CN103927259B - 一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，包括步骤一、建立系统的相关性矩阵；步骤二、建立BIT故障字典；步骤三、建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树；步骤四、建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树；步骤五、综合BIT故障字典、BIT模糊组故障的人工隔离诊断树和BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，在系统维护检查时进行故障检测与隔离；本发明可实现对BIT测试结果的直接使用，以及BIT模糊组故障和不可检测故障的人工测试优选，提高了诊断效率和完整性。

Description

一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法

技术领域

本发明涉及一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，属于测试性技术领域。

背景技术

测试性建模是目前系统测试性设计分析的一种普遍采用的方法，通过测试性建模可以得到系统的相关性矩阵，进而实现故障检测与隔离能力的定量评价。

在相关性矩阵的基础上，通过的直接测试优选可以得到诊断树，利用诊断树提供的诊断步骤可实现系统故障的检测隔离。但在实际应用中，相关性矩阵中通常都包含机内测试（BIT）和人工测试，而机内测试是自动执行的，不受诊断步骤限制，导致利用上述方法获得的诊断树不能全面地利用机内测试的优势给出更高效和更完整的诊断。

目前，针对该问题，还没有一种有效的机内测试（BIT）和人工测试综合的故障检测与隔离方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，首先利用现有测试性建模方法获得系统的相关性矩阵（D矩阵），然后将其分解为BIT和人工测试的D矩阵，并建立相应的BIT故障字典和人工测试诊断树，最后综合应用故障字典和诊断树实现对系统的故障检测与隔离。

一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一、建立系统的相关性矩阵；

利用系统的故障和测试数据，建立测试性模型并得到相关性矩阵，其表达式如（1）式所示：

式中，D表示相关性矩阵；F＝{F₁,F₂…F_m}表示被测对象的故障集合；BIT_i表示BIT测试，M_j代表人工测试，BIT_i/M_i表示该测试为BIT测试或人工测试，d_ij表明了F_i与BIT_i和M_j的相关性，即：

步骤二、根据得到的相关性矩阵，分解提取BIT相关性矩阵，并建立BIT故障字典；

步骤2.1根据步骤一得到D矩阵，从中分解出BIT相关性矩阵D₁；

具体过程为：把D矩阵中含有BIT_i的列提取出来构成D₁，D矩阵中剩余的部分组成人工测试相关性矩阵D₂，D₁和D₂表达式如下：

步骤2.2如果D₁有全0行，则删除该行，并将其对应故障F_i组成集合F₁ ⁽⁰⁾，合并矩阵中的模糊组得到矩阵D₁ ⁽¹⁾，并将D₁ ⁽¹⁾作为BIT故障字典；

步骤三、依据步骤一得到的相关性矩阵，对每个BIT隔离模糊组故障，建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树；

包括以下几个步骤：

步骤3.1根据D₁ ⁽¹⁾得到了模糊组集合F⁽²⁾，F⁽²⁾中包含了若干个模糊组，F⁽²⁾＝{F₁ ⁽²⁾,F₂ ⁽²⁾,…,F_k ⁽²⁾}，每个模糊组F_i ⁽²⁾包含若干故障，对每一个模糊组都建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，具体方法为：把D₂中每个F_i ⁽²⁾对应的行提取出来，构成矩阵D_i ⁽²⁾；

步骤3.2利用相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D_i ⁽²⁾进行测试优选，针对每一个人工测试相关性矩阵生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树；

步骤四、对BIT的不可检测故障，依据步骤一得到的相关性矩阵，建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树；

具体为：

步骤4.1若存在F₁ ⁽⁰⁾为BIT无法检测故障，则建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，具体方法为从D₂中把F₁ ⁽⁰⁾含有的故障所对应的行提取出来构成矩阵D₂ ⁽¹⁾；

步骤4.2利用相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D₂ ⁽¹⁾生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树；

