裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)與診斷策略優(yōu)化技術(shù)研究

李博 譚斌

摘? 要：該研究從復(fù)雜裝備的診斷測(cè)試出發(fā)，對(duì)裝備層次的測(cè)試性建模進(jìn)行了探討，包括測(cè)試性建模要素分析和層次測(cè)試性建模;介紹了裝備測(cè)試診斷技術(shù)的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)其測(cè)試診斷策略的優(yōu)化進(jìn)行了深入而詳細(xì)地分析，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的算法和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，比較了上述方法的使用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)。最后舉例分析了裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)與診斷策略優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍、產(chǎn)生的問(wèn)題，展望了測(cè)試診斷優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：測(cè)試性設(shè)計(jì);測(cè)試策略;測(cè)試優(yōu)化

中圖分類號(hào) ：TP391? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)參與研發(fā)和應(yīng)用生產(chǎn)的裝備正受到廣泛關(guān)注。實(shí)際上，現(xiàn)代裝備的性能已經(jīng)隨著科學(xué)技術(shù)的研發(fā)大幅提高，裝備的結(jié)構(gòu)原理愈發(fā)精密復(fù)雜。因此，裝備的測(cè)試和診斷在裝備保養(yǎng)維護(hù)中所發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。裝備的測(cè)試性屬于裝備的“五性”之一，是裝備本身的一種設(shè)計(jì)特性，在裝備后期維護(hù)保養(yǎng)中，裝備的測(cè)試性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它為裝備的維修提供了參考依據(jù)，為裝備的更換提供了參考。

現(xiàn)代化大型裝備均采用了模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)是指裝備的某個(gè)功能是由許多子功能模塊組成的，而裝備的層次化設(shè)計(jì)則是指裝備的系統(tǒng)功能單元是上下層邏輯關(guān)機(jī)相互聯(lián)系的。因此，裝備的測(cè)試診斷技術(shù)就要從裝備的模塊化和層次化入手，從裝備的某一個(gè)模塊或者某層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尋找裝備的故障原因，再由功能單元模塊之間的關(guān)系，系統(tǒng)層次的關(guān)聯(lián)，從上到下、從外到里、從表面到內(nèi)部的方式，找到解決裝備故障問(wèn)題的辦法。

目前，裝備的功能和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使得裝備測(cè)試診斷的困難越來(lái)越大，并且測(cè)試成本不斷增加。為了確保裝備性能，測(cè)試與診斷技術(shù)也必須隨之改進(jìn)。

1 裝備的測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型

1.1 測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型的建立

測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型可用有向圖G=（V，E）來(lái)表示。G表示結(jié)構(gòu)模型本身，V表示一定的物理模塊，E表示功能模塊之間的物理連接，如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)模型的箭頭方向是指各個(gè)功能模塊之間的信息流通方向[1]。再把裝備的各個(gè)物理功能單元抽象成為有向圖中的節(jié)點(diǎn)，將故障傳播方向表示為節(jié)點(diǎn)之間的傳播防線，這樣，就把復(fù)雜的實(shí)物裝備系統(tǒng)表示成了節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖，清晰地反映系統(tǒng)中各功能單元的信息連接。

1.2 物理層次和故障層次的關(guān)聯(lián)性

上述結(jié)構(gòu)模型反應(yīng)的是裝備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系，由于裝備的模塊化和層次化的特點(diǎn)，因此，該結(jié)構(gòu)模型也能反應(yīng)故障之間的層次關(guān)系。實(shí)際上，裝備的物理層次和故障層次存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因?yàn)楣收鲜窃谖锢韺永淼幕A(chǔ)上進(jìn)行傳播的。裝備特征庫(kù)中儲(chǔ)存著裝備子系統(tǒng)、子模塊之間的信號(hào)特征、功能特征，通過(guò)對(duì)裝備特征庫(kù)和信號(hào)關(guān)系庫(kù)的建立，可將裝備層次模型與故障層次模型之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)具體化。

