CN109100539B - 一种关于航天火工品柔性测试矩阵开关自适应选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航天火工品柔性测试领域。针对通道配置问题进行数据建模，研究并实现自动配置算法，实现矩阵开关通道的自动配置，提升了矩阵开关的使用效率。

Description

一种关于航天火工品柔性测试矩阵开关自适应选择方法

技术领域

本发明属航天火工品测试技术领域，涉及发火测试系统的智能化方法。

背景技术

继电式矩阵开关是最常见的一种矩阵开关形式。这种矩阵开关使用继电器作为开关器件。继电器具有电压承受范围大、通道阻抗小、成本低等特点，继电式矩阵开关继承了继电器的这些特点，对于传递模拟信号有着非常良好的性能。但是继电器的体积一般比较庞大，这导致继电式矩阵开关在矩阵规模和体积上只能选择其一。对于中小规模的开关阵列应用场景，继电式矩阵开关是一个不错的选择。

电子式矩阵开关是一种使用半导体器件作为开关器件的矩阵开关形式。半导体开关器件具有体积小、导通时间短等特点，因此电子式矩阵开关的最大优点就是开关切换时间短，通常只有几十微妙。但是半导体开关器件也有很多缺点，如动态范围小、断开时有漏电流、导通阻抗大、容易被击穿等，这导致电子式矩阵开关的应用场景收到很多限制，无法满足很多对信号传递要求比较高的应用。

插针式矩阵开关不是严格意义上的采用开关矩阵形式。这种矩阵开关具有较低的线路阻抗，而且通用性强。但是这种矩阵开关的成本是四种里面最高的，应用比较少，主要应用于某些要求很高的数字电路系统中。

连线式矩阵开关是最早出现的矩阵开关形式。每一种测试类型都需要定制一个对应的连线板，导致这种矩阵开关的通用性很差。但是连线式矩阵开关具有通道阻抗低、承载电压范围广等优点。

发明内容

根据实际情况，矩阵开关设备需要和测试系统进行数据交互，考虑到信号动态范围、通道阻抗等要求，最终选择使用继电式矩阵开关作为测试系统的线路选择器。

继电式矩阵开关选择为干簧继电器。此种类型继电器使用干簧管控制线路的导通与断开，具有体积小、稳定性高、导通阻抗低、切换速度快、寿命长等优点。干簧继电器的平均使用寿命可达到100w次以上，而且抗干扰性好，适用于各种复杂应用场景。

由于设备存在384个继电器，继电器的开关闭合都是机械动作，随着使用时间的增长，难免会出现少数继电器坏点的情况。设计的矩阵开关单次最多使用16个结点，因此最大结点使用率为4.2％，可以发现矩阵开关的实际结点使用率非常低。因此具有部分坏点的矩阵开关是可以继续使用的，那么使用具有坏点的矩阵开关需要注意两个问题：

1)导入历史配置信息时，若曾经使用的结点现在出现故障，那么需要进行结点的重新分配，导致大量历史过程配置记录不能重用，无法提高测试效率；

2)出现大量故障结点，同时需要配置的通道又很多时，人工配置可能会显得无从下手。基于上述两点，本节对矩阵开关通道自动配置问题进行分析，得到通道配置问题的数学模型。

将矩阵开关24路输入和16路输出写成矩阵形式得到一个16*24的矩阵A：

其中，a_ij表示第j输入口和第i输出口连接。

设输入端口组成向量X：

X＝(x₁ … x₂₄)'x_j＝0或1，j＝1,...,24 (2)

其中，x_j＝1的表示第j个输入端口被选中，需要接信息采集设备输出端口；

设输出端口组成向量Y：

Y＝(y₁ … y₁₆)′y_i＝0或1，i＝1,...,16 (3)

其中，y_j＝1的表示第j个输出通道被选中，需要接采集仪信号输入通道。

前面三个矩阵Y与A和X满足：

Y＝A×X (4)

完成矩阵开关通道的配置就是根据输入输出条件，找到满足要求的A。

由于A是一个矩阵，通过方程组进行求解不便，因此需要将矩阵A进行变形得到向量

变形办法为：原矩阵的第一行保持不变，第二行接到第一行后面，依次类推，得到一个行向量，对矩阵配置问题的求解即变成对行向量

的求解，现在可以使用对方程组求解的办法来得到矩阵开关通道配置的解。

通过对上述问题数学模型进行分析，可以发现这是一个整数规划问题。

为需要求解的向量，共有384个参数，这些参数需要满足一定约束条件，即矩阵A中各行元素之和不能大于1，各列元素之和也不能大于1。考虑到问题的输出向量Y为矩阵开关的输出通道，接采集仪的输入通道。由于采集仪的输入通道分布在采集板卡上，为了满足板卡数量较少的采集仪也能使用，需要矩阵开关的输出端口编号尽量集中在小编号部分。因此问题的目标函数即为输出端口编号之和。