步骤五、综合BIT故障字典、BIT模糊组故障的人工隔离诊断树和BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，在系统维护检查时进行故障检测与隔离；

首先判断BIT是否有报警，若存在BIT报警，则根据BIT故障字典隔离故障，当故障隔离结果为具体故障时，故障检测与隔离结束；当隔离结果存在模糊组故障，则无法准确定位到具体故障，需要利用BIT模糊组故障的人工隔离诊断树，进行增补隔离至具体故障；

当BIT没有报警时，利用BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，进行故障检测和隔离。

本发明的优点在于：

（1）本发明兼顾机内测试自动执行与人工测试按步骤执行的特点，提供了一种更符合系统实际测试需求的故障检测与隔离综合方法，能实现机内测试和人工测试有机融合的综合诊断；

（2）本发明可实现对BIT测试结果的直接使用，以及BIT模糊组故障和不可检测故障的人工测试优选，提高了诊断效率和完整性；

（3）本发明利用测试性建模得到的相关性矩阵进行诊断逻辑设计，无需借助额外的诊断知识，提高了方法的应用可行性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是BIT模糊组故障的人工隔离诊断树生成流程图；

图3是故障检测与隔离综合流程图；

图4某控制系统相关性图示模型；

图5根据D₁ ⁽²⁾生成的人工隔离诊断树；

图6根据D₂ ⁽²⁾生成的人工隔离诊断树；

图7根据D₂ ⁽¹⁾生成的人工隔离诊断树。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，流程如图1所示，具体包括以下几个步骤：

步骤一、建立系统的相关性矩阵。

根据现有的测试性建模方法，利用系统的故障和测试数据，建立测试性模型并得到相关性矩阵，其表达式如（1）式所示：

式中，D表示相关性矩阵；F＝{F₁,F₂…F_m}表示被测对象的故障集合；BIT_i表示BIT测试，M_j代表人工测试，BIT_i/M_i表示该测试为BIT测试或人工测试，d_ij表明了F_i与BIT_i和M_j的相关性，即：

步骤二、根据得到的相关性矩阵，分解提取BIT相关性矩阵，并建立BIT故障字典。

步骤2.1根据步骤一得到D矩阵，从中分解出BIT相关性矩阵D₁。具体过程为，把D矩阵中含有BIT_i的列提取出来构成D₁，D矩阵中剩余的部分组成人工测试相关性矩阵D₂。D₁和D₂表达式如下：

步骤2.2如果D₁有全0行，则删除该行，并将其对应故障F_i组成集合F₁ ⁽⁰⁾，合并矩阵中的模糊组得到矩阵D₁ ⁽¹⁾，并将D₁ ⁽¹⁾作为BIT故障字典。

步骤三、依据步骤一得到的相关性矩阵，对每个BIT隔离模糊组故障，建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树。

流程如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤3.1根据D₁ ⁽¹⁾得到了模糊组集合F⁽²⁾，F⁽²⁾中包含了若干个模糊组，F⁽²⁾＝{F₁ ⁽²⁾,F₂ ⁽²⁾,…,F_k ⁽²⁾}，每个模糊组F_i ⁽²⁾包含若干故障，对每一个模糊组都建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵。具体方法为把D₂中每个F_i ⁽²⁾对应的行提取出来，构成矩阵D_i ⁽²⁾。

步骤3.2利用现有的相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D_i ⁽²⁾进行测试优选，针对每一个人工测试相关性矩阵生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树。由于D_i ⁽²⁾可能有若干组，因此生成的人工隔离诊断树也有对应的数目。

步骤四、对BIT的不可检测故障，依据步骤一得到的相关性矩阵，建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树。

步骤4.1若存在F₁ ⁽⁰⁾为BIT无法检测故障，则建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵。具体方法为从D₂中把F₁ ⁽⁰⁾含有的故障所对应的行提取出来构成矩阵D₂ ⁽¹⁾。

