弹上电气系统大基数时序台阶量自动判读方法

刘洪政; 普承恩; 胡洲; 赖玉敏; 曹海; 崔允红; 黄松

doi:10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.012

弹箭与制导学报 >

2022 , Vol. 42 >Issue 4: 62 - 68

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.012

弹上电气系统大基数时序台阶量自动判读方法

刘洪政 ,
普承恩 ,
胡洲 ,
赖玉敏 ,
曹海 ,
崔允红 ,
黄松

展开

四川航天系统工程研究所,成都 610100

刘洪政(1989—),男,山东临沂人,工程师,博士,研究方向:自动测试。

收稿日期: 2022-02-20

网络出版日期: 2025-05-29

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Automatic Interpretation Method of Large-base Sequence Steps for Missile-borne Electrical System

LIU Hongzheng ,
PU Chengen ,
HU Zhou ,
LAI Yumin ,
CAO Hai ,
CUI Yunhong ,
HUANG Song

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Sichuan Aerospace System Engineering Research Institute, Chengdu 610100, China

Received date: 2022-02-20

Online published: 2025-05-29

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摘要

针对弹上电气系统大基数时序台阶量基数大、台阶参数多、人工判读效率低的问题,提出了时序差分矩阵判别和台阶幅值映射两步判读方法。首先利用时序差分矩阵判别法对时序台阶量进行识别并标记;然后通过台阶幅值映射方法,将时序差分矩阵识别到的大基数台阶量按照指令库自动进行正确性判读,并将判读结果按照映射规则转换到对应的映射域,消除时序台阶量基数大对判读的影响;最后对该方法进行试验验证。结果表明,所提的判读方法可高效、准确实现大基数时序台阶量的自动判读,与传统人工判读相比,判读效率大幅提高。

关键词： 大基数; 时序台阶量; 差分矩阵; 幅值映射; 自动判读

本文引用格式

刘洪政 , 普承恩 , 胡洲 , 赖玉敏 , 曹海 , 崔允红 , 黄松 . 弹上电气系统大基数时序台阶量自动判读方法[J]. 弹箭与制导学报, 2022 , 42(4) : 62 -68 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2022.04.012

Abstract

Aiming at the problems of large base time series step quantity base, many step parameters and low efficiency of manual interpretation in the ejector electrical system, a two-step interpretation method of time series difference matrix discrimination and step amplitude mapping is proposed. Initially, the time series difference matrix discrimination method is used to identify and mark the time series steps. Then, through the step amplitude mapping method, the correctness of the large cardinal steps identified by the time series difference matrix is automatically interpreted according to the instruction library, and the interpretation results are converted to the corresponding mapping domain according to the mapping rules to eliminate the influence of a large base of timing steps on interpretation. Finally, the method is experimentally verified. The results show that the proposed interpretation method can efficiently and accurately realize the automatic interpretation of large-base time series steps, and the interpretation efficiency is greatly improved compared with the traditional manual interpretation.

Key words： large cardinality; timing steps; difference matrix; amplitude mapping; automatic interpretation

0 引言

随着武器装备的发展,弹上电气系统试验测试任务呈现出数据量大、测试项目杂、参数种类多的特点,测试数据判读是保证电气系统质量性能的重要一环,有助于问题的排查,对故障进行定位^[1-2]。目前在弹上电气系统系统测试工作方面,主要依靠人工进行数据判读及复查,不仅工作量大、效率低,而且容易造成人为判读遗漏和偏差^[3-4]。因此,迫切需要在弹上电气系统数据判读过程中引入自动判读,提高判读效率和判读质量。

