飛航裝備測試性設計分析及故障診斷實施策略工程應用研究

孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機電工程研究所，北京 100074)

飛航裝備測試性設計分析及故障診斷實施策略工程應用研究

孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機電工程研究所，北京 100074)

飛航裝備的測試性設計分析及故障診斷研究對提高武器裝備的測試性水平，提升裝備的戰備完好性和戰時利用率，拓展可持續的作戰能力具有重要作用；通過從國內外測試性發展現狀入手展開分析，經對一般測試性設計分析流程的深入研究，從工程實用的角度提出了適用于飛航裝備的測試性設計與分析的方法，其中包括探討了測試性建模的工具和一般建模流程，梳理了測試性建模數據準備素材類型和具體內容，分析了測試性建模的具體步驟以及基于測試性模型的分析方法，最后基于所建立測試性模型探討了基于D矩陣的故障隔離和診斷模式，對后續飛航武器裝備型號中的測試性設計分析及故障診斷工作具有重要意義。

飛航裝備;測試;故障診斷

0 引言

隨著高新科技的快速發展，飛航武器裝備的復雜程度也與日俱增，保障能力面臨愈加嚴峻的考驗。因此，如何以最少的保障資源完成最大規模的武器裝備系統的保障工作成為當前面臨的重要課題。近年來，以空軍為首的各軍兵種，正在大力開展簡化保障內容的相關工作。

科學合理的測試性設計能夠通過增加產品測試及生產檢驗等過程中的保障手段以便對裝備系統內部的故障進行自動檢測、診斷和隔離，有效地提高武器裝備的戰備完好性和戰時利用率，同時降低維修人力和其它資源的要求，達到精簡保障內容的最終目的。[1]

然而，測試性設計因其起步較晚，仍然與可靠性、維修性、保障等其他設計脫節，目前飛航裝備的測試性嚴重制約裝備維修性、保障性的工作進展，存在裝備測試時間長、測試內容和項目是否滿足故障覆蓋的要求沒有準確的定義、故障定位時間長、設備的維修復雜難以掌握、對武器的操作人員提出了較高要求等等問題，制約了裝備的快速反應能力與戰時生存能力，嚴重影響飛航裝備作戰效能的發揮。

開展關于飛航裝備測試性設計與分析方法的研究，可將測試性分析的結果一方面用于評估武器裝備測試性設計的水平；另一方面可反饋給設計部門，用于及時修正裝備的設計工作；同時，也用于歷史信息的積累，形成同類武器裝備的測試性設計標準、規范等，從而切實有效的控制和掌握裝備的測試性水平，確保武器裝備的其他性能。

同時，基于測試性分析的故障診斷實施策略研究，有利于輔助現場操作人員快速定位并隔離故障，提升飛航武器的測試、維修保障效率，以最少的壽命周期費用使系統具備要求的狀態監控、故障檢測與故障隔離能力，滿足規定的測試性要求，進而提高系統任務可靠性和可用性，降低壽命周期費用，大大提高我院產品的競爭力，為我院型號今后更好的發展奠定基礎。

因此開展飛航裝備測試性設計分析及故障診斷實施策略工程應用研究，具有重要的實際意義。

1 測試性和故障診斷簡述

測試性是指“產品能及時、準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降)并有效地隔離其內部故障的一種設計特性”。

故障診斷是通過分析和綜合全部有關的診斷要素，使系統診斷能力達到最佳的設計和管理過程。其目標是以最少的費用、最有效地檢測、隔離系統和設備內已知的或預期發生的所有故障，以滿足系統任務要求。

良好的測試性的設計為提高故障診斷能力奠定了基礎，良好的故障診斷能力是檢測測試性設計好壞的重要因素。測試性與故障診斷密切相關，二者相互促進，相輔相成。于此同時，良好的測試性的設計，可以提供準確的性能監控、故障檢測和隔離能力，大大減少故障檢測和隔離時間，從而縮短維修時間，降低對維修人員的技能要求，提高任務可靠性，提高系統和設備的使用效能，減少壽命周期費用。

