第36卷第7期 2002年7月上海交通大学学报JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYVol.36No.7 Jul.2002
收稿日期:2001-01-08作者简介:徐力平(1956-),男,江苏溧阳人,博士生,主要从事导航及控制研究.
文章编号:1006-2467(2002)07-0966-04导航传感器故障检测策略
徐力平, 赵忠华, 张炎华(上海交通大学信息检测技术及仪器系,上海200030)
摘 要:为了提高故障检测灵敏度,分析了通常的故障检测中难以兼顾虚警概率和漏检概率的原因和船舶组合导航系统故障检测过程中噪声与故障对检测量的影响.根据船舶组合导航系统故障检测的特点,提出了以模糊逻辑和指数加权平均处理检测量和阈值的故障检测策略,并用实船航行数据仿真.该策略对未知输入等干扰不敏感而对故障敏感,且可根据故障的大小自动调节检测时间的长短.对不易检测的小故障,自动延长检测时间以利用更多的信息从而提高检测的正确率;对于较大的故障,自动缩短检测时间从而减少检测延时和累积误差,起到了自适应检测时间窗的作用.关键词:故障检测;模糊逻辑;指数加权平均中图分类号:TP18 文献标识码:A
NavigationSensorFailureDetectingTacticXULi-ping, ZHAOZhong-hua, ZHANGYan-hua(Dept.ofInformationMeasurementTechnologyandInstrument,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)
Abstract:Acertainkindoffailuredetectingtacticbasedonfuzzylogicandexponent-weightedaveragewasbroughtforwardinordertoimprovefailuredetectionwithhighnoises.Andsimulationwasperformedwithrealstabilizedgyrocompassreadingsduringavoyage.Thefailuredetectiontacticissensitivietoer-rorsotherthandisturbancesuchassystem'sunknowninput.Furthermore,thetacticmayadjustthelengthofdetectiontimeadaptively.Whentheerrormagnitudeissmallandintermixedwithnoises,thetacticincreasesthedetectiontimetomakeuseofmoreinformation,whichresultsinhigherprobabilityofcorrectdetection.Whentheerrormagnitudeisbigger,thetacticdecreasesthedetectiontime,consequent-lythedetectingdelayisdecreasedandtheerroraccumulationisreduced.Keywords:failuredetection;fuzzylogic;exponent-weightedaverage
就检测过程看,影响检测正确性的原因是检测量无故障时的条件概率密度曲线与有故障时的条件概率密度曲线有交迭造成的.通常的检测方法是设定一个阈值,当检测量大于该阈值时判定为有故障;否则,判定为无故障.因而,若无故障时检测量落入大于该阈值的范围则出现虚警,若有故障时检测量落入小于该阈值的范围则导致漏检.检测量无故障时的条件概率密度曲线与有故障时的条件概率密度曲线有部分交迭是由检测量中的噪声引起的.由于未知输入、海况等强干扰,导航系统中存在大幅度噪声使条件概率密度曲线交迭严重.检测量是由估计误差(Ee)构成的.就未知输入等干扰噪声与故障造成的Ee的表现形式看,导航传感器本身的噪声一般为非平稳随机过程,其造成的E
e
通常很小,无故障时出现的突出的大幅值Ee往往是
