多信號診斷模型在海軍裝備中的應用研究＊

石萬山 江政杰

（1.海軍駐沈陽地區電子系統軍事代表室 沈陽 110003)（2.海軍裝備部沈陽軍事代表局 沈陽 110031)

1 引言

隨著海軍裝備建設轉型、使命任務轉變及維修體制改革的發展，裝備維修保障逐步由計劃維修向視情綜合后勤保障（ILS)諸要素保障過渡，故障診斷和檢測作為保障的重要要素，受裝備系統復雜性、布置空間局限性及技術含量高、信息化程度高、設備之間關聯程度高等影響，難度和成本大大增加，單一機內自檢、自動測試等技術、傳統的測試與診斷思想、系統的構成方法難以對裝備維修發揮全面效能，現已向綜合診斷保障系統（IDSS)等綜合保障故障診斷的趨勢發展。本文就綜合診斷保障系統、多信號診斷模型、多信號模型故障診斷方法設計等，作進一步的研究和探討［1］。

2 綜合診斷保障系統

圖1 綜合診斷保障系統功能框圖

綜合診斷保障系統是基于海軍裝備中三級維修體制運行中的所有測試診斷問題視為整體看待而提出的，并利用網絡技術、人工智能、微電子技術和自動測試等新技術進行開發。該系統將綜合狀態監控、自動測試、手動測試、維修工具、技術信息、接口等綜合保障諸因素，合理設計并獲得最大綜合診斷效能。其特點和關鍵是“綜合”，主要功能是完成裝備的監控、診斷、維修、管理和人員訓練等（綜合診斷保障系統功能框圖見圖1)，其目標是實現最佳的故障檢測和隔離［2］。

3 多信號診斷模型

多信號模型主要有兩大類：結構化模型和依賴性模型［3］。

1)結構化模型。結構化模型建模簡單，方便，適用于小系統，對嵌入到簡單方塊圖中的復雜函數依賴關系還不能完全滿足，經常導致錯誤的診斷結論。

2)依賴性模型。依賴性模型以具有內在的簡化特性方向圖表示模型故障源與測試或測試與測試－之間的因果關系，是目前測試診斷分析工具中的主要建模技術，但由于平鋪結構，只能表示0、1單維因果關系，對復雜系統的依賴關系會偏離系統結構框架，造成建模擴大化。

多信號診斷模型是兼顧二者特點，在系統結構和功能分析基礎上，以分層有向圖表示信號（功能)流導向和各組成單元（故障模式)的構成及相互連接關系，并通過定義信號（功能)以及組成單元（故障模式)、測試與信號之間的關聯性來表征系統組成、功能、故障及測試之間相關性，是一種基于有向圖的故障診斷模型表示方法，具有建模簡單、模型集成和驗證簡單的特點。

4 多信號模型故障診斷方法設計

首先，根據海軍裝備系統及分系統的結構與功能對具體設備裝備提出的關聯及信號邏輯要求，并結合設備整機、分機、模塊、具體單板的結構與功能，充分考慮核心器件、電路的特殊功能性，分析各單元之間的接口關系，設計構建多信號模型；其次，通過所建立的多信號模型生成故障診斷相關矩陣，進一步完成系統的單故障特性分析、多故障特性分析、診斷策略和測試參數的分析。其中，多信號模型的建模、故障分析等都由TEAMS建模與分析工具來完成。最后，根據分析結果和故障診斷相關矩陣可以設計出符合武器系統特點的故障診斷算法。多信號模型進行故障診斷分析方法的內容和流程如圖2所示［4］。

圖2 故障診斷分析方法流程圖

4.1 多信號模型建模分析

1)多信號建模方法。多信號建模主要包括：一是自行編程或購買軟件系統，可借用某平臺的軟件工具，對大規模相互連接系統進行多信號建模，并得到元件與測試間的依賴關系，其圖形接口簡化了大規模、復雜、可重構、故障容錯以及分級的系統的創建、裝配、檢驗和修正。二是采用人工建立的方法，對于中小規模的系統（元件與測點為幾百個以下)，可以在系統物理結構圖上添加相應的信號得到相應的多信號模型圖。

2)多信號建模步驟。多信號建模一般需要以下五個步驟：一是輸入結構模型，原理圖模型或概念方框圖。例如，在TEAMS中，結構模型也可以通過VHDL結構模型，EDIF連線表等自動產生或通過圖形用戶界面直接輸入；二是對模塊和測試點增加信號。信號集可以從功能特性或傳遞函數中獨立變量發現。三是特殊情況下的修正模型。例如，（1)如果一個系統有一些組件能夠阻斷（block)一個信號集或完全故障，則應為這些組件定義一個被阻斷信號集。（2)如果一個系統有一些組件能夠映射一個或多個信號到另一個信號子集，則需為這些組件定義一組映射函數。（3)如果一個復雜信號（或函數)是由一組簡單信號（或函數)構成，則可將這些簡單（或底層)信號組合為一個復雜信號或超信號。四是檢驗模型。根據測試數據與物理模型對多信號模型進行檢驗。（1)多信號模型的構建可以由簡而繁，逐步完善，即在開始階段先根據一些常識性的知識和系統結構組成構建系統的初步模型，其后隨著對系統認知的深入和應用需求的提出，通過在已有模型上增加定義信號等逐步完善模型；（2)多信號模型的構建與測試點的設置無關；五是將武器裝備的多信號模型導出到Access數據庫。

