CN103336198A - 一种电气系统故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气系统故障诊断装置，包括PC机、接口适配器、通用测试资源模块、故障诊断模块和诊断知识库模块，所述PC机控制通用测试资源模块经接口适配器测试待诊断电气系统得到测试数据，所述故障诊断模块接收测试数据并对测试数据进行预处理，所述诊断知识库模块接收并对预处理后的测试数据进行诊断处理得到诊断结果。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、操作方便、通用性好、准确率高、可针对不同用户进行配置、工程应用价值大等优点。

Description

一种电气系统故障诊断装置

技术领域

本发明涉及电气系统故障诊断技术领域，特别涉及一种基于逻辑物理综合模型的电气系统故障诊断装置。

背景技术

随着电气系统智能化程度的不断提高，对维护保障人员的专家知识水平要求越来越高，目前大部分维护保障工作都离不开领域专家的现场技术指导和协作攻关；各种地面测试手段不断完善，测试信息越来越丰富，但其综合分析手段仍然十分有限。在电气系统的故障诊断方面，常用方法是基于信号互连结构故障诊断，该方法实质是一种基于信号网络连接传播的诊断方法。Koscielny等人对这种类型的图论模型开展过基于诊断矩阵、诊断图、诊断代数相结合的方法研究；吴灿、唐小峰等人在前人工作的基础上，针对电气系统互连结构模型进行系统级和组件级诊断方法的应用研究，形成了一套行之有效的方法。

但对于上述基于信号互连结构的电气系统诊断方法来说，目前存在一定的问题：

(1)没有从逻辑和物理层全面描述电气系统的信号及其传播信息，综合分析方法有限。

(2)建立的模型与实际设计电路存在信息较大差距，容易带来模型的失真。

另一方面，早在上世纪90年代，国外航空航天企业如波音、空客等，已经开始全面采用诸如Mentor Graphic公司产品的专业电气系统设计软件和工具，极大提高了研发效率。目前许多电气系统设计软件将原理设计、接线设计、线束设计、制造、分析等模块集成在一起，基于数据库开展设计，对全设计流程实施统一的数据管理，并具备系统级仿真分析、功能验证和FMEA分析功能，构成了电气系统设计、分析的完整解决方案。

由于电气设计模块可以导出完整的系统组成结构信息、组件或部件甚至器件信息以及电气连接关系信息。因此，从电气设计模块中提取诊断对象的组成结构、产品互连信息、信号网表信息，进行基于信号互连结构的故障诊断技术的改进意义重大。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作方便、通用性好、准确率高、可针对不同用户进行配置、工程应用价值大的电气系统故障诊断装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种电气系统故障诊断装置，包括PC机、接口适配器、通用测试资源模块、故障诊断模块和诊断知识库模块，所述PC机控制通用测试资源模块经接口适配器测试待诊断电气系统得到测试数据，所述故障诊断模块接收测试数据并对测试数据进行预处理，所述诊断知识库模块接收并对预处理后的测试数据进行诊断处理得到诊断结果。

作为本发明的进一步改进：

本发明还包括故障知识库管理模块和电气系统设计模块，所述故障知识库管理模块读入由电气系统设计模块生成的系统组件间的连接信息文件并对连接信息文件进行预处理，经过用户的交互操作，建立待诊断电气系统的LPS模型，生成LPS诊断知识库模块，所述连接信息包括导线表文件和/或网表文件。

所述待诊断电气系统的LPS模型包括系统层、信号逻辑层、产品连接层以及健康层。

所述故障诊断模块包括测试软件模块、测试数据、诊断知识库模块引擎、异常信号队列处理模块、正常信号队列处理模块、信号异常检测处理模块、信号类型识别模块、诊断处理和诊断结果模块；所述测试软件模块调用通用测试资源模块，得到测试数据，并利用LPS诊断知识库模块中的信号层和健康层进行测试数据预处理，进入信号异常检测；检测后得到异常信号队列和正常信号队列，对异常信号队列的信号进行信号类型识别，然后通过LPS诊断知识库模块的系统层、产品连接层和信号逻辑层对识别后的信号进行匹配、搜索，完成诊断处理得到诊断结果。

所述信号类型识别包括对单端信号、差分信号和总线信号三种信号类型进行识别和处理。

所述测试数据包含待诊断电气系统的实时测试数据和历史测试数据。

所述通用测试资源模块包括A/D模块、DMM万用表模块、开关模块、D/A模块、数字通讯模块、电源模块以及总线。

所述诊断知识库模块包括物理连接知识库、关联关系知识库和总线知识库。

所述PC机通过总线连接通用测试资源模块，所述PC机通过接口适配器和测试电缆连接待诊断电气系统，根据不同的待诊断电气系统更换不同的接口适配器和测试电缆，所述总线包括VXI、GPIB、PCI、PXI总线中任意一种或几种的组合。

