测点错误而输入检测点正确，则该故障点即为导致本故障现象的故障点。

第八步、对第七步确定的故障点进行排故处理。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明综合考虑了检测成本和故障概率，切合实际，适用于考虑降低大量产品排故的总成本的情况，如工厂批次性大量生产产品的日常排故，具有强大的应用前景；

(2)本发明为故障诊断系统寻优提供了一个理论依据。为专家级故障诊断系统的寻优模块提供了一种理论方案，解决了故障诊断系统寻优过程中的方案评判标准问题；

(3)本发明根据各检测点的检测成本和故障概率计算排故检测顺序，检测顺序经过的各检测点检测成本求和得到检测总成本，然后将检测总成本与故障概率相乘再求和作为综合成本，通过比较不同方案对应的综合成本，选取综合成本最小的方案为排故优选方案，节省大量的人力物力成本；

(4)本发明综合性考虑故障的最优排故方法，充分考虑故障出现概率，常常可以第一时间直接找到故障所在，从长远来看，能够大大降低排故总成本。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明示例故障现象示意图；

图3为本发明具体实施方式实例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。本发明的如图1所示，具体实施方式如下：

以如图3所示的实际故障为例，在电气控制盒测试过程中，测试设备报故，故障为控制电压28V未输出。分析电缆连接图以及电气控制盒接线图得知，此控制电压的输出线路较为简单，具体线路如下：

测试设备通过插头XS8/5点供电，经过自锁继电器后，再经过一个限流电阻R1，最后通过插座XS6/2点输出至测试设备。各个元器件之间用导线焊接连接。

1、根据机电产品出现的故障确定故障现象

针对产品出现的故障，断开连接器，先分别用万用表测量XS8/5点和XS6/2点的电压是否异常。检查结果表明，XS8/5点电压为28V，而XS6/2点电压为0V。所以确定故障现象为“正常供电后XS6/2点无输出”。根据逻辑关系，建立故障树如图3所示，其中d₁～d₅为检测点，b₁～b₄为故障点。

2、确定每个故障点的故障概率

根据历史上(统计时间为2年)此种故障现象排故结果统计，利用故障概率计算公式可以得到b₁～b₄的故障概率分别为：P₁＝0.05，P₂＝0.05，P₃＝0.05，P₄＝0.85。此处，均取计算公式中的专家补偿参数λ_m＝0。

3、确定每个待检测点的检测成本

根据检测过程及工序，确定各待检测点的检测成本。在确定故障现象时，d₁和d₅的检测结果已知，不用复测；检测d₂时需要在产品盖板外测的电阻输出端使用万用表进行检测即可；检测d₃时需要打开产品盖板，再用万用表检测即可；检测d4时需要打开产品盖板后，去掉继电器管脚上的热缩套管再用万用表进行检测。根据上述各检测点的检测过程，利用检测成本计算公式，定义各检测点的检测成本为：C₂＝2元，C₃＝3元，C₄＝4元。

4、确定寻优的基准函数其中是与第i个检测点相邻的故障点的故障概率平均值；

在此，通过分析检测成本和故障概率对排故顺序的影响，选取一阶函数作为寻优基准函数。从函数表达式可以看出，检测点的检测成本越高或者检测概率越低，计算结果S值就越大，该检测点就应优先检测。

