謝永成，李光升，魏 寧，李 剛

（陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系，北京 100072）

測試點的選取是基于BIT技術(shù)的測試方法研究中的重要內(nèi)容，也是實現(xiàn)故障檢測與隔離的基礎(chǔ)。測試點的選取直接影響到BIT的故障檢測與隔離性能，進(jìn)而決定了被測對象的測試效果。選擇測試點的基本原則是保證該組測試點能夠提升系統(tǒng)的故障檢測率、隔離率等指標(biāo)，但也需要考慮到測試點的測試難易度、測試費用、可靠性等因素進(jìn)行綜合評判。與數(shù)字電路相比，由于模擬電路故障模式多、存在容差問題等，直接進(jìn)行BIT設(shè)計較為困難，其常見的測試點優(yōu)選方法，比如故障字典法、靈敏度矩陣分析法、智能尋優(yōu)算法等都有各自的局限性，因此，提出了一種基于相關(guān)性原理的測試點選取方法，進(jìn)一步探索調(diào)壓器電路節(jié)點的優(yōu)選問題[1]。

1 調(diào)壓器電路仿真

調(diào)壓器是電源系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定輸出電壓的關(guān)鍵部件，其工作環(huán)境復(fù)雜，故障情況多樣，硬件結(jié)構(gòu)緊湊，直接對其進(jìn)行故障注入實驗成本高、周期長。為了提高效率，減少外界干擾，本文首先采用Psim（Power Simulation）軟件構(gòu)建調(diào)壓器電路的仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真研究，得到各種故障情況及其對應(yīng)的故障數(shù)據(jù)，為下一步設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。在Psim軟件中建立的調(diào)壓器電路仿真模型見圖1.

在各電路節(jié)點設(shè)置電壓探針，在電路仿真時記錄其數(shù)據(jù)變化，仿真結(jié)束以文本格式輸出，提供給下一步的Matlab計算調(diào)用。

圖1 調(diào)壓器電路仿真模型

2 調(diào)壓器電路節(jié)點相關(guān)性計算

2.1 相關(guān)性分析方法

相關(guān)性分析是數(shù)理統(tǒng)計的一種分析方法，用于研究兩組變量之間的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此表現(xiàn)出不同變量間存在的內(nèi)在聯(lián)系。本文使用相關(guān)性分析方法，目的是通過對電路節(jié)點故障數(shù)據(jù)分析計算，將其轉(zhuǎn)化為線性組合之間的關(guān)系分析，從而達(dá)到測試點優(yōu)選的效果[2]。

相關(guān)性分析計算方法如下：令X1，X2為服從一定分布的變量，從該總體中抽取樣本容量為n的樣本，則可計算出該組樣本的協(xié)方差為：

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣即為原始樣本數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣，計算出相關(guān)矩陣后，就可以得到兩組變量間的相關(guān)系數(shù)。

2.2 基于測試點相關(guān)性模型的調(diào)壓器節(jié)點優(yōu)選方法

以電壓調(diào)節(jié)板電路為例，對該電路上的節(jié)點進(jìn)行標(biāo)注，如圖2所示，選擇調(diào)壓電路板故障模式如表1所示。

圖2 仿真電路節(jié)點標(biāo)注

表1 仿真故障模式

利用Psim電路仿真進(jìn)行故障注入，將50次故障仿真的結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)性理論進(jìn)行各節(jié)點間相關(guān)性系數(shù)的計算，相關(guān)系數(shù)越大，說明這兩個節(jié)點存在的線性關(guān)系越明顯。當(dāng)節(jié)點作為測試點時，效果越相似，可以將其劃分為同一組。節(jié)點間相關(guān)性計算結(jié)果如表2所示，將其中相關(guān)系數(shù)大于0.5的2個點視為存在明顯線性相關(guān)關(guān)系，則分組情況為節(jié)點T3、T4、T7為一組，T2、T6為一組，T1、T5為一組。獲得存在線性關(guān)系的分組后，通過各點故障類間距，在各自分組中獲得測試效果最優(yōu)秀的節(jié)點。

表2 節(jié)點間相關(guān)性計算結(jié)果

故障類間距的計算方式如下：

第i個測試點第j類故障N個樣本的平均值為：

第i個測試點M個故障類的類間距離平均值為：

根據(jù)以上計算初步優(yōu)選出調(diào)壓器測試點T1、T3、T6.

