一种电子设备健康评估装置

技术领域

本发明涉及飞行器健康管理技术领域，特别涉及一种电子设备健康评估装置。

背景技术

在飞行器健康评估领域，一般基于实时性能参数评估对象的健康状态。随着飞行器的数字化发展，电子设备在飞行器中的应用越来越多，电子设备健康评估的重要性日益凸显。目前，飞行器机载电子设备依赖于机内自测试诊断，缺乏用于健康评估的实时性能参数，导致面向飞行器电子设备的健康评估难以实现。除此之外，多数飞行器健康评估方法不区分系统的逻辑结构，系统级与部件级的健康评估方法几乎没有区别，总而言之系统级健康评估没有体现系统的串并联逻辑结构。为实现电子设备的健康评估，亟需在缺乏性能参数的情况下评估部件的健康状态，在此基础上考虑系统的串并联逻辑结构，对电子设备进行系统级健康评估，从而提高电子设备的健康评估能力。

发明内容

本发明的发明目的在于一种电子设备健康评估装置，解决基于故障风险的电子系统健康评估的问题，从而支持飞行器的健康管理。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种电子设备健康评估装置，包括部件级健康评估模块和系统级健康评估模块；

部件级健康评估模块包含模糊严酷等级计算模块和部件健康度计算模块，模糊严酷等级计算模块用于将部件严酷度等级模糊隶属度去模糊化，获取部件的模糊严酷度等级；部件健康度计算模块用于分析部件的可靠度、模糊严酷度等级和机内自测试，基于部件的故障风险评估部件的健康度；

系统级健康评估模块包括部件权重自适应构建模块和系统健康度计算模块，部件权重自适应构建模块基于部件的模糊严酷度等级构建相对重要性判断矩阵，并采用自适应调整算法调整相对重要性判断矩阵，使相对重要性判断矩阵和部件的权重向量通过一致性检验；系统健康度计算模块根据部件健康度和系统内的通过一致性检验的部件的权重向量，先分析电子设备的可靠性框图，据此得到各系统的逻辑结果，进而根据串并联关系选择系统健康度的计算方式得到系统健康评估。

较佳地，模糊严酷度等级计算模块使用故障类型影响和致命度分析法分析部件，构建部件的严酷度等级模糊隶属度：在确定严酷度等级集合V后，建立评价小组，对各部件的各级严酷度进行评价，得到每个部件的各严酷度等级的评价，统计各部件每个严酷度等级的支持人数x

在构建了部件的严酷度等级模糊隶属度向量B后，根据严酷度等级集合V，采用重心法计算部件的模糊严酷度等级S，并对进行归一化处理，如公式(1)所示：

S＝VB

较佳地，部件健康度计算模块分析处理部件的故障率h和初始可靠度R

基于部件的故障风险计算部件的健康度，并根据部件的机内自测试诊断报告选择部件健康度的计算方式，最后计算部件的健康度，如公式(3)所示：

其中，BIT为0表示部件无故障，为1表示部件故障。

较佳地，部件权重自适应构建模块包含相对重要性判断矩阵模块、部件权重计算模块、一致性指标检验模块和判断矩阵自适应调整模块；

相对重要性判断矩阵模块根据系统内各部件的模糊严酷度等级S，计算部件的相对重要性判断矩阵R，根据九标度判断尺度的范围调整相对重要性矩阵，调整系数为L，系统的相对重要性判断矩阵如公式(4)所示：

R←[S

部件权重计算模块根据相对重要性判断矩阵R计算部件的权重向量：首先对相对重要性判断矩阵R行列方向求和，得到列和向量CS

W＝RS

一致性指标检验模块对相对重要性判断矩阵模块、部件权重计算模块计算出的相对重要性判断矩阵和部件的权重向量进行一致性检验：首先计算相对重要性判断矩阵R与权重向量W的点乘，再与权重向量W进行数除，得到向量λ，并对向量λ求取平均值，得到最大特征根λ

