航空电子设备故障诊断技术研究

?----------------------- Page 1-----------------------

南京航空航天大学

博士学位论文

航空电子设备故障诊断技术研究

姓名：朱大奇

申请学位级别：博士

专业：测试计量技术及仪器

指导教师：于盛林

2002.5.1

----------------------- Page 2-----------------------

南京航空航天大学博士学位论文

摘 要

电子设备故障诊断技术是一门新兴的交叉学科。是目前科学界研究的热点之一。

近年来电子技术、计算机技术和人工智能技术的飞速发展，为电子设备故障诊断技

术研究注入了新的活力。本文研究了基于知识的电子设备故障诊断的一些新方法。

主要研究工作及成果体现在两方面，一是故障树分析法原理及其在电子设备故障诊

断中的应用；二是多传感器信息融合技术及其在电子设备故障搜寻中的应用。

f第一章(绪论)：介绍了设备故障诊断技术的基本概念：阐述了基于知识的设备

故障诊断方法；介绍了电子设备故障诊断技术的理论研究及应用现状。

第二章(故障树分析法基本原理)：首先介绍了故障树分析的基本概念：接着系统

地阐述了故障树的定性分析方法；最后讨论了故障树的定量分析方法。

第三章(电子设备故障树法诊断实践一光电雷达电子设备(36E)故障诊断系统)：

介绍了光电雷达电子设备(36E)的基本原理和诊断系统硬件组成；详细阐述了电子

设备(36E)整机测试与诊断，电子部件的性能检测和电子设备故障元件的搜寻与定

位；最后简要介绍了电子设备(36E)故障诊断系统的软件设计。

本章首次将故障树分析法应用到光电雷达电子设备(36E)的故障搜寻之中，实

践表明是实用而有效的。

第四章(基于信息融合的故障诊断技术)：介绍了信息融合的基本原理，分析了信

息融合与故障诊断的关系：系统地阐述了几种故障诊断的信息融合算法；最后讨论

了电子电路的信息融合故障诊断方法。

本章首次将信息融合技术应用到屯子电路的故障诊断之中，提出了一种基于实

验的故障隶属度函数构造形式及具体的故障目标判定准则。并以一信号放大电路为

例，进行了神经网络信息融合故障搜寻的实验研究，从实验结果看信息融合能较好

地解决模拟电路故障诊断的不确定性问题。

第五章(光电雷达电子部件信息融合故障诊断实验研究)

：以电子设备(36E)的

压-码转换电路板为实验对象，探索了信息融合技术在实际电子设备故障搜寻中的应

用。

在故障信息获取方面，本章除了利用探针测试故障元件的电信号外，利用热像

仪测试待诊断元件的温度信号，获取多维故障信息。从D．s融合诊断结果可以看出，

只要选取的待诊断元件是合适的，关键信号测试准确，就可准确地搜寻出故障元件。

说明实际电子设备故障诊断的信息融合方法是实用而有效的。厶／／

关键词： 故障诊断；故障树分析；信息融合；隶属度函数

信度函数：证据理论；神经网络。

----------------------- Page 3-----------------------

堕窒皇芏堡鱼垫堕堡堑丝查塑．塞

Abstract

The electronic equipment fault diagnosis technology is a developing and crossing

discipline It is one of the focus problems of academic circles．With development of

electronic technology，computer technology and artificial intelligence，the electronic

equipment fault diagnosis technology will get some new pulse．Some new method of

electronic equipment fault diagnosis based knowledge is studied in this paper．Two aspect

research work and results is found in the paper,one is the theory and application of fault

tree analysis for the electronic equipment fault diagnosis，other is the theory and

application ofmulti—sensors information fusion technology．

In chapter l：the basic concepts of fault diagnosis of equipment are introduced，the

fault diagnosis methods based knowledge are analyzed，the basic principle and application

ofelectronic equipment fault diagnosis are generalized．

In chapter 2：firstly the basic principle of fault tree analysis is introduced；Secondly

the qualitative analysis method of fault tree is discussed exhaustively；finally the

quantitative analysis method offanlt tree is discussed．

In chapter 3：the basic principle of electronic equipment(36E)of photovoltalc Radar

and hardware of its fault diagnosis system are introduced firstly．The measurement and

diagnosis of whole 36E and electronic equipment are discussed detailed secondly；Finally

the software of fault diagnosis is introduced briefly．

In the chapter the technology of fault tree analysis is used in fault diagnosis of

electronic equipment(36E)of photovoltalc Radar at first，and it shown that fault tree

analysis is practical and effective．

In chapter 4，firstly the basic principle ofinformation fusion is introduced，the relation

of information fusion and fault diagnosis is anal

yzed；Some information fusion algorithms
of fault diagnosis are discussed detailed secondly；The information fusion algorithms of

electronic equipment is discussed fmally．

In the chapter the technology ofinformation fusion is used in electronic circuit fault at

first，the membership function and fault determinant rule based on experiment are

presented．The experiment research ofneural network information fusion fault diagnosis of

simple signal amplify circuit is presented．It is shown that the uncertain of analog circuit

fault diagnosis Was solved fairly from fusion result，

In chapter 5，The application method of information fusion in real electronic

equipment fault diagnosis is explored for AD change circuit board of36E．

----------------------- Page 4-----------------------

——壹塞壁皇堕盔盔堂堕主堂笪堡塞

In the fault information testing，not only electronic signal is used，but also the

temperature signal of fault component is tested．It is shown that fault component is

found accurately by D—S fusion result when testing component is appropriate and key

signal is accurate，and it shown that fusion fault diagnosis of real electronic equipment is

and effective．
practical

Key words：fault diagnosis；fault tree analysis；information fusion；membership function；

