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1、7 2 测控技术)2 0 0 6 年第2 5 卷第3 期飞行器远程故障诊断与健康监控王仲生，隆莹(西北工业大学航空学院，陕西西安7 1 0 0 7 2)摘要：通过对飞行器故障机理与人、机、环境的相关性研究，利用人工智能理论和方法，提出了一种飞行器网络化远程故障诊断与健康监控方案，并对其实现技术进行了分析与研究，为提高飞行器运行的安全性和可靠性及对早期故障的适应与防护能力提供了一种新的技术途径。关键词：飞行器；远程故障诊断；健康监控中图分类号：T P 2 7 7文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 8 8 2 9(2 0 0 6)0 3 0 0 7 2 0 4R e m o t eF a u
2、l tD i a g n o s i sa n dH e a l t hM o n i t o r i n go nS p a c e c r a f tW A N GZ h o n g s h e n g，L O N GY i n g(C o l l e g eo fA e r o n a u t i c s，N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y，X i a n71 0 0 7 2，C h i n a)A b s t r a c t：As c h e m eo ft h en e t w o r
3、 kr e m o t ef a u l td i a g n o s i sa n dh e a l t hm o n i t o r i n go nt h es p a c e c r a f ti sp r o p o s e d I t i sb a s e do nr e s e a r c ho ft h es p a c e c r a f tf a u l tm e c h a n i s ma n dr e l a t i o n s h i po fM a n M a c h i n e E n v i r o n m e n t，a n da r t i f i c i
4、 a li n t e l l i g e n tt h e o r ya n dm e t h o da r eu t i l i z e d T h ea c q u i r e m e n to ff a u l ti n f o r m a t i o n，t h ec o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i s s i o no fd a t a，t h ed i a g n o s i sp r i n c i p l ea n dc o o p e r a t i o nm e c h a n i s mo fd i s t r i b
5、 u t e da g e n t s，a n dt h er e a l t i m ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fs p a c e c r a f ta r ea n a l y z e d I tp r o v i d e san e ww a yt oi n c r e a s es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo nt h es p a c e c r a f ta n dt h ea b i l i t yo fa d a p t a t i o na n dp r o t e c t i
6、 o no nt h ee a r l yf a u l t K e yw o r d s：s p a c e c r a f t；r e m o t ef a u l td i a g n o s i s；h e a l t hm o n i t o r i n g空间飞行器是综合运用了空间、能源、材料、信息等多种高新技术于一体的大型复杂工程系统。空间飞行器在发射、轨道运行和回收过程中，随着工作时间的增长和内、外部环境的急骤变化，不可避免地会发生故障。这些故障，轻则对飞行器的安全构成了潜在危险，重则影响飞行器的安全和性能，甚至造成机毁人亡。航天史上许多惨痛教训提醒人们，为了保证航天器安全可靠