所述故障诊断模块和诊断知识库模块运行在同一台PC机中，所述的故障诊断模块和故障知识库管理模块运行在同一台PC机中或运行在不同的PC机中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用LPS模型从逻辑和物理层面全面描述待诊断电气系统信号及其传播信息。因此，LPS模型包含了完备全面的信息，更接近待诊断电气系统中实际的逻辑物理关系，适用于故障检测的工程应用，能够将系统故障定位到指定产品级别上。

2、本发明根据电气系统设计模块平台产生的导线表文件和网表文件，建立LPS模型的系统层，使得LPS模型结构与待诊断电气系统实际设计电路的结构一致性高，有效提高了诊断的准确率。

3、本发明采用故障诊断模块和故障知识库管理模块在PC机的不同配置，可针对不同用户进行配置。

4、本发明采用“通用测试资源模块+接口适配器”的方式，方便支持不同的诊断对象。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的LPS模型结构示意图。

图3为本发明的LPS建模流程示意图。

图4为本发明的故障诊断流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

图1至图4示出了本发明的具体实施例，一种电气系统故障诊断装置，包括PC机、接口适配器、通用测试资源模块、故障诊断模块和诊断知识库模块，PC机控制通用测试资源模块，经接口适配器测试待诊断电气系统，得到测试数据，故障诊断模块对测试数据进行预处理，然后通过诊断知识库模块对测试数据进行诊断处理，得到诊断结果。

本实施例中，本发明进一步还包括故障知识库管理模块和电气系统设计模块，故障知识库管理模块通过读入由电气系统设计模块生成的系统组件间的连接信息文件，进行连接信息文件预处理，经过用户的交互操作，建立待诊断电气系统的LPS模型，生成诊断知识库模块。

由电气系统设计模块生成的系统组件间的连接信息文件包括导线表文件和/或网表文件。其中，导线表文件和网表文件由电气系统设计模块产生，网表文件包含待诊断电气系统中的各种逻辑连接线，逻辑连接线是待诊断电气系统中具有相同网络标号的连接线，这些连接线是等电位点。导线表文件包含待诊断电气系统中所有的物理连接线，物理连接线是待诊断电气系统中产品之间的实际连线。

本实施例中，用户的交互操作包括信号关联定义和故障模式定义操作。信号关联定义是指针对传输信号的逻辑连接线进行关联定义，包括所传输信号的信号标示码，信号端/公共端或信号正端/信号负端属性，公共端标示码，信号源产品标示码，信号目的产品标示码列表等。故障模式定义是指定义信号的健康知识，产品的故障模式集与信号集之间的二元关系。

故障诊断模块包括测试软件模块、测试数据、诊断知识库模块引擎、异常信号队列处理模块、正常信号队列处理模块、信号异常检测模块、信号类型识别模块、诊断处理和诊断结果模块，其工作过程是：测试软件模块调用通用测试资源模块，得到测试数据，利用诊断知识库模块进行测试数据预处理，进入信号异常检测，检测后得到异常信号队列和正常信号队列，对异常信号队列的信号进行信号类型识别，然后通过诊断知识库模块对识别后的信号进行匹配、搜索，完成诊断处理，得到诊断结果。

故障诊断模块中的诊断知识库模块引擎根据异常信号和异常信号类型在故障知识库中进行检索，完成故障定位，给出诊断结果。

本实施例中，信号类型识别主要包括对单端信号、差分信号和总线信号三种信号类型进行识别。

本实施例中，测试数据包含待诊断电气系统的实时测试数据和历史测试数据。

LPS模型(逻辑物理综合logical physical synthetically)主要包括系统层、信号逻辑层、产品连接层以及健康层。该模型是一个将抽象信号和具体物理连线统一起来的综合模型。LPS模型既从逻辑层面定义产品信号关联关系和故障关联关系；又从物理层面建立信号和产品连接点的实际物理连接关系。产品泛指任何元器件、零部件、组件、设备或分系统，还可指硬件、软件或两者的结合。