belief function；evidential theory；neural network．

Ill

----------------------- Page 5-----------------------

—— 妻室塑窒墼鲞奎堂婪主堂堡竣苎
一一——

第一章 绪论

1．1设备故障诊断酶毽酶与意义

致冬鼓漳诊酝技术跫近《0年发骚起来的一门耨孥辩，它楚遭应彝耪工程辫要葱

形成的多学科交叉的综合学科。在当今技术竞争嗣益激鼎的环辘下，工渡企监成功的

关毽尉裳之一跫产晶翘制造过程豹蘑懿控制；军事领域墨，要求武器装餐具有蹴可靠

性，离保障性和可维修性；另一方面，随着现代工韭及辩学技术静迅遮发展，设备瀚

结构越来越复杂，l自动化程度也越来越商，刁i仅同一设备的不同部分之间互相关联，

紧密藕合，蔼虽不弱没番之阍瞧存在麓紧密靛联系，京遥行过程中形成～个整体。滚

此，～处故障W能引怒～系列涟锁反应，导致搬个设备甚至整个过程不能正常运行，

轻者避成筹掇，绔产，霞翥会产釜严熏盼甚至灾难援熬A昃伤亡。景典型瓣灾难淫藏

障如：1984年12月印度博帕尔农药厂海气

泄鼹事故，造成2000多人死亡，成为目

藏为止整赛工渡史上空藤豹丈事凌；1986年l锺，“挑疆耋”弩浆空中爆溽事捧，导

致7名宇航员垒部遇难，总计损失达12亿美元；1986蓝F 4月，前苏联切尔诺熙利核

亳楚簸慰性瀵鼹事薮，绞受这3§钇美元，棱污梁渡及羼选各隔。因她，设备豹状态

监测与故障诊断已成为现代工渡生产和国防建设中的煎要内容。也是目前科学界研究

粒热纛之一。

1．2故障诊断技零翁发震与瑷获

设备故障诊断技术的发展魁和人类对设备的维修方式紧紧相连的。在工业蕈命后

戆稳驽长兹霹瓣内，崮予当对静生产魏模，设螽黪技术求平积复杂程凌帮较低，设器

的利用率和维修费用米引起人们的重视：20世纪以后，由于大生产的发展，尤其是

渡隶线生产方式豹出魏，设备本隽静技术承警鞍笈杂程度黎丈大挺寒，设备数漳对生

产的影响显著增加，这样出现了定期罐修，以便在事故发生之前加以处理。大约在

∞年{℃，美鬟军方意识副定期维掺熬～系到弊病，野贻变定期维擎为预知维修，印

在设备的正常逡行过穰中就开始进行激测，以发现潜禚的故障闲素，及早采取措旅，

防止突发性故雅的产生。军方的这弛主动维修方式，缀快被其它企业所效仿，_i壁器故

障诊断技术狠快发展越来。

从科学发展的大硝蟪来看，设备诊黻技术fI臼产生也是多学科交叉发鼹的必然。40

年代阻采，入凌静生产方式目蕊随大王娩方囱蒗震。在这种宏溪豹柱会大背景下，系

统论，混沌学纷纷诞生，尤其怒控制理论出现了重大突破，产生了一系列的现代控制

方法。裳产系统黪瘫大讫帮菱杂葶乏嚣怼篷暴露穗一些趣鼷，郛魏耪骆立滋备运费孛薮

----------------------- Page 6-----------------------

航空电子设备故障诊断技术研究

障的发生，这就要有一门相应的诊断技术。同一时期，电子技术，尤其是计算机技术

的发展，为设备故障诊断技术提供了必要的技术基础；60年代，快速付立叶变换的

出现，使诊断技术的发展产生了飞跃：近年来，传感器技术，信号处理技术(如各种

滤波技术、谱分析技术)，人工智能技术(如专家系统、神经网络、信息融合等)的

发展，使得设备故障诊断技术得到了更进一步的发展。

从故障诊断技术的各分支技术来看，美国占有领先地位。美国的许多权威机构，

如美国的机械工程师学会(ASME)，美国宇航局(NASA)等都参与了这一领域的研

究，投入了大量的资金。不少高校和企业也

都设立了故障诊断技术研究中心。开发了

许多实用的诊断系统，如1967年美国研制的飞机数据系统“AIDS”，1977年美国使

用的“TRENOS”飞机发动机状态监测诊断系统及近些年美军装备到部队的

AN／TPQ．36、37雷达机内测试和故障诊断系统等，其中大多数不仅具有完善的监测

功能，而且具有较强的诊断功能。在宇航、军事、工业等方面有广泛的应用。

我国故障诊断技术的发展始于70年代末，虽然起步较晚，但近年来发展较快，

在某些理论研究方面已和国外不相上下。目前，在一些特定设备的诊断研究方面很有

特色，形成了一批自己的产品。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测与

故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”等。综观

我国的设备诊断技术现状，其应用集中在化工、电力、冶金等行业，科研则主要集中

在高校进行，如西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、清华大学、上海交

通大学、东北大学，东南大学等都成立了颇具实力的诊断工程中心。这些研究机构对

我国诊断技术的发展做出了较大的贡献。

1．3设备故障诊断方法的分类

所谓故障，广义地讲，可以理解为任何系统的异常现象，使系统表现出所不期望

的特性。故障诊断技术主要包含三方面的内容：故障检测、故障隔离、故障辨识。所

谓故障检测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻；故障隔离就是在

检测出故障后确定故障的位置和类型；故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小

和时变特性。本质上，故障诊断技术是一个模式分类与识别问题。即把系统的运行状

态分为正常和异常两类，判别异常的信号样本究竟又属于哪种故障，这又属于一个模

式识别的问题。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行

的方法。综述文章[1—3]给如了较为详细的评述。

1．3．1故障诊断方法的分类

现有的故障诊断方法，概括起来可分为三大类“卅”1：(1)基于信号处理的方法。

所谓基于信号处理的方法，通常是利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平

均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检

2

----------------------- Page 7-----------------------

南京航空航天人学搏十学位论文

测出故障。(2)基于解析模型的方法，它是在明了诊断对象数学模型的基础上，按一

定的数学方法

对被测信息进行处理诊断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计

法”1。目前此种方法得到了深入的研究：但我们知道，在实际情况中，常常难以获得

对象的精确数学模型，这就大大限制了基于解析模型诊断方法的使用范围和效果。(3)

