孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

飛航裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)分析及故障診斷實(shí)施策略工程應(yīng)用研究

孫 萍,魏清新,王坤明

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

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

飛航裝備;測(cè)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(yán)峻的考驗(yàn)。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(lái)，以空軍為首的各軍兵種，正在大力開(kāi)展簡(jiǎn)化保障內(nèi)容的相關(guān)工作。

科學(xué)合理的測(cè)試性設(shè)計(jì)能夠通過(guò)增加產(chǎn)品測(cè)試及生產(chǎn)檢驗(yàn)等過(guò)程中的保障手段以便對(duì)裝備系統(tǒng)內(nèi)部的故障進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、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(shí)利用率，同時(shí)降低維修人力和其它資源的要求，達(dá)到精簡(jiǎn)保障內(nèi)容的最終目的。[1]

然而，測(cè)試性設(shè)計(jì)因其起步較晚，仍然與可靠性、維修性、保障等其他設(shè)計(jì)脫節(jié)，目前飛航裝備的測(cè)試性嚴(yán)重制約裝備維修性、保障性的工作進(jìn)展，存在裝備測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)試內(nèi)容和項(xiàng)目是否滿足故障覆蓋的要求沒(méi)有準(zhǔn)確的定義、故障定位時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備的維修復(fù)雜難以掌握、對(duì)武器的操作人員提出了較高要求等等問(wèn)題，制約了裝備的快速反應(yīng)能力與戰(zhàn)時(shí)生存能力，嚴(yán)重影響飛航裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

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

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

因此開(kāi)展飛航裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)分析及故障診斷實(shí)施策略工程應(yīng)用研究，具有重要的實(shí)際意義。

1 測(cè)試性和故障診斷簡(jiǎn)述

測(cè)試性是指“產(chǎn)品能及時(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”。

故障診斷是通過(guò)分析和綜合全部有關(guān)的診斷要素，使系統(tǒng)診斷能力達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)和管理過(guò)程。其目標(biāo)是以最少的費(fèi)用、最有效地檢測(cè)、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(cè)試性的設(shè)計(jì)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(cè)測(cè)試性設(shè)計(jì)好壞的重要因素。測(cè)試性與故障診斷密切相關(guān)，二者相互促進(jìn)，相輔相成。于此同時(shí)，良好的測(cè)試性的設(shè)計(jì)，可以提供準(zhǔn)確的性能監(jiān)控、故障檢測(cè)和隔離能力，大大減少故障檢測(cè)和隔離時(shí)間，從而縮短維修時(shí)間，降低對(duì)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(fèi)用。

因此，測(cè)試性設(shè)計(jì)已成為系統(tǒng)和設(shè)備研制過(guò)程中的重要工作之一，為確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性是否有利于測(cè)試和診斷，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡早地進(jìn)行測(cè)試性分析與評(píng)價(jià)，以便及時(shí)評(píng)價(jià)和確認(rèn)已進(jìn)行的測(cè)試性設(shè)計(jì)工作，找出不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)。[2]

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)外以美國(guó)測(cè)試性技術(shù)發(fā)展最具有代表性。自“測(cè)試性”術(shù)語(yǔ)提出至今，測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)和基于模型的設(shè)計(jì)3個(gè)階段?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)是目前測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)的主流和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

在美國(guó)軍方和NASA的資助下，QSI公司相繼開(kāi)展了針對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)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(hào)流圖模型(MSFG)的建模思想，利用該模型理論開(kāi)發(fā)了一套提供測(cè)試性仿真商業(yè)化軟件—TEAMS。該軟件通過(guò)建立產(chǎn)品的測(cè)試性模型，生成診斷策略樹(shù)及故障字典，預(yù)計(jì)產(chǎn)品的故障檢測(cè)和隔離能力，同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的不可檢測(cè)故障、模糊組等薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施，已經(jīng)應(yīng)用到包括美國(guó)海/空軍F/A-18C/D制動(dòng)子系統(tǒng)早期故障檢測(cè)、美國(guó)空軍飛機(jī)數(shù)據(jù)總線預(yù)計(jì)解決方案等在內(nèi)的多個(gè)診斷系統(tǒng)或項(xiàng)目中。[3]

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)研究起步較晚，并且工作重點(diǎn)集中在對(duì)國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的本地化以及相關(guān)工具的國(guó)產(chǎn)化方面。主要的軟件平臺(tái)包括：航空301所的TesTLab、北航的TMAS、國(guó)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(shí)也根據(jù)國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀做了一些完善。