LPS模型的系统层是根据系统组件间的连接信息得到的，系统组件间的连接信息文件包括导线表文件和网表文件，系统层中包括：产品集合

物理连接线集合逻辑连接线集合

和产品连接点集合

信号实际上是从逻辑连接线上传输的物理参数。信号和逻辑连接线之间有三种对应关系：

(1)单端信号：该类信号为共模信号，其值是相对于某个公共参考点(如信号地)而言的。

(2)差分信号：该信号和两根逻辑连接线相对应，一根对应信号正端，另一根对应信号负端，正负信号端共同确定了该信号的值。

(3)总线信号：该类信号是通过并行总线或串行总线所传输的数字量信号。

本实施例中，通用测试资源模块包括A/D模块、DMM万用表模块、开关模块、D/A模块、数字通讯模块、电源模块以及多条总线。这些资源可满足不同诊断对象、不同类型信号、不同检测量的测试需求，实现本发明装置的通用化。

本实施例中，诊断知识库模块包括物理连接知识库、关联关系知识库和总线知识库。

本实施例中，PC机通过VXI、GPIB、PCI等总线连接通用测试资源模块，PC机通过接口适配器和测试电缆连接待诊断电气系统，根据不同的待诊断电气系统更换不同的接口适配器和测试电缆，总线包括VXI、GPIB、PCI总线。接口适配器是一种可更换的，用于通用测试资源模块与待诊断电气系统之间的测试接口电路的组件，根据不同待诊断电气系统更换相应的接口适配器，实现本发明装置的通用化。

本实施例中的故障诊断模块和诊断知识库模块运行在同一台PC机中，故障诊断模块和故障知识库管理模块运行在同一台PC机中，在其它实施例中，故障诊断模块和故障知识库管理模块也可以运行在不同的PC机中，可针对不同用户进行配置。

本发明的电气系统故障诊断过程为：建立电气系统LPS模型，生成诊断知识库模块，信号测量和诊断处理。

1、电气系统LPS模型的建立

参阅图1、图2和图3，利用故障知识库管理模块建立待诊断电气系统的LPS模型，首先需要获取待诊断电气系统的导线表文件或/和网表文件，而这两个文件是通过专业电气系统设计软件(例如Protel、Mentor等)中绘画的待诊断电气系统的电路原理图中导出。导线表文件和网表文件包含产品集合

物理连接线集合

逻辑连接线集合

以及产品连接点集合故障测试诊断软件的LPS建模平台根据上述四个集合，形成与待诊断电气系统的结构层次、互联关系一致的初步模型，得到待诊断电气系统LPS模型中的系统层及产品连接层。

用户对初步模型根据实际电路进行信号关联定义，即定义每一根逻辑连接线、物理连接线、产品连接点所代表或传输的信号，分别得到信号集合

逻辑连接线与信号的二元关系、物理连接线与信号的二元关系和产品连接点与信号的二元关系，进一步得到输出信号与输入信号的二元关系。

然后为每个产品及每个信号添加故障模式，即进行故障模式定义，得到产品与故障的二元关系和信号与故障的二元关系，从而形成待诊断电气系统LPS模型中的信号逻辑层和健康层，由此得到完整的待诊断电气系统的LPS模型。

信号关联定义得到的每路信号S_i，按照如下内容组织信号详细信息的存储：

S_i＝<标示码，名称，方向，信号类型，总线标识，健康评估规则，......，>

其中，标示码是信号的唯一数字代号，可以根据一定规则进行编码；名称为信号具有一定物理含义的名字；方向表示对产品而言该信号的流向，有输入和输出两种状态；信号类型一般按模拟量、开关量、状态量、数字量、电源和交互类进行分类，以便诊断时使用；总线标识指系统分配给每一类总线数字代号，缺省时为0，表示当前信号为非总线信号。如：用1表示1553总线，2表示网络总线，3表示第一路RS232总线，4表示第二路RS232总线等；健康评估规则是信号层健康评估知识库的正异检测规则标识码。

其中，产品集合

是网表文件中所有产品标识码所组成的集合，即：

$\stackrel{\&RightArrow;}{P}=\left\{P_i\right|i=\mathrm{1,2},...,e\}$

逻辑连接线集合是网表文件中所有网络标示码所组成的集合，即：

$\stackrel{\&RightArrow;}{N}=\left\{N_i\right|i=\mathrm{1,2},...,f\}$

而每根网络标示码是由各个产品等电位的连接点所组成的，即：

$N_i={\{<P_k,L_j>|\left.\begin{array}{c}{P}_k\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{P}^L_j\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{L}\\ ^(P_k:L_j)R{N}_i\end{array}\right\}}_{k=1,...e;j=1,...c}$