因此，測試性設計已成為系統和設備研制過程中的重要工作之一，為確定產品設計特性是否有利于測試和診斷，在產品設計過程中應盡早地進行測試性分析與評價，以便及時評價和確認已進行的測試性設計工作，找出不足，改進設計。[2]

2 國內外研究現狀分析

2.1 國外研究現狀及發展趨勢

國外以美國測試性技術發展最具有代表性。自“測試性”術語提出至今，測試性設計與分析技術的發展經歷基于經驗的設計、結構化的設計和基于模型的設計3個階段。基于模型的設計是目前測試性設計技術的主流和未來的發展趨勢。

在美國軍方和NASA的資助下，QSI公司相繼開展了針對測試性設計與維修診斷一體化的技術研究，在IFM基礎上提出了多信號流圖模型(MSFG)的建模思想，利用該模型理論開發了一套提供測試性仿真商業化軟件—TEAMS。該軟件通過建立產品的測試性模型，生成診斷策略樹及故障字典，預計產品的故障檢測和隔離能力，同時發現產品的不可檢測故障、模糊組等薄弱環節，提出改進措施，已經應用到包括美國海/空軍F/A-18C/D制動子系統早期故障檢測、美國空軍飛機數據總線預計解決方案等在內的多個診斷系統或項目中。[3]

2.2 國內研究現狀及發展趨勢

我國的測試性設計技術研究起步較晚，并且工作重點集中在對國外相關標準的本地化以及相關工具的國產化方面。主要的軟件平臺包括：航空301所的TesTLab、北航的TMAS、國防科大的TADES、電子科大的TDA等。這些軟件工具功能與TEMAS相近，同時也根據國內的現狀做了一些完善。

部分單位在利用測試性設計與分析的結果開展故障診斷技術研究方面也開展了相應的工作，重點是針對飛機的分系統進行建模與分析，并提出測試性設計的改進建議。由于裝備建模的復雜性，現在裝備的測試性設計依然停留在基于經驗的階段。

3 測試性設計分析一般流程

一般的，測試性設計分析流程應從產品的需求分析出發，經過診斷方案的確定、ATE的選擇、故障模式及影響分析、測試性指標的分配，最終進行測試性建模與驗證，從而確認測試性設計工作的正確性。若確認正確則設計完畢，若發現不滿足設計需求，則需要返回診斷方案重新設計，如圖1所示。

4 基于模型的測試性設計分析流程

測試性模型是在系統內單元故障、故障傳遞關系以及測試分析基礎上，建立的故障與測試相關性圖形模型，根據該模型可以得到相關性矩陣(D矩陣)和優化診斷樹，并能初步預計故障檢測率、故障隔離率等測試性參數。測試性模型能夠反映建模對象的組成結構，功能原理、各組成單元包括的輸入輸出，各組成單元之間的交聯關系，故障信息，測試信息以及故障與測試之間的依存關系等。在武器裝備的研制過程中建立測試性模型，并隨裝備的研制進程對模型進行修正與完善，通過模型對產品測試性設計的分析和評估，有利于在裝備研制早期發現并解決問題，便于系統研制過程中對測試性設計的掌控，以提高系統的測試性水平。

圖1 測試性設計分析一般流程

現代裝備的功能越來越先進，相應的結構和技術也越來越復雜。通過裝備測試性建模與分析的方法來改善測試性設計，已經成為提高裝備測試能力和測試總體優化的有效手段。測試性模型的建模流程包括：根據收集的信息逐級分解構建產品的層次化模型，通過分析層次化模型中的系統級功能，并關聯到多信號模型中的最底層模塊，建立完整的信號走向圖，確定各模塊間的依賴關系及故障傳遞關系，根據實際情況設置測試點，如圖2所示。

圖2 測試性建模流程

在FMECA 數據、電氣接線原理圖、技術說明書、測試性設計數據的基礎上分析分系統間(Subsystem)、分系統內各模塊(LRU)間的信息流向，故障模式、故障傳遞關系以及測試方法，建立故障與測試的相關性圖形模型，可對某型武器系統的測試性水平進行預計、評估，以改進測試性設計。