步骤4.2利用现有的相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D₂ ⁽¹⁾生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，其方法与步骤3.2相同。

步骤五、综合BIT故障字典、BIT模糊组故障的人工隔离诊断树和BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，在系统维护检查时进行故障检测与隔离。

流程如图3所示，首先判断BIT是否有报警，若存在BIT报警，则根据BIT故障字典隔离故障。当故障隔离结果为具体故障（非模糊组故障）时，故障检测与隔离结束；当隔离结果存在模糊组故障，则无法准确定位到具体故障，需要利用BIT模糊组故障的人工隔离诊断树，进行增补隔离至具体故障。

当BIT没有报警时，系统还可能发生了BIT无法检测的故障，此时需要利用BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，进行故障检测和隔离。

实施例：

某控制系统的相关性图示模型如图4所示，该图示模型在功能和结构的划分基础上有三个分支，F2，F3，F4和F5为一分支，F6和F7为一分支，F8为一分支。在图示模型中，故障信息可以沿着箭头方向被相应的测试所检测。如F1发生，则全部的BIT测试和人工测试的测试结果均为有故障；F4发生，则仅人工测试M2测试结果为有故障。图示模型表明了功能流向和各组成部件相互连接关系，和各组成部分与各测试的相关关系，为故障诊断和测试分析提供了基础。

步骤一、建立系统的相关性矩阵。

已知某控制系统的图示模型，可以据此建立相关性矩阵。其中BIT_i代表BIT测试，M_i代表人工测试，其中各项测试具体为：

●BIT1为信号采集BIT；

●BIT2为中频信号提取BIT；

●BIT3为驱动放大BIT；

●BIT4为特征信号提取BIT；

●M1为控制结算有效测试；

●M2为作动器动作范围测试；

●M3为差分信号输出人工测试；

●M4为数据采集工作指示灯观测。

据此建立的D矩阵，如下表示。

表1原始D矩阵

D	BIT1	BIT2	M1	BIT3	M2	M3	BIT4	M4
									信号采集器故障(F1)	1	1	1	1	1	1	1	1
中频信号提取单元故障(F2)	0	1	1	1	1	0	0	0
									控制解算器单元故障(F3)	0	0	1	1	1	0	0	0
驱动放大单元故障(F4)	0	0	0	1	1	0	0	0
									作动器故障(F5)	0	0	0	0	1	0	0	0
差分信号提取单元故障(F6)	0	0	0	0	0	1	1	0
									特征信号输出单元故障(F7)	0	0	0	0	0	0	1	0
采集数据记录单元故障(F8)	0	0	0	0	0	0	0	1

步骤二、根据得到的相关性矩阵，分解提取BIT相关性矩阵，并建立BIT故障字典。

步骤2.1根据步骤一得到D矩阵，从中分解出BIT相关性矩阵D₁。具体过程为，把D矩阵中含有BIT_i的列提取出来构成D₁，D矩阵中剩余的部分组成人工测试相关性矩阵D₂。得到的D₁和D₂如下所示：

表2D₁矩阵

D1	BIT1	BIT2	BIT3	BIT4
					信号采集器故障(F1)	1	1	1	1
中频信号提取单元故障(F2)	0	1	1	0
					控制解算器单元故障(F3)	0	0	1	0
驱动放大单元故障(F4)	0	0	1	0
					作动器故障(F5)	0	0	0	0
差分信号提取单元故障(F6)	0	0	0	1
					特征信号输出单元故障(F7)	0	0	0	1
采集数据记录单元故障(F8)	0	0	0	0

表3D₂矩阵

D2	M1	M2	M3	M4
					信号采集器故障(F1)	1	1	1	1
中频信号提取单元故障(F2)	1	1	0	0
					控制解算器单元故障(F3)	1	1	0	0
驱动放大单元故障(F4)	0	1	0	0
					作动器故障(F5)	0	1	0	0
差分信号提取单元故障(F6)	0	0	1	0
					特征信号输出单元故障(F7)	0	0	0	0
采集数据记录单元故障(F8)	0	0	0	1

