面向复杂数据链装备的新型故障诊断技术研究
阮维龙1，张羽2，刘江庭1
（1中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2西北工业大学，西安 710072）
摘 要： 针对未来通信数据链系统综合化、大规模和复杂性的特征，系统故障诊断将面临故障置信概率低、故障定位的准确率低和失效装备战斗力恢复困难，缺乏自动化、网络化和智能化故障检测、定位的综合故障诊断技术的发展现状。本论文拟提出融合多种技术途径的新型故障诊断技术，并梳理了涉及的关键技术，使得该新型故障诊断技术具有高故障检测准确率、高故障定位准确率等良好特性，同时可满足未来通信数据链等复杂装备故障诊断在自动化、网络化和智能化方面的更高要求。
关键词： 通信数据链系统；故障诊断技术
0 引言
针对复杂装备系统综合性强、规模大、数据量大而现有故障诊断系统故障定位准确率低、故障检查效率低、故障传播模型建立不足、故障预测靠人工的现实需求，开展复杂装备全寿周期失效物理模型、故障演化和传播规律建模、综合故障机理建模和数据驱动的综合故障诊断技术框架和故障检查与定位新技术等内容，突破失效物理模型构建、故障演化和传播模型构建、系统级状态采集和故障检测、多源多维数据可视化和基于智能诊断分析的复杂装备全寿周期决策支持等关键技术，确立复杂装备系统智能故障诊断系统架构、技术体制和指标体系，为面向全军的可复制的复杂装备故障诊断系统的研制奠定基础。
根据上述描述我们梳理出亟需突破的关键技术包括以下三点：
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不干扰钢混凝土叠合梁之下公路的通行，是进行该支架体系设计的首要原则。因此，桥面板支架体系要通过叠合梁的结构特性，充分发挥主梁和侧梁的结构功能，具体来说有以下三点需要注意。
（1）复杂装备全寿周期失效物理模型构建技术
成果分析主要目的是医学专硕研究生参加培训后是否能达到一名合格住院医师的标准，是否提高培养质量这也是并轨住院医师规范化培训的最终目的。此次接受调查的的743名专硕研究生患者投诉率为0.00%，事故率为0.00%，医学专硕研究生承担住院医师工作，真正的负责患者从入院到出院的管理。2016级专硕执业医师考试通过率为95.53%，2015级专硕通过率为98.34%。预计国家住院医师规范化培训考试合格率97%。
（3）可伸缩传感网测量与半监督学习结合的故障诊断技术
1 研究内容
通过对各类型故障少量历史数据和实时采集数据，及每种故障类型的失效级别测量数据，进行深层次抽象挖掘，研究半监督学习的故障分类器快速训练方法。随着标记故障样本空间的增多，研究动态可伸缩的传感网多维失效测量参量的部署技术，降低感知硬件成本和对传感网测量规模的依赖[2]。
图1 研究内容框架
1.1 故障类型及失效机理研究
分析通信数据链装备的工作原理和故障机理得到先验信息，构建失效物理模型是开展后续故障检测、故障定位和故障预测的重要基础。我们研究基于失效物理的故障诊断技术包含性能退化模型、寿命分布模型构建和以数据挖掘为手段的多源信息融合技术评估失效物理模型。
1.2 微小故障演化、传播规律技术研究
研究各类型故障中，通信装备部件内部的显著故障关联关系和各类型故障中部件之间的显著故障关联关系，构建针对不同故障类型的通信数据链显著故障演化和传播规律模型。
1.3 可伸缩传感网测量与半监督学习结合的故障诊断技术研究
基于复杂装备系统故障诊断技术的现状，相较于故障定位准确率高、故障诊断置信率高、失效类型覆盖率高等需求存在较大差距。为此我们提出三点研究内容如图1所示。
2 关键技术
根据引言梳理的关键技术，本章详细说明每项关键技术的内涵。
2.1 失效物理模型构建
基于历史经验数据和定量数学分析，研究复杂通信数据链装备系统中各类型故障物理生成原因，建立面向设备关键性能指标的性能退化故障模型、设备功能失效故障模型和核心部件寿命分布模型，为故障演化和传播机理研究提供推理演绎依据[1]。
2.2 微小故障诊断及多故障检测
微小故障的固有特点决定了对其诊断的难度。然而，复杂通信数据链中空、天、地、海设备常常处于极端恶劣环境（高低温、震动、湿度、 防水）之中，而在这些环境下，各种存在的非随机干扰或噪声的振幅远远超过微小故障的幅值，这导致微小故障的特征提取变得异常困难。因此，在大扰动存在下，如何准确且及时的诊断出微小故障是本课题亟待解决的重要问题[3]。
2.3 可伸缩传感网测量与半监督学习结合的故障诊断
