劉洪政，普承恩，胡 洲，賴玉敏，曹 海，崔允紅，黃 松

(四川航天系統(tǒng)工程研究所，成都 610100)

0 引言

隨著武器裝備的發(fā)展，彈上電氣系統(tǒng)試驗測試任務呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)量大、測試項目雜、參數(shù)種類多的特點，測試數(shù)據(jù)判讀是保證電氣系統(tǒng)質(zhì)量性能的重要一環(huán)，有助于問題的排查，對故障進行定位。目前在彈上電氣系統(tǒng)系統(tǒng)測試工作方面，主要依靠人工進行數(shù)據(jù)判讀及復查，不僅工作量大、效率低，而且容易造成人為判讀遺漏和偏差。因此，迫切需要在彈上電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)判讀過程中引入自動判讀，提高判讀效率和判讀質(zhì)量。

針對人工進行測試數(shù)據(jù)判讀的不足，近年來有學者進行了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)自動判讀研究，取得了顯著成果。陳二雷等針對制導彈藥的測試數(shù)據(jù)人工判讀時間長，誤判概率大等不足，根據(jù)測試數(shù)據(jù)的特點對各物理量參數(shù)進行分類并設(shè)計了判讀規(guī)則，依據(jù)該判讀規(guī)則可對物理參量是否合格進行自動判斷，最后將判讀結(jié)果生成測試報告，提高了測試效率和判讀的準確性。為提高數(shù)據(jù)判讀的實時性、完整性、準確性，韓璐分析試飛測試數(shù)據(jù)的特點，建立通用判讀規(guī)則，設(shè)計試飛數(shù)據(jù)自動判讀系統(tǒng)，具備快速判讀、詳細判讀、異常診斷的功能，很大程度提高對飛行結(jié)果的綜合分析評估能力。陳策等為了提高運載火箭遙測參數(shù)起始電平的判讀效率和覆蓋性，更好地滿足高密度測試的需求，基于LabVIEW平臺和ACCESS數(shù)據(jù)庫設(shè)計開發(fā)了一款遙測參數(shù)起始電平自動判讀軟件，該軟件融合了數(shù)據(jù)庫模型、自動判讀、包絡分析、實時顯示、故障報警等多個功能，可實現(xiàn)遙測參數(shù)全波道數(shù)據(jù)的自動測試。惠國娟等從測試數(shù)據(jù)的復雜性出發(fā)，對測試數(shù)據(jù)的判讀比對和統(tǒng)計分析方法進行了研究，提高了產(chǎn)品全壽命周期產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)分析和判讀能力。此外，曹永梅、吳婧等針對衛(wèi)星控制系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的特點和判讀難點，開展了測試數(shù)據(jù)判讀規(guī)則、判讀方法和判讀系統(tǒng)研究，提高了測試效率和判讀的準確性。

以上多種判讀方法的研究，提高了測試數(shù)據(jù)的判讀效率和判讀準確性。然而，針對時序臺階量尤其是大基數(shù)時序臺階量的研究依舊較少。周輝峰等提出了中值濾波算法實現(xiàn)了臺階參數(shù)和脈沖參數(shù)的濾波平滑處理，并采用雙邊多點閾值判斷方法與符號判讀方法相結(jié)合的臺階識別算法，實現(xiàn)了臺階的自動準確識別，但存在兩點不足：第一，該方法對于數(shù)據(jù)的邊界點未作處理，當臺階量出現(xiàn)在邊界點處會導致閾值矩陣下標溢出，無法準確識別出臺階量；第二，該方法的閾值取值需要依靠經(jīng)驗獲取，因此在大基數(shù)臺階量測試數(shù)據(jù)判讀中，當不同量級的臺階幅值同時存在時，取值不合適則會導致臺階量漏判。

因此針對彈上電氣系統(tǒng)大基數(shù)時序臺階量測試數(shù)據(jù)開展自動判讀方法研究，提出了時序差分矩陣判別和臺階幅值映射兩步方法，分別實現(xiàn)臺階量的準確識別和大基數(shù)的臺階自動判讀，以提高大基數(shù)時序臺階量的判讀效率和判讀準確性。

1 大基數(shù)時序臺階量的特點分析

時序臺階量主要由彈上電氣系統(tǒng)控制時序決定。實際工程測試中發(fā)現(xiàn)，由于某些指令的特殊性，時序臺階量中往往存在控制指令基數(shù)大而指令之間數(shù)值相差小的臺階量，導致不同量級的指令混合在一起，這類數(shù)據(jù)通常具有時序性、基數(shù)大、跳變復雜的特點，將具有上述特點的臺階量稱為大基數(shù)時序臺階量。大基數(shù)時序臺階量示意如圖1所示。

