舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法_梅杰.pdf

舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法梅杰，高峰(湖北工业大学工程技术学院，湖北武汉430068)摘 要:为提升故障区域节点跟踪定位效果，为舰船安全航行提供保障，研究舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法。通过最小二乘支持向量机，延拓处理不同状态下舰船装备电子电路的原始数据；利用经验模态分解算法，在延拓处理后的数据内，提取不同状态下电子电路故障特征；通过在马氏距离内引入权值，得到改进马氏距离算法；采用改进马氏距离算法，计算提取故障特征与已知故障集间的马氏距离，依据马氏距离完成故障区域节点跟踪定位。实验证明：该方法可有效提取不同状态下，舰船装备电子电路故障特征；该方法可有效跟踪定位电子电路故障区域节点，且跟踪定位精度较高。关键词：舰船装备；电子电路；故障区域节点；跟踪定位；支持向量机；马氏距离中图分类号：TM131文献标识码：A文章编号：16727649(2023)12015204doi：10.3404/j.issn.16727619.2023.12.030Tracking and locating method of electronic circuit fault area node in ship equipmentMEIJie,GAOFeng(HubeiUniversityofTechnologyEngineeringandTechnologyCollege,Wuhan430068,China)Abstract:Thispaperstudiesthefaultareanodetrackingandlocatingmethodofshipequipmentelectroniccircuit,im-provesthetrackingandlocatingeffectoffaultareanode,andprovidesguaranteeforshipsafenavigation.Theleastsquaressupportvectormachineisusedtoprocesstheoriginaldataoftheelectroniccircuitsofshipequipmentindifferentstates.Theempiricalmodedecompositionalgorithmisusedtoextractthefaultcharacteristicsofelectroniccircuitsindifferentstatesfromthedataafterextendedprocessing.ByintroducingweightsintheMahalanobisdistance,animprovedMahalanobisdis-tancealgorithmisobtained.TheimprovedMahalanobisdistancealgorithmisusedtocalculateandextracttheMahalanobisdistancebetweenthefaultfeatureandtheknownfaultset.Experimentalresultsshowthattheproposedmethodcaneffect-ivelyextractthefaultcharacteristicsofshipequipmentelectroniccircuitsunderdifferentstates.Thismethodcantrackandlocatethefaultareanodeofelectroniccircuiteffectively,andthetrackingandpositioningaccuracyishigh.Key words:shipsequipment；electroniccircuit；faultareanode；trackingandpositioning；supportvectorma-chine；mahalanobisdistance0引言近年来，舰船内部安装的电子装备越来越多，为舰船航行提供便利1，但却加大了电子装备电路维修的难度。电子电路故障区域节点跟踪定位方法可帮助维修人员快速、精准地找到故障区域节点，及时维修故障元件，为舰船安全航行提供有力保障2。胡创业等3利用辐射能谱仪模拟电子电路，采集电子电路不同状态下的电路信息，支持向量机依据不同状态下的电路信息进行故障区域节点跟踪定位。该方法的故障区域节点跟踪定位精度为 76%。高校平等4建立存在故障距离与过渡电阻的时域方程组，同时通过最小二乘法求解该时域方程组，得到故障定位跟踪定位结果。该方法具备较高的故障跟踪定位精度。但这 2 种方法均受电子电路的量纲影响，并未考虑电子电路不同故障特性间的联系，无法排除故障变量间相关性的干扰。为此，以改进马氏距离为基础，研究舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法，精准跟踪定位故障区域节点。第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20230120作者简介:梅杰(1983)，男，实验师，研究方向为电子信息。1电子电路故障区域节点跟踪定位利用经验模态分解(empiricalmodedecomposition，EMD)在舰船装备电子电路原始数据内，提取不同状态下舰船装备电子电路的故障特征，但 EMD 提取故障特征时，存在端点效应问题56。为此，通过最小二乘支持向量机(leastsquaresupportvectormachine，LSSVM)，延拓处理不同状态下舰船装备电子电路的原始数据，并将延拓处理后的数据输入至 EMD 内，提取故障特征，解决端点效应问题7。