基于知识的诊断方法，近年来，人工智能及计算机技术的飞速发展，为故障诊断技术

提供了新的理论基础，产生了基于知识的诊断方法，此方法由于不需要对象的精确数

学模型，而且具有某些“智能”特性，因此是一种很有生命力的方法。基于知识的故

障诊断方法主要可以分为：专家系统故障诊断方法；模糊故障诊断方法：故障树故障

诊断方法；神经网络故障诊断方法和信息融合故障诊断方法等。

1．3．2基于知识的故障诊断方法

1．专家系统故障诊断方法

专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种

规则(专家经验)，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行

过程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由

用户来证实。此种方法国内外已有不少应用[5-J5)。专家系统故障诊断方法可用图1．1

的结构来说明：它由数据库，知识库，人机接口，推理机等组成。其各部分的功能为：

图1．1 故障诊断专家系统结构图

数据库：对于在线监视或诊断系统，数据库的内容是实时检测到的工作状态数据；对

于离线诊断，数据库内容可以是故障时检测数据的保存，也可是人为检测的

一些特征数据。即存放推理过程中所需要和所产生的各种信息。

知识规则库：存放的知识可以是系统的工作环境，系统知识(反映系统的工作机理及

系统的结构知识)；规则库则存放一组组规则，反映系统的因果关系，用来

故障推理。知识库是专家领域知识的集合。

人机接口：人与专家系统打交道的桥梁和窗口，是人机信息的交接点。

推理机：根据获取的信息综合运用各种规则，进行故障诊断，输出诊断结果。是专家

系统的组织控制机构。

专家系统故障诊断其根本目的在于利用专家的领域知识、经验为故障诊断服务。

目前在机械系统、电子设备及化工设备故障诊断等方面““5’已有成功的应用。但专家

系统的应用依赖于专家的领域知识获取。知识获取被公认为专家系统研究开发中的

----------------------- Page 8-----------------------

航空

电子设备故障诊断技术研究

“瓶颈”问题；另外，在自适应能力、学习能力及实时性方面也都存在不同程度的局

限…。

2．模糊故障诊断方法

故障诊断是通过研究故障与征兆(特征元素)之间的关系来判断设备状态。由于

实际因素的复杂性，故障与征兆之间的关系很难用精确的数学模型来表示，随着某些

故障状态模糊性的出现，就不能用“是否有故障”的简易诊断结果来表达，而要求给

出故障产生的可能性及故障位置和程度如何。此类问题用模糊逻辑能较好的解决，这

就产生了模糊故障诊断方法。其典型方法是模糊故障向量识别法“““，诊断过程如图

i．2所示。

判 诊
解关系
I统计数据l ’l一广—， 定 断
l霎塞萋薹忡 方 程 原 结
I实验数据I— Y_X·R
I现场数据}_—竹 则 论

图1．2 模糊故障诊断方法

①根据经验、统计和实验数据，建立故障与征兆之间的模糊关系矩阵R(隶属度矩阵)。

矩阵中的每个元素的大小表明了它们之间的相互关系的密切程度。

R={u。(X。，Y。)：x。∈X：Y。∈Y} (1．3．1)

式中Y={Y．，Y：，Y。…，Y．)-{Y。I i=1，2，…，n}表示可能发生故障的集合，n故障

总数。x={x，，x：…，x．)={x，I i=1，2，…m}表示由上面这些故障所引起的各种特征

元素(征兆)的集合。m为各种特征元素(征兆)总数。

②根据待诊断对象的现场测试数据，提取特征参数向量X。

③求解关系矩阵方程Y=X·R，得到待检状态的故障向量Y，再根据一定的判断准则，

如最大隶属度原则、阈值原则或择近原则等，得到诊断结果。

模糊故障诊断方法是利用模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解

决故障与征兆之间的不确定关系，进而实现故障的检测与诊断。这种方法计算简单，

应用方便，结论明确直观。在模糊故障诊断中，构造隶属函数是实现模糊故障诊断的

前提，但由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素；另外，对特征元素的选

择也有一定的要求，如选择得不合理，诊断结果的准确性会下降，甚至造成诊断失败。

3．故障树故障诊断方法”’“

故障树(FT)模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型，是一种定

性的因果模型

，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件为

中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。它反映了特征

向量与故障向量(故障原因)之间的全部逻辑关系。图1．3即为一个简单的故障树。

图中顶事件：系统故障，由部件A或部件B引发，而部件A的故障又是由两个元件

----------------------- Page 9-----------------------

南京航空航大大学博士学位论文

l，2中的一个失效引起，部件B的故障是在两个元件3，4同时失效时发生。

在利用故障树进行故障搜寻与诊断时。根据搜寻方式不同，又可分为逻辑推理诊

断法和最小割集诊断法。更详细的内容见本文第二章。

图1．3简单故障树

4．神经网络故障诊断方法

对于故障诊断而言其核心技术是故障模式识别，而人工神经网络由于其本身信

息处理特点，如并行性、自学习、自组织性、联想记忆功能等，使其能够出色解决那

些传统模式识别方法难以圆满解决的问题，所以故障诊断是人工神经网络的重要应用

领域之一。目前神经网络是故障诊断领域中的一个研究热点。已有不少应用系统的报

道‘29“1。

神经网络在设备诊断领域的应用研究主要集中在两个方面：一是从模式识别的角

度应用它作为分类器进行故障诊断：二是将神经网络与其它诊断方法相结合而形成的

复合故障诊断方法陟州。”0

模式识别的神经网络故障诊断过程，主要包括学习(训练)与诊断(匹配)两个

过程。其中每个过程都包括预处理和特征提取两部分。具体诊断过程如图1．4所示。

图1．4神经网络故障诊断

----------------------- Page 10-----------------------

航空电子设备故障诊断技术研究

学习过程：在一定的标准模式样本的基础上，依据某一分类规则来设计神经网络分类

器，并用标准模式训练；

诊断过程：将未知模式与训练的分类器进行比较来诊断未知模式的故障类别。

①预处理：首先对映射得到的样本空间数据进行预处理，主要是通过删除原始数据中

的尤用信息得到另一类故障模式，由样本空间映射成数据空间。在数据空间上，通

过某种变换(如对模式特征矢量进行量化、压缩等)使其有利于故障诊断。

②特征提取：将从诊断对象获得的数据看作一组时间序列，通过对该时间序列的分

段采样，可以将输入数据映射成样本空间的点。这些数据可能包含故障的类型、程

度和位置等信息。但从样本空间看，这些特征信息的分布是变化的，因此，一般不

能直接用于分类，需经合适的变换来提取有效的故障特征。而所提取的这些特征对

于设备的参数应具有不变性。常用的特征提取方法有：傅立叶变换、小波变换、分

形维数等。

③网络分类器：常用于故障诊断分类的神经网络有：BP网络、双向联想记忆(BAM)