判断矩阵自适应调整模块对相对重要性判断矩阵进行自适应调整，首先初始化调整系数d，将相对重要性判断矩阵右上角元素逐个调整，调整元素r＝r

较佳地，系统健康度计算模块输入部件健康度计算模块完成的部件健康度HI和部件权重自适应构建模块完成的系统内部件的权重向量W，根据系统的可靠性框图，按照可靠性框图的逻辑结构分层级计算系统的健康度，如公式(7)所示：

本发明的有益效果在于：

在无性能参数情况下，实现了电子设备的健康评估，提供了新的部件健康评估方法，即基于故障风险实现了部件健康度的评估，同时区别于其它系统健康评估方法，基于系统的可靠性框图或逻辑结构选择系统健康度计算方式，避免了权重稀释问题，实现了系统级的健康评估，并且基于故障风险的健康评估采用解析式计算方法，计算速度快，此方法不仅可以应用于地面系统的健康评估，还可以应用于机载系统的健康评估。

附图说明

图1为基于故障风险的系统健康评估装置结构图；

图2为某航空电子设备系统可靠性框图；

图3为基于故障风险的系统健康评估算法框架图；

图4为部件健康度与故障发生概率、模糊严酷度等级的关系图；

图5为某航空电子设备系统健康度分类统计图；

图6为某航空电子设备系统健康度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本实施例所示的一种电子设备健康评估装置，包括部件级健康评估模块和系统级健康评估模块；

部件级健康评估模块包含模糊严酷等级计算模块和部件健康度计算模块，模糊严酷等级计算模块用于将部件严酷度等级模糊隶属度去模糊化，获取部件的模糊严酷度等级；部件健康度计算模块用于分析部件的可靠度、模糊严酷度等级和机内自测试等信息，基于部件的故障风险评估部件的健康度；

系统级健康评估模块包括部件权重自适应构建模块和系统健康度计算模块，所述部件权重自适应构建模块，基于部件的模糊严酷度等级构建相对重要性判断矩阵，并采用自适应调整算法调整相对重要性判断矩阵，使相对重要性判断矩阵和部件的权重向量通过一致性检验；系统健康度计算模块根据部件健康度和系统内的通过一致性检验的部件的权重向量，先分析电子设备的可靠性框图，据此得到各系统的逻辑结果，进而根据串并联关系选择系统健康度的计算方式，为避免权重稀释问题，对部件的健康度进行指数计算处理，实现基于可靠性框图的系统健康评估。

本实施例能在电子设备缺乏性能参数的情况下，基于故障风险实现部件级的健康评估，基于可靠性框图实现系统级的健康评估，从而提升电子设备的健康评估能力。下面将以某电子设备进行举例说明。

将某电子设备的系统结构抽象，并对系统结构进行可靠性分析，获得电子设备的可靠性框图，如图2所示，整个电子设备由4个子系统串并联而成，总共20个部件。其中，部分部件的严酷等级模糊隶属度、机内自测试诊断报告、故障率与初始可靠度如表1、表2、表3所示。表中，PRODUCTION_NUMBER表示部件的唯一标识，LEVEL表示严酷度等级(1～5级)，RUNNING_TIME表示部件的运行时间，BIT表示部件当前的机内自测试结果(0和1分别对应无故障和有故障)，INITIAL_RELIABILITY表示初始可靠度，FAILURE_RATE表示故障率(单位时间的故障次数)。其余部件(部件6～20)的严酷度评价等级、故障率与初始可靠性和部件1～5的相同，假设设备是刚投入使用的新系统，那么部件6～20的运行时间与部件1～5的一致，并且截止目前未发生故障，即BIT结果均为0。

表1部件严酷度等级模糊隶属度

表2机内自测试

表3部件的故障率与初始可靠度

在模糊严酷度等级计算模块中，使用故障类型影响和致命度分析法(FMECA)分析部件，构建部件的严酷度等级模糊隶属度。

在本实施例中，将严酷度等级分为1～5级，严酷度等级模糊隶属度越大表示隶属于该严酷度等级的程度越大。在确定严酷度等级集合V后，建立评价小组，对各部件的各级严酷度进行评价，得到每个部件的各严酷度等级的评价，如表1所示，模糊严酷度等级计算模块根据表1统计每个严酷度等级的支持人数x

