CN104504248A - 一种基于设计数据分析的故障诊断建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于设计数据分析的故障诊断建模方法，模型的表现形式为故障方程。该建模方法通过设备/系统的FMECA，提取出设备/系统的系统结构单元信息、故障模式信息、测试信息、信号流与故障流、以及相关性和辅助信息；根据提取的信息，建立设备/系统的测试性模型，通过仿真分析生成初始D矩阵；初始D矩阵中故障和测试的名称包括相应单元的结构层次信息，将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵；然后在FMECA、测试性模型和BIT设计的基础上，结合本系统内部各个底层系统在功能、结构、行为、拓扑四个方面的交联关系，通过人工分析，提取其故障诊断逻辑；最后采用建模辅助工具完成故障方程的交互式开发。

Description

一种基于设计数据分析的故障诊断建模方法

技术领域：

本发明适用于PHM项目相关设备的诊断建模，涉及一种故障诊断建模方法。

背景技术：

故障诊断与报告是PHM系统的核心功能之一。故障诊断技术可分为基于规则推理(RBR)的诊断、基于模型推理(MBR)的诊断、基于案例推理(CBR)的诊断。基于规则的诊断系统中，推理知识与推理程序二者相互分离，便于维护；规则来源于领域知识的显式提炼；推理算法简单，结论明确，特别适合于突发性故障的在线自主诊断、以及渐发性故障的在线异常检测。基于模型的诊断系统中，推理知识与推理程序通常是集成的，不利于维护；计算复杂度一般较高；数值型模型存在置信度或精度问题，比较适合于渐发性故障的异常分析、离线诊断。基于案例的诊断系统中，推理知识与推理程序二者相互分离，便于维护；计算复杂度一般较高；相似推理存在置信度或精度问题；真实案例匮乏、技术成熟度不高是其主要瓶颈，适合于疑难故障的离线诊断。

基于故障方程的诊断方法属于基于规则推理(RBR)技术，它是在加电及周期性测试及状态监测作为数据输入的基础上，通过对知识库中的故障方程的诊断逻辑的匹配来完成故障诊断，并利用故障方程属性输出诊断报告。

发明内容：

本发明提出一种基于设计数据分析的故障诊断建模方法，模型的表现形式为故障方程，因此旨在建立故障方程，用于PHM项目相关设备的诊断建模，完成故障诊断功能，提供诊断结果。

故障方程是故障诊断知识的一种基于规则的规范化表示，一条故障方程对应一个具体的故障模式。故障方程由故障诊断逻辑和故障方程属性两部分组成：

故障诊断逻辑是一个或多个BIT/状态变量的逻辑组合，用以确定某个特定故障是否发生的判定准则；

故障方程属性则包括故障名称、ID、所在位置、故障原因、严酷度、座舱效应、维修信息等故障报告相关字段。

故障方程建立在对设备的基本数据分析和梳理的基础上，设备/系统的FMECA、故障树分析、事件树分析、“五性”分析等活动为故障诊断提供了基本的数据素材。特别是通过FMECA确定了所有关心的故障模式，测试性模型提供了每种故障模式所对应的测试点。但由于测试性建模的工作目标为检验和分析设备/系统的测试性的设计指标，难以反映对于特定故障模式相关测试点之间的逻辑关系，也没有考虑在测试失效或无输出的情况下的设备/系统工作及数据状态。因此故障方程的数据准备，特别是故障诊断逻辑的获取，是故障方程开发工作的关键。

本发明的技术方案如下：

基于设计数据分析的故障诊断建模方法，包括以下环节：

(1)数据准备

预先通过设备/系统的FMECA，提取出设备/系统的系统结构单元信息、故障模式信息、测试信息、信号流与故障流、以及相关性信息和辅助信息；

1)诊断逻辑获取

根据提取的信息，建立设备/系统的测试性模型，通过仿真分析生成初始D矩阵；

2)D矩阵生成与关联关系约简

初始D矩阵中故障和测试的名称包括相应单元(上述设备/系统)的结构层次信息，将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵；

