龔秀軍，魏 巍，魏曙光，紀(jì)伯公

(1.駐559廠軍事代表室，無(wú)錫214035;2.裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

滅火系統(tǒng)是裝甲車輛防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其可靠性和完好性是車輛安全使用的重要保證.由于集成電路和新型電力電子器件的應(yīng)用，數(shù)控自動(dòng)滅火裝置的故障檢測(cè)與診斷出現(xiàn)很多新的困難，傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)和手段凸顯檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)或無(wú)法診斷等問(wèn)題.

機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT，Built In Test)是提高系統(tǒng)可靠性并減少維護(hù)費(fèi)用的一種新型在線故障診斷技術(shù)，它通過(guò)附加在系統(tǒng)內(nèi)的軟、硬件測(cè)試單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電路及關(guān)鍵硬件單元的故障自診斷[1].完善的BIT設(shè)計(jì)能迅速有效地檢測(cè)、定位和隔離系統(tǒng)故障，對(duì)提升系統(tǒng)的綜合化水平，提高維修和保養(yǎng)效率具有重要意義[2].

在裝甲車輛綜合電子系統(tǒng)體系下[3]，針對(duì)某特定數(shù)字控制系統(tǒng)，其BIT設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

本文將針對(duì)數(shù)字滅火控制系統(tǒng)，開展BIT優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究，主要研究?jī)?nèi)容涵蓋圖1中的步驟1和步驟2.

圖1 基于BIT的數(shù)字控制系統(tǒng)的BIT設(shè)計(jì)流程

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分及典型故障模式統(tǒng)計(jì)

數(shù)字滅火控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，其硬件體系結(jié)構(gòu)原理如圖2所示.

該系統(tǒng)包括DSP最小硬件系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、信號(hào)處理、功率驅(qū)動(dòng)、CAN總線通信以及BIT電

圖2 數(shù)字滅火控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

路等硬件單元.此外，火焰?zhèn)鞲衅?、?bào)警喇叭和進(jìn)排氣風(fēng)扇等檢測(cè)和執(zhí)行部件也通常被納入滅火系統(tǒng).

歸納日常統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，某型數(shù)字滅火控制系統(tǒng)常見典型故障模式如表1所示.

表1 數(shù)字滅火控制系統(tǒng)典型故障模式表

2 BIT優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題描述

設(shè)系統(tǒng)的典型故障模式集為F，

式中:N為系統(tǒng)典型故障模式的個(gè)數(shù).針對(duì)任一典型故障模式fi，可采用ni種BIT設(shè)計(jì)方法.設(shè)故障模式fi對(duì)應(yīng)的測(cè)試集為Tfi，Tfi定義為ni種BIT設(shè)計(jì)方法的集合，表示為

式中:tfi，j表示針對(duì)故障模式fi的第j種測(cè)試方法.F中所有故障模式所對(duì)應(yīng)測(cè)試集的并集構(gòu)成F的備用測(cè)試集T，

根據(jù)式(2)和式(3)，T是F的一個(gè)冗余完備測(cè)試集[4].已知T和F，系統(tǒng)BIT優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可描述為如下最優(yōu)化問(wèn)題:基于相關(guān)性矩陣FT[5]，在完備測(cè)試集T中尋求測(cè)試子集Ts，滿足如下條件:

式中:TFDR表示故障檢測(cè)率，S為具體指標(biāo);f(∑Cpi，∑Csi)為費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)，Cpi和Csi分別表示Ts中第i個(gè)測(cè)試方法的測(cè)試成本和測(cè)試資源開支.

3 最優(yōu)測(cè)試集提取方法研究

根據(jù)第2章分析，系統(tǒng)BIT優(yōu)化設(shè)計(jì)可等效為基于式(4)的最優(yōu)測(cè)試集求解問(wèn)題.為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，并提高最優(yōu)測(cè)試集的實(shí)用性，提出一種基于分步優(yōu)選的最優(yōu)測(cè)試集求解方法，其基本思路如下:第一步，已知故障模式集F和測(cè)試集T，在滿足故障檢測(cè)率指標(biāo)S條件下，確定最小測(cè)試集的集合A(Tm)[5];第二步，引入費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)f(∑Cpi，∑Csi)，在A(Tm)中選取最優(yōu)測(cè)試集Ts.

(1)最小測(cè)試集求解計(jì)算.

故障模式集F與備選測(cè)試集T之間相關(guān)性矩陣F-T表示為

F-T為布爾矩陣，其中行向量 di=(di，1，di，2，…，di，n)中各元素表示T中第i個(gè)測(cè)試ti對(duì)F中各故障模式的可檢測(cè)狀態(tài).測(cè)試集優(yōu)選中，每個(gè)行向量di對(duì)應(yīng)一布爾參數(shù)ai，ai=1表示di所對(duì)應(yīng)測(cè)試ti包含在優(yōu)選測(cè)試集中.F-T矩陣所有行向量對(duì)應(yīng)布爾參數(shù)構(gòu)成向量 A=(a1，a2，…，am).