其中，(P_k:L_j)RN_i表示第K个产品的第j个连接点是网络标示码N_i所在连接线的一个节点。

于是，系统层的逻辑连接关系就是以产品及其连接点<P_k，L_j>作为顶点，以逻辑连接线N_i作为连接各顶点的边所组成的有向图模型。

物理连接线集合

是导线表文件中所有导线标示码所组成的集合，即：

$\stackrel{\&RightArrow;}{W}=\left\{W_i\right|i=\mathrm{1,2},...,g\}$

而每根导线标示码是由各个产品之间、各个产品和转接端子之间的所有连接导线所组成。因此，此处应将产品涵义进行拓展，应将所有转接端子也视为产品。

$W_i={\{<P_l:L_m,P_n:L_k>|\left.\begin{array}{c}{P}_{l,n}\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{P}^L_{m,k}\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{L}\\ ^(P_l:L_m,P_n;L_k)R{W}_i\end{array}\right\}}_{\begin{array}{c}l,n=1,...e;\\ m,k=1,...c\end{array}}$

注意：上述导线的P_l:L_m为信号的源接点，而P_n:L_k为信号的目的接点。

于是，系统层的物理连接关系就是以产品及其连接点<P_l，L_m>作为顶点，以物理连接线W_i作为连接各顶点的边所组成的有向图模型。

输出信号集为 $\stackrel{\&RightArrow;}{O}=\left\{O_i\right|i=\mathrm{1,2},...,a\};$

输入信号集为 $\stackrel{\&RightArrow;}{I}=\left\{I_i\right|i=\mathrm{1,2},...,b\};$

信号集合

是由输入信号集合和输出信号集合所组成，即：

$\stackrel{\&RightArrow;}{S}=\stackrel{\&RightArrow;}{O}\&cup;\stackrel{\&RightArrow;}{I}$

$=\{O_i{|}_{i=1,2,...,a};I_i{|}_{i=\mathrm{1,2},...,b}\}$

$={\{S}_i|i=\mathrm{1,2},...,a+b\}$

产品与信号二元关系集：

${\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{PS}}=\stackrel{\&RightArrow;}{P}\&times;\stackrel{\&RightArrow;}{S}$

$={\{<P_i,S_k>|P_i\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{P}^S_k\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{S}^P_{i}R{S}_k\}}_{\begin{array}{c}i=1,...e;\\ k=1,...,a+b\end{array}}$

其中，P_iRS_k为健康模式P_i与信号S_k之间存在二元关系，即表示P_i与S_k有关。

产品连接点集与产品信号集之间的二元关系集合：

${\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{LS}}=\stackrel{\&RightArrow;}{L}\&times;\stackrel{\&RightArrow;}{S}$

$={\{<L_k,S_i>|L_k\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{L}^S_i\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{S}^L_{k}R{S}_i\}}_{\begin{array}{c}k=1,...c;\\ i=1,...,a+b\end{array}}$

其中，L_kRS_i为物理连接点L_k与信号S_i之间存在二元关系，即表示L_k与S_i有关。

输入输出信号二元关系集合：

${\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{OI}}=\stackrel{\&RightArrow;}{O}\&times;\stackrel{\&RightArrow;}{I}$

$={\{<O_k,I_i>|O_k\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{o}^I_i\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{I}^o_{k}R{I}_i\}\begin{array}{c}\\ \end{array}}_{\begin{array}{c}k=1,...a;\\ i=1,...b\end{array}}$

其中，O_kRI_i为输出信号O_k与输入信号I_i的关系，表示O_k受I_i影响。

故障模式集

和信号集

之间的二元关系集合：

${\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{HS}}=\stackrel{\&RightArrow;}{H}\&times;\stackrel{\&RightArrow;}{S}$

$={\{<H_k,S_i>|H_k\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{H}^S_i\&Element;\stackrel{\&RightArrow;}{S}^H_{k}R{S}_i\}}_{\begin{array}{c}k=1,...d;\\ i=1,...,a+b\end{array}}$

2、诊断知识库模块的生成

图1中，利用故障知识库管理模块进行二元关系集合的组合运算，得到系统的故障模式

与信号之间的系统关系矩阵

此时，LPS模型中的系统关系矩阵

信号集合

物理连接线集合

逻辑连接线集合

共同组成了诊断知识库模块。其中，诊断知识库模块包含系统的物理连接关系的信息、系统关系的信息以及总线信号的信息。这三种诊断信息可分别用于基于物理连接的信号传播诊断处理、基于系统关系的故障诊断和总线健康检测三种诊断方法进行故障诊断。

关系矩阵

用于表示系统关系的信息，其定义公式如下：

${\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{SS}}={\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{HS}}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{OI}}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{LS}}\&times;{\stackrel{\&RightArrow;}{R}}_{\mathrm{PS}}$