网络、自适应共振理论(ART)、B样条网络等。详细诊断方法见文献[8][29r30]。

利用各种诊断方法的优点，将其它诊断方法与神经网络相结合，可以得到效

率更高的复合故障诊断方法。如将神经网络与专家系统相结合的诊断方法；模糊神

经网络故障诊断系统和神经网络信息融合故障诊断系统等，都显示出其特别的诊

断特性。

神经网络故障诊断虽然有它独特的优越性，但也存在一些困难，主要表现在三方

面：一是训练样本获取困难；二是忽视了领域专家的经验知识；三是网络权值表达方

式难以理解。

5．信息融合故障诊断方法

信息融合就是利用计算机对来自多传感器的信息按一定的准则加以自动分析和

综合的数据处理过程，以完成所需要的决策和判定。且前信息融合在军事领域中已有

广泛的应用，但在设备故障诊断中的应用还是近年来的事情“1{叮。信息融合应用于故

障诊断的起因有三个方面：一是多传感器形成了不同通道的信号；二是同一信号形成

了不同的特征信息；三是不同诊断途径得出了有偏差的诊断结论。融合诊断的最终目

标是综合利用各种信息提高诊断准确率。目前，信息融合故障诊断方法主要有Bayes

推理、D—S证据推理及神经网络信息融合等。更详细的内容见本文第四章。

1．4电子设备故障诊断技术

众所周知，在电子设备中，尤其是在以集成电路为核心的现代微电子电路中，由

于设备的规模越来越大，性能及构成也更加复杂和完善，设备中任何一个元器件的故

障都可能导致部分功能失效或整个设备失灵。所以，伴随着电子技术的发展，电子电

6

----------------------- Page 11-----------------------

南京航空航天大学i尊十学位论文

路集成化程度日益提高，对电子电路的可靠性．可维修性和自动故障诊断的要求也R

益迫切。

电子设备故障诊断是一项十分复杂困难的工作。虽然电子设备的故障问题几乎与

电子技术本身同步发展，可是故障诊断方面的发展速度似乎要慢得多。在早期的电子

设备故

障诊断技术中，其基本方法是依靠～些测试仪表，按照跟踪信号逐点寻迹的思

路，借助人的逻辑判断来决定设备的故障所在。这种沿用至今的传统诊断技术在很大

程度上弓维修人员的实践经验和专业水平相关，基本上没有一套可靠的，科学的．成

熟的办法。随着电子工业的发展，人们逐步认识到，对故障诊断问题有必要重新研究，

必须把以往的经验提升到理论高度，同时在坚实的理论基础上，系统地发展和完善一

套严谨的现代化电子设备故障诊断方法，并结合先进的计算机数据处理技术，实现电

子电路故障诊断的自动检测、定位及故障预测。

所谓电子电路故障诊断技术，就是根据对电子电路的可及节点或端口及其它信息

的测试，推断设备所处的状态，确定故障元器件部位和预测故障的发生，判别电子产

品的好坏并给出必要的维修提示方法。电子电路分模拟电路和数字电路两种，也有将

其分为模拟电路、数字电路和数模混合电路三种形式，不过大多数数模混合电路是可

以看成数字电路与模拟电路的组合。因此电路故障诊断技术可从数字电路故障诊断和

模拟电路故障诊断两方面进行研究嘲“1。

1．4．1数字电路故障诊断的方法与进展

1．数字电路故障诊断进展

Eldred在1959年提出了第一篇关于组合电路的测试报告…，揭开了数字电路

故障诊断的序幕。但Eldred提出的方法只解决两级以内的组合电路的故障测试问题。

其后D．B．Armstrong根据Eldred的基本思想提出了一维通路敏化的方法。”，其主要

思想是对多级门电路寻找一条从故障点到可及输出端的敏化通路，使得在可及端可以

观察到故障信号，利用此种方法，解决了相当多的组合电路豹故障检测问题。Yau和

Seller等旧1提出的布尔差分算法，Thayse删提出的布尔微分算法，虽然在实际使用

中存在一定的困难，但是它使通路敏化的理论得到了系统化，因此这两种算法在数字

电路诊断理论上占有重要的地位，是进行理论研究的必要工具和基础。随后，Roth…1

提出的著名的D算法在理论上使组合电路故障检测和诊断达到了最高点。

Roth的D算法从理论上解决了组合电路故障检测和诊断河题，即任何一个非冗

余的组合逻辑电路中任何单故障都可以用D算法找到它的测试矢量，但在实际应用中

因其计算量十分浩大，对大型复杂电路很难付诸实施，对此过去认为没有实用意义的

穷举测试法，随着电路规模的增大反而有了新的发展，1984年Archambeau呲1等人提

出的

伪穷举测试法，为解决大规模组合逻辑电路的诊断问题开辟了新路。

同组合逻辑电路相比，时序逻辑电路的测试要困难得多，其测试诊断的理论和方

----------------------- Page 12-----------------------

兢密电子设箍鼗鼯诊断技术秘究

法的研究进展一直比较缓慢，这主要是由于时序逻辑电路性质决定的，它的测试矢量

不仅在逻辑功能上要满足掰试簧求，舔显要考薅电路兹对痔闻趱。

2．常见故障分类p“

数字龟爨瑷备中一拿元纷、一令魏簿或设餐翡掳臻效簿是予交万纯豹，为了磺究

故障对电路或设备的影响，诊断故障的位置，必须对故障作一燧分类，选择最典型的

故障，这个过疆拣赦薅熬模型他。数字电路设备中卷见翡模型化故障主要有：瓣定型

故障、桥接故障和暂态故障等。

①罄定型赦漳：主要是指及姨电路中某一掇搭号线上豹售号的不可控性，即在设

备运行中永远固定在菜一个数值上。如果信号固定在逻辑高电平上，称之为固定I故

障(记为s—a—1)；如果信号固定在逻辑低电乎上，称之为固定0故障(记为s—a～0)。

故障模型s—a一1和s-a-O都是相对于故障对电路的逻辑功能丽吉的，而与具体的物理

故障没有直接的关系。根据电路中固定挺故障鹊数目，可以把固定型故障分为两大类：

如果一个电路中只存在一个霹定墅敲辩，癸g称之为荤固定垂故障；鲡巢～个电鼯中存

两个或两个以上的固寇型故障，则称之为多固定型故障。据统计，固定型故障占故障

总数豹90％以上”，瓣逶零债况下，潮定鹫敢簿叉议擎弱定蘩渡薄藩多。

②桥接故障：主要是指电路节点间短路故障。桥接故障常见的有两类：元件输入

端之阂瓣撬接液障窝输入褒与羧窭壤乏润豹反{囊式褥羧羧簿。

⑧暂态故漳：它又称软故障。此类故障多怒由于器件本身绒电路在某一方谳的容

限太夺蠢季l起熬一萃孛毫踌不稳定现象。鳃器箨老位、矬缝减遮瑟出瑗豹不援鬻|l魏誓态

故障。多数软故障最终会发展成为固寇型故障。暂态故障由予它的随机性和偶发性，

分据魏诊瑟都撼霆定型放黪盈罐。

3．数字电路故障诊断的基本方法”‘5”

数字电路的故障诊叛包括故障检测翱赦簿定位。露靛主要诊断方法有：穷举测试

法；伪穷举测试法和灏试码生成法。

①穷举测试法：悬指在被测电路的输入端，输入所有可能的测试码，观察电路输

出是否符合一定的逻辑功能。箕基本关系如窝1．5所汞。

。幻

图1．6穷举测试法承意图

网中s为被测的逻辑电路，输入矢量测试码为x； 输出矢薰为Y，设电路S所实

撬静逻辑函数为S，烫|j

Y=S(X) (1．4．1)

若j}重予饪鸯豹j(，都骞

S+(X)=S(X) (1．4．2)

