孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機電工程研究所，北京 100074)

飛航裝備測試性設(shè)計分析及故障診斷實施策略工程應(yīng)用研究

孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機電工程研究所，北京 100074)

飛航裝備的測試性設(shè)計分析及故障診斷研究對提高武器裝備的測試性水平，提升裝備的戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)時利用率，拓展可持續(xù)的作戰(zhàn)能力具有重要作用；通過從國內(nèi)外測試性發(fā)展現(xiàn)狀入手展開分析，經(jīng)對一般測試性設(shè)計分析流程的深入研究，從工程實用的角度提出了適用于飛航裝備的測試性設(shè)計與分析的方法，其中包括探討了測試性建模的工具和一般建模流程，梳理了測試性建模數(shù)據(jù)準備素材類型和具體內(nèi)容，分析了測試性建模的具體步驟以及基于測試性模型的分析方法，最后基于所建立測試性模型探討了基于D矩陣的故障隔離和診斷模式，對后續(xù)飛航武器裝備型號中的測試性設(shè)計分析及故障診斷工作具有重要意義。

飛航裝備;測試;故障診斷

0 引言

隨著高新科技的快速發(fā)展，飛航武器裝備的復(fù)雜程度也與日俱增，保障能力面臨愈加嚴峻的考驗。因此，如何以最少的保障資源完成最大規(guī)模的武器裝備系統(tǒng)的保障工作成為當(dāng)前面臨的重要課題。近年來，以空軍為首的各軍兵種，正在大力開展簡化保障內(nèi)容的相關(guān)工作。

科學(xué)合理的測試性設(shè)計能夠通過增加產(chǎn)品測試及生產(chǎn)檢驗等過程中的保障手段以便對裝備系統(tǒng)內(nèi)部的故障進行自動檢測、診斷和隔離，有效地提高武器裝備的戰(zhàn)備完好性和戰(zhàn)時利用率，同時降低維修人力和其它資源的要求，達到精簡保障內(nèi)容的最終目的。[1]

然而，測試性設(shè)計因其起步較晚，仍然與可靠性、維修性、保障等其他設(shè)計脫節(jié)，目前飛航裝備的測試性嚴重制約裝備維修性、保障性的工作進展，存在裝備測試時間長、測試內(nèi)容和項目是否滿足故障覆蓋的要求沒有準確的定義、故障定位時間長、設(shè)備的維修復(fù)雜難以掌握、對武器的操作人員提出了較高要求等等問題，制約了裝備的快速反應(yīng)能力與戰(zhàn)時生存能力，嚴重影響飛航裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

開展關(guān)于飛航裝備測試性設(shè)計與分析方法的研究，可將測試性分析的結(jié)果一方面用于評估武器裝備測試性設(shè)計的水平；另一方面可反饋給設(shè)計部門，用于及時修正裝備的設(shè)計工作；同時，也用于歷史信息的積累，形成同類武器裝備的測試性設(shè)計標準、規(guī)范等，從而切實有效的控制和掌握裝備的測試性水平，確保武器裝備的其他性能。

同時，基于測試性分析的故障診斷實施策略研究，有利于輔助現(xiàn)場操作人員快速定位并隔離故障，提升飛航武器的測試、維修保障效率，以最少的壽命周期費用使系統(tǒng)具備要求的狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測與故障隔離能力，滿足規(guī)定的測試性要求，進而提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性和可用性，降低壽命周期費用，大大提高我院產(chǎn)品的競爭力，為我院型號今后更好的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

因此開展飛航裝備測試性設(shè)計分析及故障診斷實施策略工程應(yīng)用研究，具有重要的實際意義。

1 測試性和故障診斷簡述

測試性是指“產(chǎn)品能及時、準確地確定其狀態(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)計特性”。

故障診斷是通過分析和綜合全部有關(guān)的診斷要素，使系統(tǒng)診斷能力達到最佳的設(shè)計和管理過程。其目標是以最少的費用、最有效地檢測、隔離系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)已知的或預(yù)期發(fā)生的所有故障，以滿足系統(tǒng)任務(wù)要求。

良好的測試性的設(shè)計為提高故障診斷能力奠定了基礎(chǔ)，良好的故障診斷能力是檢測測試性設(shè)計好壞的重要因素。測試性與故障診斷密切相關(guān)，二者相互促進，相輔相成。于此同時，良好的測試性的設(shè)計，可以提供準確的性能監(jiān)控、故障檢測和隔離能力，大大減少故障檢測和隔離時間，從而縮短維修時間，降低對維修人員的技能要求，提高任務(wù)可靠性，提高系統(tǒng)和設(shè)備的使用效能，減少壽命周期費用。

