基于多信號流圖模型的導彈系統級故障診斷技術研究

魏清新,王坤明,孫 萍

(北京機電工程研究所，北京 100074)

基于多信號流圖模型的導彈系統級故障診斷技術研究

魏清新,王坤明,孫 萍

(北京機電工程研究所，北京 100074)

為了實現對導彈裝備系統級故障的診斷，提出了基于多信號流圖模型的導彈故障診斷方法;該方法利用多信號流圖模型建立系統的層次結構模型，在對導彈系統級測試性指標進行分析的同時，生成故障模式-測試相關性矩陣;在導彈測試出現故障時，利用故障模式與測試的相關性對相關性矩陣進行化簡后，可將故障定位到具體LRU;最后，利用某型導彈電氣系統對該方法進行了驗證，試驗結果證明，該方法對于導彈系統級的測試性建模與分析是有效的，利用該模型能夠對導彈系統級故障進行準確定位。

多信號流圖；測試性建模；故障診斷

0 引言

作為一種復雜的武器裝備，現代導彈中大量采用各種先進的電子設備，在其技術水平提高的同時，導彈本身也變得日益復雜，給使用、維修和保障帶來了嚴重的問題。與其他裝備不同，導彈具有長期貯存，一次使用的特點，因此在導彈的設計過程中往往更加重視其本身的主要戰技指標，而對其測試性和維修性等特性考慮較少。這無疑使導彈的故障檢測以及排查難度大大增加。現階段，對導彈系統級故障診斷的方法主要有三類[1]：基于故障樹的故障診斷技術、基于知識的故障診斷技術和基于模型的故障診斷技術。故障樹方法的診斷結果嚴重依賴于故障樹信息的正確性和完整性，知識方法存在知識采集瓶頸，基于模型方法既可解決知識獲取的瓶頸問題和知識庫維護困難的問題，又能提高診斷的精確性。在復雜系統的診斷方面，基于模型的診斷方法具有優勢。

1 多信號流圖模型

從國內相關文獻的檢索來看，多信號流圖模型是最受關注的測試性模型，這主要是由于在模型中引入“功能信號”這一概念，以功能信號為紐帶，故障與測試的關系清晰，所建立的模型結構同系統的功能框圖類似，便于測試性知識的表達，同時模型的檢驗、核查也比較容易。正因如此，多信號流圖模型在裝備測試性分析與故障診斷中得到了廣泛應用[2-4]。

2 基于多信號流圖的測試性建模流程

2.1 多信號流圖模型要素

多信號模型有向圖構成要素有[5]：設備故障模式集C={c1，c2，…，cm},與故障源相關的獨立信號特征集合S={s1，s2，…，sk}，測試集合T={t1,t2,…,tn}，測試點集TP={TP1，TP2，…，TPp}，每個模塊對應的信號集Sc和每個測試檢測的信號St。

值得注意的是，上述要素中的一些概念與平時測試中遇到的概念雖然名稱相同，但在意義上卻有一定的差異，在模型中的概念往往更加寬泛。例如，平時測試中所說的信號往往指具有具體量值的模擬量、數字量、開關量等參數，而模型中的信號(功能) 是指表征系統或其組成單元特性的特征、狀態、屬性及參量, 既可以為定量的參數值, 又可以為定性的特征描述, 并能夠區分為正常和異常兩種狀態, 相應測試結論為通過或不通過。

2.2 多信號流圖建模流程

基于多信號流圖的測試性建模工作可分為三步：獲取故障模式信息、圖形化建模、測試性結果分析。具體工作流程如圖1所示。

圖1 多信號流圖模型建模流程

2.2.1 故障模式信息獲取

故障模式信息是測試性建模的最基本信息。為有效開展產品的測試性建模分析工作，并保證模型信息與產品設計技術狀態保持一致，故障模式信息獲取的最直接最有效的方法是對可靠性分析得到的FMECA報告的相關信息進行分析和確認，主要包括對故障模式集的分析確認和故障模式屬性內容的分析確認。由于可靠性分析中的FMECA分析是按照GJB1391-2006以及相關型號規范開展的，其中各個故障模式的屬性內容和類型并不能完全滿足測試性建模分析工作的開展需求。因此，需圍繞能否滿足測試性建模分析要求，對故障模式屬性進行補充完善。其中：對FMECA中滿足建模分析要求的部分屬性類型和內容直接引用；對類型可用，內容不可用的屬性信息進行完善修改，對缺少的屬性類型及其內容進行補充。

對FMECA故障模式集的分析確認應基于產品實際設計，結合可靠性仿真試驗結果、試驗及外場統計結果等，對FMECA報告中故障模式集的完備性、各故障模式的原因與影響的完備性、故障模式的嚴酷度等級及故障率等基礎屬性的正確性進行分析確認；并對故障模式、故障原因與影響的遺漏進行補充，對基礎屬性進行修訂。

