陳希祥 邱 靜 劉冠軍

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長(zhǎng)沙,410073

0 引言

測(cè)試性方案是指為了適應(yīng)裝備測(cè)試維修的需要,確定各級(jí)維修中哪些項(xiàng)目要測(cè)試,何時(shí)(連續(xù)或定期)何地(哪個(gè)維修級(jí)別)利用何種技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行診斷測(cè)試,以及相關(guān)測(cè)試資源的配置情況,是對(duì)裝備測(cè)試與診斷總的設(shè)想。裝備測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是根據(jù)任務(wù)要求合理地綜合應(yīng)用各種測(cè)試手段與資源,通過(guò)數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的融合與共享,實(shí)現(xiàn)診斷功能的合理分配、診斷測(cè)試要素間的協(xié)同操作,有效地組織和配置各組成單元使其成為一個(gè)整體協(xié)同地起作用,以提供裝備在各級(jí)維修所需的最佳測(cè)試與診斷效能,并降低全壽命周期費(fèi)用。在裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)中,測(cè)試性方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)是核心工作[1-5]。

然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)裝備測(cè)試性方案的研究長(zhǎng)期處于經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用階段,并沒(méi)有開(kāi)展更深的理論研究,對(duì)其內(nèi)涵及關(guān)鍵使能技術(shù)不明確。鑒于此,本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對(duì)裝備測(cè)試性方案優(yōu)化的內(nèi)涵進(jìn)行拓展和完善,提出基于模型和多目標(biāo)權(quán)衡的測(cè)試性方案權(quán)衡與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究思路,為構(gòu)建適合于系統(tǒng)各壽命周期階段、面向不同維修級(jí)別的測(cè)試性方案奠定基礎(chǔ)。

1 測(cè)試性方案廣義信息描述模型

為了構(gòu)建適合于裝備全壽命周期的測(cè)試性方案,需要采用形式化的方法,將各種與測(cè)試性方案設(shè)計(jì)相關(guān)的因素、數(shù)據(jù)與信息知識(shí)有效地組織起來(lái),進(jìn)行提取建模,建立完整的測(cè)試性方案廣義信息描述模型。該模型通過(guò)標(biāo)記診斷測(cè)試環(huán)境中的物理實(shí)體(如裝備本身、測(cè)試設(shè)備等),行為實(shí)體(如測(cè)試行為、診斷推理行為、維修行為等),以及數(shù)據(jù)實(shí)體(如測(cè)試數(shù)據(jù)、診斷知識(shí)、可靠性和維修性數(shù)據(jù)及技術(shù)資料等)等結(jié)構(gòu)組成來(lái)全面地描述裝備和各信息實(shí)體之間的關(guān)系,體現(xiàn)信息流動(dòng)和交換過(guò)程?；谛畔⒓傻臏y(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

測(cè)試性方案廣義信息描述模型面向裝備系統(tǒng)不同層次和級(jí)別的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、測(cè)試與維修保障人員,建立在統(tǒng)一的、能支持不同應(yīng)用系統(tǒng)的裝備信息交換標(biāo)準(zhǔn)之上,以實(shí)現(xiàn)裝備全壽命周期測(cè)試性設(shè)計(jì)信息的統(tǒng)一描述和測(cè)試性設(shè)計(jì)過(guò)程的信息集成共享,具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性、支持多領(lǐng)域應(yīng)用與協(xié)同等特點(diǎn),為設(shè)計(jì)人員提供有效的交互手段,保證設(shè)計(jì)、使用、維修的順利實(shí)施,適應(yīng)并行工程的要求。

針對(duì)上述目標(biāo),從裝備系統(tǒng)對(duì)象、時(shí)域、模型3個(gè)不同維度建立測(cè)試性方案的廣義信息描述模型框架,如圖2所示。

(1)對(duì)象維。反映裝備系統(tǒng)本身的層次劃分,與約定的維修級(jí)別劃分相對(duì)應(yīng)。針對(duì)不同的對(duì)象,在不同的壽命周期階段,其任務(wù)要求、消耗的測(cè)試資源范圍及其組織方式也不同,因而模型研究的側(cè)重點(diǎn)也不同。

(2)時(shí)域維。反映裝備的全壽命周期各階段組成。隨著時(shí)域各階段的推進(jìn),所研究對(duì)象及其對(duì)應(yīng)的各種模型也將逐步得到完善與細(xì)化。