因此，測試性設(shè)計已成為系統(tǒng)和設(shè)備研制過程中的重要工作之一，為確定產(chǎn)品設(shè)計特性是否有利于測試和診斷，在產(chǎn)品設(shè)計過程中應(yīng)盡早地進行測試性分析與評價，以便及時評價和確認已進行的測試性設(shè)計工作，找出不足，改進設(shè)計。[2]

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

國外以美國測試性技術(shù)發(fā)展最具有代表性。自“測試性”術(shù)語提出至今，測試性設(shè)計與分析技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷基于經(jīng)驗的設(shè)計、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計和基于模型的設(shè)計3個階段。基于模型的設(shè)計是目前測試性設(shè)計技術(shù)的主流和未來的發(fā)展趨勢。

在美國軍方和NASA的資助下，QSI公司相繼開展了針對測試性設(shè)計與維修診斷一體化的技術(shù)研究，在IFM基礎(chǔ)上提出了多信號流圖模型(MSFG)的建模思想，利用該模型理論開發(fā)了一套提供測試性仿真商業(yè)化軟件—TEAMS。該軟件通過建立產(chǎn)品的測試性模型，生成診斷策略樹及故障字典，預(yù)計產(chǎn)品的故障檢測和隔離能力，同時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不可檢測故障、模糊組等薄弱環(huán)節(jié)，提出改進措施，已經(jīng)應(yīng)用到包括美國海/空軍F/A-18C/D制動子系統(tǒng)早期故障檢測、美國空軍飛機數(shù)據(jù)總線預(yù)計解決方案等在內(nèi)的多個診斷系統(tǒng)或項目中。[3]

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國的測試性設(shè)計技術(shù)研究起步較晚，并且工作重點集中在對國外相關(guān)標準的本地化以及相關(guān)工具的國產(chǎn)化方面。主要的軟件平臺包括：航空301所的TesTLab、北航的TMAS、國防科大的TADES、電子科大的TDA等。這些軟件工具功能與TEMAS相近，同時也根據(jù)國內(nèi)的現(xiàn)狀做了一些完善。

部分單位在利用測試性設(shè)計與分析的結(jié)果開展故障診斷技術(shù)研究方面也開展了相應(yīng)的工作，重點是針對飛機的分系統(tǒng)進行建模與分析，并提出測試性設(shè)計的改進建議。由于裝備建模的復(fù)雜性，現(xiàn)在裝備的測試性設(shè)計依然停留在基于經(jīng)驗的階段。

3 測試性設(shè)計分析一般流程

一般的，測試性設(shè)計分析流程應(yīng)從產(chǎn)品的需求分析出發(fā)，經(jīng)過診斷方案的確定、ATE的選擇、故障模式及影響分析、測試性指標的分配，最終進行測試性建模與驗證，從而確認測試性設(shè)計工作的正確性。若確認正確則設(shè)計完畢，若發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計需求，則需要返回診斷方案重新設(shè)計，如圖1所示。

4 基于模型的測試性設(shè)計分析流程

測試性模型是在系統(tǒng)內(nèi)單元故障、故障傳遞關(guān)系以及測試分析基礎(chǔ)上，建立的故障與測試相關(guān)性圖形模型，根據(jù)該模型可以得到相關(guān)性矩陣(D矩陣)和優(yōu)化診斷樹，并能初步預(yù)計故障檢測率、故障隔離率等測試性參數(shù)。測試性模型能夠反映建模對象的組成結(jié)構(gòu)，功能原理、各組成單元包括的輸入輸出，各組成單元之間的交聯(lián)關(guān)系，故障信息，測試信息以及故障與測試之間的依存關(guān)系等。在武器裝備的研制過程中建立測試性模型，并隨裝備的研制進程對模型進行修正與完善，通過模型對產(chǎn)品測試性設(shè)計的分析和評估，有利于在裝備研制早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，便于系統(tǒng)研制過程中對測試性設(shè)計的掌控，以提高系統(tǒng)的測試性水平。

圖1 測試性設(shè)計分析一般流程

現(xiàn)代裝備的功能越來越先進，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)也越來越復(fù)雜。通過裝備測試性建模與分析的方法來改善測試性設(shè)計，已經(jīng)成為提高裝備測試能力和測試總體優(yōu)化的有效手段。測試性模型的建模流程包括：根據(jù)收集的信息逐級分解構(gòu)建產(chǎn)品的層次化模型，通過分析層次化模型中的系統(tǒng)級功能，并關(guān)聯(lián)到多信號模型中的最底層模塊，建立完整的信號走向圖，確定各模塊間的依賴關(guān)系及故障傳遞關(guān)系，根據(jù)實際情況設(shè)置測試點，如圖2所示。