R

----------------------- Page 13-----------------------

南京航空航天人学搏￡学位论文

刚被测电路s‘称为无故障的，若肖一组x0，使得：

S+(盖8)≠S(X) (i．4．∞

则被测电路S’称为有故障的。x0称为诊断该种故障的矢量测试码。穷举测试法的基本

憨想是：在n维舞尔空阕中，套爨莰有2“个测试璐，通过慰其中的每～令潦试妈检奎

被测电路的输出是否符合预先指定的要求，从而判断被测电路是否存在故障。此处所

有题故障都考虑劐了，救障捡测率为100％。但怒随着蹶始输入维数rl的增加，测试

矢量的总数急剧增加，当原始输入数达到一定大小时，穷举测试法进行故障诊断魁不

现实的。对此人门提出了伪穷举测试法。

②伪穷举测试法：在穷举测试法的基础上设法把电路进行划分，使每一个被划分

的电路都能够进行穷举测试，从而使测试数大大减少，使其达到实际可行的丑的。

③测试羁生成法：溺试弱生躐法瞧楚为了瓣次穷举测试法灏试矢量避多，测试时

间过长的缺点。该方法魑针对被测电路可能存在曲勺故障，通过布尔差分法或D算法等

，毫成特定懿溯试弱，敬达捌藏障定位的蠢静。

I)敏化通路

特宠溺试羁裳成豹蒸本愚恕楚敏纯逶鼹，颞键“馥纯遗路”怒选择一条齄毽奄鼯

故障的错误信号传播到该电路的可观测输出端的通路。为此，要适当地选择原始输入

矢量测试玛j【豹攮，馒褥敖簿燕鬻端歪鬻臻号篷与羧簿嫠号蓬辍茨，势曼这今绩弩蓬

的改变应当引起线路的原始输出端逻辑值的改变，从而使故障点的信号差异经过敏化

道路黄攒别输出蠛瑟被梭灏。对潮1，6熬逻辑电爨，设X；端发生了s_a—O勰敖跨，当

猩其输入端加上测试码黔(X。，X。，x0=(1，O，0)时，娜或门G。的输出端4的信号值为“0”，

翻电路正常输出信号“l”相反。这个错谈信号“0”就是该电路的错误输出信号。为

了在电路的原始输出端Y端检溺碧#这种错误信号，必须程与菲门国的5，6端同时加

上“l”，X。豹s-a-O错误才能传播到Y端褥被检测。这时就可以根据Y端的逻辑馑来

潮断是否在x，处发生了s—a-O的敬障(帮Y=O，电路正常；Y=I辩，在x。有s一扩O故

障)。相_陂的测试码x=(X．，X。，X“Xb x。)=1001l。如果对该电路不进行敏化，设与非门

G，的5，6端上毒一个为“0”，粥不管Xt灞是否教生了s～a一0静故障，输斑端Y德为

“1”，这样就掩蘸了x，端的故障，而达不到检测故障的目的。

蓬i。6教耽逶雅毫臻

2)测试磁生成——毒尔麓分法

它的具体做法燕用函数表示电路的逻辑功能，糟对函数的处理来决定被测电路的

9

----------------------- Page 14-----------------------

航空电子设备故障诊断技术研究

原始输入，从而求出测试码。设F(x¨．一，X¨．··)=Y为电路的功能函数，X．为输入，定

义…1：

_dF：F(x”．．，x，)。，(XI'""Xl，．) (1．4．4)
烈

jg．d．F：l，即F(x，．．，x，一)。F(x，．．，i，．)为1，说明当因x．电路出现故障变为章，时
黜

其输出F(x．”．，x，．．)与F(x，．，i，．．)是不一样的，也就是说故障可以被检测。另外对

一阶布尔差分可以证明”1：

_dF：#(一，．，1，．．)。F(_，．，0，．) (1．4．5)
积．

对图1．6的组合逻辑电路，其功能函数Y=F=(z，+x：+b)％‰，E(1)=XsX。

E(O)=(x2+b)黾‰，由式(1．4．5)可得： 篆=E(1)。E(。)3毛‰五墨，要使上式

为1则得到(X。，x“X5'X。)=001l，故对x．为s—a一0故障的测试码应为：

(x1，x2，x“x5，x6)=i001l。

3)测试码生成——D算法

D算法是一种在电路上逐次驱赶传送信号，使故障的影响在输出端表现出来，以

确定被测电路的初始输入，从而求出测试码。其具体思路是：

a．对于给定的电路设定某一故障，并在故障位置上加上错误信号D。

b．求出错误信号D驱动的敏化通路，从设定的故障位置出发，利用按位求交操作，

求出错误信号D向电路某一可检测的输出端的通路。

C．一致性操作。求出满足错误信号D驱动的各端点的条件，以求出测试码。

具体做法见文献[54][563。

1．4．2模拟电路故障诊断的方法与进展I弘靳l

与数字电路诊断技术相比，模拟电路的故障诊断技术研究一直比较缓慢。其原因

大致有两个。一是模拟电路集成度较低，发展的速度也比数字电路慢得多，因此，模

拟电路的测试和诊断的研究缺少强有力的外在动力；另一个重要原因是模拟电路的

测

试与诊断远比数字电路困难，这是由模拟电路本身的特性决定的。目前，依据电路的

仿真是在实际测试之前还是之后，模拟电路的故障诊断方法可以分为：测前模拟诊断

和测后模拟诊断。

10

----------------------- Page 15-----------------------

南京航空航大人学博士学位论文

I．测前模拟法(SBT——simulation before test)

测前模拟法的典型方法是故障字典法(fault dictionary)，它是目前模拟电

路故障诊断中最具有实用价值的方法。它的基本思想与数字电路的诊断相似，即预先

根据经验或实际需要，决定所要诊断的故障集，再求电路存在故障集中的一个故障时

的响应(即作电路仿真)，求响应的方法既可在计算机上仿真，也可在实际电路上仿

真。然后将所得的响应(通常是端口的电压矢量)作必要的处理(如压缩、编码等)，

作为对应故障的特征，将它们编成一部故障与特征对应的字典。在实际诊断时，对被

测电路施加与测前模拟时完全一样的激励和工作条件，取得相应的特征，最后在故障

字典中查找与此特征对应的故障。

由于模拟电路中元件的故障参数是一个连续量，测量响应的数据引入误差是不可

避免的。最困难的是各元件都有一定的容差，因此用字典法即使作硬故障的诊断，其

效果也不如数字电路的字典诊断法。一般地说，字典法只能解决单故障诊断，在实际

应用时几乎不可能实现对多故障的诊断。

2．测后模拟法(SAT——simulation after test)