在构建了部件的严酷度隶属度向量B后，根据严酷度等级集合V，采用重心法计算部件的模糊严酷度等级S，并对进行归一化处理，如公式(1)所示：

S＝VB

部件健康度计算模块分析处理表3中部件的故障率h和初始可靠度R

基于部件的故障风险计算部件的健康度，并根据表2的部件的机内自测试(BIT)诊断报告选择部件健康度的计算方式(BIT为0表示部件无故障，为1表示部件故障)，最后计算部件的健康度，如公式(3)所示：

部件权重自适应构建模块包含相对重要性判断矩阵模块、部件权重计算模块、一致性指标检验模块和判断矩阵自适应调整模块。

相对重要性判断矩阵模块根据系统内各部件的模糊严酷度等级S，计算部件的相对重要性判断矩阵R，根据九标度判断尺度的范围调整相对重要性矩阵，调整系数为L＝1.365，系统的相对重要性判断矩阵如公式(4)所示：

R←[S

部件权重计算模块根据相对重要性判断矩阵R计算部件的权重向量，首先对相对重要性判断矩阵R行列方向求和，得到列和向量CS

W＝RS

一致性指标检验模块对相对重要性判断矩阵模块、部件权重计算模块计算出的相对重要性判断矩阵和部件的权重向量进行一致性检验，首先计算相对重要性判断矩阵R与权重向量W的点乘，再与权重向量W进行数除，得到向量λ，并对向量λ求取平均值，得到最大特征根λ

判断矩阵自适应调整模块对相对重要性判断矩阵进行自适应调整，首先初始化调整系数d＝0.5，将相对重要性判断矩阵右上角元素逐个调整，调整元素r＝r

系统健康度计算模块输入部件健康度计算模块完成的部件健康度HI和部件权重自适应构建模块完成的系统内部件的权重向量W，根据系统的可靠性框图，按照可靠性框图的逻辑结构分层级计算系统的健康度，如公式(7)所示：

根据本实施提供的一种电子设备健康评估装置，如图3所示，部件和系统健康评估的计算伪代码如下：

步骤S1：输入部件严酷度等级模糊隶属度文件、机内自测试文件、部件的故障率与初始可靠度文件，如表1～表3所示；

步骤S2：输入部件严酷度等级模糊隶属度文件，通过模糊严酷度等级算法(SEVERITY)模块计算部件的模糊严酷度等级，SEVERITY算法如下所示：

输入：部件严酷度等级的模糊隶属度向量B

算法流程：

1：获取部件严酷度等级集合V；

2：基于重心法计算部件的模糊严酷度等级，则S←VB

3：将部件的模糊严酷度等级归一化处理，则S←S/maxV；

输出：部件的模糊严酷度等级S

步骤S3：输入机内自测试文件、部件的故障率与初始可靠度，以及部件的模糊严酷度等级，通过部件健康度算法(HEALTH)模块计算部件的健康度，HEALTH算法如下所示：

