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机电产品BIT系统传感层降虚警的理论与技术研究

杨光  
【摘要】:武器装备及机电产品的日益复杂化和精密化,要求产品在设计阶段就要考虑系统的可靠性、维修性和测试性。机内测试(Built-in Test,BIT)技术是实现上述要求的有效途径之一,它在保证装备战备完好性、提高维修效率方面起着重要的作用。目前,BIT系统中虚警率较高是阻碍其进一步发展和应用的主要原因之一,如何降低和防止虚警是BIT技术研究中亟待突破的关键问题。针对该问题,本文开展BIT系统中传感层虚警产生的原因与机理分析及降低和防止虚警的理论与技术研究,主要研究内容及结论如下: 1) 虚警原因和机理分析是降低和防止虚警技术研究的前提和基础,针对该问题的研究现状,采用基于BIT的信息处理流程进行虚警产生原因及机理分析的策略,对BIT信息处理流程中各环节影响BIT虚警产生的原因进行了总结和分析。重点对数据获取层(传感层)虚警产生的原因和因素,从机理分析和数学建模两方面进行了深入研究,证明BIT系统传感层输出数据偏差或异常是导致虚警的重要原因之一。 2) 针对BIT系统传感层导致虚警的主要原因——传感器数据偏差或异常,进行了传感数据质量的影响因素分析和传感器不确定性分析。首先通过对传感器数据质量的定性研究,给出了异常数据的判定依据和准则。然后采用测试系统分析方法对导致不同数据异常变化类型的各种物理因素进行了总结和提炼。在此基础上,研究并实现了传感器系统的不确定性静态分析算法,它可有效揭示各种因素对传感器数据不确定性的影响程度。同时,为得到传感器在长期使用过程中的性能变化趋势,研究提出了不确定性动态分析算法,可获取传感器在执行功能过程中随时间发展的不确定性演化曲线。数据质量影响因素分析和不确定性分析结果为实施降低和防止虚警措施提供了定性和定量的依据。 3) 为在BIT系统传感层实现降低和防止虚警,开展了BIT系统虚警率及其传感层影响参数的数学建模分析。在构建和分析传统BIT系统虚警率数学模型的基础上,针对传感层影响因素,提出传感层反馈型BIT模型,系统地证明了改进型模型在降低虚警率、提高检测率和减少输出数据的不确定性等方面的有效性。分析确定了在传感层降低和防止BIT虚警主要是控制传感器系统故障率λ_S和测试数据异常检测的漏检率β_S两个关键参数,从而为BIT系统传感层降低和防止虚警的技术研究提供了理论指导。 4) 针对传感器系统硬件故障率λ_S的抑制问题,即如何解决传感器硬件故障带来的虚警问题,开展了传感层硬件优化设计技术研究。首先总结提出了机电设备BIT系统传感器优化选择的一般方法和原则。然后根据M-Out-Of-N原则对系统可靠性 国防科学技术大学研究生院学位论文 进行分析,得到系统可靠性受传感器数目和单个传感器故障率的限制而存在极大 值的结论,同时,针对多目标优化问题,获得了多目标优化过程中需要按照设计 目的选择多目标的优化顺序的结论,这些能较好地指导布局优化过程的实现。最 后,在考虑传感器失效概率的情况下,以传感器的失效概率和最小及传感器总价 格最小为优化目标,以故障检测率、故障隔离率及故障虚警率为约束,基于系统 故障—传感器的有向二部图模型,提出了基于非线性整数规划(MINLP)模型 的传感器布局优化方法。理论分析和案例分析应用表明,该模型方法有效、实用。 5)针对传感器系统数据异常检测漏检率几的抑制问题,即如何解决传感器数据输出 异常带来的BIT虚警问题,进行了基于传感器证实的降低和防止虚警技术研究。 在详细剖析传感器证实技术原理的基础上,针对机电BIT系统的特点,研究并改 进提出了基于传感器因果网络模型的传感器数据证实算法。该算法基于传感器因 果网络提供的冗余信息,通过链接状态检测发现异常节点,利用节点之间的影响 得到目标节点集合,最后融合相关链接状态信息实现目标传感器的证实。理论分 析和案例分析应用表明,该算法实时性较好,能有效辨识系统中出现输出异常的 传感器,有利于降低BIT系统的虚警率。 6)以某机电跟踪与稳定伺服平台BIT系统为研究对象,应用本文提出的虚警机理分 析方法和降低虚警技术,分析了该BIT系统传感层产生虚警的原因和主要影响因 素,对BIT系统的传感器选择、布局进行了优化设计,并在该BIT系统中实现了 基于传感器数据证实的算法。 关键词:机内测试虚警虚警率传感器系统不确定性分析传感器布局优化 传感器证实 第IV页


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