[发明专利]一种基于随机森林的模拟电路故障诊断系统

说明书

技术领域

本发明属于故障诊断领域，具体涉及随机森林(Random Forest，简称RF)、PXIE(PCI Extensions for Instrumentation Express，面向仪器系统的PCI扩展平台)实现模拟电路的故障诊断和半实物仿真验证技术。

技术背景

随着现代工业和科学技术的迅速发展，电子技术的不断革新，现代设备的结构、系统越来越复杂。针对任何大型复杂系统和设备的故障分析关系到广大的财产和人员安全，因此电路故障诊断变得尤为重要。虽然在电子设备中数字电路超过80％，但模拟电路的测试时间占整个混合电路测试时间的80％-90％，且模拟电路中出现单故障的情况占到系统总故障类型的70％-80％。与数字电路相比，模拟电路故障诊断的进展一直比较慢，因此对模拟电路的故障诊断是一个拥有广泛应用前景的研究课题。

因为模拟电路的故障具有间歇失效性，不可复现，因此为模拟电路故障诊断方法的验证带来了挑战。RF是一种性能优越的基于数据的集成分类器，得到了广泛应用，因此在本发明中利用RF技术进行模拟电路的故障诊断。RF是由一组决策树分类器组成的集成分类器，因此RF中决策树的数量决定了将RF中获取的规则投入使用和分析是一个困难的任务。对RF中规则进行深入的分析，便于使用者通过故障信息深入了解模拟电路。因此对RF的解释透明化问题亟待解决。而现有的电路故障诊断方法，需要使用者具备全面的电路知识，并根据不同电路特性需人为筛选电路数据，诊断过程复杂，同时，只给出故障结果，忽略了对电路故障信息的分析，故障信息不透明。

发明内容

本发明针对现有诊断技术复杂且故障信息不透明的问题，提出了一种基于随机森林的模拟电路故障诊断系统，该故障诊断系统不仅具有利用随机森林方法对模拟电路进行故障诊断的作用，而且利用PXIE总线系统实现模拟电路故障的半物理仿真，可以实现对诊断方法的半实物验证，可验证软件仿真下电路的正确性和故障诊断的分类精度。

本发明提供的基于随机森林的模拟电路故障诊断系统，包含两个子系统：故障仿真子系统和故障诊断子系统。

故障仿真子系统包括模拟电路仿真软件模块、模拟电路仿真硬件和故障注入模块。

所述的模拟电路仿真软件模块，用于对模拟电路进行模拟仿真，通过用户对电路的不同参数设置对模拟电路进行故障注入，采集仿真的故障模拟电路的电路数据输出给故障诊断子系统，以进一步对模拟电路进行故障诊断。

所述的模拟电路仿真硬件和故障注入模块在搭建的真实的模拟电路上，通过控制故障注入模块和可编程电阻卡模拟实现因电阻引起的模拟电路故障，采集半实物仿真的故障模拟电路的电路数据并输出给故障诊断子系统。

故障诊断子系统包括数据预处理模块、RF分类器和RF规则库。

所述的数据预处理模块对电路数据进行属性约减，并将去除冗余信息的电路数据存储。

所述的RF分类器利用数据预处理模块处理后的电路数据进行构建，构建好的RF分类器用于对电路数据进行故障诊断。

所述的RF规则库根据对RF分类器的决策树进行规则提取得到，并统计每个规则的出现次数，通过匹配规则对电路数据进行分类，获得故障诊断结果和匹配规则，当RF分类器中构建新的决策树时，更新RF规则库。

所述的RF分类器存储RF的各节点，每个节点的数据结构中包含：所在决策树信息、节点的位置信息、父节点位置信息、节点的分裂特征、父节点上数据到达节点的特征取值或阈值、在父节点的分裂特征是连续特征时节点位于父节点左右分支的信息。在RF分类器进行故障诊断时，遍历RF的各节点重建RF。

本发明还通过交互界面向使用者展示在诊断中所使用的分类信息，实现了RF的透明化。

本发明的模拟电路故障诊断系统，相对现有技术，其优点和积极效果在于：

(1)本发明的模拟电路故障诊断系统具有通用性；

本发明系统具有模拟电路故障诊断以及仿真验证的功能，在完整的软件仿真和诊断功能以外，可以实现对任意真实电路中任意电阻元件进行多个故障模式仿真和故障诊断，节约了搭建不同真实故障电路的成本和时间。完全利用电路数据进行故障诊断，无需使用者具备全面的电路知识，无需使用者根据不同电路特性进行人为筛选等复杂操作即可完成整个诊断过程。

(2)本发明的基于RF的故障诊断系统具有对用户透明的优点；