張素明，趙小卓，張 翔，閻小濤

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

一種通用測試系統(tǒng)故障診斷功能設(shè)計

張素明，趙小卓，張 翔，閻小濤

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為了解決運載火箭測試過程中測試項目多、測試流程復(fù)雜、測試時間長的問題，一般采用具有故障診斷功能的通用測試系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化測試；通過綜合分析運載火箭測試項目需求，研究通用測試系統(tǒng)運行過程對故障診斷功能需求，提出了一種通用測試系統(tǒng)故障診斷功能設(shè)計方案，包括故障診斷的系統(tǒng)架構(gòu)、線路診斷、測試平臺自檢、測試流程監(jiān)測、故障定位，以及信息應(yīng)用等功能；通過該故障診斷功能設(shè)計，簡化了測試項目，實現(xiàn)了運載火箭的快速自動化測試、性能監(jiān)測與狀態(tài)評估，保障火箭的安全可靠運行，并可為維修決策提供支持。

故障診斷；通用測試;信息應(yīng)用

0 引言

隨著火箭發(fā)射密度越來越高，運載火箭在測試過程中將面臨著測試準(zhǔn)備時間短、測試人員少、使用環(huán)境惡劣等特點。在設(shè)計火箭的通用測試系統(tǒng)時，往往可靠性要求高，易于使用，還可能需要不斷改型與升級，這就使得通用測試系統(tǒng)的復(fù)雜程度逐步提升。

美軍第四代戰(zhàn)斗機F-35的通用測試系統(tǒng)“洛馬之星”(LM-Star)，是目前世界上最先進的自動化測試系統(tǒng)，它通過智能化機內(nèi)自測試(BIT)技術(shù)、一體化測試診斷技術(shù)、綜合健康管理等，實現(xiàn)整個武器裝備信息資源的合理利用，提高故障應(yīng)急處理的準(zhǔn)確性、全面性和自動化程度，保障武器裝備的安全可靠運行，為維修決策提供支持。

在自動化測試技術(shù)、智能故障診斷技術(shù)以及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，通用測試系統(tǒng)的故障診斷功能設(shè)計是實現(xiàn)運載火箭的快速測試、性能監(jiān)測與狀態(tài)評估的基礎(chǔ)，可以有效解決測試過程狀態(tài)監(jiān)測、故障快速定位、快速保障、信息化程度較低等問題。

1 功能需求分析

運載火箭從單機測試、總裝出廠測試、技術(shù)區(qū)測試、發(fā)射區(qū)測試，以及射前自檢測試等，測試項目的綜合程度逐步提高，對測試時間要求也越來越高。

圖1 火箭測試項目對比圖

一般在技術(shù)準(zhǔn)備區(qū)的測試時間要求為數(shù)小時，從發(fā)射區(qū)測試到射前自檢測，測試時間要求為數(shù)分鐘。隨著測試項目綜合性要求的提高，測試過程必須通過減少測試操作和協(xié)調(diào)調(diào)度環(huán)節(jié)，提高測試系統(tǒng)的智能化水平來實現(xiàn)，這就對測試過程中的故障診斷提出了功能需求。綜合分析測試過程的故障診斷功能需求，主要包括以下幾方面。

1.1 線路診斷

為了提高測試效率，同時利用通用測試平臺對各類測試接口和資源用以管理的優(yōu)勢，可以將線路測試功能設(shè)計成自動化過程，一方面用于在對火箭設(shè)備加電測試前的測試接口連接狀態(tài)的檢查，確認(rèn)測試接口連接狀態(tài)的正確性，各設(shè)備連接的正確性檢測和診斷；另一方面，在測試過程中，對線路在通電過程中的漏電監(jiān)測，確保系統(tǒng)中不存在潛通路或異常通路的存在。

1.2 測試系統(tǒng)自檢

通用測試系統(tǒng)自檢功能主要完成對系統(tǒng)的硬件進行檢測，實現(xiàn)的功能主要包括設(shè)備BIT、總線檢測、電源檢測、貯存器模塊、AD/DA模塊檢測等，同時測試系統(tǒng)自檢測將上述的自檢測信息進行信息進行綜合管理和應(yīng)用。

1.3 實時狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測功能一方面用于對火箭在測試過程中的關(guān)鍵狀態(tài)和檢測參數(shù)進行智能監(jiān)測，在發(fā)生異常/故障時提示系統(tǒng)進行報警或預(yù)警；另一方面用于對測試流程的實時監(jiān)測，包含測試項、測試時序、測試覆蓋性等方面，與標(biāo)準(zhǔn)測試流程進行對比分析，并給出測試結(jié)果的快速分析結(jié)果。