3、信号测量

图1中，本发明中的PC机通过VXI、GPIB或PCI等总线连接通用测试资源模块，经接口适配器和相应测试电缆连接待诊断电气系统。故障诊断模块中的测试软件模块，将根据用户规定的测试项目，通过通用测试资源模块对待诊断电气系统开展测试，进行信号测量，从而得到测试数据。测试数据包括实时测量得到的数据和形成的历史数据。

4、诊断处理

图1中，LPS模型运行平台利用上述的电气系统LPS模型、诊断知识库模块和信号测量数据。LPS模型运行平台支持在线实时诊断和离线诊断两种方式，对实时测试数据或历史测试数据进行预处理，进入诊断流程，完成诊断处理，得到诊断结果。

诊断流程如图4所示：

(1)通过指定测试项目针对各类信号S_i，利用LPS模型中的信号健康层的知识对测量的信号进行异常状态检测，根据信号的异常状态将信号添加至正常队列或异常队列；

(2)当出现信号S_i异常后，根据信号类型，分别开展常规信号异常处理、公共端信号异常处理或总线信号异常处理；

(3)对于常规信号异常的处理则采用基于系统关系的故障诊断方法，即利用LPS模型的系统关系

等诊断知识，实现故障诊断定位；

(4)对于公共端信号异常的处理：首先针对异常信号列表进行单信号/多信号异常鉴别。如果是多信号异常，则利用LPS模型的物理连接点信息

和导线连接信息

采取基于物理连接点的信号传播故障诊断的方法，否则进行常规信号异常处理；

(5)对于总线信号异常处理：也是首先对异常信号列表进行单信号/多信号异常鉴别。如果是多信号异常，则采用启动总线健康检测的方法，否则进行常规信号异常处理；

(6)通过诊断信息的综合处理完成诊断过程。所述诊断信息的综合处理包括将诊断过程和诊断结果直观的显示在人机界面上等。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电气系统故障诊断装置，其特征在于：包括PC机、接口适配器、通用测试资源模块、故障诊断模块和诊断知识库模块，所述PC机控制通用测试资源模块经接口适配器测试待诊断电气系统得到测试数据，所述故障诊断模块接收测试数据并对测试数据进行预处理，所述诊断知识库模块接收并对预处理后的测试数据进行诊断处理得到诊断结果。

2.根据权利要求1所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：还包括故障知识库管理模块和电气系统设计模块，所述故障知识库管理模块读入由电气系统设计模块生成的系统组件间的连接信息文件并对连接信息文件进行预处理，经过用户的交互操作，建立待诊断电气系统的LPS模型，生成LPS诊断知识库模块，所述连接信息包括导线表文件和/或网表文件。

3.根据权利要求2所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述待诊断电气系统的LPS模型包括系统层、信号逻辑层、产品连接层以及健康层。

4.根据权利要求3所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述故障诊断模块包括测试软件模块、测试数据、诊断知识库模块引擎、异常信号队列处理模块、正常信号队列处理模块、信号异常检测处理模块、信号类型识别模块、诊断处理和诊断结果模块；所述测试软件模块调用通用测试资源模块，得到测试数据，并利用LPS诊断知识库模块中的信号层和健康层进行测试数据预处理，进入信号异常检测；检测后得到异常信号队列和正常信号队列，对异常信号队列的信号进行信号类型识别，然后通过LPS诊断知识库模块的系统层、产品连接层和信号逻辑层对识别后的信号进行匹配、搜索，完成诊断处理得到诊断结果。

5.根据权利要求4所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述信号类型识别包括对单端信号、差分信号和总线信号三种信号类型进行识别和处理。

6.根据权利要求4所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述测试数据包含待诊断电气系统的实时测试数据和历史测试数据。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述通用测试资源模块包括A/D模块、DMM万用表模块、开关模块、D/A模块、数字通讯模块、电源模块以及总线。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述诊断知识库模块包括物理连接知识库、关联关系知识库和总线知识库。

9.根据权利要求1～6中任意一项所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述PC机通过总线连接通用测试资源模块，所述PC机通过接口适配器和测试电缆连接待诊断电气系统，根据不同的待诊断电气系统更换不同的接口适配器和测试电缆，所述总线包括VXI、GPIB、PCI、PXI总线中任意一种或几种的组合。

10.根据权利要求1～6中任意一项所述的电气系统故障诊断装置，其特征在于：所述故障诊断模块和诊断知识库模块运行在同一台PC机中，所述的故障诊断模块和故障知识库管理模块运行在同一台PC机中或运行在不同的PC机中。

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