新一代天气雷达故障诊断技术简介

  摘 要:简单介绍了新一代天气雷达故障诊断技术的必要性、基本概念、实现方法及故障诊断软件的原理。
  
关键词:天气雷达 系统故障 自动诊断
  
中图分类号:TN959.4  文献标识码:B  文章编号:1007-9033(2001)02-0041-04
 

前言
  新一代天气雷达采用了系统的故障自动诊断技术,即自动监控或自动检测技术。自检设备(BTT)也叫内装式测试设备,它已成为雷达系统本身的一个组成部分,在雷达系统运行的过程中,用以监测系统性能,自动发现与诊断故障。天气雷达作为短时预报的主要工具,熟悉故障诊断技术对提高服务的有效性有着重要的意义。
1 故障自动诊断的必要性
  早期的雷达故障诊断,主要靠人工进行,即由机务人员依靠专用仪表、工具(如万用表、示波器、信号源等)进行。人工诊断的效果与检修设备、器材等条件有关,更直接与维修人员的业务水平和实际经验紧密相关。随着现代雷达技术飞速发展,雷达系统结构日趋复杂,功能多样。由于社会对雷达气象服务有很高的时效要求,在关键时刻几乎不允许天气雷达因故障而停机,而人工检测诊断由于受到时间和空间的限制,很难及时完成对雷达故障检测诊断和排除任务。故障自动诊断技术对雷达故障有快速反应、准确定位、自动化隔离和早期预报性等优点,正在取代落后的人工诊断技术。
  目前,国外比较先进的天气雷达系统的平均故障修理时间(MTTR)一般为0.2~0.5 h,某些采用了微处理机程序检测和故障隔离技术的雷达(如美国WSR-88D多普勒天气雷达),其MTTR可下降到5 min左右。而用人工检测诊断,MTTR一般都在1 h至数h,对用于短时预报的天气雷达则不能达到应用要求。另一方面,自动诊断技术改善了雷达的易维修性,且能有效防止雷达故障。在新一代天气雷达上广泛应用故障自动诊断技术,可以提高雷达的服务时效和雷达装备的有效性。
2 雷达故障自动诊断系统性能参数
2.1 故障发现率
  故障发现率=发现故障率/产生故障总数%
  新一代天气雷达配有计算机控制的自动监控系统,用时分方式穿插进行测试,故障发现率通常在98%以上。
2.2 故障虚警率
  把正常工作情况判为故障,或者把性能变坏的情况判为正常,均算是自检诊断的虚警。一般要求虚警率在1%~2%。
2.3 故障隔离率
  故障隔离指的是将发现的故障孤立到单个在线可更换单元(Line Replaceable Unit )。新一代天气雷达要求隔离率达到85%~95%。也就是说,若发现100个故障,要能把其中的85~95个故障的具体部位指示出来,以便实时进行换件修理。
3 雷达自动诊断技术的实现方法
3.1 硬件电路
  自动诊断技术是通过预先设置在雷达各分机单元内部的测试点分别接入相应的传感器,对雷达中有代表性的机械、电路和信号工作状态进行监测或采样,并传输到微机或其它智能设备进行故障的自动检测。这种检测一般是在线式,随雷达开机实时运行。
3.1.1 检测点的选择
  对硬件电路的自检,首先应确定好检测点,即故障征兆取样点。检测点的多少和灵敏度,直接关系到故障诊断的发现率和隔离率。检测点多,固然有利发现故障和孤立故障的具体部位,但若过多必然增加设备量,降低可靠性,提高成本。检测点的选择应注意:(1) 根据对雷达各部分的可靠分析,对高可靠部分少选点,低可靠部分多选点。(2) 根据故障检查框图选取那些对设备性能和故障反应灵敏的检测点,即灵敏点。(3)高频信号电路对雷达性能影响极大,要注意选点的位置,不能影响雷达的正常性能。因此,可以用输入模拟信号进行检测。(4)某些对故障征兆反应比较灵敏的现象,如光、转速、位移、温度等,也可以设置检测点,其取样方法比电压、电流等要复杂。
3.1.2 测试传感器和信号转换及信号汇集
  检测点的信号,通过专门的变换器,变换为电流或电压信号,而非电测点则采用压敏、温敏、光敏、测速等不同性质的传感器把运动或物理量转变为电信号。在大型雷达中,各种检测信号通过线路汇集到数字转换器上转变为数字信号。在多分机单元的雷达中,各支路检测信号分别经微处理器处理后,通过雷达数据总线传送到中心故障诊断监测微机。
3.1.3 检测点的评价
  检测点的评价,实际上是对检测(或采样)进行分析。在传统雷达中,各测点信号的评价,是独立进行的,通常有(1) 容限比较:允许被测电压在一定范围内变化,如果被测电压超出预定的容差,测试点失效。(2) 小于比较:如果被测电压大于某一预定值,测试点失效。(3) 大于比较:如果被电压小于某一预定值,测试点失效。
  当雷达出现某种性能下降,是否判为故障,由故障容限决定。容限又称为故障门限,它的选取直接关系到故障的发现概率和虚警率。门限过低,容易造成虚警;门限过高,容易漏报,降低发现概率。此时选取检测点的容限是测点评价的关键。现代天气雷达对测点的评价已不是单值的或单要素的,它往往采用多点综合和模糊理论进行故障或运行状态的评价,最后给出判断结果和处理策略,通常还能在故障还未发作前,发出警告。
3.1.4 测试硬件线路自身故障的防止
  雷达故障自动诊断系统被测信号参数多,性质不同,要提高故障发现率,减少虚警率,必须防止测试硬件线路的自身故障。通常的办法是,选择不易受环境(温度、湿度、电压、电流波动)影响的高可靠性模块和传感器件;采用隔离、屏蔽方式使高频、视频信号互不干扰;关键电路采用稳压和稳流等措施;合理选择故障门限电平等方法。