1.4 實時診斷定位

在火箭狀態(tài)出現(xiàn)異常時，需實時進行故障檢測與定位，為維修保障提供支持。故障診斷功能針對火箭狀態(tài)和測試流程監(jiān)測的異常信息，進行故障檢測與定位分析，通過對箭上、地面故障的定位，實現(xiàn)對于箭上故障，定位到單機，對于地面設(shè)備，定位到板卡級，并給出故障可能出現(xiàn)的原因、位置和解決措施，輔助相關(guān)技術(shù)人員進行故障排查分析和后續(xù)維修。

1.5 火箭健康管理

火箭健康管理主要將火箭所有的測試信息進行綜合管理與分析?；鸺】倒芾砭唧w包括全壽命周期信息管理、包絡(luò)分析、數(shù)據(jù)趨勢分析、健康指標(biāo)評估等，并根據(jù)分析結(jié)果實現(xiàn)對火箭多個維度的信息進行統(tǒng)計，對火箭進行發(fā)射評估。

2 故障診斷功能架構(gòu)

故障診斷功能由線路診斷硬件模塊、硬件設(shè)備檢測模塊、故障診斷服務(wù)器，以及相應(yīng)的軟件組成，功能架構(gòu)與信息流如下圖所示，其中：

1)線路診斷硬件模塊為獨立的硬件模塊，完成通用測試平臺與火箭或被測對象的連接狀態(tài)的檢測和實時監(jiān)測，包括線路連接的正確性，供電線路的漏電、潛通路監(jiān)測等，將監(jiān)測參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給故障診斷服務(wù)器；

2)硬件設(shè)備檢測模塊為通用測試平臺各硬件設(shè)備/板卡的故障檢測功能相關(guān)硬件的統(tǒng)稱，其存在于各硬件設(shè)備/板卡的硬件設(shè)計上，如測試主控板上的自檢測功能模塊、AD、DA板卡的自檢測功能設(shè)計等；

3)故障診斷服務(wù)器用于運行故障診斷軟件，實現(xiàn)故障診斷功能；

4)故障診斷軟件包括數(shù)據(jù)收發(fā)處理模塊、故障診斷模塊與數(shù)據(jù)可視化模塊。其中故障診斷模塊作為故障診斷的核心軟件，負責(zé)測試結(jié)果相關(guān)的分析、診斷、評估等各種智能算法的后臺實現(xiàn)，實時自動生成故障診斷報告。

圖2 故障診斷功能架構(gòu)與信息流圖

3 故障診斷功能設(shè)計

3.1 線路診斷硬件設(shè)計

線路診斷硬件主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、矩陣控制模塊和組合電源模塊等，其中數(shù)據(jù)采集和矩陣控制模塊統(tǒng)一由故障診斷服務(wù)器上的故障診斷軟件進行調(diào)度，實現(xiàn)相應(yīng)的線路故障診斷功能。

圖3 線路診斷硬件組成

故障診斷服務(wù)器上的故障診斷軟件發(fā)送協(xié)議給線路診斷的硬件，線路診斷的硬件中開關(guān)矩陣控制模塊根據(jù)協(xié)議進行譯碼，控制繼電器開關(guān)矩陣，數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)傳送給故障診斷服務(wù)器。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，設(shè)置了漏電監(jiān)測模塊。通常采用漏電表監(jiān)測的方法，漏電監(jiān)測的兩種原理圖如圖4所示。左圖所示方法的優(yōu)點在于可連續(xù)監(jiān)測，可使用單極性μA表，但面板上需二塊表頭指示。使用右圖所示方法的優(yōu)點在于使用雙極性中間指令儀表、面板上用一塊表頭。

圖4 漏電監(jiān)測方法示意圖

3.2 測試系統(tǒng)自檢設(shè)計

3.2.1 設(shè)備BIT

針對具有BIT功能的測試設(shè)備，內(nèi)部通過處理器完成自檢測，并將自檢測信息上報給故障診斷服務(wù)器。通用測試系統(tǒng)中BIT設(shè)備包括電源及配電設(shè)備、測試主控板、導(dǎo)航信號模擬板、服務(wù)器等。

根據(jù)軟件知識庫中預(yù)設(shè)的合格門限，對各設(shè)備的實時BIT數(shù)據(jù)進行上下限判讀，連續(xù)三次超限則認(rèn)為設(shè)備異常。

