某型導(dǎo)彈發(fā)控通道層次化測(cè)試性建模方法*

葉文，呂鑫燚，呂曉峰2,，馬羚

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001；2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引言

現(xiàn)有的測(cè)試性建模方法中，相關(guān)性模型是一種較為有效的建模方法，它考慮系統(tǒng)測(cè)試與診斷過(guò)程中的測(cè)試與部件之間的因果連接關(guān)系，并采用有向圖的形式描述這些關(guān)系，使模型不僅描述直觀，且建模難度低[1-3]。但是對(duì)于某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模由于電路中元件數(shù)量過(guò)多，而不能準(zhǔn)確的設(shè)置故障，元件級(jí)測(cè)試性建模的信號(hào)流反饋環(huán)過(guò)多，造成故障關(guān)聯(lián)性過(guò)多而難以有效區(qū)分[4]。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，從對(duì)復(fù)雜電子設(shè)備進(jìn)行合理的層次劃分角度出發(fā)，建立一套能分別針對(duì)該導(dǎo)彈發(fā)控通道系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)的層次化建模策略，以實(shí)現(xiàn)不同層次電路合理的測(cè)試性建模，最后通過(guò)建模實(shí)例評(píng)估該測(cè)試性建模方法的效果。

1 裝備層次化建模策略

1.1 層次化建模思路

某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可被劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又可被劃分成多個(gè)電路級(jí)子模塊，這樣分層劃分的方法可用于解決復(fù)雜電子裝備測(cè)試性建模的問(wèn)題[5-8]。

某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道主要由目標(biāo)指示信息分配組件、交聯(lián)組件、武器控制計(jì)算機(jī)、電源和地面工作臺(tái)、能量變換組件、掛點(diǎn)執(zhí)行組件、電源轉(zhuǎn)換模塊、導(dǎo)彈發(fā)射模塊以及保險(xiǎn)模塊等9個(gè)功能模塊(子系統(tǒng))組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道原理框圖Fig.1 Structure block diagram of a certainmissile-launch channel

其主要工作過(guò)程為：由武器控制系統(tǒng)完成飛行員下達(dá)的發(fā)射任務(wù)，導(dǎo)彈的各種狀態(tài)信息以及使用情況由武器控制系統(tǒng)送至火控系統(tǒng)，火控系統(tǒng)將瞄準(zhǔn)信息發(fā)送給武器控制系統(tǒng)，經(jīng)武器控制計(jì)算機(jī)處理后分配至相應(yīng)的導(dǎo)彈武器。

根據(jù)目前裝備的3級(jí)維修體制(基層級(jí)、中繼級(jí)和基地級(jí))對(duì)該導(dǎo)彈發(fā)控通道進(jìn)層次化劃分。導(dǎo)彈發(fā)控通道系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性建模對(duì)應(yīng)維修體制中的基層級(jí)和中繼級(jí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體功能，將故障定位到各個(gè)子系統(tǒng)或各個(gè)子模塊；導(dǎo)彈發(fā)控通道元件級(jí)的測(cè)試性建模對(duì)應(yīng)維修體制中的基地級(jí)，應(yīng)考慮元器件可能的故障模式，將故障定位到電路級(jí)子模塊上的元器件。

上述導(dǎo)彈發(fā)控通道系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)測(cè)試性建模的目標(biāo)不相同，其建模的方法也不相同。導(dǎo)彈發(fā)控通道層次化建模應(yīng)根據(jù)不同的層次結(jié)構(gòu)釆用不同的測(cè)試性建模方法，如圖2所示。

圖2 層次化建模示意圖Fig.2 Hierarchical testability modeling diagram

1.2 基于多信號(hào)模型的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模

多信號(hào)測(cè)試性建模的主要特點(diǎn)是通過(guò)分析系統(tǒng)組成的各個(gè)子系統(tǒng)的功能特性來(lái)完成測(cè)試性建模[9-10]。多信號(hào)測(cè)試性建模可以有效達(dá)成將導(dǎo)彈發(fā)控通道的故障定位到各個(gè)子系統(tǒng)或各個(gè)子模塊的建模目標(biāo)，因此本文采用該方法進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)控通道系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模。