未知输入及其他强干扰引起的,这些大幅值Ee通常不是连续出现的.而传感器发生故障时通常是连续出现较大幅值的Ee.另外,船舶导航系统允许甚至要求一些故障检测延时.如果能使故障检测过程对未知输入等干扰噪声不敏感,但对故障敏感,则可进一步提高故障检测的灵敏度,有利于检测小幅值缓变故障.本文根据船舶组合导航系统故障检测的特点及干扰噪声和故障对Ee的不同影响,提出了以模糊逻辑和指数加权平均处理检测量和阈值的故障检测策略,并用实船航行数据仿真.1 故障检测策略 若检测量落在其无故障时的概率密度曲线与有故障时的概率密度曲线的交迭部分,则存在有、无故障两种可能,这正符合模糊逻辑的概念.Frank等[1,2]就采用了模糊逻辑处理残差或阈值.当检测量介于有、无故障之间时,若依据连续若干个检测周期的检测量判断有、无故障,则可增加用于判断有、无故障的信息,区分引起大幅值Ee的原因,从而提高故障检测的正确率.采用多样本检验不能消除交迭,仅能在某种程度上减轻交迭.若能在某种程度上区分干扰与噪声,则可降低检测阈值,提高故障检测的灵敏度.Napolitano等[3]综合考虑了多次单样本检验的结果判定有无故障.该方法设置2个阈值T1和T2,T2≈20T1.当Ee>T2时,立即判定为有故障;T1T1时,提示警告信息,启动故障警戒过程,首先用偏大型模糊隶属函数[4]fk(xk)=0xk≤c1+a(d(xk-c)-b)-1xk>c(1)将xk映射到区间[0,1),并调节参数a,b,c,d,将大于T1的xk映射到(0.5,1)的开区间并使函数曲线符合需要,即将xk用模糊隶属函数进行归一化处理,并设当xk>T1时有故障的可能性介于0.5～1.这样映射也是根据舰船导航系统的故障检测忽略瞬时故障的要求,使偶发的故障不引起报警、切换,无论这个故障造成的Ee有多大.然后将经式(1)交换后得到的时间序列fk(xk)指数加权平均[5]
Xk=Xk-1/2+fk(xk) X0=0(2)当有故障的可能性累积达到1时判定为有故障.经过这样的处理后,所得Xk介于0～2,并且,当xk连续大于T1时,一定能使Xk>1,但无论Ee有多大,至少出现2次较大的Ee才能使Xk>1.因此,若当Xk>1即判定为有故障,则至少已出现2次较大的Ee.T2是为解除故障警戒设置的.若以启动故障警戒过程后有故障的可能性的近乎连续小于0.25时,判定系统无故障或故障已消失,则设置T2<0.5.如果启动故障警戒过程后,无论是尚未达到Xk≥1时,fk(xk)就下降到0.25以下,还是报警后fk(xk)下降到0.25以下,Xk一定能下降到0.5以下.当Xk
落在交迭区域的中心部分(T1附近),使得有无故障
的可能性较接近时,自动拉长检测时间窗,增加用于故障检测的信息,从而提高故障检测的正确率;反之,当xk落在交迭区域的边沿部分时,自动缩短检测时间窗,从而缩短检测延迟、减少累积误差.与固定长度的检测时间窗相比,采用指数加权平均的优越性是明显的.
2 仿 真利用离线训练神经网络作为在线状态估计器对故障检测策略进行仿真.首先用某船驶往某试验场的航行中平台罗经的一段数据(第1段数据)训练神
967 第7期徐力平,等:导航传感器故障检测策略经网络,然后用该船在试验场进行拉距试验的一段平台罗经数据(第2段数据),分别不加故障和人为设置平台罗经的3个读数(方位角、横摇角和纵摇角)于k=7001～8000发生0.0001(k-7000)2的缓变故障进行故障检测仿真.图1和图2分别为经训练后的神经网络对第2段数据无故障和人为设置故
障时的E2e的曲线.表1为对应于图1的统计数字.设置T1为:方位增量0.12[(°)/次]2(因为船舶航行中方位角可能出现±360°的跳变,因此这里用方位角增量),横摇0.12(°)2,纵摇0.015(°)2.T1小于表1中对应的最大值.
图1 无故障时估计误差Fig.1 Theestimationerrorwithoutfailure图2 有故障时估计误差Fig.2 Theestimationerrorwithfailure
表1 第2段数据估计误差的统计数字Tab.1 Statisticsofthe2ndsectionestimationerror
参数E2e/(°)2
均值标准差最大值方位0.00226010.01474900.445201横摇0.00267490.00984510.302403纵摇0.00148850.00164270.024766
当未加入故障时,没有发生虚警.在3×10980次检测中,对方位增量的检测共发生41次,对横摇的检测共发生11次,对纵摇的检测共发生16次提示警告信息.尽管发生了几十次提示警告信息和启动故障警戒过程,却未发生虚警,充分证明了该故障检测策略可在不发生虚警的前提下减小检测阈值,从而提高故障检测的灵敏度. 当加入上述故障时,对方位增量的检测于k=7342提示警告信息,于k=7346判定有故障;对横摇的检测于k=7066提示警告信息,于k=7069判定有故障;对纵摇的检测于k=7054提示警告信息,于k=7057判定有故障.三者均于k=8001时恢复正常.由于输出两个或多个导航定位参数的传感器发生故障时,所有输出参数均出现故障,故只要检测出一个参数有故障就判定该传感器有故障,结果是k=7057时检测出故障,累积误差为0.3249°.若每次检测采用N=3的多样本检验,除累积误差略有增加外,由于N由1增至3,检验量的标准差降至原来的1/3,减少了无故障与有故障的混淆程度,这将使发生提示警告信息但未报警事件的频率显著降低,总的效果将更好.事实上,无故障时,在3×3660次检测中,对方位增量的检测仅发生1次提示警告信息,对横摇的检测未发生提示警告信息,对纵摇的检测发生2次提示警告信息.加入上述