5、寻优

(1)确定寻优函数

根据寻优基准函数，同样取一阶寻优函数综合考虑寻优成本，定义变量参数a(u)＝0.5u，b(u)＝1。则寻优函数简化为

(2)令u＝1，利用寻优函数计算每个检测点，按照计算结果从大到小对检测点d_i进行排序，得到检测点的初步寻优排序；

当u＝1时，初步寻优函数为将每个待检测点对应值代入函数计算可得 所以初步寻优排序为S₁＝{d₄，d₂，d₃}。

(3)根据初步寻优排序S₁，利用公式计算本故障现象每个故障点的排故成本；

针对故障树进行分析，如果故障点为b₁，则按照排序S₁，先检测d₄，d₄的检测结果正确，将d₄后的故障树分支去除后更新排序，对于本实施例来说，排序不变，根据排序，此时d₂为首选检测点，检测到d₂即找到故障，所以故障点b₁的排故成本为D₁₁＝C₄+C₂＝4+2＝6元；以下同理，如果故障为b₂，则按照排序S₁，检测到d₃之后才能找到故障，所以故障点b₂的排故成本为D₁₂＝C₄+C₂+C₂＝4+2+3＝9元；如果故障为b₃，则按照排序S₁，检测到d₃之后才能找到故障，所以故障点b₃的排故成本为D₁₃＝C₄+C₂+C₂＝4+2+3＝9元；如果故障为b₄，则按照排序S₁，检测d₄之后即可找到故障，所以故障点b₄的排故成本为D₁₄＝C₄＝4元。

(4)用公式计算初步寻优排序S₁的排故综合成本；

D₁＝P₁·D₁₁+P₂·D₁₂+P₃·D₁₃+P₄·D₁₄＝0.05×6+0.05×9+0.05×9+0.85×4＝4.6元，即为初步寻优排序S₁的排故综合成本。

(5)寻优函数为将每个检测点的值代入函数式中可得 因此寻优排序S₂＝{d₄，d₂，d₃}，按照第(3)(4)节中的计算方法同理可得寻优排序S₂的排故综合成本为D₂＝4.6元。

(6)令u＝u+1，重复上述第(5)节中的计算方法可得到另一组寻优排序及其排故综合成本。循环计算，直至u＝U，其中U为寻优总次数，此处取寻优总次数为U＝5。

通过计算可以得到如下计算结果：

S₃＝{d₄，d₂，d₃}，D₃＝4.6元；

S₄＝{d₂，d₄，d₃}，D₄＝6.1元；

S₅＝{d₂，d₄，d₃}，D₅＝6.1元；

6、确定最优排故顺序

根据上述计算结果，将综合成本最小的排序确定为最优排故顺序。综合成本最小为4.6元，其对应的寻优排序为{d₄，d₂，d₃}，所以最优排故顺序为{d₄，d₂，d₃}。

7、按照确定的最优排故顺序对故障现象进行检测，确定导致本故障现象的故障点；

打开产品盖板，检测焊点3的电压为0V，说明继电器供电后未输出，故障确定为继电器转换异常。

8、对确定的故障点进行排故处理。

联系厂家对继电器进行失效分析，解决故障问题。

以上通过实例说明了本发明的具体实施方法，为了验证本发明方法的寻优结果是否准确，针对该实例，对排故顺序进行全列举，分别计算各种排故顺序下对应的排故综合成本。根据排故顺序，利用公式计算出每个故障点的排故成本，再用公式计算出对应于该排故顺序的排故综合成本。

分析此示例，共有3个检测点需要检测，所以其排故顺序共有6种，分别为{d₂，d₃，d₄}、{d₂，d₄，d₃}、{d₃，d₂，d₄}、{d₃，d₄，d₂}、{d₄，d₂，d₃}、{d₄，d₃，d₂}。通过上述方法，计算结果如下：

当排故顺序为{d₂，d₃，d₄}时，排故综合成本为8.45元；

当排故顺序为{d₂，d₄，d₃}时，排故综合成本为6.1元；

当排故顺序为{d₃，d₂，d₄}时，排故综合成本为9.05元；

当排故顺序为{d₃，d₄，d₂}时，排故综合成本为7.2元；

当排故顺序为{d₄，d₂，d₃}时，排故综合成本为4.6元；

当排故顺序为{d₄，d₃，d₂}时，排故综合成本为4.65元；

可以看出，排故综合成本最小为4.6元，对应的排故顺序为{d₄，d₂，d₃}。与上述的寻优结果一样，说明此寻优结果是准确的。

由此可见，利用本发明中的综合成本最优的排故方法，通过寻优函数得到最优排故顺序，排故高效快捷，大大提高了排故效率。长远来看，能够显著降低整体排故总成本。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种基于综合成本最优的排故方法，其特征在于通过以下步骤实现：