7、运行，减少和避免一般事故，尽可能防止重大事故发生，必须加强航天器的安全防护工作。为此，提出了对飞行器进行网络化远程故障诊断与健康监控的方案，对提高飞行器的安全性和可靠性及对早期故障与突发性故障的适应防护能力，具有一定的工程应用和参考价值。1空间飞行器的故障特点空间飞行器从地面发射、上升、轨道运行到返回着收稿日期：2 0 0 5 0 6 0 1基金项目：国家自然科学基金资助项目(6 0 4 7 2 1 1 6)；航空科学基金资助项目(0 3 1 5 3 0 6 8)作者简介：王仲生(1 9 4 6 一)，男，教授，主要研究方向为智能故障诊断与状态监控。陆过程中，要经历高温、高压、高真空、微重力、
8、超低温等恶劣环境的急骤变化，同时，要承受太阳电磁辐射、太阳宇宙射线和微流星体的作用，加之构成飞行器的元器件繁多且结构复杂，这样就使得空间飞行器故障与地面设备相比更具有特殊性。概括起来，空间飞行器故障主要有以下特点。(1)突发性。突发性故障的发生和发展通常时间很短，如燃料泄漏、结构断裂、空间碎片的撞击等。这类故障对飞行器的安全性往往造成严重威胁，若不及时采取有效措施，可能会导致灾难性后果。(2)随机性。空间飞行器是集推进、制导与控制、遥测与遥控、结构与防热、电子与电气、再入与回收等系统于一体的极其复杂的大系统，它通常有数十万甚至上百万个机、电、光元器件组成。这些系统和元器件之间既互相独立，又紧密
9、耦合，一个元器件或分系统故障，可能导致另一个(些)元器件或分系统故障，这样就使得故障的产生常常带有随机性。(3)相关性。相关性是指某些分系统的故障常常是由与之相关的子系统或下一级子系统的故障传播所导致，而且故万方数据飞行器远程故障诊断与健康监控7 3 障与征兆之间往往不是一一对应关系，从而导致了故障的相关性。(4)不确定性。由于传感器测点位置和数量的限制，这就导致了信息的不完全性和故障部位与原因的不确定性。从空间飞行器的故障特点可以看出，使用单一的方法很难完成飞行器故障诊断的最终目标，必须利用多种方法的整合才能获得满意的结果。因此，建立天地一体化远程故障诊断监控系统是提高飞行器安全性与可靠性的
10、一条有效途径。2 远程故障诊断与健康监控方案设计空间飞行器远程故障诊断与健康监控方案如图1所示。图1飞行器远程故障诊断与健康监控方案该系统采用在轨监控诊断、地面监控诊断和远程诊断维护三级监控诊断策略。在轨监控诊断主要用于飞行器常见故障的监测、监视和监控，并通过机上人员对故障进行快速实时处理。在轨监控诊断系统由数据采集A g e n t、故障诊断A g e n t 和融合中心组成江o。数据采集A g e n t 负责完成数据的获取和管理，可根据监控诊断的需要，将采集到的数据分配给不同的模块。故障诊断A g e n t 通过对来自数据采集A g e n t 的数据进行分析，从而给出对故障情况的初步
11、判断。融合中心进一步对各个故障诊断A g e n t 的结果进行融合分析，给出更加全面准确的诊断结果。在轨监控诊断过程如图2 所示。果图2 在轨监控诊断过程示意图对于复杂故障和在轨监控诊断系统无法确诊的故障，可通过地一空通信系统将故障信息传递给地面监控诊断中心。地面监控诊断中心是整个系统的核心，它由多个具有高度智能化的监控诊断模块组成。这些模块对地一空通信系统传输的数据既具有各自独立分析和识别的功能，各模块之间又互相协作和协同监控诊断。同时，地面监控诊断中心利用高级诊断维护系统、飞行物理模拟系统和远程诊断维护专家系统提供的信息，能对故障做出快速准确地判断，并将监控诊断结果通过地一空通信系统传递