分析確認形成的故障模式信息數據再經過迭代修改并通過審查后，應作為建模的統一數據源，支持建模分析工作的開展和完成。

2.2.2 圖形化建模

為方便基于多信號流圖的測試性建模工作的開展，美國DSI公司開發出了計算機輔助建模工具軟件TEAMS。該工具將建模方法和故障隔離算法集成在一個使用方便的圖形用戶界面里,大大簡化了大型復雜的、可重構的、帶有故障容錯的多重系統的創建、集成、驗證和修改。通過一系列靜態分析和動態分析，最終TEAMS可給出故障檢測和故障隔離指標、故障模糊組情況、未被檢測故障、未被使用或冗余測試等指標信息。近年來，國內有關單位密切跟蹤國外測試性建模技術的發展，也開發出了類似的軟件建模工具，如TESTLab、TMAS、TADES、TestabilityDA等等。這些工具更加注重國人的工作方式和使用習慣，在功能上與TEAMS相當，但在界面設計、術語定義等還有自己的特點。本文以TESTLab為例簡述某型導彈系統級測試性模型的建立過程。

軟件建模工具的主要作用是對測試性信息的集成和對測試性結果的分析以及診斷策略的生成，對測試性建模而言，更多的工作是建模之前數據信息的準備。這些信息中除故障模式信息外還包括測試產品組成信息、模塊端口信息、測試點信息、測試信息、連接信息、信號信息等。

產品組成信息：產品單元組成用于說明待建模產品的組成結構信息，產品由哪些單元(如分系統，LRU，LRM，SRU、功能模塊等)構成。這些單元將對應生成產品結構模型圖中的模塊。產品單元組成表應包含多層次的單元信息，應列出產品包含的各層次所有單元。最低層次至少到故障隔離所需層次。

模塊端口信息：模塊端口信息用于說明模塊自身及內部各層次單元的輸入輸出端口構成和輸入輸出端口上傳輸的信號。其中，輸入輸出端口對應生成產品結構模型圖中的各單元端口信息。端口不是實際系統中的物理端口，而是表達功能信號(或故障影響)傳播路徑的邏輯端口。通過在模型圖上描述端口和明確端口上傳輸的信號，可以建立系統各個組成單元之間的故障依存關系。

連接信息：產品連接信息表明模型中各組成單元端口互連關系。產品各單元(系統，LRU,LRM等)之間的信號傳遞關系可以從產品功能框圖及原理圖中分析得到。功能框圖可以說明系統內各組成單元之間的交聯，通過框圖可進一步生成產品連接信息表，并對應到系統結構模型圖中各個組成單元的連接。

測試信息：產品及各單元的測試信息用于對應生成測試性模型圖中的測試和測試點信息。通過給出測試可以檢測的功能信號(或故障影響)，可以建立測試和故障模式之間的依存關系。測試信息表包括測試基礎信息表、測試參數配置表和測試輸出配置表。

2.2.3 測試性分析

模型圖輸入數據準備完成后，即可借助于建模軟件進行圖形化建模，根據前面所述的模型圖輸入數據對應建立模型圖上的各個模型元素以及模型元素之間的連接關系(依存關系)。具體工作包括：建立結構模型圖、建立底層故障模式圖、建立測試點及測試、集成與狀態控制、測試性分析、優化分析等。此外，對故障診斷而言，測試性分析的重要結果是相關性矩陣，該矩陣是后續測試過程中故障診斷的基礎和前提。

3 基于測試性模型的故障診斷技術

3.1 某型導彈測試基本方法

現階段，該型導彈測試仍以地面自動測試系統(ATS)為主。測試系統的主流設計方案是采用ATS技術，基于VXI總線、VPP技術規范和虛擬儀器開發環境，由模塊化的儀器組成的第3代自動測試系統。

在測試方法上，盡管部分型號測試中在一定程度上采用了并行測試技術，但總體而言，仍以序貫式測試方法為主。所謂序貫式測試方法，一方面是指先按一定的順序對彈上各設備逐一進行單元測試，再進行協同檢查，最終進行綜合測試；另一方面在具體的測試過程中也是按一定的順序對設備的各項功能指標進行逐一測試。

在具體參數的測試上，主要是采用“激勵-響應”式基于模型的方法，即首先由測試系統直接或通過控制其他設備向被測對象施加一定的激勵信號，在被測對象的輸出端獲取相應的響應信號并與規定的值進行比較，最終判斷該參數是否符合指標要求。

隨著數字信息技術的深入發展，導彈數字化程度逐步提高，使得選取的測試點能夠逐步深入“黑箱”內部，采集更多的從激勵到輸出中間的“過程信息”，為故障檢測和定位提供更精準的依據，同時地面設備能夠對采集到的信號進行更全面的分析和綜合評判，在對故障進行檢測的同時給出某一級別的故障定位信息，測試深度和測試覆蓋率有所提高。