步骤2.2D₁有全0行，则删除该行，并将其对应故障F_i组成集合F₁ ⁽⁰⁾，得到F₁ ⁽⁰⁾＝{F₅,F₈}。然后合并矩阵中的模糊组，得到D₁ ⁽¹⁾如下所示：

表4D₁ ⁽¹⁾矩阵

D₁ ⁽¹⁾即是BIT故障字典。

步骤三、依据步骤一得到的相关性矩阵，对每个BIT隔离模糊组故障，建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树。

步骤3.1根据相关性矩阵可以得到了模糊组集合F⁽²⁾，F⁽²⁾中包含了两个个模糊组，F⁽²⁾＝{F₁ ⁽²⁾,F₂ ⁽²⁾}，每个模糊组F_i ⁽²⁾包含若干故障，其中F₁ ⁽²⁾＝{F₃,F₄}，F₂ ⁽²⁾＝{F₆,F₇}。对每一个模糊组都建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵。具体方法为把D₂中每个F_i ⁽²⁾对应的行提取出来，构成矩阵D_i ⁽²⁾，则D₁ ⁽²⁾,D₂ ⁽²⁾如下所示：

表5D₁ ⁽²⁾矩阵

D1 (2)	M1	M2	M3	M4
					控制解算器单元故障(F3)	1	1	0	0
驱动放大单元故障(F4)	0	1	0	0

表6D₂ ⁽²⁾矩阵

D2 (2)	M1	M2	M3	M4
					差分信号提取单元故障(F6)	0	0	1	0
特征信号输出单元故障(F7)	0	0	0	0

步骤3.2利用现有的相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D_i ⁽²⁾生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树，如图5所示，在该诊断树中，通过人工测试M1进行故障隔离。如果测试结果为没有故障，则隔离至F4；反之，则隔离至F3。

同理，根据D₁ ⁽²⁾生成人工隔离诊断树，如图6所示，在该诊断树中，通过人工测试M3进行故障隔离。如果测试结果为没有故障，则隔离至F7；反之，则隔离至F6。

步骤四、对BIT的不可检测故障，依据步骤一得到的相关性矩阵，建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树。

步骤4.1F₁ ⁽⁰⁾＝{F₅,F₈}为BIT无法检测故障，建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵。具体方法为从D₂中把F₁ ⁽⁰⁾含有的故障所对应的行提取出来构成矩阵D₂ ⁽¹⁾，得到矩阵如下所示：

表7D₂ ⁽¹⁾矩阵

D2 (1)	M1	M2	M3	M4
					作动器故障(F5)	0	1	0	0
采集数据记录单元故障(F8)	0	0	0	1

步骤4.2利用现有的相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D₂ ⁽¹⁾生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，其方法与步骤3.2一致。诊断树如图7所示，在该诊断树中，先后通过人工测试M2和M4进行故障检测和隔离。如果M2测试结果为有故障，则检测隔离故障至F5；反之，则通过人工测试M4对F8进行故障检测和隔离。如果M4测试结果为有故障，则最终检测隔离故障至F8；反之，则无故障发生。

步骤五、综合BIT故障字典、BIT模糊组故障的人工隔离诊断树和BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，进行故障检测与隔离。

应用情形1：

在系统维护检查时，驱动放大BIT（BIT3）故障报警，其他BIT无故障报警。将故障报警逻辑化为“1”，无故障报警逻辑为“0”，得到BIT诊断结果的逻辑化向量为[0，0，1，0]。根据表4的BIT故障字典，逐行进行对比，确定“控制解算器单元故障(F3)/驱动放大单元故障(F4)”所在行与BIT诊断结果的逻辑化向量相同，因此诊断结果为{F3，F4}故障模糊组。