1.2.1 多信號(hào)建模的表示

多信號(hào)模型利用有向圖形式來(lái)表示系統(tǒng)模塊、測(cè)試和信號(hào)的相關(guān)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障傳播特性進(jìn)行建模。

多信號(hào)模型作為一種有向圖的表示模型，其組成主要有兩部分，分別為節(jié)點(diǎn)和有向邊。其中前者包含模塊節(jié)點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)節(jié)點(diǎn)、與節(jié)點(diǎn)和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)[11]。

多信號(hào)模型的圖形表示方法基于系統(tǒng)功能原理圖和結(jié)構(gòu)框圖，采取有向圖的方式表示系統(tǒng)各模塊之間的相互連接關(guān)系和信號(hào)流傳播方向，并標(biāo)注各模塊相關(guān)聯(lián)的檢測(cè)信號(hào)、測(cè)試點(diǎn)的位置以及測(cè)試和相應(yīng)檢測(cè)信號(hào)的關(guān)聯(lián)等信息，以此描述各組成模塊、測(cè)試點(diǎn)與信號(hào)之間的相關(guān)性關(guān)系。

1.2.2 系統(tǒng)級(jí)相關(guān)性矩陣獲取

系統(tǒng)故障可以通過(guò)有向邊傳遞到系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此可以通過(guò)測(cè)試任意節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出系統(tǒng)的故障，但是對(duì)于功能故障，則需要選擇不同的與之相關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多信號(hào)建模以后，可分別進(jìn)行功能故障與測(cè)試，系統(tǒng)故障與測(cè)試的相關(guān)性分析以獲得相關(guān)性矩陣，具體計(jì)算過(guò)程為

(1)

式中：fti(F)j表示模塊mi的功能故障fiF與測(cè)試tj的相關(guān)性；fti(G)j表示模塊mi的系統(tǒng)故障fiG與測(cè)試tj的相關(guān)性。mtij為模塊-測(cè)試相關(guān)性矩陣；mstij為模塊-信號(hào)-測(cè)試相關(guān)性矩陣，主要表征模塊mi與測(cè)試tj間是否存在關(guān)聯(lián)信號(hào)。

系統(tǒng)故障fiG與測(cè)試tj相關(guān)只需滿足塊mi與測(cè)試tj之間至少有1條有向邊；而功能故障fiF與測(cè)試tj相關(guān)需要滿足模塊mi與測(cè)試tj之間至少有1條有向邊，且模塊mi影響的信號(hào)集SM(mi)與測(cè)試tj的信號(hào)集ST(tj)的交集不能為空，即SM(mi)∩ST(tj)≠φ。

1.2.3 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模步驟

基于多信號(hào)模型的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模過(guò)程如圖3所示。

圖3 多信號(hào)建模流程圖Fig.3 Flow of multi signal modeling

具體的建模步驟如下：

(1) 識(shí)別和提取模型信息，主要包括系統(tǒng)組成的有限模塊集M，描述模塊功能的有限信號(hào)集S及系統(tǒng)可用的有限測(cè)試集T；

(2) 構(gòu)建模塊集M與信號(hào)集S的相關(guān)關(guān)系；

(3) 在系統(tǒng)中加入可用測(cè)試集T，并建立測(cè)試與信號(hào)的相關(guān)關(guān)系；

(4) 建立多信號(hào)模型，并獲取故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣D，為下一步測(cè)試性分析奠定基礎(chǔ)。

1.3 基于改進(jìn)離散事件系統(tǒng)的元件級(jí)測(cè)試性建模

1.3.1 基于改進(jìn)DES建模的表示

基于離散事件系統(tǒng)(discrete event system,DES)的測(cè)試性建模主要從故障狀態(tài)與測(cè)試之間的相關(guān)關(guān)系著手，建立其相關(guān)性矩陣[12-13]。由于DES理論從電路的基本故障狀態(tài)出發(fā)，因此更適合于元器件級(jí)的測(cè)試性建模，其測(cè)試性模型如圖4所示。

圖4 DES測(cè)試性模型Fig.4 Testability model of DES

基于DES的元件級(jí)測(cè)試性建模中，離散事件用于描述測(cè)試結(jié)果，離散狀態(tài)用于描述元件的故障狀態(tài)。對(duì)電路G進(jìn)行測(cè)試性建模[14]如下:

G=(Σ，Q,δ)，

(2)

式中：Σ表示電路G的測(cè)試事件集合；Q表示電路G的全部故障狀態(tài)集合；δ：Σ*Q→2Q為轉(zhuǎn)移函數(shù)，即可觀測(cè)事件集合，主要描述離散事件與故障狀態(tài)間的相關(guān)關(guān)系。

1.3.2 元件級(jí)相關(guān)性矩陣獲取

基于DES的測(cè)試性建模過(guò)程極其復(fù)雜，且針對(duì)該模型的故障診斷算法速度慢、精度低，后續(xù)測(cè)試性分析的難度也隨之提升。因此本文借鑒多信號(hào)建模方法，將故障與測(cè)試相關(guān)性矩陣引入到基于DES的測(cè)試性建模分析中，形成基于改進(jìn)DES的測(cè)試性建模方法。即通過(guò)建立故障狀態(tài)與測(cè)試事件的相關(guān)性矩陣，最終使元件級(jí)測(cè)試性建模與系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模釆用統(tǒng)一的建模手段，以提高建模與后續(xù)測(cè)試性的分析效率。

通過(guò)EDA(electronic design automation)軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立有限故障狀態(tài)集Q與測(cè)試事件集Σ的驅(qū)動(dòng)關(guān)系列表，其中可觀測(cè)事件集δ描述了測(cè)試事件與故障狀態(tài)之間的關(guān)系。

在本文中，取仿真結(jié)果中各故障狀態(tài)下的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值的相減得絕對(duì)值為可觀測(cè)事件集δ={t1,t2,…,tn}，如式(3)所示。

ti=|Ti(fl)-Ti(f0)|>ε,

(3)

式中：ti表示第i個(gè)可觀測(cè)事件；Ti(fl)表示第i個(gè)觀測(cè)事件中電路處于fl故障狀態(tài)下的電壓值；T(f0)表示第i個(gè)觀測(cè)事件中電路處于無(wú)故障狀態(tài)下的電壓值；ε表示相關(guān)性閾值，本文取ε=0.7 V，即二極管的導(dǎo)通電壓[15]。

在可觀測(cè)事件集δ={t1,t2…,tn}全部設(shè)置完畢后，依據(jù)可觀測(cè)事件成立則矩陣中對(duì)應(yīng)元素為“1”，反之為“0”的規(guī)則，即可得到仿真電路的故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣。

1.3.3 元件級(jí)測(cè)試性建模步驟

基于改進(jìn)DES的元件級(jí)測(cè)試性建模流程如圖5所示。

圖5 電路元件級(jí)測(cè)試性建模流程Fig.5 Flow of testability modeling forcomponent-level circuit

具體的建模步驟如下：

(1) 分析故障信息，設(shè)置有限的故障狀態(tài)集合Q；

(2) 選擇可用測(cè)試集，設(shè)置有限的測(cè)試事件集合Σ；

(3) 根據(jù)EDA軟件的電路仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立表征有限故障狀態(tài)集Q與測(cè)試事件集Σ的相關(guān)關(guān)系的可觀測(cè)事件集δ；

(4) 建立故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣D，為下一步測(cè)試性分析奠定基礎(chǔ)。

2 建模實(shí)例

實(shí)例1：依據(jù)前述方法對(duì)某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模。

第1步，提取系統(tǒng)的組成模塊集M={m1,m2,…,m9}和描述模塊功能的有限信號(hào)集S={s1,s2,…,s21}。其中，s1為供直流信號(hào)；s2為加溫信號(hào)；s3為供氮信號(hào)；s4為應(yīng)急發(fā)射信號(hào)；s5為發(fā)射(+27 V)信號(hào)；s6為對(duì)地攻擊信號(hào)；s7為+20 V直流電信號(hào)；s8為-20 V直流電信號(hào)；s9為+27 V信號(hào)；s10為-27 V信號(hào)；s11，s12，s13分別為36 V,400 Hz三相交流ΦA(chǔ),ΦB,ΦC信號(hào)；s14為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)；s15為發(fā)射殼體(地)；s16為接地信號(hào)；s17為懸掛信號(hào)；s18為供氮?dú)?殼體)信號(hào)；s19為導(dǎo)彈截獲目標(biāo)信號(hào)；s20為導(dǎo)彈準(zhǔn)備好信號(hào)；s21為殼體信號(hào)。