3.2 相關性矩陣

相關性矩陣又稱依存矩陣，簡稱D矩陣，是指反映某一給定系統結構中故障源(單元或單元故障)和測試相關(依存)關系的布爾矩陣。其中：行向量Fi描述了故障發生時全部測試的輸出結果，可視為故障Fi的征兆；列向量Ti表示測試可以檢測到的所有故障源，可反映為Tj的故障檢測能力。如果測試Tj可以檢測到故障源Fi，則dij=1，否則dij=0。

相關性矩陣可用于在采集各測試點信息后，綜合判斷被測對象是否有故障或哪個組成單元發生故障；基于相關性矩陣可生成待建模產品的診斷推理邏輯/算法，支持產品設計。利用相關性矩陣可以生成電子產品的診斷策略，這項工作既可以人工完成，也可以利用測試性分析軟件工具自動完成。對于本文涉及到的導彈測試，如本文3.1所述，測試方法與測試流程都是事先制定，而該流程與利用D矩陣分析得到的故障診斷流程會存在較大的差異。故障診斷的要求是在按照制定流程對故障進行檢測的同時給出某一級別的故障定位信息。顯然，利用測試性建模工具產生的診斷策略并不能滿足此項要求。

3.3 基于相關性矩陣的故障診斷技術

故障診斷就是在故障-測試相關性矩陣基礎上，根據測試結果利用推理算法進行故障定位，從所有可能的故障源中排除沒有發生的故障源，從而定位故障。診斷流程如圖2所示。

圖2 診斷流程圖

在診斷流程中，測試數據直接來自于導彈的測試結果，數據處理規則需要根據測試項目和待測參數指標進行預先設定，主要是判斷測試指標是否符合規范要求。主要思想是：根據所有的測試結果，利用故障-測試相關性矩陣進行故障推理，不斷排除故障源，最終定位確定出導致測試結果異常的故障源。

3.4 導彈電氣系統故障診斷驗證

某型導彈電氣系統由電氣控制裝置(LRU)、電源變換裝置(LRU)、電池1(LRU)、電池2(LRU)、安全開關(LRU)組成。在某次單元測試中出現“電氣指令信號1”測試項目報錯。

利用TesLab生成的D矩陣行、列分別為40和33，即電氣系統有40種故障模式和33個測試。在40種故障模式中，與測試“電氣指令信號1”相關聯的故障模式有8種。以此為基礎對D矩陣進行簡化，簡化后的D矩陣如表2所示。簡化后的D矩陣，有7種故障模式存在于電氣控制裝置，1種故障模式存在于安全開關。在故障定位到LRU的前提下，只要找出安全開關的“不能發出松開信號”故障模式的特征點既可。這樣，檢索 “安全開關松開信號測試”的測試結果，發現該結果正常。于是故障定位于電氣控制裝置。

表2 簡化后的電氣系統D矩陣

4 結論

本文通過對基于多信號流圖模型研究，詳細分析了多信號流圖模型建立過程中的各項步驟，如故障模式信息獲取、圖形化建模和測試性分析；并以該導彈電氣系統為例，完成了某導彈綜合診斷方案設計，并且驗證了診斷方法的可行性，為該裝備的生產和維護提供了重要的保障。

在實際診斷推理過程中，無論是系統級還是分系統級產品，都可根據通過測試性建模得到的相關矩陣，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，達到故障診斷的目的。

[1] 何 敏,張志利,等.故障診斷技術方法綜述.國外電子測量技術[J].2006(5)：6-9.

[2] 韓 斌,秦思瀾.基于多信號模型的診斷推理機設計[J].計算機測量與控制,2015.23(6)：1902-1904.

[3] 宋麗瓊,宋 東,李經委. 基于多信號模型的機載設備綜合診斷方法研究[J]. 計算機測量與控制，2014,22(4)：977-978.

[4] 石萬山,江政杰.多信號診斷模型在海軍裝備中的應用研究[J]. 艦船電子工程,2013,(8)：132-134.

[5] 呂曉明,黃考利,連光耀.基于多信號流圖的分層系統測試性建模與分析[J]. 北京航空航天大學學報,2011(9)：1153-1155.

Research on Missile System Levels’ fault Diagnosis Technique Based on Multi-signal Flow Graphs Model

Wei Qingxin, Wang Kunming, Sun Ping

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

In order to achieve diagnosis on missile system levels’ fault, this paper proposes a method of diagnosis on missile based on multi-signal flow graphs model. This method makes use of multi-signal flow graphs models to build system’s layer structure models. Then analyze the missile system levels’ testability index, the correlated matrix (fault mode to test) will be produced simultaneously. When faults are found on missile during test, simplify the correlated matrix with the correlation between fault mode and test, and then the fault can be located to LRU. Finally, prove the method with applying the method on electric system. The result proves that, this method is effective to missile system levels’ testability model building and analyze. Utilize the model to locate the fault on missile system levels precisely.

multi-signal flow graphs model; test model building; fault diagnosis

2016-09-24；

2016-11-11。

魏清新(1966-)，男，內蒙古赤峰人，研究員，主要從事裝備綜合保障技術方向的研究。

1671-4598(2017)03-0109-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.030

TP3

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