(3)模型維。反映裝備的模型組成與組織方式。其中,功能模型描述裝備的功能組成和各功能之間的信息交互情況;資源模型描述裝備各種測(cè)試資源與約束,包括測(cè)試資源配置和資源流模型;信息模型描述裝備的信息流動(dòng)和信息處理的過(guò)程;過(guò)程模型描述測(cè)試與診斷的業(yè)務(wù)組成與各項(xiàng)業(yè)務(wù)之間的運(yùn)行機(jī)制;組織模型描述裝備測(cè)試組織結(jié)構(gòu)信息以及組織方式;任務(wù)模型描述裝備系統(tǒng)任務(wù)信息和測(cè)試任務(wù)信息,包括系統(tǒng)任務(wù)模型和測(cè)試任務(wù)模型;測(cè)試診斷模型描述測(cè)試與故障之間的關(guān)系。除此之外,還包括裝備系統(tǒng)的可靠性模型和維修保障模型。隨著研究對(duì)象及其所處壽命階段的不同,模型研究的深度與廣度也各有不同。

由此可見(jiàn),測(cè)試性方案廣義信息描述模型和裝備系統(tǒng)模型不同。系統(tǒng)模型主要用來(lái)描述裝備的結(jié)構(gòu)、行為及功能信息,而測(cè)試性方案信息描述模型除了包括系統(tǒng)模型之外,還涵蓋裝備故障與測(cè)試邏輯關(guān)系、對(duì)測(cè)試資源的占用約束關(guān)系、裝備可靠性和維修保障數(shù)據(jù)、人員與培訓(xùn)信息等信息的描述,特別是可對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析過(guò)程中存在的非確定性因素進(jìn)行完整描述。

建立裝備測(cè)試性方案的廣義信息描述模型可以指導(dǎo)測(cè)試性信息描述和標(biāo)準(zhǔn)化交換方法的開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)裝備測(cè)試性方案設(shè)計(jì)的全壽命化和并行化,切實(shí)提高裝備的測(cè)試與診斷能力。

2 測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程分析

測(cè)試性方案的設(shè)計(jì)必須從裝備研制之初開(kāi)始,并貫穿于其壽命周期的各階段。為此對(duì)裝備全壽命周期各階段的測(cè)試任務(wù)進(jìn)行分析,綜合考慮裝備自身特性與測(cè)試診斷數(shù)據(jù)、維修保障資料等信息,將并行工程思想運(yùn)用于測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,在可用資源與全壽命周期費(fèi)用約束條件下,通過(guò)合理組織測(cè)試過(guò)程以指導(dǎo)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述,測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)當(dāng)從橫向和縱向兩個(gè)角度進(jìn)行研究:

(1)從方案設(shè)計(jì)的橫向(宏觀)角度出發(fā),對(duì)裝備功能結(jié)構(gòu)、測(cè)試需求、可靠性和維修性要求、測(cè)試資源控制及管理、測(cè)試技術(shù)資料管理等方面進(jìn)行描述,分析裝備全系統(tǒng)全壽命的測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,從總體上明確裝備測(cè)試性方案具體工作內(nèi)容,如圖3所示。

(2)從縱向(微觀)角度出發(fā),依據(jù)裝備不同狀態(tài)下測(cè)試性方案設(shè)計(jì)要求,分析裝備測(cè)試與診斷具體實(shí)施過(guò)程,對(duì)其共性技術(shù)進(jìn)行抽象提取,提出測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線,如圖4所示。

盡管面向裝備全壽命周期各階段、不同任務(wù)剖面或維修級(jí)別的測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)要求不同,但從測(cè)試過(guò)程的分析中可以看出上述技術(shù)路線具有通用性。本文在該技術(shù)路線基礎(chǔ)上提出測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3 測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 測(cè)試性分析與評(píng)估技術(shù)

為了獲得裝備最佳測(cè)試性方案,需要對(duì)其測(cè)試性設(shè)計(jì)水平進(jìn)行分析與評(píng)估,并貫穿于優(yōu)化設(shè)計(jì)全過(guò)程[1-2]。通過(guò)分析評(píng)估才能發(fā)現(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與缺陷,使設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)利用信息對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),保證最終設(shè)計(jì)的裝備系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足規(guī)定的測(cè)試性要求。

