,2

(1.海軍指揮學(xué)院信息系 南京 211800)(2.92985部隊(duì) 廈門(mén) 361100)

基于多信號(hào)模型的某短通系統(tǒng)診斷策略設(shè)計(jì)*

尹亞蘭1李登1,2

(1.海軍指揮學(xué)院信息系 南京 211800)(2.92985部隊(duì) 廈門(mén) 361100)

針對(duì)某短通系統(tǒng)測(cè)試性差的問(wèn)題,在深入研究多信號(hào)模型與診斷策略設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上,提出了一種基于多信號(hào)模型的診斷策略設(shè)計(jì)方法。以該系統(tǒng)的窄帶發(fā)信分系統(tǒng)為例,首先研究了基于TEAMS軟件的多信號(hào)建模方法,然后根據(jù)模型文件獲取了系統(tǒng)的D矩陣,最后利用RIG算法生成系統(tǒng)的診斷策略。測(cè)試性分析結(jié)果表明,該方法有效提高了系統(tǒng)的測(cè)試性指標(biāo),生成的診斷策略可用來(lái)對(duì)該型裝備進(jìn)行故障診斷。

多信號(hào)模型;診斷策略;TEAMS;RIG算法;短通系統(tǒng)

ClassNumberTN953

1 引言

高新技術(shù)在武器裝備中的廣泛應(yīng)用,使裝備的功能與性能越來(lái)越先進(jìn),同時(shí)也增加了裝備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,給裝備帶來(lái)了嚴(yán)重的測(cè)試問(wèn)題、診斷定位問(wèn)題和維修保障問(wèn)題[1]。研究表明,要實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)地維修保障,必須在裝備設(shè)計(jì)研制一開(kāi)始就綜合考慮測(cè)試、診斷與保障問(wèn)題,即開(kāi)展測(cè)試性設(shè)計(jì),使裝備具有良好的測(cè)試性[2]。

測(cè)試性(Testability)也稱可測(cè)性,是指“裝備能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降),并有效地隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性”[3]。診斷策略設(shè)計(jì)是測(cè)試性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,對(duì)提高裝備故障診斷能力(即提高故障檢測(cè)率和故障隔離率)、提高診斷效率(即減少測(cè)試步驟數(shù)目)、降低全壽命周期費(fèi)用具有十分重要的意義。本文針對(duì)某短通系統(tǒng)實(shí)際情況,采用基于多信號(hào)模型的診斷策略設(shè)計(jì)方法,旨在提高該系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試性指標(biāo),為該裝備診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供診斷程序。

2 基于多信號(hào)模型的診斷策略設(shè)計(jì)

多信號(hào)模型是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析的基礎(chǔ)上,以分層有向圖表示信號(hào)流方向和各組成模塊的構(gòu)成及連接關(guān)系,并通過(guò)定義信號(hào)(模塊功能)與組成模塊(故障模式)、測(cè)試與信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性,來(lái)表征系統(tǒng)組成、功能、故障、測(cè)試之間的相關(guān)性關(guān)系的一種模型表示方法[4]。類似于在結(jié)構(gòu)模型上添加多個(gè)(單信號(hào))依賴性模型的集合,多信號(hào)模型更加接近于系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu),建模過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單[5]。目前基于多信號(hào)模型應(yīng)用最為成功的測(cè)試性設(shè)計(jì)工具當(dāng)屬美國(guó)QSI公司開(kāi)發(fā)的測(cè)試性工程與維修系統(tǒng)(Testability Engineering and Maintenance System,TEAMS)軟件[6],能夠完成對(duì)裝備系統(tǒng)的測(cè)試性分析、可靠性分析、診斷策略設(shè)計(jì)等功能。因此,對(duì)于短通系統(tǒng)這類復(fù)雜系統(tǒng)而言,采用基于多信號(hào)模型的TEAMS軟件進(jìn)行診斷策略設(shè)計(jì)是可行的,具體方法如圖1所示。

首先利用TEAMS軟件構(gòu)建系統(tǒng)的多信號(hào)模型,在此基礎(chǔ)上獲取系統(tǒng)的D矩陣,然后根據(jù)一定的診斷策略搜索算法進(jìn)行診斷策略設(shè)計(jì),最終得到系統(tǒng)的診斷策略,用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。

3 短通系統(tǒng)多信號(hào)建模

某短通系統(tǒng)是某型艦載短波綜合通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,具有獨(dú)特的靈活性、抗毀性與低廉性,是艦艇上一種不可或缺的通信裝備,對(duì)保障艦艇完成作戰(zhàn)、訓(xùn)練任務(wù)具有極其重要的作用。該系統(tǒng)由窄帶發(fā)信分系統(tǒng)、寬帶發(fā)信分系統(tǒng)與收信分系統(tǒng)三個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)組成,由于本文研究的基于多信號(hào)模型的診斷策略設(shè)計(jì)方法具有一般性,下面以窄帶發(fā)信分系統(tǒng)為例對(duì)其開(kāi)展多信號(hào)建模與診斷策略設(shè)計(jì),寬帶發(fā)信分系統(tǒng)和收信分系統(tǒng)的多信號(hào)建模與診斷策略設(shè)計(jì)方法類似。采用TEAMS軟件的多信號(hào)建模步驟如下[7]:

1)根據(jù)窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),搭建系統(tǒng)層次化模型結(jié)構(gòu)。多信號(hào)模型支持層次化模型結(jié)構(gòu),TEAMS軟件只需對(duì)不同層次的模塊設(shè)置為不同的層次屬性。本文主要研究現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的診斷策略設(shè)計(jì),要求將裝備故障隔離到LRU層級(jí),因而TEAMS層次與系統(tǒng)組成分析中的層次級(jí)別對(duì)應(yīng)關(guān)系是:裝備—System、分機(jī)與組件—Subsystem、模塊/電路板—LRU、功能故障模式—SRU。最終可將窄帶發(fā)信分系統(tǒng)劃分成LRU為111個(gè),共添加故障模式258個(gè)。

2)劃分窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)功能,對(duì)系統(tǒng)各LRU添加功能信號(hào)。在TEAMS軟件中,模塊的功能只能在最底層模塊功能屬性中定義,上一層模塊的功能自動(dòng)定義為下一層的所有功能之和。因此,建模時(shí)要依次按照每一個(gè)系統(tǒng)功能流,把系統(tǒng)功能添加到最底層模塊功能屬性中,并用連接線把分離的模塊有機(jī)連接起來(lái),形成多信號(hào)模型有向邊的集合。在對(duì)窄帶發(fā)信分系統(tǒng)進(jìn)行功能劃分時(shí),首先分析系統(tǒng)的加電與開(kāi)機(jī)功能,然后在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下分析系統(tǒng)的按鍵操作功能,最后分析系統(tǒng)在不同頻率和不同工作方式下的發(fā)射功能。窄帶發(fā)信分系統(tǒng)包含2個(gè)獨(dú)立的窄帶發(fā)信信道,每個(gè)窄帶發(fā)信信道均可分解成系統(tǒng)級(jí)功能13個(gè)。

3)針對(duì)窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的每一個(gè)系統(tǒng)級(jí)功能,在功能流上添加測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試。多信號(hào)模型中的測(cè)試不能單獨(dú)存在,必須屬于某個(gè)測(cè)試點(diǎn)。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)可能包含一個(gè)或多個(gè)測(cè)試,每個(gè)測(cè)試可同時(shí)添加多個(gè)功能信號(hào)。因此,建模時(shí)先確定測(cè)試點(diǎn)位置,然后對(duì)每一個(gè)位置添加相應(yīng)的測(cè)試,最終共添加了400個(gè)測(cè)試。

4)模型修正及有效性驗(yàn)證。構(gòu)建多信號(hào)模型是一個(gè)由簡(jiǎn)到繁,根據(jù)知識(shí)和需求逐漸完善的過(guò)程。起初根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和功能原理等基本知識(shí)構(gòu)建系統(tǒng)的初級(jí)模型,隨著對(duì)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深入和應(yīng)用需求的提出,通過(guò)增加功能信號(hào)等逐步完善已有模型,最后根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)與物理模型對(duì)多信號(hào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 短通系統(tǒng)診斷策略設(shè)計(jì)與評(píng)估

4.1 系統(tǒng)D矩陣獲取

在使用TEAMS軟件構(gòu)建系統(tǒng)的多信號(hào)模型后,模型的信息主要有兩種存儲(chǔ)方式,分別為文件形式和數(shù)據(jù)庫(kù)形式。由于利用數(shù)據(jù)庫(kù)獲取D矩陣的方法比較麻煩,在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)較難[8],因此,采用基于模型文件的D矩陣數(shù)據(jù)獲取方法。對(duì)TEAMS多信號(hào)模型的所有文件內(nèi)容進(jìn)行分析,可知多信號(hào)模型的信息主要保存在模塊文件、測(cè)試文件、*.nsi、*_grf.map、*.dep和*.prm文件中,利用這幾個(gè)文件可以分別得到D矩陣的行向量、列向量、元素值和故障概率、測(cè)試費(fèi)用、時(shí)間、級(jí)別等數(shù)據(jù)。具體步驟如下:

1)確定D矩陣的行向量集合。首先從*.nsi文件的FAULTS字段中獲取所有故障模塊的ID號(hào),然后根據(jù)故障模塊的ID號(hào)從*_grf.map文件的MODULE_PROPERTIES獲得對(duì)應(yīng)故障模塊的名稱,每個(gè)故障模塊對(duì)應(yīng)D矩陣的一個(gè)行向量。

2)確定D矩陣的列向量集合。首先從*.nsi文件的TESTS字段中獲取所有測(cè)試的ID號(hào),然后根據(jù)測(cè)試的ID號(hào)從*_grf.map文件的TEST_PROPERTIES獲得對(duì)應(yīng)測(cè)試的名稱,每個(gè)測(cè)試對(duì)應(yīng)D矩陣的一個(gè)列向量。