测后模拟法又称故障分析法或元件模拟法，其特点是在电路测试后，根据测量信

息对电路模拟，从而进行故障诊断。它分为参数识别技术和故障证实技术。

①参数识别技术：它根据电路网络中的拓扑关系、输入激励和输出响应，识别出

网络中所有参数(或参数偏离标称值的偏差)，最后依据每个参数的允许容差范围以

决定网络中的故障元件。参数识别技术也被称为元件值可解性问题。它根据网络诊断

方程的特点，分为线性和非线性两类。其中线性诊断方程一般都有唯一解，可以唯一

地定位故障；而非线性方程一般都存在多解，只能求得局部区域内的唯一解，因此在

故障定位时只能在一定范围内唯一地定位故障。即存在故障定位的不确定性问题。

②故障证实技术：它的基本思想是预先猜测电路中故障所在，然后根据所测数据

去验证这种猜测是否正确，如果二者吻合，则认为猜测正确，故障定位工作结束。当

电路中总的故障种类较多，

各种故障的组合数较大时，这种“猜测”的次数是非常大

的，对每次猜测的测试证实工作量也必然更大。为了减少工作量，同时考虑到模拟电

路的容差问题，常采用网络撕裂法(也称电路切割法)。它是将大的电路网络撕裂为

若干子网络，诊断时先将故障定位到予网络，再由子网络定位到更小的子网络，直到

寻找到故障的最小区域。采用这种分级诊断的方法可以提高诊断效率。

1．5电子设备故障诊断人工智能技术

1．5．1现有电路故障诊断技术的不足

从以上的讨论可以看出，电子设备故障诊断技术虽然取得了不少进展，有些方面

已有较成熟的理论和方法(如数字电路的故障诊断)，但仍有许多不足，特别是对复

Il

----------------------- Page 16-----------------------

航空电子设备故障诊断技术研究

杂的大规模非线性系统故障诊断方法的研究更有待深入地探索。在技术方面，现有的

4i同等级和各种类型的故障诊断装置，能在不同程度上对被测对象进行故障诊断，但

与实际的需求相比，还有相当大的距离。其主要的不足有””“1：

1．故障分辨率不高

现代的大多数故障诊断系统虽然能以很高的速度对被测对象自动地进行故障诊

断，但是由于设备越来越复杂，加上电路的非线性问题，而检测点和施加的测试信号

是受到限制的，因此影响了可控性和可测性。同时造成了故障诊断的模糊性和不确定

性。

2．信息来源不充分

这里有两方面的情况：一是现有的诊断系统通常只搜集被测对象当前状态信息，

而对其过去的状态和已做过的维护工作的信息、故障诊断系统本身的状态信息未加

考虑：二是对被诊断电路其测试的信号大多是电信号如电压、电流等，而对其它性质

的信息较少测试，如温度、图像、电磁场信号等。因此有时根据诊断结果提出的维护

措施不够准确有效。

3．无推理机制，扩展性差

现有的故障诊断系统大多没有自我完善的能力，缺少推理学习机制，可扩展性适

应性较差。

1．5．2本课题研究内容

近年来，人工智能技术及计算机技术的飞速发展，为电子设备故障诊断提供了新

的理论基础和技术手段，产生了一些新的诊断方法，如模糊诊断，专家系统诊断方法

等。本课题以航空电子设备为研究对象，将故障树分析技术和多传感器信息融合技术

引入电子设备故障诊断之中，深入研究了故障信息的

获取方法和处理技术，主要在以

下几方面进行了理论和实验研究：

1．深入研究了故障树分析法的诊断原理，并首次将故障树定性分析法应用到机载光

电雷达电子设备(36E)的故障搜寻之中，取得了比较好的实践效果；对故障树定

量分析法，介绍了一种故障搜寻的测试步骤，即最小割集铡试诊断法，并以实例说

明它的可行性。

2．针对模拟电路的容差、非线性及元件参数相互影响而出现的诊断不确定性问题，

首次将多传感器信息融合技术应用到电子电路的故障诊断之中，并以一简单的信号

放大电路为例，进行了模糊信息融合和神经网络信息融合故障搜寻的实验研究，较

好地解决了模拟电路故障诊断的不确定性问题。同对对两种融合方法的诊断效果进

行了分析比较。

----------------------- Page 17-----------------------

南京航空航火大学博t：学位论文

3．在故障信息获取方面，除了利用探针测试故障元件的电信号外，利用热像仪测试

待诊断元件的温度信号，获取多维故障信息，并利用D．S证据理论进行融合处理，

提高故障定位的准确率。

4．提出Y一种基于实验的故障隶属度函数构造形式及具体的故障目标判定准则，并

以光电雷达电子部件的压．码转换电路板为诊断对象，进行了信息融合故障元件搜

寻，以期将信息融合故障诊断方法实用化。