针对人工进行测试数据判读的不足,近年来有学者进行了相关的测试数据自动判读研究,取得了显著成果。陈二雷等^[5]针对制导弹药的测试数据人工判读时间长,误判概率大等不足,根据测试数据的特点对各物理量参数进行分类并设计了判读规则,依据该判读规则可对物理参量是否合格进行自动判断,最后将判读结果生成测试报告,提高了测试效率和判读的准确性。为提高数据判读的实时性、完整性、准确性,韩璐^[6]分析试飞测试数据的特点,建立通用判读规则,设计试飞数据自动判读系统,具备快速判读、详细判读、异常诊断的功能,很大程度提高对飞行结果的综合分析评估能力。陈策等^[7]为了提高运载火箭遥测参数起始电平的判读效率和覆盖性,更好地满足高密度测试的需求,基于LabVIEW平台和ACCESS数据库设计开发了一款遥测参数起始电平自动判读软件,该软件融合了数据库模型、自动判读、包络分析、实时显示、故障报警等多个功能,可实现遥测参数全波道数据的自动测试。惠国娟等^[8]从测试数据的复杂性出发,对测试数据的判读比对和统计分析方法进行了研究,提高了产品全寿命周期产生测试数据分析和判读能力。此外,曹永梅^[9]、吴婧等^[10]针对卫星控制系统测试数据的特点和判读难点,开展了测试数据判读规则、判读方法和判读系统研究,提高了测试效率和判读的准确性。

以上多种判读方法的研究,提高了测试数据的判读效率和判读准确性。然而,针对时序台阶量尤其是大基数时序台阶量的研究依旧较少。周辉峰等^[11-12]提出了中值滤波算法实现了台阶参数和脉冲参数的滤波平滑处理,并采用双边多点阈值判断方法与符号判读方法相结合的台阶识别算法,实现了台阶的自动准确识别,但存在两点不足:第一,该方法对于数据的边界点未作处理,当台阶量出现在边界点处会导致阈值矩阵下标溢出,无法准确识别出台阶量;第二,该方法的阈值T_k取值需要依靠经验获取,因此在大基数台阶量测试数据判读中,当不同量级的台阶幅值同时存在时,T_k取值不合适则会导致台阶量漏判。

因此针对弹上电气系统大基数时序台阶量测试数据开展自动判读方法研究,提出了时序差分矩阵判别和台阶幅值映射两步方法,分别实现台阶量的准确识别和大基数的台阶自动判读,以提高大基数时序台阶量的判读效率和判读准确性。

1 大基数时序台阶量的特点分析

时序台阶量主要由弹上电气系统控制时序决定。实际工程测试中发现,由于某些指令的特殊性,时序台阶量中往往存在控制指令基数大而指令之间数值相差小的台阶量,导致不同量级的指令混合在一起,这类数据通常具有时序性、基数大、跳变复杂的特点,将具有上述特点的台阶量称为大基数时序台阶量。大基数时序台阶量示意如图1所示。

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图1 大基数台阶量示意图

由图1可得,大基数时序台阶量测试数据具有以下一些特点:

1)台阶指令是严格按照时序产生的,不会在时间上产生跳跃,因而具有时序性的特点。

2)部分台阶指令幅值较大,而部分台阶的指令幅值较小,由于小量级与大量级台阶同时存在,台阶数量多,且在时序上紧邻,若依靠人工进行大基数数据判读,则很难在数据图中发现量级较小的台阶指令。

3)不同台阶指令的持续时间不同,一些指令持续时间较长,而一些指令持续时间较短,导致了台阶测试数据的跳变复杂,人工判读时,对于持续时间较长的台阶容易判断,而持续时间较短的台阶则容易漏判。

2 系统总体方案设计

大基数时序台阶参数判读的原理是首先准确寻找测试原数据中的每一个台阶量,并对每一个台阶进行标记和保存,然后将台阶量与指令库进行比较,并将比较结果按照幅值映射规则进行映射,将映射结果保存和显示,最后制作判读报表,输出判读结果。