根據某型武器系統數據準備報告，利用建模工具軟件TesTLab-Designer建立圖形化模型。以圖形化的方式描述通用處理單元各層級(LRU、SRU、功能模塊)的信號流、故障模式、BIT 、ATE等信息。

正式建模之前需要完成如下的仿真數據準備工作：

4.1 測試性建模數據準備

梳理系統級(System)、各分系統級(Subsystem)之間及與系統級之間、各模塊(LRU)之間及與分系統級、系統級的對外接口關系，并分別填寫表1，形成系統級對外接口關系表、各分系統級對外接口關系表和各模塊對外接口關系表。針對各個模塊(LRU)開展故障模式及相應測試信息的分析和梳理，填寫表2、表3。

表1 外接口關系表

注：←表示連接單元向本單元的端口輸入，→表示連接單元向本單元的端口輸出

4.2 建立測試性模型

1)搭建武器系統的層次結構。

按照《XX武器系統的技術說明書》和《XX武器系統FMEA報告》將XX武器系統劃分為各個子系統、LRU、SRU以及模塊。

表2 故障模式信息表

表3 測試信息表

2)FMECA表導入。

從《XX武器系統FMEA報告》中篩選出發生頻率較高、故障嚴酷度等級較高的故障模式，并按照如下表格的規范格式，在EXCEL中分別建立系統的故障模式表：

表4 FMECA導入表(測試性建模用)

通過TesLab-Designer軟件將.xlsx格式的FMECA導入表(見附件)導入至當前模型中，實現模型中故障模式因素的注入。

3)建立單元模塊間的聯系。

建立頂層模塊包含的功能單元模塊之間的連接關系：

a)建立內部單元模塊與上一層模塊之間的連接；

b)建立同層次單元模塊與單元模塊之間的連接；

c)建立單元模塊和與門，開關模塊之間的連接關系。

4)建立底層故障與LRU端口的聯系

在結構模型圖的最底層，根據故障模式信息表(表2)，進行故障模式模型圖的建模，具體步驟為：

a)根據故障模式的“局部影響”關系，建立故障模式與端口的連接；

b)根據故障模式的“局部影響”關系，建立同一模塊故障模式之間的連接；

c)在需要時，根據故障模式所處的不同工作模式，在故障模式之間設置開關。

d)分析是否多個故障模式發生才會影響某功能失效，在故障模式之間設置與門。

5)信號庫的建立與關聯。

a)添加項目信號庫。

參考模型中的故障模式和功能端口，將模型相關的所有信號名稱依次添加到項目信號庫中。信號庫中信號的總數量不小于模型中所有故障模式的總數量。

b)將故障模式與信號關聯。

分配信號是表示該故障模式發生時會導致產生的故障現象，或會導致可察覺的信號參數變化的情況。根據這一定義，將故障模式與其相應分配信號，即將“故障現象”或“參數變化情況”進行關聯。

c)測試點、測試的建立以及與信號的關聯。

在模型圖的各層，建立測試和測試點。具體步驟為：

i)建立測試點。

根據仿真數據準備章節中的測試信息表，新建測試點，并根據測試位置建立測試點與各單元模塊或故障模式的連接(通過模型中的連接線實現)。

ii)建立測試。

在測試點中添加測試項目，并根據測試信息表所填信息，為該測試項目設置測試方法、測試級別、測試成本和時間等信息。

iii)設置測試所關聯信號。

根據測試信息表中信息，分配該測試可以測到的功能信號(如果不分配信號，則按照模型圖的可達性決定該測試可以測到的故障模式)。

至此，XX武器系統測試性模型已基本建立完成

4.3 測試性分析

測試性分析報告中可分為定量分析和定性分析兩部分工作內容。定量分析是根據測試性設計資料，通過工程分析和計算來估計測試性和診斷參數可能達到的量值，并與規定的指標要求進行比較的過程。定量分析的主要目的是通過估計測試性指標是否滿足規定要求，以評價和確認已進行的測試性設計工作，找出不足，改進設計。定性分析是根據測試性設計資料，通過分析設計中的故障覆蓋情況，指導改進測試性設計的方法和設計權衡。