目前對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)的研究比較廣泛[2-5],而測(cè)試性建模與分析雖然也有一定的研究,且已研制出一些輔助工具[6-7],但其理論與方法仍停留在早期研究基礎(chǔ)之上,不夠科學(xué)和深入。

傳統(tǒng)的裝備測(cè)試性分析模型有多種建模方式,其中運(yùn)用最廣泛、效果最明顯的是Deb等[8]提出的基于多信號(hào)流的測(cè)試性建模方法。該模型以確定性測(cè)試為條件,測(cè)試結(jié)果只有0/1(通過(guò)/不通過(guò))兩種,此時(shí)裝備故障與測(cè)試之間存在布爾邏輯相關(guān)性,對(duì)于裝備研制初期的測(cè)試性設(shè)計(jì)而言可以滿(mǎn)足需要,但由于沒(méi)有考慮測(cè)試過(guò)程中的不確定性,會(huì)導(dǎo)致模型不具備對(duì)不確定信息的處理能力。另外,由于約束條件在實(shí)際測(cè)試性設(shè)計(jì)中往往是不完備的,因此,也會(huì)導(dǎo)致裝備測(cè)試性分析的結(jié)果可信度不高。實(shí)際上,由于裝備復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境,測(cè)試結(jié)果會(huì)受諸多干擾源的影響[9-10],包括裝備存在多個(gè)工作模式、不正確的安裝、錯(cuò)誤的人為操作、電磁干擾、環(huán)境變化、測(cè)試設(shè)備固有的測(cè)量誤差,以及測(cè)試執(zhí)行所需的準(zhǔn)備條件等帶來(lái)的不確定因素。這些難以用傳統(tǒng)模型來(lái)描述的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和工況,都會(huì)導(dǎo)致故障—測(cè)試的相關(guān)性以及測(cè)試性度量的定義發(fā)生改變。如果忽略這些不確定性,而采用傳統(tǒng)的診斷測(cè)試推理機(jī),則可能產(chǎn)生不合乎實(shí)際情況的測(cè)試性分析結(jié)果,無(wú)法有效地指導(dǎo)測(cè)試性評(píng)估與設(shè)計(jì)。為了從根本上避免脫離實(shí)際,應(yīng)從模型入手,通過(guò)構(gòu)造具有不確定性信息處理能力的測(cè)試性分析模型,并基于該模型對(duì)測(cè)試性度量參數(shù)進(jìn)行形式化描述,尋求相應(yīng)的有效方法分析裝備測(cè)試性水平,為測(cè)試性方案優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。這也將是測(cè)試性分析與評(píng)估技術(shù)進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[11]是基于概率推理的數(shù)學(xué)模型,其本身是一種不確定性因果關(guān)聯(lián)模型。近十幾年來(lái),備受關(guān)注的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對(duì)于解決復(fù)雜系統(tǒng)不確定因素引起的故障分析具有很大的優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是目前不確定知識(shí)表達(dá)和推理領(lǐng)域有效的理論模型之一[12]。因此可以建立面向測(cè)試性分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,在此基礎(chǔ)上通過(guò)貝葉斯參數(shù)學(xué)習(xí)算法獲得不確定條件下的故障—測(cè)試相關(guān)矩陣,并利用貝葉斯推理算法進(jìn)行測(cè)試性指標(biāo)描述與測(cè)試性分析,進(jìn)而對(duì)裝備測(cè)試性水平進(jìn)行更為客觀的評(píng)估。

3.2 測(cè)試集優(yōu)化選擇技術(shù)

隨著武器裝備性能的提高和復(fù)雜性的日益增加,獲取足夠的故障檢測(cè)與診斷信息的難度越來(lái)越大。為了提高系統(tǒng)全壽命周期的費(fèi)用與效率比,基于測(cè)試性分析與評(píng)估結(jié)果,開(kāi)展測(cè)試集優(yōu)化選擇[1-5,13]技術(shù)研究是裝備測(cè)試性方案的重要內(nèi)容之一。這一問(wèn)題越來(lái)越得到人們的關(guān)注。