采用改进马氏距离算法，计算未知故障特征与已知故障集间的马氏距离，以马氏距离为故障区域节点跟踪定位的依据，实现故障区域节点跟踪定位。1.1 基于 EMD 的舰船装备电子电路故障特征提取x(t)利用 EMD 在舰船装备电力电路原始数据内，提取不同状态下舰船装备电子电路故障特征，具体步骤如下：a(t)amax(t)amin(t)1)确定全部舰船装备电子电路原始数据的全部局部极值点，共包含 2 种类型，分别是极大、小值点，记作与。amax(t)amin(t)qup(t)qdown(t)qup(t)qdown(t)qup(t)qdown(t)q1(t)2)通过三次样条线分别连接与，获取上、下包络线，。与内包含全部舰船装备电子电路原始数据点。令与的均值是。x(t)q1(t)z1(t)3)在内去掉获取新的数据，公式如下：z1(t)=x(t)q1(t)。(1)z1(t)z1(t)x(t)如果是一个固有模式分量(intrinsicmodefunc-tions，IMF)，则为的首个分量。z1(t)z1(t)q11(t)z1(t)q11(t)z11(t)4)若不符合 IMF 条件，则以为原始数据，返回步骤 1，获取新的均值，在内去掉得到新的数据，公式如下：z11(t)=z1(t)q11(t)，(2)z11(t)k分析是否符合 IMF 条件，若不符合，反复进行上述操作，共进行 次，获取：z1k(t)=z1(k1)(t)q1k(t)。(3)qk(t)z1k(t)kz1(k1)(t)k1z1k(t)c1(t)其中：，为进行 次操作时的均值、IMF 分量；为进行次操作时的舰船装备电子电路数据。此时，符合 IMF 条件，将其记作，即首个符合 IMF 条件的 IMF 分量。x(t)c1(t)5)在内，分离，获取：r1(t)=x(t)c1(t)。(4)r1(t)r1(t)其中，为舰船装备电子电路的差值数据。以x(t)c2(t)nx(t)nrn(t)为原始数据，重复上述操作，获取的第 2 个 IMF分量，以此类推，反复进行 次，获取的 个IMF 分量，表达式如下：|r2(t)=r1(t)c2(t)，r3(t)=r2(t)c3(t)，.rn(t)=rn1(t)cn(t)。(5)rn(t)在无法提取符合 IMF 条件的分量时，结束操作，获取：x(t)=ni=1ci(t)+rn(t)，(6)ci(t)x(t)irn(t)x(t)其中：为的第 个 IMF 分量；为残量，代表的变化趋势。Ei6)计算各 IMF 分量的能量，公式如下：Ei=Mij=1|cji(t)|2。(7)ci(t)Mici(t)jcji(t)其 中，的 数 据 长 度 是；内 第 个 数 据 是。H7)以能量熵为舰船装备电子电路故障特征，公式如下：H=ni=1EiElnEiE。(8)E其中，为全部 IMF 分量的总能量。H通过上述操作便可获取不同状态下，舰船装备电子电路故障特征。x(t)x(t)x(t)但 EMD 算法在提取故障特征时，存在端点效应问题。利用 LSSVM 算法，延拓处理，得到新的数据。LSSVM 延拓处理的非线性函数为：f(x)=l=1lK(xl,x)+b。(9)lbxlxlK其中：为拉格朗日乘子；为偏置；，为第，个舰船装备电子电路原始数据样本；为原始数据样本数量；为核函数。f(x)x(t)通过得到，公式如下：xl(t)=f(x1,x2,x)。(10)xlxl(t)xl(t)式(10)代表通过 个原始数据，预测第 个数据。将预测的数据，作为 EMD 算法的输入，完成电子电路故障特征提取。第45卷梅杰，等：舰船装备电子电路故障区域节点跟踪定位方法153 1.2 基于改进马氏距离的电子电路故障跟踪定位vghmnY令舰船装备电子电路故障样本集的维度为，数量为，计算故障特征样本向量 至故障样本集矩阵间的马氏距离，公式如下：d(h)=|(hY)T1Y(hY)。(11)YYYYT其中：为的重心；为的协方差矩阵；为转置符号。YY与的计算公式如下：Y=gi=1Yig，(12)Y=gi=1(YiY)2g1。(13)YiYi其中，为 内第 个故障样本。通过在式(11)内添加权值，降低故障特征样本微弱变化对故障跟踪定位结果的影响，公式如下：d(h)=|(hY)T1Y(hY)，(14)jj第 个故障特征样本的权值为：j=|ojNj=1oj|2。(15)ojNj其中：为为第个故障特征的电压灵敏度；故障特征样本数量。利用改进马氏距离跟踪定位电子电路故障区域节点的具体步骤如下：d1,d2,dMM步骤 1求解各故障特征至故障样本集的马氏距离，为故障样本集内故障数。d1,d2,dM步骤 2计算内的最小值，并找到对应的故障号。步骤3按照故障号，在故障样本集内搜索故障类型。dj步骤 4验证是否位于该故障类型的马氏距离范围内，若位于马氏距离范围内，那么故障区域节点跟踪定位成功。2实验结果分析R1,R2,R5C1,C2,C3以某舰船装备的部分电子电路为实验对象，该部分电子电路内共包含 5 个电阻，记作，3 个电容，记作，电阻与电容均属于电子电路节点，即该部分电子电路内共包含 8 个节点，具体信息如表 1 所示。表 1 电子电路具体信息Tab.1Electroniccircuitspecificinformation故障区域节点编号元件数值故障模式故障区域节点编号元件数值故障模式1R12kR1短路5R52kR5短路R1断路R5断路2R22kR2短路6C1120nFC1短路R2断路C1断路3R32kR3短路7C2120nFC2短路R3断路C2断路4R410kR4短路8C3120nFC3短路R4断路C3断路利用本文方法对该舰船装备电子电路原始数据进行延拓处理，并提取故障特征，延拓处理结果以及故障特征提取结果如图 1 所示。根据图 1(a)可知，舰船装备电子电路原始电压数据存在大量冗余数据，变化趋势并不显著，无法为后续故障区域节点跟踪定位提供较好的数据支持。根据图 1(b)可知，经过本文方法延拓处理后，可剔除大量冗余数据，可明显看出电压的变化趋势。根据图 1(c)可知，本文方法可有效计算各 IMF 分量的能量熵，即提取电子电路故障特征。实验证明：本文方法具备较优的数据延拓处理