半监督学习利用少量的标记数据样本和大量的非标记数据样本来提高系统分类器的性能和精度，它结合了监督学习和非监督学习各自的优点，是基于数据驱动的故障诊断方法中最适合应用于像通信数据链这样故障样本空间有限且快速发展的复杂装备系统。然而，由于作为少量标记样本数据的专家先验知识，目前没有得到充分的利用，如何通过传感网来获取大量廉价的非标记样本，对基于半监督学习的故障诊断方法提高其故障分类器的性能具有重要的意义。
（1）理论模型部分，关注复杂通信数据链装备系统中模块功能失效故障模型、显著和微小故障演化传播模型以及基于物理特性的通信数据链系统综合失效物理解析模型等模型的构建；
3 研究方法
3.1 整体思路
本文的研究框架如图2所示。围绕理论方法、原理样机开发、故障诊断评估三个层面开展工作。理论方法层面主要包括两个部分：
（2）微小故障演化、传播及诊断技术
1.6 统计学处理 采用SPSS 24.0软件进行统计学分析。计数资料采用例数和百分比表示，组间比较采用χ2检验，等级资料组间比较采用秩和检验。P＜0.05为差异有统计学意义。
主动加强指导，积极做好服务。组织完成黄南水库、东屏水库等4个中型水库审核和霞洋水库除险加固初设复核以及湖州市新建太湖水厂工程水资源论证审查；编制完成太湖局农村水利管理规划，积极推进农村水利现代化指标体系研究和农业节水减排工作；组织完成坡耕地水土流失综合治理现场复核和中小河流治理工作督导检查，组织完成小农水重点县总体验收抽查和大型灌区配套改造大型泵站更新改造项目检查。
（2）方法技术部分，主要就多维传感网数据采集获取与半监督学习和极端环境下微小故障诊断及多故障检测两个方面提出合理的方法和技术。原理样机开发层面主要通过实物与分布式模拟仿真相结合的方式实现基于可伸缩传感网测量与半监督学习相结合的故障诊断技术系统。故障诊断评估层面，则主要就在不同应用场景的故障类型注入下对故障诊断技术方法加以验证。
图2 故障诊断研究框架
3.2 技术途径
3.2.1 失效模型构建及微小故障诊断层次分析方法
我们使用层次分析法构造失效模型的判断矩阵，并计算微小故障的特征向量，将特征向量归一化处理得到的即为相对权重。计算出相对权重后，对判断矩阵进行一致性检验。
采用三标度法得到间接判断矩阵，同时为了进一步准确地确定权重，再将三标度判断矩阵转化成九标度判断矩阵。九标度尺度虽然使用较复杂，但相对更合理、更精细。
式中，aij表示因素i对j的相对重要性，即
∀i,j∈｛1,2,3｝。层次分析法有三标度判断尺度表，如表1所示。
表1 三标度判断尺度表
（1）确定目标Tar={O,S,D}，各分量分别表示发生度O、严重度S和探测度D。构造一个两两判断矩阵，如式（1）所示。
（2）求得层次分析法判断矩阵A=(aij)3×3的最大特征根λmax，再对特征向量归一化，如式（2）所示。
从而得到w=(w1,w2,w3)T，并保证
使用 乘幂法计算最大特征根maxλ及对应的特征向量，记U=｛u1,u2,…,um｝为系统或者部件的危害因素集合。我们设计的危害因素集合为U=｛O,S,D｝。评语集用V表示，记作V=｛v1,v2,…,vn｝，表示有n种可能评价的值，如表2和表3所示。
以党的十九大精神为指导，紧紧围绕习总书记：“发挥八个优势，推进八项举措”的战略要求，结合丽水市委、市政府中心工作，按照公司“管理有方，经营有道，精致做事，精诚做人”的工作要求，加强队伍建设，完善内部管理规范，创新工作机制，全力破解储备土地管理难题，做好经营文章，确保储备土地和资产得到合理有效利用，确保国有资产保值增值，企业做优、做强、做大。
表2 危害模式发生度水平集
表3 危害模式严重度水平集
若J位专家评定um隶属于vj权重值为hmj，那么得到um的评价集用式（3）表示。
综合考虑专家权重，根据式（4）计算出所有危害模式各因素的模糊数。
“在过去，苗族三天之内都是吉日，都可以下葬，”高良乡坡业村的芦笙艺人陶兴文介绍说，“但现在要考虑（属相）冲犯，所以下葬的日子就会推迟一些。”
则各危害模式对应O、S和D三危害因素的模糊数值分别为，如式（5）所示。
研究模糊危害模式综合分析的意义是，通过广义模糊“与”运算
考虑各种危害因素对评语vj综合影响的隶属程度，并考虑因素ui在综合分析中的权重wi，对rij进一步调整，通过广义模糊“或”运算对每个调整后的隶属度rij运算，得出合理的综合分析结果。
一般将起升机构传动系统各部件的计算载荷沿变频电机侧向低速轴侧依次展开来折算，并将多轴系统转化为单轴系统，将传动系统中的各部件依相应顺序用无质量的轴把转动惯量做对应连接[3]，如图2(a)所示。
Countermeasures on constructing financial service center of Huaihai Economic Zone
图3 基于传感网的通信数据链多维信息采集