12、给在轨监控诊断系统，或发出指令对故障进行补偿、隔离、抑制和消除，以保证飞行器安全可靠运行。远程诊断维护专家由分布在不同地域并对疑难故障具有独特识别和维护功能的模块组成“J，它可以通过通信网络与监控诊断中心进行信息交互，并协助监控诊断中心对故障做出决策。飞行器远程故障诊断与健康监控系统具有以下特点：由于采用在轨、地面和远程三级诊断策略，提高了监控、诊断、维护的实时性和有效性；在轨监控诊断系统采用分布式智能体结构，每个A g e n t 既互相独立，又互相协作，大大简化了系统结构；(重)A g e n t 是一种对故障具有监测、自诊断、自补偿、自修复、自适应、自消除的功能模块，它能感知环境变化和接
13、收外界指令，并具有采取相应行动的能力；该系统克服了地域障碍，实现了多系统、多专家协同监控诊断，提高了诊断结果的可靠性。3 远程故障诊断与健康监控功能的实现3 1 故障信息的获取飞行器故障信息主要来自3 个方面：一是来自飞行器内部信息，如密封泄漏、结构损伤、零部件断裂、操作失灵、振动、冲击等；二是来自环境信息，如高温、高压、宇宙射线、空间碎片袭击等；三是来自历史数据，如各种历史资料和数据。飞行器故障信息的来源如图3所示。图3 飞行器故障信息的来源为了从故障信息中提取出飞行器的故障特征信息，可采用分级分布式处理策略，即首先对故障信息进行分级和分类，再通过融合、集成和优化，就可得到飞行器工作状态的特
14、征信息。3 2 数据通信与传输飞行器与地面通信方式如图4 所示。地一空通信系统可采用时分多路和频分多路的方式进行信息传输。随着现代通信技术的发展，地一空通信也可采用G P S 全球卫星定位系统。地面通信系万方数据7 4 测控技术)2 0 0 6 年第2 5 卷第3 期统可采用美国N I(N a t i o n a lI n s t r u m e n t)公司提供的基于T C P I P 协议的D a t aS o c k e t 网络编程技术。D a t aS o c k e t 支持本地文件I O 操作、F T P 和H T r P 文件传输及实时数据共享，并提供统一的编程接口。图4 飞行
15、器地一空通信系统D a t aS o c k e t 由D a t aS o c k e tA P I 和D a t aS o c k e tS e r v e r 两部分组成。D a t aS o c k e tA P I 用来提供统一的编程接口，作为客户机可以在多种编程环境下与多种数据类型进行通信；D a t aS o c k e tS e r v e r 是一种独立的服务器组件，通过该服务器，使用D a t aS o c k e tA P I 程序可以发布并以很高的速率传播实时数据到其他远程客户端。由于D a t aS o c k e t 是对W i nS o c k e t 的高级封装
16、，因此具有编程工作量少、使用方便等优点，使用时，可以将现场采集的数据发送到D a t aS o c k e tS e r v e r，用户通过在浏览器上访问W e b 页面，就可以实现远程数据通信。3 3 分布式A g e n t 的诊断原理及协作机制A g e n t 可以看成是利用传感器感知环境、并使用效应器作用于环境的一种实体L 5 j。在轨监控诊断系统采用的是分布式A g e n t 结构，根据任务的不同分为数据采集A g e n t 和故障诊断A g e n t，而不同的数据采集A g e n t 又负责飞行器不同子系统的数据采集任务。同样，对于不同的子系统，各故障诊断A g e n
17、 t 所采取的诊断方法也有所不同。例如，对于飞行器的电源系统来说，故障诊断A g e n t 采用产生式规则的诊断方法；而对于飞行器动力装置的故障诊断，则采用基于模型的诊断方法。对于一些需要进行综合分析的复杂故障的诊断，则需要通过融合中心的综合分析才能给出准确的判断。此外，各故障诊断A g e n t 所采用的结构也有所不同。故障诊断A g e n t 采用的结构有慎思式、反应式及混合式3 种类型。j。慎思式A g e n t 是一个显式表示关于世界的符号模型，能基于模式匹配和符号操作进行逻辑推理，它保持了经典人工智能的传统，是一种基于知识的系统。反应式A g e n t 不包含符号表示的世界