測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型包括4個(gè)內(nèi)容層次性結(jié)構(gòu)、上下層之間的聯(lián)系、層次性故障、故障和測(cè)試的邏輯關(guān)系。通過(guò)測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型可以確定故障所在的最底層功能單元，同時(shí)也能根據(jù)需求，確定在某層次上結(jié)束診斷工作。

由此可知，層次診斷過(guò)程就是層次間診斷和層次內(nèi)診斷相結(jié)合、相交互的過(guò)程。測(cè)試性結(jié)構(gòu)模型是層次診斷的基礎(chǔ)，關(guān)鍵的問(wèn)題是故障與測(cè)試的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種關(guān)系為測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量增減提供了科學(xué)的判斷依據(jù)。

2 裝備測(cè)試診斷技術(shù)的發(fā)展

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

歐美國(guó)家特別是美國(guó)的裝備測(cè)試性技術(shù)領(lǐng)先全球。自提出“測(cè)試性技術(shù)”，測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)重要階段。第一階段：經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，第二階段：結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，第三階段：基于模型的設(shè)計(jì)。

自20世紀(jì)70年代，美國(guó)率先提出了測(cè)試性技術(shù)的研究[2]。然而，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程卻不盡人意，在早期的測(cè)試性技術(shù)中，因?yàn)樵\斷技術(shù)差、診斷錯(cuò)誤率高，始終無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。隨著裝備精密度的提高，裝備性能在不斷提高，這就導(dǎo)致了測(cè)試設(shè)備的數(shù)量大大增加，同時(shí)操作難度也隨之增大。因此，美國(guó)等國(guó)家的軍方展開(kāi)了測(cè)試性技術(shù)與人工智能向結(jié)合的技術(shù)研究，并取得了一定成果，于1991年頒布了《綜合診斷》軍用標(biāo)準(zhǔn)，為新一代武器裝備的診斷技術(shù)提供了標(biāo)準(zhǔn)。然后在1998年，美國(guó)國(guó)防部對(duì)開(kāi)放式綜合診斷定義做了進(jìn)一步修正，定義為：綜合診斷是武器裝備內(nèi)外部診斷要素診斷功能分配和壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性能，以及診斷功能性能優(yōu)化系統(tǒng)工程過(guò)程的一部分。而完成診斷功能與測(cè)試和診斷相關(guān)的信息的有效通信是實(shí)現(xiàn)綜合診斷過(guò)程的基礎(chǔ)。后來(lái)，美國(guó)開(kāi)發(fā)了測(cè)試性仿真商業(yè)軟件Teams，該軟件能預(yù)估產(chǎn)品的故障檢測(cè)能力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不可檢測(cè)故障，可為產(chǎn)品的升級(jí)改造提出建設(shè)性建議。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)起步較晚，同時(shí)由于國(guó)情等原因，使得我國(guó)測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在將國(guó)外的測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)化，即通過(guò)適當(dāng)?shù)母牧紕?chuàng)新，使國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)能符合我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展行情。主要的軟件平臺(tái)包括Test.Lab、TMAS、TADES等，這些軟件工具與Teams功能相似。

我國(guó)研究單位在展開(kāi)測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)研究分析時(shí)，主要集中在針對(duì)飛機(jī)飛行系統(tǒng)、分系統(tǒng)的建模研究，并提出相應(yīng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議。但是，由于裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)在建模時(shí)要求偏高，建模復(fù)雜，理論創(chuàng)新難以實(shí)現(xiàn)，我國(guó)的裝備測(cè)試性建模技術(shù)仍然基于前人的經(jīng)驗(yàn)。

由此可見(jiàn)，裝備的測(cè)試診斷技術(shù)是不斷完善發(fā)展的，經(jīng)過(guò)若干年的研究，目前，裝備診斷技術(shù)已經(jīng)有了完善地標(biāo)準(zhǔn)。

3 裝備測(cè)試診斷策略的優(yōu)化

我國(guó)對(duì)測(cè)試診斷策略的優(yōu)化主要集中在對(duì)測(cè)試算法的優(yōu)化方面，下面對(duì)我國(guó)主要優(yōu)化的測(cè)試算法（AO*算法、蟻群算法、離散離子群算法、混合離散離子群-遺傳算法（以上算法均基于多信號(hào)模型）、ATMS算法等）進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 AO*搜索算法