对矩阵开关通道配置整数规划问题就不等式约束、等式约束、目标函数三个方面进行分析。

a)不等式约束条件

矩阵开关配置矩阵A的所有元素需要满足：各行元素之和均不超过1、各列元素之和均不超过1。

以下为各行元素之和均不超过1的约束，共16个。

以下为各列元素之和均不超过1的约束，共24个。

共40个约束，每个约束组成一个1*384的向量，因此不等式约束变量系数矩阵Aue的规格为40*384。

b)等式约束条件

等式约束主要由两部分组成：故障结点矩阵、需配置通道数量。

矩阵开关共有384个结点，若结点故障，则不能使用，需要将故障结点强制指定为0。假设所有故障结点组成矩阵M，则有：

M＝[a_ij…]＝0 (8)

根据配置矩阵A和输入端口向量X，可以计算出输出端口向量Y。Y需要满足一个条件，即Y中为1的元素个数刚好等于需配置通道数，假设需要配置的通道数量为n，则有：

sum(Y)＝sum(AX)＝n (9)

c)目标函数

矩阵开关输出端口向量Y对应采集仪输入端口，为了提高采集仪板卡利用率，需要矩阵开关输出端口都集中在小编号上。收到二进制的启发，这里使用二进制方式对Y的各元素进行加权，编号越小的权值越小，编号越大的权值越大。整数规划得到是使目标函数取值最小的解，此时矩阵开关输出端口自然集中在小编号周围。

目标函数变量系数矩阵F的计算方法如下：

F＝(2⁰ … 2¹⁵)_16×1×Y＝2¹⁵y₁₆+2¹⁴y₁₅+…+2⁰y₁ (10)

本发明的有益效果在于：

矩阵开关线路自主配置，可以绕过故障结点，提高矩阵开关的使用效率。

基于整数规划的矩阵开关通道配置方案都能很好地求出配置矩阵，而且计算时间非常短，很好地解决了矩阵开关长时间使用出现坏点带来的历史配置记录无法重用的问题，极大提高了火工品测试的效率和测试系统的稳定性。

附图说明

图1为矩阵开关配置流程图；

图2为协同顺序算法流程图。

具体实施方式

(1)打开通道选择界面；

(2)配置通道测试参数；

(3)到处历史的通道选择信息；

(4)针对历史选择，求解优化问题

(5)若优化可行，则直接下达配置信息；

(6)不可行，则重新构建优化配置问题，再次优化求解和下达。

(7)如果重新构建的优化配置问题还是不能求解，则需要更换矩阵开关。

Claims (1)

1.一种关于航天火工品柔性测试矩阵开关自适应选择方法，其特征在于：该方法包括

(1)对航天火工品测试矩阵开关线路配置问题进行建模；

将矩阵开关24路输入和16路输出写成矩阵形式得到一个16*24的矩阵A：

a_ij＝0或1 i＝1,…16 j＝1,…24 (1)

其中，a_ij表示第j输入端口和第i输出端口连接；

设输入端口组成向量X：

X＝(x₁ … x₂₄)' x_j＝0或1，j＝1,...,24 (2)

其中，x_j＝1的表示第j个输入端口被选中，需要接信息采集设备输出端口；

设输出端口组成向量Y：

Y＝(y₁ … y₁₆)′ y_i＝0或1，i＝1,...,16 (3)

其中，y_i＝1的表示第i个输出端口被选中，需要接采集仪信号输入端口；

前面三个矩阵Y与A和X满足：

Y＝A×X (4)

完成矩阵开关线路配置就是根据输入输出条件，找到满足要求的A；

由于A是一个矩阵，通过方程组进行求解不便，将矩阵A进行变形得到向量

(2)对矩阵开关线路配置问题就不等式约束和等式约束进行分析，确定不能工作的节点，建立约束条件；

a)不等式约束条件

矩阵开关配置矩阵A的所有元素需要满足：各行元素之和均不超过1、各列元素之和均不超过1；

以下为各行元素之和均不超过1的约束，共16个；

以下为各列元素之和均不超过1的约束，共24个；

共40个约束，每个约束组成一个1*384的向量，因此不等式约束变量系数矩阵Aue的规格为40*384；

b)等式约束条件

等式约束由两部分组成：故障结点矩阵和需配置通道数量；

矩阵开关共有384个结点，若结点故障，则故障结点不能使用，需要将故障结点强制指定为0；假设所有故障结点组成矩阵M，则有：

M＝[a_ij…]＝0 (8)

根据配置矩阵A和输入端口向量X，计算出输出端口向量Y；Y需要满足一个条件，即Y中为1的元素个数刚好等于需配置通道数，假设需要配置的通道数量为n，则有：

sum(Y)＝sum(AX)＝n (9)

(3)对不同的开关节点选择采用权值设计和调整，便于顺序选择开关节点；

建立目标函数：

矩阵开关输出端口向量Y对应采集仪输入端口，为提高采集仪板卡利用率，需要矩阵开关输出端口都集中在小编号上；使用二进制方式对Y的各元素进行加权，编号越小的权值越小，编号越大的权值越大；使目标函数取值最小的解，此时矩阵开关输出端口自然集中在小编号周围；

目标函数为变量系数矩阵F，计算方法如下：

F＝(2⁰ … 2¹⁵)_16×1×Y＝2¹⁵y₁₆+2¹⁴y₁₅+…+2⁰y₁ (10)。

Images