----------------------- Page 18-----------------------

航空电子没备故障诊断技术研究

第二章故障树分析法(FTA)基本原理

故障树分析法(FTA：fault tree analysiS)是分析系统可靠性和安全性的一种

重要方法。可以用它来分析系统故障产生的原因，计算系统各单元的可靠度，以及对

整个系统的影响，从而搜寻薄弱环节，以便在设计中采取相应的改进措旃，实现系统

优化设计“2‘“。近年来，利用故障树模型进行故障源搜寻的研究引起了人们的注意

12’251，它兼顾了基于规则和基于定量模型诊断的优点。为复杂系统的故障搜寻提供了

一种有效的途径。

2．1故障树的基本概念

1．故障树

故障树(FT)模型是一个基于研究对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的

因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致项事件发生的其它事件为中间

事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间关联的一种倒树状结构的逻辑图。

故障树分析(FTA)不仅能分析硬件的影响，还能分析人为因素、环境因素及软件

的影响；不仅

能反映单元故障对设备的影响，而且能反映几个单元故障组合对设备的

影响，还能把这种影响的中间过程用故障树清楚地表示出来。

2．故障树符号

建造故障树时，通常使用事件符号和逻辑门符号。表2．1为故障树的各种符号的

名称及其意义。

表2．1 故障树符号表

符号 名称 说明

基本事件 不需进一步发展的初始失效事件，也称底事件。
。

待发展事件 由于某种原因还没有发展的失效事件，作底事
◇
件处理。

o 房形事件 它不是失效事件，而是正常预计要发生的事件，

如触发事件。

口 中间事件 通常为其它事件逻辑组合产生的结果。包含顶

事件和中间事件，框中包含了事件的说明。

宙 与门(AND) 事件的“交”操作，仅当所有输入发生时，输

出事件才发生。

离 或门(OR) 事件的“并”操作，只要输入事件有一个发生，

输出事件就发生。

----------------------- Page 19-----------------------

南娘航空航天人学博士学位论文

离 异或门 潞输入事件任何一个发生时，都会引起输如事

搏发生，毽输入攀馋不能囝酎发生。

∞ 禁止门 渴条件满足时，输入存在，即有输出：当条件

不满足对，即使输入存在，也无输出。

转入符 驭另外的fj接受输入，哭麓接受胍一个f1来的
A
输入，与转出符配合使用。

l△ 转密符 输蠢至翁外静门，可以被多个门矮受，与转入

符配合使熠。

3。故障撼建遣

建遗故障树是FI'A最为关键的一环，只有建造出正确合理的故障树．才能搜寻到

宾正戆敲障部释。建褥麴一黢步壤菇：

①广泛收集并分析有关技术资料。要求建树者对设备必须有深刻的了解，故障的定义

要壤确，设备熬边界确定要会理。

⑦选择顶事件。找出设备的所谢可能的故障模式，以最不希望发生的故障模式作为顶

事钵。

③将弓陡l项事件的全酃蠢接原溺零件(禽硬件敲簿．软件故障．A为因素，环麓因素

等)黢于相戏原因事你符号中作为第二级，势掇据它们之间的逻辑关鬟用逻辑门连
接

】贾搴件秘这些壹臻藤蠢事释。

④如此逐级向下发展，盥到最低～级原闲事件都不能再分的底够件为止，这样便建造

出一撩浚绘定璜事孝}楚“穰”，孛闻搴律鸯“校”，底事箨秀“峙”静翻霪藤N级数

障树。

@数障褥静篱他。麓往鼹甄刚楚去簿遂辑多余事译，躅籀蕈瓣逻辑关系表示之。常用

的简化方法有“修剪法”和“模块法”，前者就是用目测或布尔代数逡算吸收以去

簿逻辑多余事件；蜃裔是将兹跨辫中躲藏事锌纯成著予令窟攀绺的集合，每令集合

都是蕊斥的，即其包含的底攀件在其他集合中不重复出现。

2．2故障树的定性分析

故障树的定性分析是故障树分析最为关键的～步，是定量分析的基础。故障树定

瞧努橱鹩嚣懿在子寻找导致颈攀佟发笺筑基奉攀传(底搴棒)竣蕊零事孽掌的组合，繇

识别出导致顶帑件发生的所有故障模式。由于故障信息静时难以获得，特别是人的可

靠牲难默定量纯。畜时故障辫势辑往往只能避褥爨定毪狯段，鄂寻找裂技簿耱鹃全帮

最小割熊。

一般她说，敞障树定性分掇王律包糖以下三方嚣内容；一是对数肄挺避行嫂藏他

处理，将非规范化的逻辑门或事件，蘅如禁止门，异或门。房彤事件等按等效变换为

媲范化的逻辑门域事件，使建造出来的赦障树为仪含有蒸本事件、结果零{牛以及“与”