针对{F3，F4}故障模糊组，继续按图5人工隔离诊断树进行诊断。执行控制解算有效测试（M1），确认测试结果为控制解算输出错误，即测试结果为有故障，按图5中M1后逻辑“1”分支隔离故障至F3，即控制解算器单元故障。

应用情形2：

在系统维护检查时，BIT无故障报警，还需要利用人工测试确认该系统是否存在作动器故障(F5)或采集数据记录单元故障(F8)。根据图7的人工检测隔离诊断树，执行作动器动作观测（M2），确认测试结果为作动器动作范围超差，即测试结果为有故障，按图7中M2后逻辑“1”分支隔离故障至F5，即作动器故障。

Claims (1)

1.一种基于测试性建模数据的故障检测与隔离综合方法，具体包括以下几个步骤：

步骤一、建立系统的相关性矩阵；

利用系统的故障和测试数据，建立测试性模型并得到相关性矩阵，其表达式如(1)式所示：

式中，D表示相关性矩阵；F＝{F₁,F₂…F_m}表示被测对象的故障集合；BIT_i表示BIT测试，M_j代表人工测试，BIT_i/M_i表示该测试为BIT测试或人工测试，di_j表明了F_i与BIT_i或M_j的相关性，即：

步骤二、根据得到的相关性矩阵，分解提取BIT相关性矩阵，并建立BIT故障字典；

步骤2.1根据步骤一得到D矩阵，从中分解出BIT相关性矩阵D₁；

具体过程为：把D矩阵中含有BIT_i的列提取出来构成D₁，D矩阵中剩余的部分组成人工测试相关性矩阵D₂，D₁和D₂表达式如下：

步骤2.2如果D₁有全0行，则删除该行，并将其对应故障F_i组成集合F₁ ⁽⁰⁾，合并矩阵中的模糊组得到矩阵D₁ ⁽¹⁾，并将D₁ ⁽¹⁾作为BIT故障字典；

步骤三、依据步骤一得到的相关性矩阵，对每个BIT隔离模糊组故障，建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树；

包括以下几个步骤：

步骤3.1根据D₁ ⁽¹⁾得到了模糊组集合F⁽²⁾，F⁽²⁾中包含了若干个模糊组，

F⁽²⁾＝{F₁ ⁽²⁾,F₂ ⁽²⁾,…,F_k ⁽²⁾}，每个模糊组F_i ⁽²⁾包含若干故障，对每一个模糊组都建立BIT模糊组故障的人工测试相关性矩阵，具体方法为：把D₂中每个F_i ⁽²⁾对应的行提取出来，构成矩阵D_i ⁽²⁾；

步骤3.2利用相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D_i ⁽²⁾进行测试优选，针对每一个人工测试相关性矩阵生成BIT模糊组故障的人工隔离诊断树；

步骤四、对BIT的不可检测故障，依据步骤一得到的相关性矩阵，建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，并生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树；

具体为：

步骤4.1若存在F₁ ⁽⁰⁾为BIT无法检测故障，则建立BIT不可检测故障的人工测试相关性矩阵，具体方法为从D₂中把F₁ ⁽⁰⁾含有的故障所对应的行提取出来构成矩阵D₂ ⁽¹⁾；

步骤4.2利用相关性建模分析的诊断策略生成方法，根据D₂ ⁽¹⁾生成BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树；

步骤五、综合BIT故障字典、BIT模糊组故障的人工隔离诊断树和BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，在系统维护检查时进行故障检测与隔离；

首先判断BIT是否有报警，若存在BIT报警，则根据BIT故障字典隔离故障，当故障隔离结果为具体故障时，故障检测与隔离结束；当隔离结果存在模糊组故障，则无法准确定位到具体故障，需要利用BIT模糊组故障的人工隔离诊断树，进行增补隔离至具体故障；

当BIT没有报警时，利用BIT不可检测故障的人工检测隔离诊断树，进行故障检测和隔离。