圖1 大基數(shù)臺階量示意圖

由圖1可得，大基數(shù)時序臺階量測試數(shù)據(jù)具有以下一些特點：

1)臺階指令是嚴格按照時序產(chǎn)生的，不會在時間上產(chǎn)生跳躍，因而具有時序性的特點。

2)部分臺階指令幅值較大，而部分臺階的指令幅值較小，由于小量級與大量級臺階同時存在，臺階數(shù)量多，且在時序上緊鄰，若依靠人工進行大基數(shù)數(shù)據(jù)判讀，則很難在數(shù)據(jù)圖中發(fā)現(xiàn)量級較小的臺階指令。

3)不同臺階指令的持續(xù)時間不同，一些指令持續(xù)時間較長，而一些指令持續(xù)時間較短，導致了臺階測試數(shù)據(jù)的跳變復雜，人工判讀時，對于持續(xù)時間較長的臺階容易判斷，而持續(xù)時間較短的臺階則容易漏判。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

大基數(shù)時序臺階參數(shù)判讀的原理是首先準確尋找測試原數(shù)據(jù)中的每一個臺階量，并對每一個臺階進行標記和保存，然后將臺階量與指令庫進行比較，并將比較結(jié)果按照幅值映射規(guī)則進行映射，將映射結(jié)果保存和顯示，最后制作判讀報表，輸出判讀結(jié)果。

在上述過程中，關(guān)鍵在于大基數(shù)時序臺階量的準確識別和臺階幅值正確性的自動判讀，根據(jù)大基數(shù)時序臺階參數(shù)判讀的原理，將自動判讀過程分為3個模塊：第1部分為臺階量識別模塊；第2部分為幅值映射模塊；第3部分為判讀結(jié)果顯示模塊。大基數(shù)時序臺階量自動判讀總體方案如圖2所示。

在臺階量識別模塊中，主要完成原始測試數(shù)據(jù)的臺階量識別，保存和記錄臺階量的時間、幅值等信息，為后續(xù)工作做準備；在臺階幅值映射模塊中，主要對所識別到的臺階量，完成臺階參數(shù)的正確性判讀以及幅值映射任務；在判讀結(jié)果可視化顯示中，主要完成判讀結(jié)果報表的制作，幅值映射結(jié)果的可視化顯示任務。

圖2 大基數(shù)時序臺階量自動判讀總體方案

3 判讀算法設(shè)計

3.1 大基數(shù)時序臺階識別算法

為準確識別出每一個時序臺階參數(shù)，針對大基數(shù)時序臺階參數(shù)的特點提出時序差分矩陣判斷法，該方法可檢測到數(shù)據(jù)中的所有跳點，并結(jié)合判斷規(guī)則對跳點進行判斷，能準確識別出臺階量。

假設(shè)一組電氣系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)按照時序排列為{,,,…,}，其中為測試數(shù)據(jù)的長度。大基數(shù)臺階識別具體步驟如下：

1)查找跳點

由于臺階量的第一個周期數(shù)值相對于前一個周期數(shù)值具有跳變的特征，因此要實現(xiàn)臺階量的識別，應該首先查找原始數(shù)據(jù)中的跳點。查找跳點的方法為：

按照時序遍歷原始測試數(shù)據(jù)，將第(+1)個數(shù)據(jù)與第個數(shù)據(jù)進行比較，即+1-，若|+1-|>，則將+1標記為跳躍點，其中=1,2,…,-1；為判斷數(shù)據(jù)+1是否為跳點的條件閾值。

為了避免對大基數(shù)臺階量的漏判，閾值的確定應當根據(jù)預先裝訂的指令庫進行確定，指令庫由一組各不相同的指令值按照時序排列組成，設(shè)指令庫為：

(1)

式中：為指令的個數(shù)；代表產(chǎn)生指令所對應的時刻。則有：

(2)

式中：=2,3,…,;=1,2,…,-1。

2)創(chuàng)建核窗口

當在測試數(shù)據(jù)中查找到跳點+1后，創(chuàng)建一個核窗口。創(chuàng)建方法是以+1為中心，取其前后對稱周期的數(shù)據(jù)賦值給核窗口，為后續(xù)計算時序差分矩陣做準備。則核窗口為：

{,,…,}=
{-(-3)2,…,,+1,+2,…,+(+1)2}

(3)