4.2 相關性矩陣的構建

相關矩陣D＝ dij，是一種能夠反映各故障組元與測試信號之間相關性的模型，是相關模型的矩陣表示［5］。其結構如下：

1)設系統故障數為M，其中包括故障組元數為L，功能性故障為Lf，測試信號數為n，則相關矩陣為（L＋Lf)×n維；

2)矩陣中的第i行表示第i個功能模塊fi的故障向量，若dij＝1，則表示功能模塊異常影響信號sj；

3)第j列表示第j個測試信號sj，若dij＝1，則表示第j個信號sj可檢測到第fi個功能模塊異常。

該相關矩陣包含了系統一些基本信息，利用該信息可以解釋測試結果和診斷故障，以及在最短時間產生測試方案。

4.3 多信號模型故障診斷算法

由系統的多信號相關性模型得出相關矩陣以后，可在該矩陣的基礎上，根據各測試的實時檢測結果進行推理，判斷各個模塊所處的狀態。

故障診斷的推理的目的在于，將系統中各個模塊的狀態確定為以下四種中的任意一種：1)正常；2)故障；3)可疑；4)未知。推理的基本規則是：初始化，假設所有模塊狀態未知；若檢測某模塊的某測試通過，則該模塊狀態修改為正常；若檢測某模塊的某測試失敗，該模塊狀態修改為可疑；故障模塊從可疑模塊中通過去掉正常模塊得來。為描述方便，記為測試tj所檢測的故障組元（模塊)的集合，并且記：

A為所有模塊的集合；B為故障模塊的集合；S為可疑模塊的集合；U為未知模塊的集合；G為未正常模塊的集合；F＝｛ ｝為所有失敗測試所檢測的模塊移除正常模塊后的集合。實時故障診斷推理機基本算法如下所述：

第一步：初始化。將所有模塊狀態置為未知，即

第二步：處理通過的測試。

1)求所有通過測試所檢測模塊集的并集

2)找出新的正常模塊

3)更新故障集合，即從可疑模塊集合、未知模塊集合中移除正常模塊：

第三步：處理失敗測試。

1)存儲失敗測試所檢測的模塊集F＝｛fk｝←｛Tsk－G｝

2)將失敗測試所檢測的模塊集添加到可疑模塊集S←S∪｛fk｝，U←U－｛fk｝第四步：處理狀態待定的失敗測試所檢測的模塊集F

1)更新狀態待定的失敗測試所檢測的模塊集F，即從F中移除新的正常模塊：

2)更新故障模塊集，即：

3)更新F，即移除新確認的故障模塊；

如果fk∩ΔB≠Φ則從F中移除fk，因為此時fk已經屬于ΔB。

4.4 應用舉例

例如，某艦載電子裝備系統由N個設備、信號接線箱、顯控臺、信號模擬器等多個分布式系統組成，可更換單元達數以百計之多?？蓽y試信號包括模擬量信號、數字信號、開關信號、控制及觸發脈沖信號等［6］。

我們通過三個級別（分系統、分機、模塊)的多信號模型故障診斷有向圖，建立了武器系統故障診斷相關性矩陣，在ACCESS數據庫中建立相應的故障診斷表。被測信號通過信號采集適配器送到測試主機，通過與ACCESS數據庫中存儲的正常值進行比對，給出相應的誤差范圍并以標準數據格式發送到故障診斷平臺，最后由故障診斷軟件根據具體故障信號特征給出與信號相關的武器裝備故障模塊。實踐證明，“綜合診斷”對解決武器裝備測試診斷、提高可靠性、降低裝備使用保障費用具有重要作用。

5 結語

綜合診斷是解決武器系統測試診斷問題、提高武器系統綜合診斷能力、降低武器系統使用和保障費用的有效途徑。多信號模型的建立要求建模的人員必須對所研究的系統、分系統、設備、分機、單板模塊及元件之間以及元件與測試點之間的邏輯控制關系深入了解，切合實際地建立多信號模型。在實際診斷推理過程中，可根據系統的相關矩陣，利用測試信號，不斷排除正常元件，最后得到發生故障的元件集合［7］。

［1］邵思杰，曹勇，李愛民.基于多信號模型的火控系統測試性分析與仿真驗證 ［J］.計算機測量與控制，CSCD，2012，（7)：19071909.

［2］許輝，梁力.基于多信號模型的測試性分析方法研究 ［J］.計算機測量與控制，CSCD，2012，（4)：914916.

［3］司兵，袁勝智，李建華.多信號模型在某型裝備實時診斷系統中的應用 ［J］.儀器儀表用戶，2011，（6)：6164.

［4］張巧炫，龍兵，楊興霽.基于多信號模型的可測性指標體系研究［J］.電子測量技術，2011，（10)：811815.

［5］石君友，張鑫，鄒天剛.多信號建模與診斷策略設計技術應用［J］.系統工程與電子技術，EI CSCD，2011，（4)：1922.

［6］張強，胡駿，胡政，李鴻飛.基于多信號模型的航天器供電系統測試性建模與分析［J］.載人航天，CSCD，2012，（6)：3946.

［7］張帥，胡政.基于多信號模型的空間站某典型產品測試性建模與分析［J］.空間控制技術與應用，2011，（5)：4548.