3.2 测试软件
  新一代天气雷达技术性能指标高、可靠性强、故障发现率高、虚警率低,其功能实现有很大一部分是由软件和微处理技术控制达到的。这里指对测点信号进行提取和传送的前端硬件的运行软件,因此必须在软件内部穿插对应的测试指令和中断命令,进行实时的测试和传送。部分故障在指令控制或人工干预下可自动复位并恢复正常工作。
4 诊断故障的几种方式
4.1 专家诊断
  故障诊断测试系统完全依靠已给出的知识库和规则库自动进行测试,特征提取得到故障判断。诊断过程如下:
  (1) 根据库中的知识产生被测板所需激励信号并加到被测电路,使被测电路工作。
  (2) 系统自动测试被测板的各输出点信号,经波形分析软件处理,提取出各个被测信号的参数,与知识库中相应各点的知识进行比较。若输出信号正常,则判断被测电路无故障;若输出信号有一个或一个以上参数异常,则根据各个信号的错误情况,在规则库的指导下,自动转入下一级推理支路,对一个点或几个点进行测试、分析、判断……;直至将故障孤立到单级。
  (3) 通过系统自动检测诊断,将检测信号经模数转换后,采用声光报警或接入微机综端监视器报出故障部位(如磁控管反峰过荷)。
  专家诊断的优点是自动化程度高,测试迅速、方便;缺点是完全依赖于专家经验,一但专家经验不够完善,诊断就失效,甚至引起误判。

4.2 单步测试诊断
  单步测试类似于专家诊断,所不同的是在每次分析完成之后,使用者可根据实际情况决定测试流程转向,这样,既借助了专家经验,又发挥了使用者的主观能动性,诊断正确率得到提高,其诊断速度比专家诊断稍慢,但快于人工检测。