式中：為核窗口大小，為保證核窗口中心對稱，為奇數(shù)。的取值決定了后續(xù)臺階量識別的準確度其值需要根據(jù)臺階量的特點來確定；的大小決定了差分矩陣的大小，若取值太大，將導致差分矩陣維數(shù)增大，從而使自動判讀速度減慢，因此取5～9。

當核窗口的大小確定下來之后，將源數(shù)據(jù)按照時序賦值給核窗口，然后進行臺階量判斷，判斷完成之后，繼續(xù)尋找下一個跳點，直至遍歷完所有測試數(shù)據(jù)為止。假設(shè)檢測到+1為跳點，則核窗口工作原理如圖3所示：

圖3 大小為m的核窗口工作原理

3)核窗口越界處理

從圖3中可看出，核窗口的工作原理是將核窗口中心點之后的元素與中心點之前的元素分別進行差分。需要注意的是，當<(+1)2-1以及>-(-1)2-1時，即跳點+1位于測試數(shù)據(jù)的邊界處時，核窗口與源數(shù)據(jù)無法對齊，將導致核窗口的賦值越界，以=5為例，核窗口越界示意圖如圖4所示。

圖4 m=5的核窗口越界示意圖

為了避免越界，核窗口取值時需進行如下處理：

(4)

4)求解時序差分矩陣

時序差分矩陣是根據(jù)核窗口大小來進行計算的，計算原理是核窗口中跳點之后的數(shù)據(jù)與跳點之前的數(shù)據(jù)分別差分，假設(shè)核窗口的時序差分矩陣為，則時序差分矩陣計算如下：

當(+1)2-1<<-(-1)2-1時：

(5)

當<(+1)2-1時，核窗口左越界：

(6)

當>-(-1)2-1時，核窗口右越界：

(7)

5)時序差分矩陣映射

時序差分矩陣是由一系列核窗口數(shù)據(jù)之間的偏差量組成，為了直觀反映出偏差量的正負情況，引入映射函數(shù)，將時序差分矩陣中的元素通過映射關(guān)系映射到指定域中，映射函數(shù)設(shè)計如下：

假設(shè)自變量為，為閾值條件，映射域為[-1,0,1]，則有：

(8)

結(jié)合閾值條件將時序差分矩陣通過映射函數(shù)映射為差分映射矩陣，其中的元素根據(jù)式(8)可表示為：

=()

(9)

式中：=1,2,…,；=1,2,…,(-)；為時序差分矩陣的行數(shù)。

6)求解映射矩陣判讀規(guī)則

為便于差分映射矩陣的判讀，根據(jù)矩陣中的映射值情況，將其中的所有元素求和并設(shè)置相應判斷規(guī)則：

(10)

規(guī)則的作用原理是：若差分映射矩陣中值為1的元素個數(shù)等于所有元素總個數(shù)，則可判定為上跳臺階，=1；若差分映射矩陣中值為-1的元素個數(shù)等于所有元素總個數(shù)，則可判定為下跳臺階，=-1；其他情況則可判定為不是臺階，=0。完成了臺階量的識別，臺階參數(shù)識別算法原理如圖5所示。

圖5 臺階參數(shù)識別算法原理

3.2 臺階幅值映射

臺階量識別完成后，應對臺階的正確性進行判斷，臺階正確性判斷包含兩個部分，一部分是幅值正確性判斷，另二部分是時間正確性判斷。為了使輸出結(jié)果直觀易判，提出臺階幅值映射方法，將大基數(shù)時序臺階參數(shù)判讀結(jié)果按照一定規(guī)則進行映射，幅值映射的原理如下：

將識別到的各個臺階參數(shù)幅值記為集合，則幅值映射的基本原理就是將中的元素按照對應法則映射到集合當中去，集合稱之為映射域，記為：→。映射規(guī)則設(shè)計如下：

(11)

式中：為系統(tǒng)測試時間；為實測臺階值；為臺階的序號；為第個臺階出現(xiàn)的時間；Δ為出現(xiàn)第個臺階的時間偏差；為第個臺階的期望值。

式(11)的具體原理是：根據(jù)預先裝訂的指令庫查找當前實測的臺階值，若在指令庫中未找到當前臺階值，則認為臺階幅值異常，將臺階幅值映射為-1；若在指令庫中找到當前臺階值且當前時間在期望的時間范圍內(nèi)，則認為臺階幅值正常，將臺階幅值映射為；若在指令庫中找到當前臺階值但當前時間不在期望的時間范圍內(nèi)，則認為臺階時間異常，將臺階幅值映射為0。因此，臺階量判讀結(jié)果為正常時，(,)=；臺階量判讀結(jié)果為臺階幅值異常時(,)=-1；臺階量判讀結(jié)果為臺階時間異常時(,)=0。臺階幅值映射原理如圖6所示。