根據(jù)裝備系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)要求及測(cè)試性設(shè)計(jì)相關(guān)要求,首先基于裝備設(shè)計(jì)方案及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)等現(xiàn)有知識(shí)初步設(shè)置測(cè)試項(xiàng)目集作為備選測(cè)試集,然后對(duì)系統(tǒng)測(cè)試性進(jìn)行分析,計(jì)算系統(tǒng)各層次的故障檢測(cè)率、隔離率、未檢測(cè)和未隔離的故障、冗余測(cè)試以及故障模糊組等信息,并提出改進(jìn)建議。如果備選測(cè)試集不能滿(mǎn)足測(cè)試性設(shè)計(jì)要求,那么就對(duì)其原因進(jìn)行分析處理,并增加合適的測(cè)試項(xiàng)目,直到測(cè)試集能夠提供足夠的信息來(lái)滿(mǎn)足測(cè)試性設(shè)計(jì)要求為止,保證備選測(cè)試集的完備性。

通常上述完備測(cè)試集存在冗余信息,并不一定是最優(yōu)的測(cè)試集。因此,測(cè)試優(yōu)化選擇面臨的另一個(gè)問(wèn)題是測(cè)試優(yōu)化選取,其目的是在系統(tǒng)所有可能的測(cè)試組合中,尋找滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)試性指標(biāo)要求的最佳組合,使測(cè)試代價(jià)最小。不論考慮的因素如何復(fù)雜,測(cè)試對(duì)故障的覆蓋問(wèn)題是測(cè)試選擇的核心問(wèn)題,從數(shù)學(xué)上最終可歸結(jié)為一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題,可用集合覆蓋模型進(jìn)行描述。而集合覆蓋問(wèn)題是一個(gè)NP完全問(wèn)題,目前許多文獻(xiàn)都提出了相應(yīng)的求解算法[2-5,13],也取得了一定的效果,但由于問(wèn)題本身固有的難度及對(duì)優(yōu)化模型的簡(jiǎn)化描述,使得其求解效率與準(zhǔn)確性都不盡如人意。隨著裝備系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高,集合規(guī)模的增大,特別是考慮不確定信息影響的測(cè)試集優(yōu)化選擇,需要結(jié)合問(wèn)題本質(zhì)建立更完整的模型,并利用有效的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

3.3 測(cè)試資源優(yōu)化選擇與調(diào)度技術(shù)

依據(jù)裝備自上而下的分析原則,將各分系統(tǒng)的測(cè)試資源分析作為選擇與調(diào)度的第一個(gè)層次,在初步設(shè)置的測(cè)試項(xiàng)目和現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備類(lèi)型約束下,對(duì)機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備(BITE)、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和人工測(cè)試設(shè)備(MTE)等不同類(lèi)型進(jìn)行權(quán)衡選擇與配置。

對(duì)特定分系統(tǒng)的測(cè)試與故障診斷一般通過(guò)多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目來(lái)完成,影響因素眾多,需要綜合考慮測(cè)試過(guò)程中的各項(xiàng)約束指標(biāo)。通常涉及兩類(lèi)知識(shí):一是定量數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,它們?yōu)闄?quán)衡提供定量的支持;另一類(lèi)是專(zhuān)家在長(zhǎng)期實(shí)踐中積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),其中大部分難以定量表示。因此,測(cè)試設(shè)備類(lèi)型的選擇與權(quán)衡是基于定量計(jì)算和定性分析相結(jié)合的多目標(biāo)綜合決策過(guò)程,只依賴(lài)于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)難以決定使用何種類(lèi)型的測(cè)試設(shè)備,此時(shí)需要借助一定的技術(shù)手段來(lái)完成。通過(guò)對(duì)影響測(cè)試設(shè)備類(lèi)型的各要素進(jìn)行定量計(jì)算與定性分析,確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集,建立多屬性模糊評(píng)價(jià)模型并利用模糊層次分析法進(jìn)行求解,綜合評(píng)判求解結(jié)果便可以選取適合于對(duì)該分系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試的設(shè)備類(lèi)型組合。