3.2.2 總線檢測

在檢測過程中，需監(jiān)測總線系統(tǒng)的系統(tǒng)性能參數(shù)，包括總線負載、總線使用效率、總線利用率、延遲時間、平均等待時間、可靠性、信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性(誤碼率和誤字率)。

1)總線負載：實際傳輸量與最大允許傳輸量之比值，包括數(shù)據(jù)和內(nèi)部開銷，反映系統(tǒng)的擴充余量；

2)總線利用率：衡量總線上信息傳輸擁擠程度，即總線商信息傳輸時間與全部時間的比值，為支持系統(tǒng)擴展并防止總線堵塞，必須留有余量；

3)延遲時間：在信源處信息啟動時間與吸收點處執(zhí)行時間的差值；

4)平均等待時間：指非用期性異步消息的傳送所等待的平均時間。

3.2.3 A/D、D/A、I/O通路檢測

A/D、D/A、I/O模塊檢測用于A /D通道、D /A 通道、I/O通道等檢查。利用系統(tǒng)內(nèi)部的信號激勵源產(chǎn)生激勵信號，通過A/D、D/A、I/O間信號相互的相互轉(zhuǎn)化，進行模擬信號的采集、對比與確認(rèn)(包括端口的信號、信號屬性、屬性范圍)，形成自檢回路，完成該模塊的檢測校驗等功能。

3.3 實時監(jiān)測與故障診斷功能設(shè)計

為確保測試的準(zhǔn)確性和安全性，測試階段有一套嚴(yán)格的測試流程，按照流程，設(shè)備會發(fā)出一系列指令，根據(jù)指令各系統(tǒng)會執(zhí)行一系列動作，并達到一定的狀態(tài)。如果設(shè)備未能正常有序地完成流程中的各項工作，則有可能會影響火箭的正常功能，甚至是帶來嚴(yán)重的安全問題。對于測試流程的智能監(jiān)測與診斷，需要基于的各類測試參數(shù)綜合進行分析，而且該流程涉及多個系統(tǒng)多個參數(shù)的時序關(guān)系與變化過程，因此適合采用專家系統(tǒng)集中進行監(jiān)測與診斷。

通用測試系統(tǒng)能獲得箭上所有測試數(shù)據(jù)和地面測試設(shè)備的狀態(tài)信息，故障診斷功能通過運用多種診斷推理方法，實現(xiàn)對運載火箭多種類型故障的診斷和分析。多種診斷推理算法運行在診斷推理平臺上，該平臺是一種面向被診斷對象，用于建立和部署故障診斷應(yīng)用的一種集成開發(fā)環(huán)境。診斷推理平臺為多類型故障診斷提供通用的基礎(chǔ)性信息平臺；在此平臺上，可針對不同類型故障，通過不同診斷推理方法、借助不同診斷推理知識來實施故障診斷推理。

對于測試過程出現(xiàn)的異常參數(shù)，采用故障定位算法，通過地面設(shè)備狀態(tài)信息來隔離箭-地故障；對于箭上故障，對特定故障模式進行診斷定位，箭上定位到設(shè)備級。地面測試設(shè)備通過BIT測試，定位到板卡級。

診斷推理平臺按運行方式分為實時運行子平臺和開發(fā)維護子平臺兩部分，如下圖所示。

一是實時運行子平臺，包括推理中心、數(shù)據(jù)庫、知識庫、客戶端和診斷算法插件，其中推理中心通過加載診斷算法插件、運用知識完成診斷推理活動，數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)存儲，知識庫用于診斷知識的存儲。客戶端統(tǒng)一完成故障信息的顯示。

二是開發(fā)維護子平臺，包括算法插件管理平臺和知識管理平臺。算法插件管理平臺用于管理診斷推理算法和數(shù)據(jù)處理算法；知識管理平臺用于對多策略故障診斷所需的診斷推理知識進行統(tǒng)一的編輯與管理，并采用多種方式生成知識庫，包括根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的知識挖掘來自動生成診斷推理所需的判據(jù)等。

當(dāng)出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)異常時，自動進入故障定位流程。

圖5 故障診斷推理平臺架構(gòu)

3.4 火箭健康管理功能設(shè)計

3.4.1 功能組成及信息流

火箭健康管理功能用于對火箭在使用與維護過程中累積的各類測試數(shù)據(jù)進行綜合應(yīng)用，支持的功能主要包括：

發(fā)射評估：實現(xiàn)對火箭的發(fā)射風(fēng)險評估，對火箭運行狀態(tài)滿足發(fā)射要求的程度進行評估、綜合評分，輔助指揮人員進行發(fā)射決策。