該算法來(lái)Huffman編碼和信息熵為基礎(chǔ)構(gòu)建搜索代碼規(guī)則，搜索過(guò)程包括對(duì)有效結(jié)果的隔離、對(duì)真實(shí)值的估計(jì)。實(shí)際上，該算法的原理就是利用估計(jì)值替代真實(shí)值。

3.2 蟻群算法

該算法用以解決系統(tǒng)測(cè)試策略優(yōu)化的問(wèn)題。該算法把每個(gè)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置成一個(gè)算法節(jié)點(diǎn)，算法節(jié)點(diǎn)之間的路線作為蟻群行進(jìn)路線，每次測(cè)試都從此時(shí)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)算法規(guī)則選擇為測(cè)試的行進(jìn)路線，在計(jì)算完所有行進(jìn)路線后，根據(jù)迭代法得到測(cè)試的最優(yōu)解。

3.3 混合離散離子群-遺傳算法

該算法國(guó)防科技大學(xué)首先提出，算法具體實(shí)現(xiàn)方法為：首先，設(shè)置遺傳算法和粒子群算法的參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行種群初始化。其次，對(duì)所有個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行算法運(yùn)算，并評(píng)估計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而產(chǎn)生下一代種群。再次，對(duì)產(chǎn)生的下一代種群中的個(gè)體與上一個(gè)步驟一樣再次進(jìn)行種群適應(yīng)性評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)多次迭代，得到測(cè)試的最優(yōu)解。最后，輸出最優(yōu)個(gè)體作為測(cè)試策略的最優(yōu)解。

4 案例應(yīng)用與分析

某設(shè)備采用了層次化和模塊化的設(shè)計(jì)，維修要求更換組件維修，因其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可采用層次測(cè)試性建模方法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行故障診斷，診斷結(jié)果以及分析結(jié)論如下。

裝備的層次測(cè)試性建模以該設(shè)備的自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)是由各類傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電源系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成的。對(duì)各個(gè)模塊均進(jìn)行了相應(yīng)的故障測(cè)試，經(jīng)過(guò)分析可以得出層次故障的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表1。

對(duì)于模塊中的故障類型都進(jìn)行了相應(yīng)的故障檢測(cè)，從表1的故障類型可以看出，傳感器故障由于沒(méi)有下層故障，因此可直接更換。而有些下層故障是由多個(gè)模塊可能發(fā)生故障造成的，因此，需要繼續(xù)深入分析，各類傳感器很多，表1展示的傳感器故障代表這一故障類型，其他傳感器故障不再一一列舉。

5 結(jié)論

裝備的精密性、復(fù)雜性決定了裝備的測(cè)試與診斷技術(shù)對(duì)于裝備的維修保養(yǎng)工程具有重要意義。在對(duì)裝備進(jìn)行優(yōu)化診斷的過(guò)程中要將各種數(shù)據(jù)、信息以及測(cè)試資源進(jìn)行有機(jī)融合與共享，將各個(gè)組成單元整合在一起，有效地配置各個(gè)單元的測(cè)試資源，使其共同作用，達(dá)以到最佳測(cè)試與診斷效果，同時(shí)最大限度地降低測(cè)試成本。

從實(shí)際裝備的診斷策略來(lái)看，裝備的診斷技術(shù)必須將理論聯(lián)系實(shí)際，使理論與實(shí)際相結(jié)合。該研究介紹的各種診斷測(cè)試技術(shù)都基于單故障假設(shè)，假設(shè)模型太過(guò)理想化，與實(shí)際情況有些許出入，測(cè)試過(guò)程相對(duì)于實(shí)際測(cè)試還比較簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果還存在一定的不可信度。因此，還需要進(jìn)一步研究多故障模型的測(cè)試策略方法，從根本上解決測(cè)試策略結(jié)果的可信度問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]于功敬，厚澤，王振華.裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)與診斷策略優(yōu)化技術(shù)研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012（7）：14-17.

[2]尹園威，尚朝軒，馬彥恒，等.裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)的層次診斷方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：71-75.