、“或”等死种逻箨趣黥敌障拇：二楚辩教障辩进行蓠纯秘模块纯处理，这对减／j、鼓

----------------------- Page 20-----------------------

航空电子设备故障诊断技术研究

障树的规模，节省处理工作量是有好处的：最后，采用敞障树算法(上行法或下行法)

对敬薄掇箍理，嫣到赦障秘全都最小裁集。

2．2．1故障树的数学描述

假设所磷究的设备及其缀戒的部{串、元释等只敬正常霸敌簿嚣耱状态。著骰设部

件、元件的故障是相互独立的。研究一个由n个独立的底事件构成的故障树。设x．

为底攀{孛i豹状态交繁，x；仅敲0或l耀耱状态。审表示疆事锌懿获态变量，◇凌仅

取0戏1两种状态。则有如下的定义：

铲毙 瘸事箨i发生(邦髂，元{牛敲簿)

底事件f不发生(部件，元件正常)

顶事侔发生(设备馥障)
(2．2．2)
国=骺 顶事件不发生(设备正常)

故障楗顶事侔怒设备所不希望发生韵藏障状态，垂=l：鞫应的赢事俘获态爻元

件故障状态，Xi=1。顶事件状

态中完全由故障树底事件状态x所决定，即中=中(X)，

其中X=(一，％，．．．，x。)，称毒(X)为故障树的绩梅函数e

结构聪数是表零设备状态的一糖毒尔礁数，其鱼变量为该设备组成单元的状

态。不同的敞障树商不同的逻辑结构，从而对应不冈的结构函数。

(1)卑门结构函数

①(Ⅳ)=nx (2．2．3)

式中13为底事件数。当x。仅取0或l两值时。式(2．2。3)可改写为；

蝌)=Ⅱ薯 (2。2。垂)

当全郝部{孛、元终敖瓣砖，设备才毒数簿，这静与门缝揍露数对应豹兹障挝如图

2．1(a)所示。按布尔遂算法则，只要其中一个xi=O(即第i个部件、元件正常)，则

o(x)=O(设釜正常)。这就是可靠性分析中的磐联摸擞。

圃 圃
也 池

(a)与门 彻戏门

踅2。l苓露续糖敖豫瓣

----------------------- Page 21-----------------------

南京舷空航天入学磷士学位论文

(2)或门结构函数

m(Ⅳ)=Ux (2．2．5)

坶I

当x。仅取0藏l两傻辩，上式哥戬菠写为：

啾x)=1-秘(1-x；)

上式说明只要一个部件、元件故障，设番有故障。其故障树如图2．1(b)所示，按布

尔运算法捌，只要其中一个x产l(帮第i个部彳牛、元俘放障)，则静(x)=l(设备敌障)。

这就是可靠性分析中的串联模型。

(3)教漳辫缭擒嚣鼗

对任意一棵故障树，都可以简化为由逻辑与门和或门以及底事件组成的形式。因

孬萃{j孀逻辑门懿毒尔表示霹班蓦冬放薅拷翡臻事传豹状态霉表示为底事{串滚态变量

一，X。¨，茸。的布尔表达式。如图2．2所示的故障树，其结构函数诃以表示为：

o(搿)=善lUx2U【03Ux．Ux，Ux6)fl(x3Ux7Ux5U魂)】
=黾Ux2Ux3U“x4Ux，Ux6)n(J7U屯U‰)J (2．2．7)

=tU屯U也U沁fix，)U嘞0‰

图2．2 故障树结构图

不难看蹬，设备越复杂，其结章鸯濑数逢越茏长复杂，不馁乎定经分析霍定蠢诗算。在

此引入最小割集的概念，以简化结构函数。

2。2。2粼集和簸夺副黛

故障树定性分橱的嗣的是寻找导致顶事件发生的原鼹或原因缀合，识嬲导致顶事

体发生酌所有敬簿模式，帮所有簸小裁巢。

----------------------- Page 22-----------------------

航空电子设备

故障诊断技术研究

(1)割集及鼹小割集的定义

蘸疆裁黛是指设备豹一些底事饽嶷合，当这些残攀馋同瓣发生对，顶事l牛必然

发牛：而最小铷集是指割集中所含的底事件除去任何一个时，就不再为割集了。一个

最小割集代表设备的一葶中赦障模式，故障诊断时，可以逐个测试最小割集即故黠模式，

从而搜寻故障源。

(2)最小割嶷的的求解方法

醺备故障树最小澍集的求解方法较多，常甭的育下行法军稀上行法。

①下行法(fussel—vesely算法””)

故障瓣最，l、割集求解酶下行法是采雳由一乏褥下豹救漳饕接寻法，宅楚稷据逻辑与

门仅增加割集容量，不增加割集的个数；而逻辑或门增加割集个数，不增加割集底事

{孛数瓣豹搜矮，赉土嚣下，逶副与门裁恕与门下瑟囊蠢辕入事箨邦撼列予一露，遇到

或门就把或门下面所商输入事件都排列于一列，依此类推，一盥到不能分解，全部换

成底零撵为垂。这样褥到的割簇再通娥嚣两毙较，根据鼹，j、割集静定义，去必辫些菲

最小割集，余下的即为故障树的全部最小割集。对图2．2的故障树其下行法求解过程

如表2．2所示。

寝2．2 下行法嶷小害《集求解避程

步骤1 步骤2 步骤3 步骤4 步骤5 步骤6

XI XI X’ Xl Xl Xl

M。 ％，№ x，，地 ＆，Xs

X2 X2 x“阮 Xh X， 融 X3

x5，№ X“Xs

x8，耗 Xa，X5

X2 X“ X， X●， X3

Xb X{ _}[I，赫 瓠，X7

X“ X5 X“ Xs

X自妫 知，＆

X舢 X3

Xb轴 瓠 xs

X5， Xs

x“‰

X6，X3

Xb X7 ‰ ‰

X‘， X5

】【．，‰

恐 而 盖2

----------------------- Page 23-----------------------

南京航空航天人学博士学位论文

步骤l：顶事件下面为或门，故x；，M。X：各自排成一行；

步骤2：M．下面为与门，将M：