18、模型，并且不使用复杂的符号推理，它能依据处境执行习惯动作，并能快速响应环境变化。混合式A g e n t是反应式A g e n t 和慎思式A g e n t 的组合。因此，对于一些简单的或是紧急的故障情况，可以采用反应式A g e n t结构，即不需要进行复杂的推理就能快速给出诊断结果；而对于较复杂的或不是很紧急的故障情况，可采用慎思式或混合式A g e n t 结构。反应式A g e n t 和慎思式A g e n t 的结构如图5 和图6 所示。图5 反应式A g e n t 结构图6 慎思式A g e n t 结构采用分布式A g e n t 结构的优点如下：(1)分布性。整个系统的信
19、息，包括知识、数据和控制等，无论是在逻辑上或者是物理上都是分布的，从而提高了系统的处理效率。(2)协同性。各个子系统协同工作，能够解决单个领域专家难以解决或者无法解决的困难，提高了求解能力，扩大了应用领域。(3)容错性。系统具有较多的冗余处理节点、通信路径和知识，能够使系统在出现故障时，仅仅通过降低响应速度或求解精度，就可以保证系统正常工作。(4)独立性。把求解任务归为几个相对独立的子任务，从而降低了各个子系统求解问题的复杂性。(5)快速性。由于A g e n t 具有自动感知环境的能力，并对早期故障具有一定的敏感性，因此可以提高故障诊断速度，特别是对早期故障和突发性故障能够快速做出反应，并提
20、供对策。3 4 实时状态监控远程故障诊断和健康监控不但要求不同地域的诊断维护专家对飞行器的工作状况有十分清楚的认识，而且要求专家与专家之间、专家与指挥现场之间能够实时地交互信息。为了增强现场临近感，除了将分布在飞行器各关键部位的传感器采集的故障信息实时地传输到地面监控诊断和异地诊断维护专家外，还可以采用视频技术将飞行器运行的状态信息传输给诊断维护专家，以提高远程诊断和健康监控效果，分布式虚拟现实技术为此提供了条件和可能。使用时可以将采集的信息在前传机上构造一个虚拟现实环境，然后通过互联网与各诊断维护专家进行信息交互，这样，使每个万方数据飞行器远程故障诊断与健康监控7 5 专家都投入到现场发生的
21、事件或过程中，可以极大地改善诊断维护专家对现场情况的感知和专家与现场之间的信息交互，从而能更有效地对飞行器进行远程故障诊断和监控。4 应用前景展望随着空间科学技术的快速发展，空间飞行器的安全性和可靠性越来越引起人们的重视。为此，人们进行了广泛的研究，并取得了许多研究成果。1 9 9 0 年，R o g e r s 等利用人工智能技术，开发了航天飞机主发动机实时故障诊断系统旧1；1 9 9 8 年，n i j a b r i 等将自动化技术与融合技术相结合，采用远程智能体R A(R e m o t eA g e n t)，对探测1 号成功地进行了故障诊断一1；随后，1 w a t e 等利用基于
22、知识的专家系统与多传感器技术，对卫星系统进行故障诊断与健康监控。我国在空间飞行器故障诊断方面也进行了卓有成效的研究，北京控制工程研究所针对人造卫星研制出了实时故障诊断专家系统原型S C R D E S，哈尔滨工业大学、国防科技大学、中国空间技术研究院等单位开发了载人飞船、推进系统等故障诊断系统0【。但由于空间飞行器工作环境的复杂性和监测诊断手段的不完善，还时有灾难性事故发生。因此，不断完善现有的故障诊断技术，并利用日新月异的现代科学和技术来发展新的诊断系统，是空间飞行器故障诊断技术的一个重要研究方向。本研究提出的空间飞行器三级协同诊断监控方案，就是将故障诊断与现代通信和计算机网络技术相结合，为
23、在我国建立空间飞行器远程故障诊断与健康监控系统平台提供技术支撑。该诊断监控乎台能够将不同地域的科研院所、高等院校、研究中心和故障诊断维护专家等有机地联系在一起，充分利用各种有效资源，在地面监控诊断中心、远程诊断维护专家和在轨监控诊断系统的协同作用下，快速、准确地对飞行器故障做出判断和决策，并提供最佳维护监控方案。该平台的建立，对发展我国航天事业和提高空间飞行器的安全性和可靠性，具有重要的工程应用和参考价值，并将产生显著的经济效益和社会效益。参考文献：1 荣吉利空间飞行器在轨智能故障诊断技术研究 D 哈尔滨工业大学，1 9 9 6 2 滕召胜，等智能监测系统与数据融合 M 北京：机械工业出版社，