3 調(diào)壓器電路測試點優(yōu)選與評估

3.1 建立多信號流圖模型

多信號流圖模型的特點是，以多層次的有向圖表示系統(tǒng)中故障源、信號流與故障模式之間的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)其關(guān)聯(lián)性表示被測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、故障與測試之間的相關(guān)性。本文選擇多信號流圖進(jìn)一步驗證和優(yōu)選測試點，在TEAMS軟件平臺中建立多信號流圖模型，深入分析測試點的優(yōu)化選擇，建立診斷策略，然后評估得到響應(yīng)模型的故障檢測率、故障隔離率、模糊組等測試性信息，以此制訂合理的測試性設(shè)計方案[3-5]。電源系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)劃分如圖3所示。

多信號流圖模型要素包含功能模塊集M、信號屬性集S、故障模式集F、測試點集TP和測試集T。以某型電源系統(tǒng)調(diào)壓器為例，得到其各要素集如下。

功能模塊集M：{M1：發(fā)電機(jī)；M2：蓄電池；M3：調(diào)壓器}。

信號屬性集S：{s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8，s9}，其中，s1為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；s2為發(fā)電機(jī)輸出電壓；s3為發(fā)電機(jī)輸出電流；s4為蓄電池端電壓；s5為蓄電池充電電流；s6為調(diào)壓器輸出激磁電壓；s7，s8，s9為調(diào)壓器內(nèi)部測試節(jié)點電壓。

故障模式集F：{f1（F）|s2，f1（F）|s3，f3（F）|s6，f3（F）|s7，f3（F）|s8，f3（F）|s9，f1（G），f2（G），f3（G）}，其中，fi（F）為第i個單元發(fā)生功能性故障；fi（G）為第i個單元發(fā)生一般性故障；fi（F）|sj為第i個模塊出現(xiàn)功能性故障，且關(guān)聯(lián)的失效信號為sj。

測試點集TP：{TP1：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)軸；TP2：發(fā)電機(jī)電壓輸出端；TP3：蓄電池接線柱；TP4：調(diào)壓器激磁線圈；TP5：調(diào)壓器內(nèi)部節(jié)點}。

測試集T：{T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8，T9}，其中，T1為TP1處測信號s1；T2為TP2處測信號s2；T3為TP2處測信號s3；T4為TP3處測信號s4；T5為TP4處測信號s5；T6為TP5處測信號s6；T7～T9為TP5處測信號s7，s8，s9.

圖3 電源系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)劃分

圖4 電源系統(tǒng)多信號流圖模型局部圖

基于上述多信號流圖模型的各要素集合，在TEAMS軟件中建立電源系統(tǒng)多信號流圖模型，具體步驟是：①添加模塊。添加模塊是對建模對象進(jìn)行層次劃分，在確定各個模塊的層次屬性的基礎(chǔ)上進(jìn)行，電源系統(tǒng)層層次劃分如圖3所示。根據(jù)層次劃分，在TEAMS軟件內(nèi)添加各模塊，并依據(jù)各要素間的關(guān)系和信號傳遞方向?qū)⑵溥B接，如圖4所示。由于電源系統(tǒng)模型在TEAMS中建立后是一多層次的模型，這里僅放上局部模型示例。系統(tǒng)模型中的方塊代表組成單元，也是故障源，輸出箭頭代表與組成單元相關(guān)的獨立信號集合與其傳播方向，圓圈代表設(shè)置的測試點。在添加完模塊和響應(yīng)層次屬性后，需要在模塊上添加功能，包括輸入輸出端口和傳遞方向等。②添加測試。添加測試包括測試點集TP和測試集T，在TEAMS軟件中，每個測試都屬于某一個測試點，同一個測試點可以進(jìn)行多種測試，每個測試都可以設(shè)置具體的測試條件、成本。本文以隔離所需測試次數(shù)代表測試成本，以此進(jìn)行測試性分析和評估。

3.2 測試點優(yōu)選與評估原理

在進(jìn)行測試性優(yōu)選和評估前，需要對測試點的評估準(zhǔn)則進(jìn)行分析。測試性評估，是指通過模型或圖解的方法來評估對象的測試難易程度和充分程度。本文選用的TEAMS軟件使用的是基于模型的評估方法，其本質(zhì)是基于相關(guān)性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的測試性評估[6]。