對(duì)大型裝備進(jìn)行測(cè)試診斷時(shí),包括測(cè)試設(shè)備在內(nèi)的可用測(cè)試資源往往是有限的、集中的,如果被測(cè)對(duì)象對(duì)測(cè)試資源同時(shí)提出測(cè)試要求,勢(shì)必會(huì)引起資源的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。因而在測(cè)試過(guò)程中須保證測(cè)試資源在每個(gè)時(shí)刻只能為一個(gè)測(cè)試所占用,所以測(cè)試資源優(yōu)化選擇與調(diào)度面臨的第二個(gè)問(wèn)題是根據(jù)測(cè)試任務(wù)對(duì)資源進(jìn)行合理調(diào)度。其工作主要是在前述的測(cè)試優(yōu)化選擇、測(cè)試設(shè)備類(lèi)型初步選擇以及可用資源的基礎(chǔ)上,綜合考慮測(cè)試過(guò)程的特性和調(diào)度問(wèn)題的復(fù)雜性,建立裝備系統(tǒng)測(cè)試資源調(diào)度模型。該模型以測(cè)試時(shí)間與費(fèi)用最小為目標(biāo),以測(cè)試順序、測(cè)試準(zhǔn)備條件以及可用測(cè)試資源等為約束條件,采用多目標(biāo)智能進(jìn)化算法,對(duì)由測(cè)試時(shí)間和測(cè)試費(fèi)用聯(lián)合確定的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與模型求解。

3.4 方案總體集成

針對(duì)不同任務(wù)剖面、不同維修測(cè)試級(jí)別,需采用不同測(cè)試技術(shù)級(jí)別和技術(shù)手段,通常是各種技術(shù)手段和技術(shù)級(jí)別相結(jié)合。在裝備測(cè)試性方案設(shè)計(jì)及測(cè)試實(shí)施過(guò)程中,為便于不同信息的訪問(wèn)與共享,需要選擇合適信息集成方式對(duì)信息進(jìn)行集中管理,通過(guò)總線方式實(shí)現(xiàn)裝備測(cè)試的總體集成方案。

集成過(guò)程中的兩個(gè)基本技術(shù)問(wèn)題亟待解決:測(cè)試性方案總體集成框架如圖5所示。

(1)信息訪問(wèn)接口設(shè)計(jì)。在測(cè)試性方案優(yōu)化過(guò)程中,建立廣義信息描述模型,為信息的交換與共享奠定基礎(chǔ),但是這些信息的流動(dòng)與共享是通過(guò)管理與集成工作反映在各個(gè)階段的,因此需要對(duì)信息模型管理進(jìn)行合適的訪問(wèn)接口設(shè)計(jì)。

(2)總線接口技術(shù)。測(cè)試性方案的實(shí)施,首先需要在確定各類(lèi)實(shí)體測(cè)試資源的前提下對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),從物理上實(shí)現(xiàn)測(cè)試資源有效合理的調(diào)度,總線型結(jié)構(gòu)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用?？偩€接口作為實(shí)現(xiàn)總線型測(cè)試結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ),在采用這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),必須對(duì)總線接口作出明確的定義。

4 敏感性分析

在設(shè)計(jì)測(cè)試性方案時(shí)需要利用裝備信息模型以及其他先驗(yàn)信息,這些信息種類(lèi)繁多,關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,且在分析處理中與真實(shí)值之間可能存在一定的偏差。為判斷這種偏差對(duì)最優(yōu)方案的影響程度,須對(duì)最優(yōu)測(cè)試性方案設(shè)計(jì)的各權(quán)衡過(guò)程進(jìn)行敏感性分析。如果先驗(yàn)信息的微小變化引起最優(yōu)方案大幅度改變,則說(shuō)明該方案對(duì)信息的偏差非常敏感,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重考慮。如果先驗(yàn)信息在一定的范圍內(nèi)變化時(shí),最優(yōu)方案的變化不大,則說(shuō)明此最優(yōu)方案魯棒性很好,所期望的應(yīng)用效果也比較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)裝備系統(tǒng)而言,構(gòu)建測(cè)試性方案的主要依據(jù)來(lái)自于訂購(gòu)方提出的測(cè)試性要求及測(cè)試資源約束條件、裝備的方案及可靠性分析數(shù)據(jù)、維修與保障方案等,影響因素眾多,求解過(guò)程復(fù)雜。本文通過(guò)分析首先明確了測(cè)試性方案的內(nèi)涵,在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地闡述了測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與權(quán)衡工作內(nèi)容、技術(shù)流程以及關(guān)鍵使能技術(shù),為測(cè)試性方案的進(jìn)一步研究提供了技術(shù)途徑,為有效地指導(dǎo)裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)、分析與測(cè)試實(shí)施打下了理論基礎(chǔ)。

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