在上述过程中,关键在于大基数时序台阶量的准确识别和台阶幅值正确性的自动判读,根据大基数时序台阶参数判读的原理,将自动判读过程分为3个模块:第1部分为台阶量识别模块;第2部分为幅值映射模块;第3部分为判读结果显示模块。大基数时序台阶量自动判读总体方案如图2所示。

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图2 大基数时序台阶量自动判读总体方案

在台阶量识别模块中,主要完成原始测试数据的台阶量识别,保存和记录台阶量的时间、幅值等信息,为后续工作做准备;在台阶幅值映射模块中,主要对所识别到的台阶量,完成台阶参数的正确性判读以及幅值映射任务;在判读结果可视化显示中,主要完成判读结果报表的制作,幅值映射结果的可视化显示任务。

3 判读算法设计

3.1 大基数时序台阶识别算法

为准确识别出每一个时序台阶参数,针对大基数时序台阶参数的特点提出时序差分矩阵判断法,该方法可检测到数据中的所有跳点,并结合判断规则对跳点进行判断,能准确识别出台阶量。

假设一组电气系统的测试数据按照时序排列为{a₁,a₂,a₃,…,a_n},其中n为测试数据的长度。大基数台阶识别具体步骤如下:

1)查找跳点

由于台阶量的第一个周期数值相对于前一个周期数值具有跳变的特征,因此要实现台阶量的识别,应该首先查找原始数据中的跳点。查找跳点的方法为:

按照时序遍历原始测试数据,将第(k+1)个数据与第k个数据进行比较,即a_k₊₁-a_k,若|a_k₊₁-a_k|>G_k,则将a_k₊₁标记为跳跃点,其中k=1,2,…,n-1;G_k为判断数据a_k₊₁是否为跳点的条件阈值。

为了避免对大基数台阶量的漏判,阈值G_k的确定应当根据预先装订的指令库进行确定,指令库由一组各不相同的指令值按照时序排列组成,设指令库为:

(1)

C={C₁(t₁),C₂(t₂),C₃(t₃),…,C_L(t_L)}

式中:L为指令的个数;t_L代表产生指令G_L所对应的时刻。则有:

(2)$\left\{\begin{array}{l} G_{k}=0, L=1 \\ G_{k} \leqslant \min \left\{\left|C_{j}-C_{i}\right|\right\}, L>1 \end{array}\right.$

式中:j=2,3,…,L;i=1,2,…,j-1。

2)创建核窗口

当在测试数据中查找到跳点a_k₊₁后,创建一个核窗口。创建方法是以a_k₊₁为中心,取其前后对称周期的数据赋值给核窗口,为后续计算时序差分矩阵做准备。则核窗口为:

(3)

{h₁,h₂,…,h_m}={a_k_-(_m_-3)_/₂,…,a_k,a_k₊₁,a_k₊₂,…,a_k₊₍_m₊₁₎_/₂}

式中:m为核窗口大小,为保证核窗口中心对称,为奇数。m的取值决定了后续台阶量识别的准确度其值需要根据台阶量的特点来确定;m的大小决定了差分矩阵的大小,若m取值太大,将导致差分矩阵维数增大,从而使自动判读速度减慢,因此m取5~9。

当核窗口的大小确定下来之后,将源数据按照时序赋值给核窗口,然后进行台阶量判断,判断完成之后,继续寻找下一个跳点,直至遍历完所有测试数据为止。假设检测到a_k₊₁为跳点,则核窗口工作原理如图3所示:

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图3 大小为m的核窗口工作原理

3)核窗口越界处理

从图3中可看出,核窗口的工作原理是将核窗口中心点之后的元素与中心点之前的元素分别进行差分。需要注意的是,当k<(m+1)/2-1以及k>n-(m-1)/2-1时,即跳点a_k₊₁位于测试数据的边界处时,核窗口与源数据无法对齐,将导致核窗口的赋值越界,以m=5为例,核窗口越界示意图如图4所示。

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图4 m=5的核窗口越界示意图

为了避免越界,核窗口取值时需进行如下处理:

(4)

h_i= $a i, k < (m + 1) / 2 - 1 a k + i - (m - 1) / 2, (m + 1) / 2 - 1 < k < n - (m - 1) / 2 - 1 a n - (m - i), k > n - (m - 1) / 2 - 1$

4)求解时序差分矩阵

时序差分矩阵是根据核窗口大小来进行计算的,计算原理是核窗口中跳点之后的数据与跳点之前的数据分别差分,假设核窗口的时序差分矩阵为D,则时序差分矩阵计算如下:

当(m+1)/2-1<k<n-(m-1)/2-1时:

(5)

D= $a k + 1 - a k a k + 1 - a k - 1 … a k + 1 - a k - (m - 3) / 2 a k + 2 - a k a k + 2 - a k - 1 … a k + 2 - a k - (m - 3) / 2 ︙ ︙ ︙ a k + (m + 1) / 2 - a k a k + (m + 1) / 2 - a k - 1 … a k + (m + 1) / 2 - a k - (m - 3) / 2$

当k<(m+1)/2-1时,核窗口左越界:

(6)

D= $a k + 1 - a k a k + 1 - a k - 1 … a k + 1 - a 1 a k + 2 - a k a k + 2 - a k - 1 … a k + 2 - a 1 ︙ ︙ ︙ a m - a k a m - a k - 1 … a m - a 1$

当k>n-(m-1)/2-1时,核窗口右越界:

(7)

D= $a k + 1 - a k a k + 1 - a k - 1 … a k + 1 - a n - m - 1 a k + 2 - a k a k + 2 - a k - 1 … a k + 2 - a n - m - 1 ︙ ︙ ︙ a n - a k a n - a k - 1 … a n - a n - m - 1$

5)时序差分矩阵映射

时序差分矩阵是由一系列核窗口数据之间的偏差量组成,为了直观反映出偏差量的正负情况,引入映射函数,将时序差分矩阵中的元素通过映射关系映射到指定域中,映射函数g设计如下:

假设自变量为x,G_k为阈值条件,映射域为[-1,0,1],则有:

(8)

g(x)= $1, x > G k 0, - G k < x < G k - 1, x < - G k$

结合阈值条件将时序差分矩阵通过映射函数映射为差分映射矩阵,其中的元素F_ij根据式(8)可表示为:

(9)

F_ij=g(D_ij)

式中:i=1,2,…,r;j=1,2,…,(m-r);r为时序差分矩阵的行数。

6)求解映射矩阵判读规则

为便于差分映射矩阵的判读,根据矩阵F中的映射值情况,将其中的所有元素求和并设置相应判断规则S:

(10)

S = 1, ∑ i = 1 r ∑ j = 1 m - r F (i, j) = r (m - r) 0, - r (m - r) < ∑ i = 1 r ∑ j = 1 m - r F (i, j) < r (m - r) - 1, ∑ i = 1 r ∑ j = 1 m - r F (i, j) = - r (m - r)

规则S的作用原理是:若差分映射矩阵F中值为1的元素个数等于所有元素总个数,则可判定为上跳台阶,S=1;若差分映射矩阵中值为-1的元素个数等于所有元素总个数,则可判定为下跳台阶,S=-1;其他情况则可判定为不是台阶,S=0。完成了台阶量的识别,台阶参数识别算法原理如图5所示。

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图5 台阶参数识别算法原理

3.2 台阶幅值映射

台阶量识别完成后,应对台阶的正确性进行判断,台阶正确性判断包含两个部分,一部分是幅值正确性判断,另二部分是时间正确性判断。为了使输出结果直观易判,提出台阶幅值映射方法,将大基数时序台阶参数判读结果按照一定规则进行映射,幅值映射的原理如下:

将识别到的各个台阶参数幅值记为集合A,则幅值映射的基本原理就是将A中的元素按照对应法则f映射到集合B当中去,集合B称之为映射域,记为f:A→B。映射规则f设计如下:

(11)

f(t,c)= $i, [t ∈ (T i ± Δ t i)] (c = c i) 0, [t ∉ (T i ± Δ t i)] (c = c i) - 1, (c ≠ c i)$

式中:t为系统测试时间;c为实测台阶值;i为台阶的序号;T_i为第i个台阶出现的时间;Δt_i为出现第i个台阶的时间偏差;c_i为第i个台阶的期望值。

式(11)的具体原理是:根据预先装订的指令库查找当前实测的台阶值,若在指令库中未找到当前台阶值,则认为台阶幅值异常,将台阶幅值映射为-1;若在指令库中找到当前台阶值且当前时间在期望的时间范围内,则认为台阶幅值正常,将台阶幅值映射为i;若在指令库中找到当前台阶值但当前时间不在期望的时间范围内,则认为台阶时间异常,将台阶幅值映射为0。因此,台阶量判读结果为正常时,f(t,c)=i;台阶量判读结果为台阶幅值异常时f(t,c)=-1;台阶量判读结果为台阶时间异常时f(t,c)=0。台阶幅值映射原理如图6所示。

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图6 台阶幅值映射原理

4 判读算法验证

为对判读算法的有效性进行验证,对某导弹电气系统配电器指令码测试数据开展了自动判读试验验证工作,分别包括台阶识别算法验证和台阶幅值映射算法验证两部分,预先装订的配电器指令如表1所示。

表1 指令表

序号	时间/s	指令	序号	时间/s	指令
1	36.782 29	35 623	11	87.371 7	32 824
2	54.699 22	32 836	12	87.688 19	35 635
3	55.111 5	32 849	13	87.984 99	35 617
4	55.230 41	32 837	14	95.280 62	32 803
5	72.445 99	32 809	15	95.371 99	32 819
6	72.978 39	32 822	16	98.400 75	32 820
7	73.277 222	35 634	17	99.169 11	32 821
8	85.872 009	32 806	18	109.176 3	3 637
9	86.391 12	32 817	19	471.473 083	32 850
10	86.871 85	32 823

4.1 台阶识别算法验证

取时序差分矩阵的阈值为G_k=0.8,根据配电器指令码测试数据的特点将核窗口大小m=5,Δt=0.1 s。台阶自动识别结果如图7所示。

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图7 时序台阶指令识别结果

图7(a)原始测试数据时序台阶指令识别结果;图7(b)为上跳台阶识别结果以及放大图,当原始数据由32 807到35 623变化时,台阶识别标识由0到1突变,在指令无变化区域,标识为0;图7(c)为下跳台阶识别结果以及放大图,当原始数据由35 623到32 836变化时,台阶识别标识由0到-1突变,在指令无变化区域,表识为0;图7(d)为非台阶跳点识别结果以及放大图,当原始数据由35 637到65 535变化以及由65 535到35 637变化时,台阶识别标识为0未发生变化。通过图片数据分析可以得出,所提出的时序差分矩阵法能够准确的识别出了大基数测试数据中的所有台阶量以及台阶类型,并且自动判别出了非台阶量,避免了异常跳点对台阶识别的影响。