圖6 臺階幅值映射原理

4 判讀算法驗證

為對判讀算法的有效性進行驗證，對某導彈電氣系統(tǒng)配電器指令碼測試數(shù)據(jù)開展了自動判讀試驗驗證工作，分別包括臺階識別算法驗證和臺階幅值映射算法驗證兩部分，預先裝訂的配電器指令如表1所示。

表1 指令表

4.1 臺階識別算法驗證

取時序差分矩陣的閾值為=0.8，根據(jù)配電器指令碼測試數(shù)據(jù)的特點將核窗口大小=5，Δ=0.1 s。臺階自動識別結(jié)果如圖7所示。

圖7 時序臺階指令識別結(jié)果

圖7(a)原始測試數(shù)據(jù)時序臺階指令識別結(jié)果；圖7(b)為上跳臺階識別結(jié)果以及放大圖，當原始數(shù)據(jù)由32 807到35 623變化時，臺階識別標識由0到1突變，在指令無變化區(qū)域，標識為0；圖7(c)為下跳臺階識別結(jié)果以及放大圖，當原始數(shù)據(jù)由35 623到32 836變化時，臺階識別標識由0到-1突變，在指令無變化區(qū)域，表識為0；圖7(d)為非臺階跳點識別結(jié)果以及放大圖，當原始數(shù)據(jù)由35 637到65 535變化以及由65 535到35 637變化時，臺階識別標識為0未發(fā)生變化。通過圖片數(shù)據(jù)分析可以得出，所提出的時序差分矩陣法能夠準確的識別出了大基數(shù)測試數(shù)據(jù)中的所有臺階量以及臺階類型，并且自動判別出了非臺階量，避免了異常跳點對臺階識別的影響。

4.2 臺階幅值映射驗證

在臺階識別的基礎(chǔ)上，進行大基數(shù)時序臺階量幅值映射驗證，分為正常測試數(shù)據(jù)驗證和異常測試數(shù)據(jù)驗證，驗證結(jié)果如圖8所示。

圖8 臺階幅值映射結(jié)果

表2 異常數(shù)據(jù)判讀報表

正常數(shù)據(jù)的幅值映射結(jié)果如圖8(a)所示，21個臺階和21個非零時序指令按照時間順序依次完成動作，且幅值依次增大。異常數(shù)據(jù)的幅值映射結(jié)果如圖8(b)所示，指令隨時間不是依次增大，存在2個-1指令(指令異常)和3個0指令(指令正常，時間異常)，具體異常情況在后續(xù)報表中詳細說明。

圖8(a)為正常指令映射結(jié)果，與表1中的指令數(shù)據(jù)一致，故不再列出判讀報表。圖8(b)的判讀報表如表2所示，報表內(nèi)容包括指令序號、時間、指令值、相對時間、臺階類型、映射值、判讀結(jié)論等。表2中臺階1和臺階13均為指令異常，指令序號顯示為“無”，代表此臺階指令不屬于指令庫中的指令值，因此判定為指令異常；臺階2、臺階6、臺階14的幅值分別對應了指令庫中的指令2、指令5、指令12，均屬于指令庫中的指令，但相應的時間不在指令庫對應的時間范圍內(nèi)，因此判定為時間異常。

通過臺階幅值的映射，將大基數(shù)指令自動映射到指定域中，使配電器測試數(shù)據(jù)中的每個指令的正確性都能直觀顯示，不會由于指令基數(shù)較大而影響判讀，可解決容易誤判和漏判的問題，大幅提高判讀效率。

將判讀算法用于某型號電氣系統(tǒng)綜合試驗測試。結(jié)果表明，在20個時序指令條件下，自動判讀時間不大于10 s，人工判讀時間不小于5 min，判讀效率顯著提升。

5 結(jié)論

針對彈上電氣系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的大基數(shù)時序臺階量的特點，提出了時序差分矩陣判別和幅值映射兩步判讀方法，該方法可自動準確識別臺階量并使臺階參數(shù)按照映射法則自動映射到映射域，使判讀結(jié)果直觀清晰，解決了人工對時序臺階量容易誤判和漏判的問題。為驗證所提判讀方法的正確性，進行了數(shù)據(jù)判讀試驗。試驗結(jié)果表明，該方法有效可行，有效提高了判讀效率。