圖2 測試性建模流程

在FMECA 數(shù)據(jù)、電氣接線原理圖、技術(shù)說明書、測試性設(shè)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析分系統(tǒng)間(Subsystem)、分系統(tǒng)內(nèi)各模塊(LRU)間的信息流向，故障模式、故障傳遞關(guān)系以及測試方法，建立故障與測試的相關(guān)性圖形模型，可對某型武器系統(tǒng)的測試性水平進行預(yù)計、評估，以改進測試性設(shè)計。

根據(jù)某型武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)準備報告，利用建模工具軟件TesTLab-Designer建立圖形化模型。以圖形化的方式描述通用處理單元各層級(LRU、SRU、功能模塊)的信號流、故障模式、BIT 、ATE等信息。

正式建模之前需要完成如下的仿真數(shù)據(jù)準備工作：

4.1 測試性建模數(shù)據(jù)準備

梳理系統(tǒng)級(System)、各分系統(tǒng)級(Subsystem)之間及與系統(tǒng)級之間、各模塊(LRU)之間及與分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級的對外接口關(guān)系，并分別填寫表1，形成系統(tǒng)級對外接口關(guān)系表、各分系統(tǒng)級對外接口關(guān)系表和各模塊對外接口關(guān)系表。針對各個模塊(LRU)開展故障模式及相應(yīng)測試信息的分析和梳理，填寫表2、表3。

表1 外接口關(guān)系表

注：←表示連接單元向本單元的端口輸入，→表示連接單元向本單元的端口輸出

4.2 建立測試性模型

1)搭建武器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

按照《XX武器系統(tǒng)的技術(shù)說明書》和《XX武器系統(tǒng)FMEA報告》將XX武器系統(tǒng)劃分為各個子系統(tǒng)、LRU、SRU以及模塊。

表2 故障模式信息表

表3 測試信息表

2)FMECA表導(dǎo)入。

從《XX武器系統(tǒng)FMEA報告》中篩選出發(fā)生頻率較高、故障嚴酷度等級較高的故障模式，并按照如下表格的規(guī)范格式，在EXCEL中分別建立系統(tǒng)的故障模式表：

表4 FMECA導(dǎo)入表(測試性建模用)

通過TesLab-Designer軟件將.xlsx格式的FMECA導(dǎo)入表(見附件)導(dǎo)入至當(dāng)前模型中，實現(xiàn)模型中故障模式因素的注入。

3)建立單元模塊間的聯(lián)系。

建立頂層模塊包含的功能單元模塊之間的連接關(guān)系：

a)建立內(nèi)部單元模塊與上一層模塊之間的連接；

b)建立同層次單元模塊與單元模塊之間的連接；

c)建立單元模塊和與門，開關(guān)模塊之間的連接關(guān)系。

4)建立底層故障與LRU端口的聯(lián)系

在結(jié)構(gòu)模型圖的最底層，根據(jù)故障模式信息表(表2)，進行故障模式模型圖的建模，具體步驟為：

a)根據(jù)故障模式的“局部影響”關(guān)系，建立故障模式與端口的連接；

b)根據(jù)故障模式的“局部影響”關(guān)系，建立同一模塊故障模式之間的連接；

c)在需要時，根據(jù)故障模式所處的不同工作模式，在故障模式之間設(shè)置開關(guān)。

d)分析是否多個故障模式發(fā)生才會影響某功能失效，在故障模式之間設(shè)置與門。

5)信號庫的建立與關(guān)聯(lián)。

a)添加項目信號庫。

參考模型中的故障模式和功能端口，將模型相關(guān)的所有信號名稱依次添加到項目信號庫中。信號庫中信號的總數(shù)量不小于模型中所有故障模式的總數(shù)量。

b)將故障模式與信號關(guān)聯(lián)。

分配信號是表示該故障模式發(fā)生時會導(dǎo)致產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，或會導(dǎo)致可察覺的信號參數(shù)變化的情況。根據(jù)這一定義，將故障模式與其相應(yīng)分配信號，即將“故障現(xiàn)象”或“參數(shù)變化情況”進行關(guān)聯(lián)。

c)測試點、測試的建立以及與信號的關(guān)聯(lián)。

在模型圖的各層，建立測試和測試點。具體步驟為：

i)建立測試點。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)準備章節(jié)中的測試信息表，新建測試點，并根據(jù)測試位置建立測試點與各單元模塊或故障模式的連接(通過模型中的連接線實現(xiàn))。