3)確定D矩陣元素值,即故障與測(cè)試的依賴關(guān)系。首先將*.dep文件FAULT_D_MATRIX_COMPACT字段中每組的十進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成32位二進(jìn)制數(shù)值,然后刪除右段多余的0即可得到D矩陣每一行的元素值。

4)確定D矩陣的附加信息。D矩陣元素值只是D矩陣的基本信息,對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的故障診斷,在診斷過(guò)程中,為了生成最優(yōu)的診斷策略,不僅要知道故障和測(cè)試的依賴關(guān)系,還要知道故障先驗(yàn)概率、測(cè)試費(fèi)用、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試優(yōu)先級(jí)等信息,這些信息可以從*.prm文件中獲得。具體過(guò)程是:從MTTFS字段獲取各模塊的故障概率,從TEST_COSTS字段獲取各測(cè)試的費(fèi)用,從TEST_HOURS字段獲取各測(cè)試需要的時(shí)間,從TEST_LEVELS字段獲取各測(cè)試的優(yōu)先級(jí)。

4.2 系統(tǒng)診斷策略的生成

在設(shè)計(jì)診斷策略時(shí)必須選擇合適的診斷策略搜索算法,目前常用的診斷算法有SIG算法[9]、AO*算法[10]、RIG算法[11]。其中SIG算法計(jì)算簡(jiǎn)單,但只能得到近似最優(yōu)診斷策略;AO*算法能生成測(cè)試費(fèi)用最優(yōu)的診斷策略,但需要不斷回溯修正以致存儲(chǔ)的臨時(shí)支路和數(shù)據(jù)很大,計(jì)算復(fù)雜度也較大,不適用于大型規(guī)模系統(tǒng);而RIG算法兼顧了計(jì)算復(fù)雜度和測(cè)試費(fèi)用最優(yōu)性,在平均測(cè)試費(fèi)用上優(yōu)于SIG算法,在計(jì)算復(fù)雜度上優(yōu)于AO*算法,且這種優(yōu)越性隨系統(tǒng)規(guī)模的增加體現(xiàn)得越明顯。因此,本文采用RIG算法對(duì)短通系統(tǒng)進(jìn)行診斷策略設(shè)計(jì)。如圖2所示為基于RIG算法生成的窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的部分診斷策略。

圖2 窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的部分診斷策略

4.3 系統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估結(jié)果

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的診斷策略,執(zhí)行測(cè)試性分析,可評(píng)估系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試性指標(biāo)。圖3所示為窄帶發(fā)信分系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果。

圖3 窄帶發(fā)信分系統(tǒng)測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估結(jié)果

從上面的分析結(jié)果可知,對(duì)窄帶發(fā)信分系統(tǒng)使用基于RIG算法的診斷策略進(jìn)行故障診斷,故障檢測(cè)率、故障隔離率均為98%以上,平均模糊組大小為1.03,隔離到單個(gè)模塊的比例達(dá)到98%,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的診斷策略是成功的。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著裝備的技術(shù)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性越來(lái)越強(qiáng),裝備測(cè)試、診斷的技術(shù)難度也越來(lái)越大,因此對(duì)裝備維修保障提出了更新、更高、更嚴(yán)的要求。本文針對(duì)某短通系統(tǒng)在實(shí)際維修保障中存在漏檢、誤檢率高,診斷效率低等問(wèn)題,提出一種基于多信號(hào)模型的診斷策略設(shè)計(jì)方法,首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多信號(hào)建模,根據(jù)TEAMS軟件的模型文件獲取系統(tǒng)的D矩陣,然后使用RIG算法進(jìn)行診斷策略設(shè)計(jì)生成系統(tǒng)的診斷策略,最后測(cè)試性評(píng)估結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的診斷策略是有效的、可行的。本文提出的方法具有通用性,對(duì)其它復(fù)雜電子系統(tǒng)的診斷策略設(shè)計(jì)具有十分重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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DiagnosticStrategyDesignofSWICSBasedonMuli-signalModel

YIN Yalan1LI Deng1,2

(1. Information Department, Navy College of Commanding, Nanjing 211800)(2. No. 92985 Troops of PLA, Xiamen 361100)

Aiming at the problem that it is poor for the shortwave integrated communication system(SWICS)in testability, the method of diagnostic strategy design based on the multi-signal model is proposed on the basis of in-depth study of the multi-signal model and diagnostic strategy design. Taking narrowband transmitting subsystem as an example, the multi-signal modeling based on testability engineering and maintenance system(TEAMS)is researched firstly. Then the dependency matrix is obtained according to the model files. Lastly the diagnostic strategy of the system is generated in the light of the rollout information heuristic(RIG)algorithm. The result of testability analysis indicates that the method can improve testability metrics of the system. The generated diagnostic strategy can be used to troubleshoot the equipment.

multi-signal model, diagnostic strategy, TEAMS, rollout information gain algorithm, SWICS

2013年11月5日,

:2013年12月21日

尹亞蘭,女,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:通信與信息系統(tǒng)。李登,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:裝備可測(cè)性設(shè)計(jì)與故障診斷技術(shù)。

TN953DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.031