3)提取诊断模型

在FMECA、测试性模型和BIT设计的基础上，结合本系统内部各个底层系统在功能、结构、行为、拓扑四个方面的交联关系，通过人工分析，提取其故障诊断逻辑；

(2)采用建模辅助工具完成故障方程的交互式开发。

上述辅助信息包括LRU外部信息。

上述LRU外部信息包含有模拟量、环境信息、状态信息。

环节2)具体根据以下关联关系约简算法将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵；

2.1)列出初始D矩阵的所有结构层次信息；

2.2)将结构层次信息相同的所有故障行值按列作或运算；

2.3)将结构层次信息相同的所有测试列值按行作或运算，结果记为表示为故障结构层次为UM_i与测试结构层次为UM_j关联关系；

2.4)针对初始D矩阵中的所有故障，判断其结构层次与各个测试的结构层次是否相同，如果相同，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，初始D矩阵的关联值通过步骤2.5)设置；

2.5)判断故障与测试的是否等于1，如果是，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，将初始D矩阵的关联值置为×。

在嵌入式测试和状态监测的基础上，利用基于故障方程的诊断可以达到如下效果：

1)通过对BIT及异常进行关联确认，有效消除虚警；

2)利用接口诊断逻辑覆盖测试失效或无输出情形的故障隔离；

3)利用故障属性提高故障记录及报告的信息质量；

4)合并相关故障信息，减少故障报告数量。

具体实施方式：

本发明通过设备/系统的FMECA提取信息，利用工具软件建立设备/系统的测试性模型，通过仿真分析生成D矩阵/诊断树，通过人工分析，结合BIT设计、以及系统内部各个底层系统在功能、结构、行为、拓扑4个方面的交联关系的基础上，提取其诊断逻辑，作为故障方程诊断逻辑的输入，开发故障方程。

本发明生成故障方程报告前的准备工作主要包括：

a)确定设备/系统层次；

b)选定具体故障模式；

c)命名故障方程；

d)定义方程参数及其属性；

e)映射方程变量；

f)确定故障方程逻辑；

g)设置故障方程属性。

(1)数据准备

预先通过设备/系统的FMECA，提取出设备/系统的系统结构单元信息、故障模式信息、测试信息、信号流与故障流，以及相关性和辅助信息(如模拟量、环境信息、状态信息等LRU外部信息)。

1)诊断逻辑获取

根据提取的信息，利用工具软件建立设备/系统的测试性模型，通过仿真分析生成通过仿真分析生成初始D矩阵。

2)D矩阵生成与关联关系约简

初始D矩阵中故障和测试的名称包括相应单元的结构层次信息。再根据下述关联关系约简算法将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵。

关联关系约简算法步骤如下：

步骤1列出初始D矩阵的所有结构层次信息；

步骤2将结构层次信息相同的所有故障行值按列作或运算；

步骤3将结构层次信息相同的所有测试列值按行作或运算，结果记为表示为故障结构层次为UM_i与测试结构层次为UM_j关联关系；

步骤4针对初始D矩阵中的所有故障，判断其结构层次与各个测试的结构层次是否相同，如果相同，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，初始D矩阵的关联值通过步骤5设置；

步骤5判断故障与测试的是否等于1，如果是，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，将初始D矩阵的关联值置为×。

3)提取诊断模型

根据测试性模型和D矩阵并不能直接得到故障诊断模型，因为：

a)测试性模型主要反映故障模式和测试点之间的关系，不能反映特定故障模式下测试点之间的逻辑关系；

b)测试性模型不能反映测试无输出或失效时的状态；

c)测试性模型难以反映及梳理接口故障及故障传播关系；

d)FMEA对故障原因、故障判据缺乏细致的分析/描述。

因此，需要在FMECA，测试性建模和BIT设计的基础上，结合本系统内部各个底层系统在功能、结构、行为、拓扑4个方面的交联关系，通过人工分析，提取其故障诊断逻辑。

(2)交互式开发

故障方程的交互式开发通过建模辅助工具来完成，建模辅助工具是一种用于开发故障方程的专用工具，为机载PHM的状态监测和故障诊断提供监测数据信息和模型支持。监测数据信息主要定义监测参数列表，监测参数列表描述了各模块需要实时监测的BIT和状态参数(温度、湿度、电压、电流等基本信息)。模型主要包括故障诊断模型和异常检测模型，模型的表现形式为故障方程。