4.3 逐级测试诊断
  逐级测试系统基于电路拓朴结构进行诊断,主要适用于专家经验不够完善的电路单元。尤其是新的电路单元,一时还没有开发出专家知识库,此时可用该方法。

4.4 在线测试
  当故障已被确定在单级电路上时,进行在线测试诊断是较好的方法,它可以不将元件焊下而判定元件是否故障。在线测试系统可以直接测量分立元件好坏,也可以用伏一安特性曲线在线测试的方法,间接判断元件或电路是否故障。

4.5 机械故障诊断
  由于雷达天控和伺服系统构成闭环回路,机械系统的故障自动诊断比较复杂,其探测诊断技术种类较多,新一代天气雷达采用了声音与振动探测、油液探测、受力探测、超声探测、电磁探测、透射探测与全息照相等技术。
5 故障诊断软件的原理简介
  新一代天气雷达采用与雷达印制板相配的503DIAG故障诊断软件,该软件功能较全,界面友好,并有易学易用的特点,而且具有扩充能力,使得利用同一软件诊断其它类型雷达的印制板成为可能。

5.1 工作原理
  503DIAG软件是一个基于知识库的专家诊断系统软件,它需要在诊断前预先编制好相应的诊断库,诊断库的完整性将直接决定诊断的准确性。为使系统具有一定的适应性,还可用一些辅助手段(如波形显示等)来增强系统的诊断能力,以提高故障定位精度。
  诊断过程是由加电、加激励信号、采样、分析、判断转移等步骤完成的,其中加电源、加激励信号是被测板工作的必要条件。给被测板以正常工作时所需的电源和激励信号,可使电路板处在类似如雷达的工作环境中,此时对有关信号进行采样、分析就可判断出故障位置。
 为了提高诊断的可靠性,避免专家经验不足而使诊断失误,该软件提供了前面介绍的几种诊断方法,即专家诊断、单步诊断和逐级诊断。专家诊断是根据预编制好的规则库,在不需人工干预的情况下自动诊断,判断出故障部位。单步诊断与专家诊断相同,区别是在判断每个点后,需由人工来控制转移方向,这样可避免专家经验中参数限制严格而导至的误判,从而提高诊断精度。逐级诊断不需诊断规则,它可根据电路结构一步步回溯,找出故障单级。
  以上诊断方法只能将故障定位到单级,然后利用单级测试来找出故障元件。其诊断流程见图1。
5.2 503DIAG故障诊断软件的使用
  该软件用来实现对印制板的故障诊断,它分为4大部分:诊断、解释、板图和波形。设备正常开机后,键入DIAG及回车,屏幕显示“雷达印制板自动测试系统”;按任一键进入主菜单画面,显示“诊断”、“解释”、“板图”、“波形”及“退出”;按相应的功能或点击鼠标即选中该菜单功能。然后调诊断库,打开由一系列主名相同、扩展名各异的原理框图文件。印制板图文件、库文件、主设置文件。若诊断库完整,系统自动将其调入内存,并显示出原理图。
5.2.1 诊断
  按专家诊断单步诊断逐级诊断单级测试等流程,完成故障部位测试,判定元件是否有故障。
5.2.2 解释
  该功能是对已完成的专家诊断或单步诊断进行解释,说明定位故障的依据,可以此来检查机器诊断是否正确,或了解系统推理过程。
5.2.3 板图
  选择此项功能可显示被测板的印制板图,如完成诊断,则显示的板图中故障点出现提示(如闪烁方式出现红点)。
5.2.4 波形
  系统进入该项功能,屏幕上出现菜单,包括模拟波形、数字波形、数据采集等。
 

参考文献

1.北京敏视达公司,新一代多普勒天气雷达系统(CINRAD)全系统性能指标可维护性MTIR(平均修复时间0.5h)[M].北京:北京敏视达公司,1999. 
  第一作者简介:熊国华(1952-),男,工程师,主要从事气象技术装备保障管理.

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