實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最終選擇測(cè)試集Tm的TFDR指標(biāo)通常要求為1.此時(shí)，Tm對(duì)應(yīng)布爾向量A滿足

根據(jù)最小測(cè)試集定義，如Tm對(duì)應(yīng)布爾向量A中非零元素個(gè)數(shù)最少，則Tm為最小測(cè)試集.基于布爾代數(shù)方法，最小測(cè)試集的約束表達(dá)式為

式中:f中相累加乘積項(xiàng)fk(a1，a2，…，am)的個(gè)數(shù)Nm為備選測(cè)試集T包含最小測(cè)試集合Tm的個(gè)數(shù);乘積函數(shù)fk(a1，a2，…，am)中各乘積項(xiàng)參數(shù)akl對(duì)應(yīng)測(cè)試tkl構(gòu)成最小測(cè)試集Tm.

(2)最優(yōu)測(cè)試集選取.

由式(8)得到由Nm個(gè)最小測(cè)試集構(gòu)成的測(cè)試集組合A(Tm)，為從中提取最優(yōu)測(cè)試集Ts，提出加權(quán)費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)

與文獻(xiàn)中通常采用的直接累加費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)相比[6]，式(9)中引入權(quán)值參數(shù)ξ，用于體現(xiàn)不同系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)中對(duì)測(cè)試成本和測(cè)試資源開支關(guān)注程度的不同.

結(jié)合式(9)，計(jì)算A(Tm)中各最小測(cè)試集的費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)f(Tm).費(fèi)用指標(biāo)最小值min[f(Tm)]所對(duì)應(yīng)的最小測(cè)試集即是系統(tǒng)故障模式集F的最優(yōu)測(cè)試集.

4 數(shù)字滅火控制系統(tǒng)最優(yōu)測(cè)試集計(jì)算

針對(duì)表1中數(shù)字滅火控制系統(tǒng)典型故障模式，設(shè)計(jì)了表2所示故障備選測(cè)試集，并給出了測(cè)試集中各故障檢測(cè)方法的歸一化測(cè)試成本和測(cè)試資源費(fèi)用.

表2 數(shù)字滅火控制系統(tǒng)典型故障模式備選測(cè)試集信息表

續(xù)表2

故障模式集F(見表1)與備選測(cè)試集T(見表2)之間的相關(guān)性矩陣F-T為

初始化數(shù)字滅火控制系統(tǒng)測(cè)試集優(yōu)選指標(biāo)S=100%;加權(quán)費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)權(quán)值ξ=0.2.根據(jù)最小測(cè)試集計(jì)算方法，求解得到

式(11)表明，A(Tm)中最小測(cè)試集數(shù)Nm=8.引入加權(quán)指標(biāo)函數(shù)，得到各最小測(cè)試集的費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)值如表3所示.

對(duì)比表3，得數(shù)字滅火控制系統(tǒng)典型故障模式集F的最優(yōu)測(cè)試集Ts，

結(jié)合數(shù)字滅火控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，對(duì)Ts中的8種測(cè)試方法進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，測(cè)試集Ts能有效實(shí)現(xiàn)表1所示故障的有效診斷，且具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和費(fèi)用開支小等優(yōu)點(diǎn).

表3 最小測(cè)試集加權(quán)費(fèi)用指標(biāo)函數(shù)計(jì)算表

5 結(jié)論

BIT作為一種新型在線故障診斷技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于高可靠性需求的數(shù)控電子裝置.本文針對(duì)裝甲車輛數(shù)控電子系統(tǒng)，開展了BIT優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出一種基于分步優(yōu)選的最優(yōu)測(cè)試集求解方案，并將該方案應(yīng)用于數(shù)字滅火控制系統(tǒng)BIT設(shè)計(jì)中.應(yīng)用結(jié)果表明，論文研究方法能有效指導(dǎo)系統(tǒng)的故障自診斷設(shè)計(jì)，具有很好的實(shí)用性和可推廣性.

[1]Ron Drees，Neal Young.Role of BIT in Support System Maintenance and Availability[J].IEEE Aerospace and Eletronic Systems Magazine，2004，19(8):3-7.

[2]朱萬(wàn)年，周 童.F-22航空電子系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].航空電子技術(shù)，1999，(3):35-43.

[3]宋小慶，李匡成，張?jiān)ツ?軍用車輛綜合電子系統(tǒng)[M].裝甲兵工程學(xué)院，2006.

[4]楊士元.數(shù)字系統(tǒng)的故障診斷與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2000.

[5]康 波.混沌控制與混沌優(yōu)化及其在組合電路測(cè)試生成中的應(yīng)用研究[D].中國(guó)科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.

[6]王 棟.電子系統(tǒng)測(cè)試性分析與設(shè)計(jì)方法研究[D].裝甲兵工程學(xué)院博士學(xué)位論文，2009.