使用建模辅助工具，供应商可以开发出设备级故障方程，集成商可以导入供应商提供的设备级故障方程，还可以在设备级故障方程基础上开发系统级故障方程。

以下以火警系统故障诊断建模为例，示例说明本发明的实现方法。

a.选定设备

火警系统

b.分析该设备可能发生的故障并确定故障原因

——可能发生的故障：火警系统报告无电源输入

——故障原因：火警系统处于非测试状态，断路器发生故障

c.输入

火警系统BIT信息

增强信息：火警系统的工作状态

d.定义参数

将BIT诊断结果转换为代表物理量和相关信息的参数。

步骤包括：

——根据参数命名规则定义参数名

参数名1：CB6_A4_PWR_FAIL

参数名2：FIRE_SYS_IN_TEST

——设置参数属性

参数所属LRU：火警系统

数据源：数据起始地址()/目的地址()/传输参数的总线类型()

数据域：布尔型数据

e.映射变量

——根据变量命名规则定义变量名

变量名1：V_A4_Pwr-Fail

变量名2：V_FireSys_InTest

——根据参数的数据类型映射变量

V_A4_Pwr-Fail：CB6_A4_PWR_FAIL＝TRUE

V_FireSys_InTest：FIRE_SYS_IN_TEST＝TRUE

f.建立故障方程逻辑

——根据故障方程命名规则定义故障方程名

故障方程名：EQ_FireSys_Fault

——根据故障逻辑建立故障方程

EQ_FireSys_Fault：V_A4_Pwr-Fail AND(NOT V_FireSys_InTest)g.设置故障方程属性

故障记录阶段：巡航和滑行

故障分类：故障

故障状态分类：无输入

故障报告优先级：0

故障上升时延：5

故障下降时延：5

维护信息：火警系统无电源输入

排故帮助信息：检查回路断路器

座舱效应：无

h.生成故障方程报告

如表1：

表1火警系统故障报告

Claims (4)

1.一种基于设计数据分析的故障诊断建模方法，包括以下环节：

(1)数据准备

预先通过设备/系统的FMECA，提取出设备/系统的系统结构单元信息、故障模式信息、测试信息、信号流与故障流、以及相关性信息和辅助信息；

1)诊断逻辑获取

根据提取的信息，建立设备/系统的测试性模型，通过仿真分析生成初始D矩阵；

2)D矩阵生成与关联关系约简

初始D矩阵中故障和测试的名称包括相应单元的结构层次信息，将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵；

3)提取诊断模型

在FMECA、测试性模型和BIT设计的基础上，结合系统内部各个底层系统在功能、结构、行为、拓扑四个方面的交联关系，通过人工分析，提取其故障诊断逻辑；

(2)采用建模辅助工具完成故障方程的交互式开发。

2.根据权利要求1所述的基于设计数据分析的故障诊断建模方法，其特征在于：所述辅助信息包括LRU外部信息。

3.根据权利要求2所述的基于设计数据分析的故障诊断建模方法，其特征在于：所述LRU外部信息包含有模拟量、环境信息、状态信息。

4.根据权利要求1所述的基于设计数据分析的故障诊断建模方法，其特征在于：根据以下关联关系约简算法将初始D矩阵转化成{0，1，×}三值扩展D矩阵；

2.1)列出初始D矩阵的所有结构层次信息；

2.2)将结构层次信息相同的所有故障行值按列作或运算；

2.3)将结构层次信息相同的所有测试列值按行作或运算，结果记为表示为故障结构层次为UM_i与测试结构层次为UM_j关联关系；

2.4)针对初始D矩阵中的所有故障，判断其结构层次与各个测试的结构层次是否相同，如果相同，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，初始D矩阵的关联值通过步骤2.5)设置；

2.5)判断故障与测试的是否等于1，如果是，初始D矩阵的关联值保持不变，否则，将初始D矩阵的关联值置为×。