部分單位在利用測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析的結(jié)果開(kāi)展故障診斷技術(shù)研究方面也開(kāi)展了相應(yīng)的工作，重點(diǎn)是針對(duì)飛機(jī)的分系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析，并提出測(cè)試性設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議。由于裝備建模的復(fù)雜性，現(xiàn)在裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)依然停留在基于經(jīng)驗(yàn)的階段。

3 測(cè)試性設(shè)計(jì)分析一般流程

一般的，測(cè)試性設(shè)計(jì)分析流程應(yīng)從產(chǎn)品的需求分析出發(fā)，經(jīng)過(guò)診斷方案的確定、ATE的選擇、故障模式及影響分析、測(cè)試性指標(biāo)的分配，最終進(jìn)行測(cè)試性建模與驗(yàn)證，從而確認(rèn)測(cè)試性設(shè)計(jì)工作的正確性。若確認(rèn)正確則設(shè)計(jì)完畢，若發(fā)現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)需求，則需要返回診斷方案重新設(shè)計(jì)，如圖1所示。

4 基于模型的測(cè)試性設(shè)計(jì)分析流程

測(cè)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(cè)試分析基礎(chǔ)上，建立的故障與測(cè)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(shù)，并能初步預(yù)計(jì)故障檢測(cè)率、故障隔離率等測(cè)試性參數(shù)。測(cè)試性模型能夠反映建模對(duì)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(cè)試信息以及故障與測(cè)試之間的依存關(guān)系等。在武器裝備的研制過(guò)程中建立測(cè)試性模型，并隨裝備的研制進(jìn)程對(duì)模型進(jìn)行修正與完善，通過(guò)模型對(duì)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)的分析和評(píng)估，有利于在裝備研制早期發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，便于系統(tǒng)研制過(guò)程中對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)的掌控，以提高系統(tǒng)的測(cè)試性水平。

圖1 測(cè)試性設(shè)計(jì)分析一般流程

現(xiàn)代裝備的功能越來(lái)越先進(jìn)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)也越來(lái)越復(fù)雜。通過(guò)裝備測(cè)試性建模與分析的方法來(lái)改善測(cè)試性設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為提高裝備測(cè)試能力和測(cè)試總體優(yōu)化的有效手段。測(cè)試性模型的建模流程包括：根據(jù)收集的信息逐級(jí)分解構(gòu)建產(chǎn)品的層次化模型，通過(guò)分析層次化模型中的系統(tǒng)級(jí)功能，并關(guān)聯(lián)到多信號(hào)模型中的最底層模塊，建立完整的信號(hào)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(shí)際情況設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 測(cè)試性建模流程

在FMECA 數(shù)據(jù)、電氣接線原理圖、技術(shù)說(shuō)明書、測(cè)試性設(shè)計(jì)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(cè)試方法，建立故障與測(cè)試的相關(guān)性圖形模型，可對(duì)某型武器系統(tǒng)的測(cè)試性水平進(jìn)行預(yù)計(jì)、評(píng)估，以改進(jìn)測(cè)試性設(shè)計(jì)。

根據(jù)某型武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備報(bào)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(jí)(LRU、SRU、功能模塊)的信號(hào)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(zhǔn)備工作：

4.1 測(cè)試性建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

梳理系統(tǒng)級(jí)(System)、各分系統(tǒng)級(jí)(Subsystem)之間及與系統(tǒng)級(jí)之間、各模塊(LRU)之間及與分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的對(duì)外接口關(guān)系，并分別填寫表1，形成系統(tǒng)級(jí)對(duì)外接口關(guān)系表、各分系統(tǒng)級(jí)對(duì)外接口關(guān)系表和各模塊對(duì)外接口關(guān)系表。針對(duì)各個(gè)模塊(LRU)開(kāi)展故障模式及相應(yīng)測(cè)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(cè)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(shuō)明書》和《XX武器系統(tǒng)FMEA報(bào)告》將XX武器系統(tǒng)劃分為各個(gè)子系統(tǒng)、LRU、SRU以及模塊。

表2 故障模式信息表

表3 測(cè)試信息表

2)FMECA表導(dǎo)入。

從《XX武器系統(tǒng)FMEA報(bào)告》中篩選出發(fā)生頻率較高、故障嚴(yán)酷度等級(jí)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(cè)試性建模用)