針對測試性模型進行測試性分析，可以得到D-矩陣、模糊組動態分析結果、故障診斷樹、故障檢測率和故障隔離率等分析結果。

5 故障隔離和診斷模式

通過對目前測試性建模工具的調研發現，主要包括以下4種故障隔離和診斷實施方式：

a)基于D矩陣的故障診斷模式；

b)基于先驗知識的故障診斷模式；

c)基于故障樹的故障診斷模式；

d)基于數據挖掘的故障診斷模式。

根據不同型號飛航裝備的歷史數據特點，通過策略中心可選擇不同的故障診斷實施方式，最終給出診斷結果，從而快速定位和隔離故障。[4-6]

圖3 故障診斷實施方法

基于D矩陣的故障診斷模式是最常見的故障診斷和隔離方法。D-矩陣將測試與故障之間的依賴關系用矩陣的方式進行表示，已在許多測試性分析工具中得到了成功應用。D-矩陣模式的工作原理是通過應用測試設備獲取各個測試監測點代表各模擬量指標的數字量序列(如01010001……)，通過工具軟件或人工進行有效的分析、識別、解讀后，將其劃分為可對應各個物理量的數字量，經過離散歸一化手段調整后與D-矩陣的各列進行比對，從而確定裝備是否故障。如圖4所示。

圖4 D-矩陣模式故障診斷

6 結論

本文通過對一般測試性設計分析流程的深入研究，從工程實用的角度提出了適用與飛航裝備的測試性設計與分析的方法，最后就基于D矩陣的故障診斷模式進行了分析研究，對后續飛航武器裝備型號中的測試性設計分析及故障診斷工作具有重要意義。

[1] 田 仲,石君友.系統測試性設計分析與驗證[M].北京：北京航天航空大學出版社，2003.

[2] 田 仲.測試性與診斷的設計內容和基本理念[A].中國航空學會可靠性工程專業委員會學術年會[C].2006.

[3] 秦文娟,王 魁.基于TEAMS軟件的空空導彈測試性建模方法[J].彈箭與制導學報,2011,(10)：44-46.

[4] 李東兵,馬 艷,潘鴻飛.戰術導彈綜合故障診斷技術研究[J].戰術導彈技術,2011(6)：44-46.

[5] 姜會霞,孟 晨,楊鎖昌.基于模糊故障樹和故障字典的導彈綜合診斷方法[J].儀表技術,2010(6)：4-6.

[6] 王國鋒,張錫恩.基于案例推理的導彈故障診斷專家系統研究[J].系統工程與電子技,1999(8)：32-34.

Research on Cruise Weapon System’s Testability Design and Analysis and Fault Diagnosis Engineering Application

Sun Ping, Wei Qingxin, Wang Kunming

(Beijing Electro-mechanical Engineering Institute, Beijing 100074, China)

It is important of researching on cruise weapon system’s testability design and analysis and fault diagnosis to improve the testability level, increase the combat readiness, wartime utilization, and continuous fighting capacity. This paper starts analyzing from development of testability at home and abroad, and researches deeply a general testability design and analysis process, proposes a method which is suitable for cruise weapon system’s testability design and analysis in engineering practical aspect through researching deeply on general testability design and analysis flow, including discussing the tools and the process of building testability model, combining with the type and the content of prepared data for building testability model, analyzing the procedure of building testability model and analyzing method based testability model. Finally this paper researches fault diagnosis mode based on D matrix. Hence, this paper is very important effect on cruise weapon system’s testability design and analysis and fault diagnosis in the future.

cruise weapon system; testability; fault diagnosis

2016-09-24；

2016-11-11。

孫 萍(1987-)，女，陜西銅川人，工程師，主要從事裝備綜合保障技術方向的研究。

1671-4598(2017)03-0011-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.004

TP3

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