输入：部件的模糊严酷度等级S，故障率h，初始可靠度R

算法流程：

1：计算部件的故障发生概率，OPR←1-R

2：获取严酷度等级调整系数K←0.5；

3：计算部件的故障风险RNK←OPR

4：计算部件的健康度HI←1-RNK；

5：基于机内自测试结果调整部件健康度，HI←HI(1-BIT)；

输出：部件的健康度HI

部件健康度HI与故障发生概率OPR、模糊严酷度等级S的关系如图4，故障发生概率OPR和模糊严酷度等级S越大，部件的健康度越小。

步骤S4：输入部件的模糊严酷度等级，通过相对重要性判断矩阵构建算法(JUDGEMENT)模块计算系统内各部件的相对重要性判断矩阵，JUDGEMENT算法如下：

输入：系统内各部件的模糊严酷度等级向量S

算法流程：

1：获取判断矩阵调整系数，L←1.365；

2：基于模糊严酷度等级构造判断矩阵，R←S

3：调整判断矩阵，R←R

输出：系统内各部件的相对重要性判断矩阵R

步骤S5：输入部件的相对重要性判断矩阵，通过权重计算的算法(WEIGHT)模块计算系统内各部件的权重，WEIGHT算法如下所示：

输入：系统内各部件的相对重要性判断矩阵R

算法流程：

1：对相对重要性判断矩阵R进行列方向求和，得到列和向量CS

2：对相对重要性判断矩阵进行列方向归一化，得到归一化判断矩阵R

3：对归一化判断矩阵R

4：对归一化判断矩阵R

5：计算系统内各部件的权重向量，W←RS

输出：系统内各部件的权重向量W

步骤S6：输入部件的权重和相对重要性判断矩阵，通过一致性检验算法(VALIDATION)模块进行一致性检验，得到一致性检验结果(通过/不通过)，VALIDATION算法如下所示：

输入：系统内各部件的相对重要性判断矩阵R与权重向量W

算法流程：

1：计算相对重要性判断矩阵R与权重向量W的点乘，再与权重向量W进行数除，得到向量λ←RW/W；

2：计算向量λ的平均值，得到最大特征根λ

3：获取系统内的部件的数量n；

4：计算一致性指标CI←(λ

5：获取部件数量n对应的随机一致性指标RI；

6：计算一致性比率CR←CI/RI；

7：If CR<0.1 then

一致性检验结果V←True；

Else

V←False；

End if

输出：一致性检验结果V(True/False)

步骤S7：若不通过，通过判断矩阵自适应调整算法(ADJUST)模块微调相对重要性判断矩阵，重复步骤S5至S7；若通过，进入步骤S8，ADJUST算法如下所示：

输入：系统内各部件的相对重要性判断矩阵R

算法流程：

1：初始化调整系数d←0.5；

2：获取系统内各部件的数量n；

3：For行索引＝1到最大行索引n do

For列索引＝行索引+1到最大列索引n do

根据行列索引判断矩阵元素r，调整元素r←r

对元素r沿主对角线对称的元素赋值为1/r；

根据调整元素，得到调整后的相对重要性判断矩阵R←R

调用WEIGHT算法，得到调整后的权重向量W；

VALIDATION算法，得到一致性检验结果V；

If一致性检验结果V为True then

输出调整后的判断矩阵R，终止算法流程；

End if

End for

End for

4：根据更新的相对重要性判断矩阵R，再次调用ADJUST算法

输出：自适应调整的相对重要性判断矩阵R

步骤S8：输入部件的健康度、部件的权重，通过系统健康度算法(SYSTEM_HEALTH)模块计算系统的健康度，SYSTEM_HEALTH算法如下所示：

输入：系统内各部件的相对重要性判断矩阵R与权重向量W，以及各部件的健康度向量HI

算法流程：

1：调用VALIDATION算法，得到一致性检验结果V；

If一致性检验结果V为False then

ADJUST算法，得到自适应调整后的相对重要性判断矩阵R；

If调整后的判断矩阵R存在元素被更改then

调用WEIGHT算法，得到调整后的权重向量W；

End if

End if

2：获取件系统内各部件数量n，以及各部件的健康度HI；

3：If系统为串联系统then

计算串联系统的健康度，

End if

If系统为并联系统then

计算并联系统的健康度，

End if

输出：系统的健康度HI

采用上述计算步骤，首先，根据步骤S1～S2计算得到部件级的健康度，其次根据步骤S3～S8计算得到系统级的健康度，计算结果如表4所示，其中SYSTEM_NUMBER标识系统或子系统的唯一标识，HEALTH标识部件和系统的健康度。

表4某航空电子设备系统健康度计算结果

根据部件和系统的健康度，对某航空电子设备系统的健康状态进行分类统计，如图5分类统计图所示，从图中可以看出存在大量的部件或系统处于异常状态，有必要对某航空电子设备系统进行排除。

根据部件和系统的健康度分布图，如图6所示，从图中可以看出，系统的健康度处于正常状态，但是3级子系统和1级子系统存在异常，进而对部件的健康度进行排查，发现串联件的健康状态处于异常状态，因而有必要对处于异常状态的部件采取维护维修处理。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。