24、2 0 0 0 3 杨孟州，等分布式虚拟现实系统体系结构研究 J 计算机应用研究，2 0 0 0，(7)4 张荣涛，等远程分布式智能故障诊断系统的结构研究 J 组合机床与自动化加工技术，2 0 0 0，(9)5 朱大奇，等基于多智能体复杂工程系统故障诊断研究 J 计算机集成制造系统，2 0 0 4，l O(6)：6 9 9 7 0 3 6 史忠植智能主体及其应用 M 北京：科学出版社，2 0 0 1 7 L u xA，S t e i n e rD U n d e r s t a n d i n gc o o p e r a t i o n：a na g e n t Sp e r-s p e e
25、 t i v e A I n：P r o c o ft h eF i r s tI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nM u l t i-a g e n tS y s t e m，S a nF r a n c i s c o，1 9 9 5 8 R o g e r sJ o h n S，e ta 1 O b j e c to r i e n t e df a u l td i a g n o s i ss y s t e mf o rs p a c es h u t t l em a i n e n g i n e e r i n g R
26、 N 9 0-2 7 3 1 5。9 叫a b r iA b d u l l a h S，e ta 1 I nf u s i o no fa u t o n o m yt e c h n o l o g yi n t os p a c e-m i s s i o n s-D S lL e s s o n sL e a r n e d R A 9 8 3 4 4 6 0 1 0 范显峰，等基于模型的卫星热控系统故障诊断技术研究 J 哈尔滨工业大学学报，2 0 0 1，(3)：3 1 8 3 2 0 口中国电子技术标准化研究所决定在数字电视测试和认证中将优先选择泰克公司测试设备i2 0 0 6 年
27、2 月6 日，全球领先的测试测量及监视设备供j 应商泰克公司发布消息：中国电子技术标准化研究所(C E 一：s I)已决定在其数字电视测试和认证中心中优先选用泰克公i 司的测试仪器。这样，C E S I 就可以使用泰克公司的新型测i 试设备对国内的数字电视制造商提供高质量的产品检验和l 认证服务。在C E S I 数字电视标准符合性检测中心所使用：的新型的测试设备包括有V M 5 0 0 0、M T S 4 3 0、M T X I O O A 等视i 频测试仪器以及T D S T l 0 4 示波器。；作为中国国内唯一的按照国家法定标准进行数字电视产品认证的第三方质量评估主体部f-1，C E
28、S I 代表中国政府；对全国的数字电视产品和相关设备进行检验、审查和认证。i 随着国内数字电视的迅速发展，C E S I 加强了其数字电视测i 试系统，以支持开发中的行业标准和适应不断变化的市场!中的更为复杂的测量需求。C E S I 在其测试平台中整合了泰：克公司的测试设备，将为设备制造商和广播业主在最新的：高速电子技术和数字电视中提供测试服务和技术支持。整0 l|I m _ m m】1 1|”，十_|l“|合后的高级测试工具将进一步提高工作效率、节省测试时间，并能够获取更加可靠的测试结果。除了上述新增加的测试仪器之外，C E S I 在其测试和互操作性实验室中已经拥有了V M 7 0 0
29、T 自动视频测量系统、M T S 4 3 0M P E G 测试系统、M T X I O O AM P E G 记录器和播放器、P Q A 3 0 0 图像质量分析仪、W F M 7 0 0 M 波形监视器和T D S 7 4 0 4 B 数字荧光示波器等。这次新增加的购置仪器证明了中国电子技术标准化研究所对泰克公司测试仪器的肯定和认可。V M S 0 0 0 自动视频测量系统是用于测试H D T V 和P C 图形视频器件(如数字机顶盒、多媒体个人电脑和视频半导体器件等)的测量工具。它能够对分量模拟视频信号提供自动的、实用的、可靠的和全面的质量评估。它支持当前消费视频器件中广泛采用的各种S D、H D T V 和P C 图形视频信号格式。V M S 0 0 0 能够按照E I A、S M P T E 和V E S A 标准简化信号的符合性评估过程。口万方数据