自主式維修保障：檢測前，對各系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和關(guān)鍵功能單元的狀態(tài)進行診斷與評估，給出需要重點關(guān)注的維修或測試項目建議以及需要的維修保障資源信息，實現(xiàn)火箭發(fā)射前的視情維修。

測試數(shù)據(jù)綜合分析：按照用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)分析項目列表，自動對測試數(shù)據(jù)進行診斷、包絡(luò)分析、趨勢分析，分析結(jié)果最終以檢測分析報告的形式呈現(xiàn)給用戶。

健康信息定制推送：針對用戶的特殊使用需求，對健康信息進行篩選、整理，將定制后的健康監(jiān)測信息推送給用戶，提高健康管理的靈活性。

功能組成與信息流如圖6所示。

圖6 火箭健康管理功能組成及信息流

3.4.2 發(fā)射評估

基于FMEA及風(fēng)險管理理論，對火箭在發(fā)射過程中的各種失效模式進行風(fēng)險分析，根據(jù)失效的頻率度與嚴(yán)重度，計算出各種失效的風(fēng)險指數(shù)，根據(jù)風(fēng)險指數(shù)篩選出火箭的關(guān)鍵射前狀態(tài)，并將關(guān)鍵射前狀態(tài)分為否決項和減分項兩類。發(fā)射前，對關(guān)鍵射前狀態(tài)逐項進行診斷，根據(jù)診斷結(jié)果對裝備運行狀態(tài)滿足發(fā)射要求的程度進行綜合打分，列出存在的風(fēng)險項及其風(fēng)險指數(shù)，并給出最終的發(fā)射評估建議。

基于成熟的FMEA及風(fēng)險管理理論，對火箭的發(fā)射過程進行風(fēng)險分析，具體步驟如下：

1)明確射前狀態(tài)：明確發(fā)射前需要滿足的射前狀態(tài)；

2)明確失效模式：針對列出的各項射前狀態(tài)，確定其可能出現(xiàn)的失效模式；

3)分析失效原因：針對各種失效模式，分析可能的失效原因；

4)分析失效影響：針對每個失效原因，分析由該原因所引起的失效對發(fā)射的影響；

5)計算風(fēng)險指數(shù)：針對每個失效原因，根據(jù)該原因可能引起失效的頻率度與造成影響的嚴(yán)重度，計算由該原因所引起失效的風(fēng)險指數(shù)；

6)篩選關(guān)鍵射前狀態(tài)：根據(jù)各射前狀態(tài)所對應(yīng)失效模式的風(fēng)險指數(shù)高低，篩選出火箭的關(guān)鍵射前狀態(tài)；

7)關(guān)鍵射前狀態(tài)分類：根據(jù)失效的影響，從關(guān)鍵射前狀態(tài)的失效模式中篩選出發(fā)射否決項，剩下的失效模式為發(fā)射減分項；

8)打分采用百分制，對火箭進行射前評估打分。

3.4.3 自主式維修保障

對各系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)、關(guān)鍵功能單元進行故障診斷，并分析性能參數(shù)的變化趨勢，評估功能單元性能退化所處的階段，給出檢測過程中需要重點關(guān)注的維修或測試項目建議，實現(xiàn)火箭的視情維修。針對需要重點關(guān)注的維修或測試項目建議，給出檢測過程中所需的備件列表及備件的分布情況，以及相關(guān)的電子操作與維修手冊、歷史維修記錄、故障模式信息等，實現(xiàn)火箭的先導(dǎo)式后勤保障。

3.4.4 測試數(shù)據(jù)綜合分析

用戶事先確定需要進行診斷、包絡(luò)分析、趨勢分析的參數(shù)范圍，并提前錄入好相關(guān)判據(jù)知識。測試完成后，故障診斷軟件參照設(shè)定的參數(shù)范圍，根據(jù)判據(jù)知識，自動完成相應(yīng)參數(shù)的診斷、包絡(luò)分析、趨勢分析工作，并將分析結(jié)果按照指定報告模板，生成數(shù)據(jù)綜合分析報告。用戶可在維修保障資源管理中對分析報告進行統(tǒng)一管理。

故障診斷由多策略診斷推理平臺實現(xiàn)，診斷策略選用基于專家系統(tǒng)的故障診斷。包絡(luò)分析、趨勢分析分別由包絡(luò)分析功能、趨勢分析功能提供接口來實現(xiàn)。