表2 异常数据判读报表

台阶序号	指令序号	时间/s	实测值	相对时间/s	台阶类型	映射值	判读结论
1	无	36.782 288	55 623	0.175 804	上跳台阶	-1	指令不合格
2	1	36.958 092	35 623	17.741 127	下跳台阶	0	时间不合格
3	2	54.699 219	32 836	0.412 277	下跳台阶	2	合格
4	3	55.111 496	32 849	0.118 916	上跳台阶	3	合格
5	4	55.230 412	32 837	16.980 51	下跳台阶	4	合格
6	5	72.210 922	32 809	0.767 472	下跳台阶	0	时间不合格
7	6	72.978 394	32 822	0.298 828	上跳台阶	6	合格
8	7	73.277 222	35 634	12.594 787	上跳台阶	7	合格
9	8	85.872 009	32 806	0.519 112	下跳台阶	8	合格
10	9	86.391 121	32 817	0.480 728	上跳台阶	9	合格
11	10	86.871 849	32 823	0.499 855	上跳台阶	10	合格
12	11	87.371 704	32 824	0.315 376	上跳台阶	11	合格
13	无	87.687 08	62 824	0.178 742	上跳台阶	-1	指令不合格
14	12	87.865 822	35 635	0.119 163	下跳台阶	0	时间不合格
15	13	87.984 985	35 617	7.295 632	下跳台阶	13	合格
16	14	95.280 617	32 803	0.091 377	下跳台阶	14	合格
17	15	95.371 994	32 819	3.028 755	上跳台阶	15	合格
18	16	98.400 749	32 820	0.768 364	上跳台阶	16	合格
19	17	99.169 113	32 821	10.007 21	上跳台阶	17	合格
20	18	109.176 32	35 637	362.296 76	上跳台阶	18	合格
21	19	471.473 08	32 850	94.187 928	下跳台阶	19	合格

4.2 台阶幅值映射验证

在台阶识别的基础上,进行大基数时序台阶量幅值映射验证,分为正常测试数据验证和异常测试数据验证,验证结果如图8所示。

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图8 台阶幅值映射结果

正常数据的幅值映射结果如图8(a)所示,21个台阶和21个非零时序指令按照时间顺序依次完成动作,且幅值依次增大。异常数据的幅值映射结果如图8(b)所示,指令随时间不是依次增大,存在2个-1指令(指令异常)和3个0指令(指令正常,时间异常),具体异常情况在后续报表中详细说明。

图8(a)为正常指令映射结果,与表1中的指令数据一致,故不再列出判读报表。图8(b)的判读报表如表2所示,报表内容包括指令序号、时间、指令值、相对时间、台阶类型、映射值、判读结论等。表2中台阶1和台阶13均为指令异常,指令序号显示为“无”,代表此台阶指令不属于指令库中的指令值,因此判定为指令异常;台阶2、台阶6、台阶14的幅值分别对应了指令库中的指令2、指令5、指令12,均属于指令库中的指令,但相应的时间不在指令库对应的时间范围内,因此判定为时间异常。

通过台阶幅值的映射,将大基数指令自动映射到指定域中,使配电器测试数据中的每个指令的正确性都能直观显示,不会由于指令基数较大而影响判读,可解决容易误判和漏判的问题,大幅提高判读效率。

将判读算法用于某型号电气系统综合试验测试。结果表明,在20个时序指令条件下,自动判读时间不大于10 s,人工判读时间不小于5 min,判读效率显著提升。

5 结论

针对弹上电气系统测试数据中产生的大基数时序台阶量的特点,提出了时序差分矩阵判别和幅值映射两步判读方法,该方法可自动准确识别台阶量并使台阶参数按照映射法则自动映射到映射域,使判读结果直观清晰,解决了人工对时序台阶量容易误判和漏判的问题。为验证所提判读方法的正确性,进行了数据判读试验。试验结果表明,该方法有效可行,有效提高了判读效率。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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1 大基数时序台阶量的特点分析

图1 大基数台阶量示意图

2 系统总体方案设计

图2 大基数时序台阶量自动判读总体方案

3 判读算法设计

3.1 大基数时序台阶识别算法

图3 大小为m的核窗口工作原理

图4 m=5的核窗口越界示意图

图5 台阶参数识别算法原理

3.2 台阶幅值映射

图6 台阶幅值映射原理

4 判读算法验证

表1 指令表

4.1 台阶识别算法验证

图7 时序台阶指令识别结果

表2 异常数据判读报表

4.2 台阶幅值映射验证

图8 台阶幅值映射结果

5 结论

参考文献