ii)建立測試。

在測試點中添加測試項目，并根據(jù)測試信息表所填信息，為該測試項目設(shè)置測試方法、測試級別、測試成本和時間等信息。

iii)設(shè)置測試所關(guān)聯(lián)信號。

根據(jù)測試信息表中信息，分配該測試可以測到的功能信號(如果不分配信號，則按照模型圖的可達性決定該測試可以測到的故障模式)。

至此，XX武器系統(tǒng)測試性模型已基本建立完成

4.3 測試性分析

測試性分析報告中可分為定量分析和定性分析兩部分工作內(nèi)容。定量分析是根據(jù)測試性設(shè)計資料，通過工程分析和計算來估計測試性和診斷參數(shù)可能達到的量值，并與規(guī)定的指標要求進行比較的過程。定量分析的主要目的是通過估計測試性指標是否滿足規(guī)定要求，以評價和確認已進行的測試性設(shè)計工作，找出不足，改進設(shè)計。定性分析是根據(jù)測試性設(shè)計資料，通過分析設(shè)計中的故障覆蓋情況，指導(dǎo)改進測試性設(shè)計的方法和設(shè)計權(quán)衡。

針對測試性模型進行測試性分析，可以得到D-矩陣、模糊組動態(tài)分析結(jié)果、故障診斷樹、故障檢測率和故障隔離率等分析結(jié)果。

5 故障隔離和診斷模式

通過對目前測試性建模工具的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，主要包括以下4種故障隔離和診斷實施方式：

a)基于D矩陣的故障診斷模式；

b)基于先驗知識的故障診斷模式；

c)基于故障樹的故障診斷模式；

d)基于數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷模式。

根據(jù)不同型號飛航裝備的歷史數(shù)據(jù)特點，通過策略中心可選擇不同的故障診斷實施方式，最終給出診斷結(jié)果，從而快速定位和隔離故障。[4-6]

圖3 故障診斷實施方法

基于D矩陣的故障診斷模式是最常見的故障診斷和隔離方法。D-矩陣將測試與故障之間的依賴關(guān)系用矩陣的方式進行表示，已在許多測試性分析工具中得到了成功應(yīng)用。D-矩陣模式的工作原理是通過應(yīng)用測試設(shè)備獲取各個測試監(jiān)測點代表各模擬量指標的數(shù)字量序列(如01010001……)，通過工具軟件或人工進行有效的分析、識別、解讀后，將其劃分為可對應(yīng)各個物理量的數(shù)字量，經(jīng)過離散歸一化手段調(diào)整后與D-矩陣的各列進行比對，從而確定裝備是否故障。如圖4所示。

圖4 D-矩陣模式故障診斷

6 結(jié)論

本文通過對一般測試性設(shè)計分析流程的深入研究，從工程實用的角度提出了適用與飛航裝備的測試性設(shè)計與分析的方法，最后就基于D矩陣的故障診斷模式進行了分析研究，對后續(xù)飛航武器裝備型號中的測試性設(shè)計分析及故障診斷工作具有重要意義。

[1] 田 仲,石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2003.

[2] 田 仲.測試性與診斷的設(shè)計內(nèi)容和基本理念[A].中國航空學(xué)會可靠性工程專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會[C].2006.

[3] 秦文娟,王 魁.基于TEAMS軟件的空空導(dǎo)彈測試性建模方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2011,(10)：44-46.

[4] 李東兵,馬 艷,潘鴻飛.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈綜合故障診斷技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2011(6)：44-46.

[5] 姜會霞,孟 晨,楊鎖昌.基于模糊故障樹和故障字典的導(dǎo)彈綜合診斷方法[J].儀表技術(shù),2010(6)：4-6.

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Research on Cruise Weapon System’s Testability Design and Analysis and Fault Diagnosis Engineering Application

Sun Ping, Wei Qingxin, Wang Kunming

(Beijing Electro-mechanical Engineering Institute, Beijing 100074, China)

It is important of researching on cruise weapon system’s testability design and analysis and fault diagnosis to improve the testability level, increase the combat readiness, wartime utilization, and continuous fighting capacity. This paper starts analyzing from development of testability at home and abroad, and researches deeply a general testability design and analysis process, proposes a method which is suitable for cruise weapon system’s testability design and analysis in engineering practical aspect through researching deeply on general testability design and analysis flow, including discussing the tools and the process of building testability model, combining with the type and the content of prepared data for building testability model, analyzing the procedure of building testability model and analyzing method based testability model. Finally this paper researches fault diagnosis mode based on D matrix. Hence, this paper is very important effect on cruise weapon system’s testability design and analysis and fault diagnosis in the future.

cruise weapon system; testability; fault diagnosis

2016-09-24；

2016-11-11。

孫 萍(1987-)，女，陜西銅川人，工程師，主要從事裝備綜合保障技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0011-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.004

TP3

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