包絡(luò)分析功能提供歷史包絡(luò)曲線生成與基于歷史包絡(luò)的數(shù)據(jù)分析兩種服務(wù)。用戶首先利用歷史測試數(shù)據(jù)，生成參數(shù)的歷史包絡(luò)曲線，并統(tǒng)一存儲管理。在數(shù)據(jù)分析過程中，用戶可以利用生成的歷史包絡(luò)曲線，對參數(shù)在一段時期內(nèi)的超包絡(luò)、超設(shè)計域的情況進行統(tǒng)計分析。

趨勢分析功能提供兩種趨勢分析服務(wù)，分別為：1)對正常情況下處于穩(wěn)態(tài)的參數(shù)出現(xiàn)的偏離其穩(wěn)態(tài)的趨勢變化進行檢測分析；2)評估功能單元性能退化所處的階段，即針對參數(shù)的趨勢分析與針對功能單元性能的趨勢分析。

3.4.5 健康信息定制推送

針對指揮人員、技術(shù)人員、維修人員的特殊使用需求，提供故障定制信息、參數(shù)定制信息、發(fā)射評估定制信息的定制推送功能，推送途徑包括網(wǎng)絡(luò)推送和北斗短報文推送兩種，網(wǎng)絡(luò)推送的信息用B/S瀏覽終端在信息應(yīng)用中心客戶端進行瀏覽，北斗短報文推送的信息由北斗便攜式接收終端進行瀏覽。

考慮到北斗短報文傳輸設(shè)備對所發(fā)送短報文在容量及發(fā)送時間間隔上的限制，健康管理信息短報文應(yīng)盡量通過編碼的方式，將全箭故障信息進行統(tǒng)一編碼管理，精簡至單條短報文的數(shù)據(jù)容量范圍之內(nèi)。

4 試驗結(jié)果分析

通過通用測試系統(tǒng)故障診斷功能設(shè)計和實現(xiàn)，實現(xiàn)了運載火箭全箭測試狀態(tài)下的自動化測試過程，極大的簡化了地面設(shè)備的綜合試驗過程，同時將全箭一次總檢查測試的時間縮短1/3。

通過線路自動診斷功能簡化了試驗中的地面設(shè)備準(zhǔn)備過程，節(jié)省了傳統(tǒng)人工線路檢測時間。通過實時監(jiān)測測試過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)，確保了測試過程的正確，測試參數(shù)的準(zhǔn)確，以及測試過程的安全，減輕了測試人員的工作強度和壓力，減少了實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)判讀人員。

同時，通過火箭的健康管理功能設(shè)計，增強了數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，并與現(xiàn)有的綜合保障信息化系統(tǒng)實現(xiàn)無縫銜接。

5 結(jié)論

本文針對通用測試系統(tǒng)的故障診斷功能需求，設(shè)計了線路診斷、測試系統(tǒng)自檢、實時狀態(tài)監(jiān)測和診斷定位，以及火箭的健康管理功能。該故障診斷功能設(shè)計解決了：①測試前線路、硬件設(shè)備狀態(tài)的快速自動檢查；②測試過程狀態(tài)監(jiān)測和故障的快速定位；③測試后的數(shù)據(jù)綜合分析和健康管理應(yīng)用等影響測試效率的問題。

該功能設(shè)計與通用測試系統(tǒng)功能進行集成，共同形成故障診斷功能，在軟、硬件設(shè)計上與通用測試系統(tǒng)相結(jié)合，該設(shè)計具有一定的通用性，可提升通用測試系統(tǒng)的自動化和智能化水平。

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A Fault Diagnosis System Design for General Test Platform

Zhang Suming，Zhao Xiaozhuo, Zhang Xiang, Yan Xiaotao

(Beijing Astronautics System Engineering Institute, Beijing 100076, China )

As the pre-launch testing process is very complex and the number of critical parameters and fault modes in monitor are quite large, which brings command staffs a lot of burdens and pressures coming from fault diagnosis, a general test platform with fault diagnosis is used in launch vehicles’ pre-launch testing process. By a requirement analysis of diagnosis function for the platform, a fault diagnosis system for the platform is proposed in this paper, including system architecture, BIT, process monitoring, fault location, and information application. With this intelligent function, a quick automatic testing system can be used in pre-launch testing process, and efficient auxiliary information can be provided for maintenance decision making.

fault diagnosis; general test; information application

2015-09-15；

2016-02-15。

張素明(1984-)，男，湖南常德人，工程師，主要從事運載火箭的信息應(yīng)用、故障診斷與健康管理系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0010-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.003

TP3 文獻標(biāo)識碼：A