通過(guò)TesLab-Designer軟件將.xlsx格式的FMECA導(dǎo)入表(見(jiàn)附件)導(dǎo)入至當(dāng)前模型中，實(shí)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(kāi)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(jìn)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(shí)，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(kāi)關(guān)。

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

5)信號(hào)庫(kù)的建立與關(guān)聯(lián)。

a)添加項(xiàng)目信號(hào)庫(kù)。

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(hào)名稱依次添加到項(xiàng)目信號(hào)庫(kù)中。信號(hào)庫(kù)中信號(hào)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(hào)關(guān)聯(lián)。

分配信號(hào)是表示該故障模式發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的故障現(xiàn)象，或會(huì)導(dǎo)致可察覺(jué)的信號(hào)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(hào)，即將“故障現(xiàn)象”或“參數(shù)變化情況”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

c)測(cè)試點(diǎn)、測(cè)試的建立以及與信號(hào)的關(guān)聯(lián)。

在模型圖的各層，建立測(cè)試和測(cè)試點(diǎn)。具體步驟為：

i)建立測(cè)試點(diǎn)。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備章節(jié)中的測(cè)試信息表，新建測(cè)試點(diǎn)，并根據(jù)測(cè)試位置建立測(cè)試點(diǎn)與各單元模塊或故障模式的連接(通過(guò)模型中的連接線實(shí)現(xiàn))。

ii)建立測(cè)試。

在測(cè)試點(diǎn)中添加測(cè)試項(xiàng)目，并根據(jù)測(cè)試信息表所填信息，為該測(cè)試項(xiàng)目設(shè)置測(cè)試方法、測(cè)試級(jí)別、測(cè)試成本和時(shí)間等信息。

iii)設(shè)置測(cè)試所關(guān)聯(lián)信號(hào)。

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

至此，XX武器系統(tǒng)測(cè)試性模型已基本建立完成

4.3 測(cè)試性分析

測(cè)試性分析報(bào)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(cè)試性設(shè)計(jì)資料，通過(guò)工程分析和計(jì)算來(lái)估計(jì)測(cè)試性和診斷參數(shù)可能達(dá)到的量值，并與規(guī)定的指標(biāo)要求進(jìn)行比較的過(guò)程。定量分析的主要目的是通過(guò)估計(jì)測(cè)試性指標(biāo)是否滿足規(guī)定要求，以評(píng)價(jià)和確認(rèn)已進(jìn)行的測(cè)試性設(shè)計(jì)工作，找出不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)。定性分析是根據(jù)測(cè)試性設(shè)計(jì)資料，通過(guò)分析設(shè)計(jì)中的故障覆蓋情況，指導(dǎo)改進(jìn)測(cè)試性設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)權(quán)衡。

針對(duì)測(cè)試性模型進(jìn)行測(cè)試性分析，可以得到D-矩陣、模糊組動(dòng)態(tài)分析結(jié)果、故障診斷樹(shù)、故障檢測(cè)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(guò)對(duì)目前測(cè)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(shí)施方式：

a)基于D矩陣的故障診斷模式；

b)基于先驗(yàn)知識(shí)的故障診斷模式；

c)基于故障樹(shù)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(hào)飛航裝備的歷史數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過(guò)策略中心可選擇不同的故障診斷實(shí)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(shí)施方法

基于D矩陣的故障診斷模式是最常見(jiàn)的故障診斷和隔離方法。D-矩陣將測(cè)試與故障之間的依賴關(guān)系用矩陣的方式進(jìn)行表示，已在許多測(cè)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(guò)應(yīng)用測(cè)試設(shè)備獲取各個(gè)測(cè)試監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表各模擬量指標(biāo)的數(shù)字量序列(如01010001……)，通過(guò)工具軟件或人工進(jìn)行有效的分析、識(shí)別、解讀后，將其劃分為可對(duì)應(yīng)各個(gè)物理量的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)離散歸一化手段調(diào)整后與D-矩陣的各列進(jìn)行比對(duì)，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(guò)對(duì)一般測(cè)試性設(shè)計(jì)分析流程的深入研究，從工程實(shí)用的角度提出了適用與飛航裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析的方法，最后就基于D矩陣的故障診斷模式進(jìn)行了分析研究，對(duì)后續(xù)飛航武器裝備型號(hào)中的測(cè)試性設(shè)計(jì)分析及故障診斷工作具有重要意義。

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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

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