第2步，建立信號(hào)與模塊的相關(guān)關(guān)系，如能量變換組件m5的相關(guān)信號(hào)有供直流信號(hào)s1、加溫信號(hào)s2、+27V信號(hào)s9和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)s14，因此能量變換組件相關(guān)信號(hào)為s1，s2，s9，s14。系統(tǒng)全部子模塊的相關(guān)信號(hào)如表1所示。

表1 系統(tǒng)子模塊和信號(hào)的相關(guān)關(guān)系Table 1 Relationship between system sub-moduleand signal

第3步，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，選擇測(cè)試點(diǎn)TP1～TP6，對(duì)系統(tǒng)加入測(cè)試t1～t15，進(jìn)而構(gòu)建測(cè)試、測(cè)試點(diǎn)和信號(hào)的相關(guān)關(guān)系如表2所示。

最后，構(gòu)建其多信號(hào)模型如圖6所示。依據(jù)該多信號(hào)模型，根據(jù)式(1)依次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分析，最終得到某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道的故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣如表3所示。

實(shí)例2：本文以某型導(dǎo)彈發(fā)控電路中的戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路為例，闡述層次化建模中元件級(jí)測(cè)試性建模的過(guò)程，該電路的仿真圖及測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖7所示。

第1步，對(duì)戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路進(jìn)行故障分析，建立故障狀態(tài)集Q={f0,f1,…,f25}，具體設(shè)置如表4所示。

第2步，取在測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的輸出電壓為測(cè)試事件集Σ={T1,T2,…,T18}。

第3步，通過(guò)EDA軟件Pspice到該電路的仿真測(cè)試結(jié)果如表5所示。依據(jù)此表建立測(cè)試事件集Σ與故障狀態(tài)集Q的驅(qū)動(dòng)關(guān)系列表，依據(jù)式(3)設(shè)置可觀測(cè)事件集δ={t1,t2…,t18}，其中t1=|T1-27|>ε,t2=|T2-0|>ε,t3=|T3-26.866|>ε,…,t18=|T18-27|>ε。

表2 測(cè)試、測(cè)試點(diǎn)和信號(hào)的相關(guān)關(guān)系Table 2 Relationship among tests, test points and signal

圖6 某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道多信號(hào)模型Fig.6 Multi-signal modeling of a certain missile-launch channel

表3 某型空空導(dǎo)彈發(fā)控通道的相關(guān)性矩陣Table 3 Dependency matrix of a certain missile-launch channel

圖7 戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram of tactical launch circuit

最后，依據(jù)可觀測(cè)事件成立則矩陣中對(duì)應(yīng)元素為“1”，反之為“0”的規(guī)則，得到戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路的故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣如表6所示。

通過(guò)分析相關(guān)矩陣可得到測(cè)試性指標(biāo)，為后續(xù)測(cè)試性設(shè)計(jì)中的測(cè)試優(yōu)化選擇和診斷策略設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

表4 故障狀態(tài)集Table 4 Fault state set

表5 戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路EDA仿真Table 5 EDA simulation for tactical launch circuit

表6 戰(zhàn)術(shù)發(fā)射電路的相關(guān)性矩陣Table 6 Dependency matrix of tactical launch circuit

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)多層次某型導(dǎo)彈發(fā)控通道測(cè)試性建模困難的問(wèn)題，提出了分別從系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)建立測(cè)試性模型的層次化測(cè)試性建模方法。該建模方法能夠分別從系統(tǒng)故障和元件故障的角度出發(fā)，結(jié)合基于多信號(hào)模型的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性建模和基于DES的元件級(jí)測(cè)試性建模的優(yōu)點(diǎn)，將多信號(hào)模型的故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣借鑒到基于DES的測(cè)試性建模中并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，從而建立層次化的測(cè)試性建模方法。最后通過(guò)建模實(shí)例驗(yàn)證了本文提出的層次化建模方法的實(shí)用性和有效性，為進(jìn)一步研究測(cè)試優(yōu)化選擇和診斷策略優(yōu)化方法提供了理論基礎(chǔ)。