第一步，根据机电产品出现的故障确定故障现象，对于确定的故障现象，有M种故障原因即故障点b_m导致，m＝1，2，…M，故障点的每一个输入或输出为一个检测点，每个故障点至少有一个输入检测点和一个输出检测点，对于本故障现象有N′个检测点d_i，根据所有故障点b_m和所有检测点d_i的逻辑关系建立故障树；

第二步，确定每个故障点的故障概率P_m；

第三步，确定每个待检测点的检测成本C_i；

第四步，确定寻优的基准函数其中是与第i个待检测点相邻的故障点的故障概率平均值；

第五步，通过寻优，确定寻优排故顺序即故障点的寻优排序，得到寻优排序的综合成本；

A5.1、根据第四步确定的寻优的基准函数确定寻优函数 $S\left(u\right)=f_u(C_i,\stackrel{\‾}{P_i});$

A5.2、令u＝1，得到初步寻优函数利用初步寻优函数计算每个待检测点，按照计算结果从大到小对待检测点d_i进行排序，得到待检测点的初步寻优排序S₁＝{d₁₁，d₁₂，…d_1j，…，d_1N}，其中d₁₁为通过初步寻优函数得到的计算结果最大的检测点，d_1N为通过初步寻优函数得到的计算结果最小的检测点，j＝1，2，…N，N为待检测点的总数；

A5.3、根据初步寻优排序S₁，利用公式计算本故障现象中故障点b_m的排故成本，其中C_1mk是初步寻优排序S₁中完成故障点b_m检测所经过的各检测点的检测成本；

A5.3.1、将初步寻优排序S₁中的第一个待检测点作为首选检测点；

A5.3.2、检测首选检测点，若该检测点的检测值与设计值一致即该检测点结果正确，则将该检测点后的故障树分支去除后得到新故障树，若检测值与设计值不一致即该检测点结果错误，则将该检测点前的故障树分支去除后得到新故障树，根据更新后的故障树更新初步寻优排序S₁即去除步骤A5.3.1中初步寻优排序S₁中的无故障分支的待检测点；

A5.3.3、将更新后初步寻优排序S₁中的第一个待检测点作为首选检测点，重复步骤A5.3.2，直至故障点b_m的输出检测点和输入检测点均被检测；

A5.3.4、将步骤A5.3.1和A5.3.3中确定的故障点b_m的所有首选检测点的检测时间根据公式计算得到故障点b_m的排故成本；

A5.4、利用公式得到初步寻优排序S₁的排故综合成本，其中P_m是故障点b_m的故障概率；

A5.5、利用寻优函数计算每个检测点，按照计算结果从大到小对检测点d_i进行排序，得到检测点的寻优排序S_u+1＝{d_(u+1)1，d_(u+1)2，…d_(u+1)j，…，d_(u+1)N}，其中d_(u+1)1为通过寻优函数得到的计算结果最大的检测点，d_(u+1)N为通过寻优函数得到的计算结果最小的检测点；

A5.6、根据寻优排序S_u+1，利用公式计算本故障现象中故障点b_m的排故成本，其中C_(u+1)mk是寻优排序S_u+1中完成故障点b_m检测所经过的各检测点的检测成本；

A5.7、利用公式得到寻优排序S_u+1的排故综合成本；

A5.8、令u＝u+1，重复A5.5～A5.7步骤，得到一系列寻优排序的排故综合成本，直至u＝U，其中U为寻优总次数；

第六步，比较第五步中得到的一系列寻优排序对应的排故综合成本D_u+1，将排故综合成本最小的排序确定为最优排故顺序；

第七步，按照第六步确定的最优排故顺序对故障现象进行检测，确定导致本故障现象的故障点；

第八步，对第七步确定的故障点进行排故处理。