在多信號流圖模型中，測試的集合為Tj，故障集合為Fi，則據(jù)此得到的相關(guān)性矩陣如表3所示。

表3 相關(guān)性矩陣

在表3中，ftij＝0，1，表示測試與故障之間的相關(guān)關(guān)系；ftij＝1，則表示測試Ti能夠測試出故障Fj，反之則不然。

可用測試的集合FSi表示可測故障集Fi的故障特征，即為：

不可測故障即任意測試序列都不能檢測出的故障，其故障特征是空集，記為：

模糊組，是指具有相同故障特征，在測試中無法分清故障真實部位的一組故障模式。故障能隔離的條件是故障特征不同，即：

反之，故障不能隔離的條件是故障特征相同，即：

測試的故障檢測能力可以用可測故障模式集合表示，即：

如果2個測試的測試特征相同，則2個測試互為冗余關(guān)系，即：

基于相關(guān)性矩陣的故障檢測率公式為：

式（10）中：?FSk≠?為任意可檢測的故障模式；F為故障模式庫；

可隔離到小于等于L個單元的故障隔離率為：

式（11）中：LF為可隔離到≤L個單元的故障模式集合。

3.3 基于TEAMS軟件的測試點優(yōu)選與評估

在TEAMS軟件中，根據(jù)所建模型得到相關(guān)性矩陣，再由以上測試性評估公式得到未測試故障、冗余測試、模糊組、故障檢測率、故障隔離率等測試性參數(shù)。圖5、圖6分別是TEAMS軟件對于測試性改進(jìn)前的系統(tǒng)模型和測試性改進(jìn)后的系統(tǒng)模型進(jìn)行測試性指標(biāo)仿真所得到放入測試性指標(biāo)評估結(jié)果。

圖5 改進(jìn)前測試性評估結(jié)果

圖6 改進(jìn)后測試性評估結(jié)果

分析評估結(jié)果可知，在改進(jìn)測試性設(shè)計前，電源系統(tǒng)可能產(chǎn)生的22種故障模式的平均隔離長度為7.45，其中，有36%的故障不能在9個元器件的范圍內(nèi)隔離，能隔離到4個元器件范圍內(nèi)的故障模式占比為41%.而在進(jìn)行測試性改進(jìn)后，不能在9個元器件的范圍內(nèi)進(jìn)行隔離的故障占比為5%，可以隔離到4個元器件以內(nèi)的故障模式為73%，故障的平均隔離長度減小3.2.在劃分系統(tǒng)層次時，調(diào)壓器電路中各功能模塊包含4個以上元器件，可以認(rèn)為，改進(jìn)后的系統(tǒng)測試性有了較好地提升，符合電源系統(tǒng)的測試需求。

進(jìn)行測試性改進(jìn)后，電源系統(tǒng)的測試性成本也有所減小。改進(jìn)前有39%的故障需要進(jìn)行9次以上的測試，5次以下測試即可定位的故障占比為44%，而改進(jìn)后的系統(tǒng)這兩數(shù)據(jù)分別為13%和65%.這意味著，測試成本顯著降低，能夠更快地定位和排查故障。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于電路節(jié)點相關(guān)性的模擬電路測試點優(yōu)選方法，并對某型電源系統(tǒng)調(diào)壓器電路進(jìn)行了測試點的優(yōu)選和評估。在電路仿真軟件Psim中建立調(diào)壓器電路仿真模型，通過不同故障對應(yīng)的各節(jié)點響應(yīng)值計算出節(jié)點間的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此對調(diào)壓器電路節(jié)點進(jìn)行相關(guān)性分組。計算每組節(jié)點的故障類間距，篩選出能較好地反應(yīng)不同故障模式的節(jié)點。建立了電源系統(tǒng)多信號流圖模型，并利用TEAMS軟件對測試點進(jìn)行優(yōu)化評估。結(jié)果表明，這種方法能夠很好地克服電源系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非線性強帶來的設(shè)計困難，系統(tǒng)各項測試性指標(biāo)均得到改善，能夠據(jù)此進(jìn)行具體的基于BIT的測試方案設(shè)計。