3.2.2 基于可伸缩传感网测量与本监督学习相结合的故障诊断技术
我们采用网络化、系统级动态测量参量采集和跟踪技术，从硬件信号处理、软件程序Bug、通信设备及其内部模块在极端环境下（高低温、震动、湿度、防水）的工作状态信息变化等多角度，研究信号、功能、性能信息的实时动态获取[4]。
本文拟采用基于多维信息采集的传感网技术加以实现。具体思路为：通信数据链的运行和其本身硬件、软件以及外部环境密切相关。为了实现全寿周期、多种故障类型的可靠诊断，需要采集通信数据链运行的多维信息：数据链内部模块状态、外部环境（如数据链运行环境的温度、湿度及振动等）的维度，硬件（模块的硬件信号）、软件（软件状态信息）的维度，以及功能、性能维度。研究多个维度统一时间刻度的建立，实现多维信息的采集与汇聚，从而在多维信息采集的基础上，分析多维数据之间的关联及演化关系，为数据链的故障诊断奠定数据基础。数据链多维信息采集如图3。
4 结论
本文构建基于系统物理特性或测试数据的新型故障诊断体系，提出故障机理建模或数据建模的新型诊断方法，实现系统级故障检测和状态评估，失效类型覆盖率大于90%，故障诊断置信概率不低于85%，构建具备综合诊断的标准化数据接口及具备知识库、模型库功能的软件模块，应用前景十分广阔。
参考文献：
[1]何加浪, 孟锦, 张琨, 张宏.一种故障传播感知的程序故障定位方法[J].电子与信息学报, 2011, 33(9): 2193-2198.
[2]韩光臣, 孙树栋, 司书宾, 付平.复杂系统故障传播与故障分析模型研究[J].计算机集成制作系统, 2005, 11(6):794-798.
[3]王书锋.机载电子设备在线可靠性评估与剩余寿命预测方法研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文, 2014.
[4]冷晓杰.基于告警模糊关联规则并行挖掘的多域分布式网络故障诊断[D].电子科技大学硕士学位论文, 2013.
Research on New Fault Diagnosis Technology for Complex Link Equipment
RUAN Weilong, ZHANG Yu, LIU Jiangting
Abstract： In view of the future link system integration，large-scale and complexity characteristic，The system fault diagnosis will be faced with low confidence probability of failure, low accuracy of fault location, and difficulty in recovering the combat effectiveness of the failed equipment, lack of automation, networking and intelligent fault detection, location of the integrated fault diagnosis technology.In this paper，we propose a new fault diagnosis technology that integrates multiple technical approaches，outlines the key technologies, then the new fault diagnosis technology has good characteristics such as high fault detection accuracy and high fault location accuracy.At the same time，it can meet the higher requirement of automation, networking and intelligent in the future link and other complex equipment fault diagnosis.
Key words: Communication Data Link System; Fault Diagnosis Technology
中图分类号： TN919
文献标识码： A
文章编号： 1674-7976-(2019)03-199-06
收稿日期： 2019-01-31。阮维龙（1988.02—），河北张家口人，硕士研究生，主要研究方向为故障诊断，航电综合化及信号处理与控制。