汪芊芊，王海濤，藍(lán) 鯤

基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估

汪芊芊，王海濤，藍(lán) 鯤

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

對(duì)現(xiàn)有測(cè)試性建模方法在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估的應(yīng)用上存在的不足進(jìn)行分析。針對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)不同的測(cè)試狀態(tài)，提出基于多信號(hào)流模型的多模型綜合測(cè)試性評(píng)估方法；并結(jié)合運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的實(shí)際故障模式及測(cè)試特點(diǎn)，考慮多故障模式及多值測(cè)試，對(duì)多信號(hào)流模型進(jìn)行改進(jìn)，得到基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法，并給出了具體的評(píng)估流程。以運(yùn)載火箭時(shí)序控制系統(tǒng)為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法能夠更為準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)故障空間及測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行建模，對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的測(cè)試性評(píng)估有效。

改進(jìn)多信號(hào)流模型；多模型綜合；測(cè)試性評(píng)估

0 引 言

測(cè)試性是指能夠及時(shí)準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)有效地確定被測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)（可工作、不工作或性能下降），并能隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[1]。面對(duì)當(dāng)前高密度、高可靠、高效率的發(fā)射需求，提高運(yùn)載火箭的測(cè)試性已成為運(yùn)載火箭研制的迫切要求。電氣系統(tǒng)作為箭上關(guān)鍵系統(tǒng)，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其測(cè)試性進(jìn)行分析與評(píng)估，獲得量化的測(cè)試性指標(biāo)。

當(dāng)前的測(cè)試性評(píng)估模型主要包括相關(guān)性模型[2～4]和虛擬樣機(jī)模型[5～7]，研究最為成熟的是多信號(hào)流模型，由Somnath和Pattipati于1994年提出[4]。該模型將故障與測(cè)試以信號(hào)為紐帶聯(lián)系起來(lái)，表現(xiàn)系統(tǒng)的故障空間，在測(cè)試性評(píng)估領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[8～11]。但傳統(tǒng)的多信號(hào)流模型僅對(duì)單一狀態(tài)進(jìn)行建模，無(wú)法區(qū)分運(yùn)載火箭不同的測(cè)試狀態(tài)；且假設(shè)條件過(guò)于苛刻，無(wú)法全面準(zhǔn)確地描述運(yùn)載火箭測(cè)試系統(tǒng)的多故障模式及多值測(cè)試。因此，無(wú)法直接用于運(yùn)載火箭的測(cè)試性評(píng)估中。

本文針對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)不同的測(cè)試狀態(tài)，提出基于多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法，并結(jié)合實(shí)際測(cè)試特點(diǎn)對(duì)多信號(hào)流模型進(jìn)行改進(jìn)，以運(yùn)載火箭時(shí)序控制系統(tǒng)為例驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估

1.1 多信號(hào)流模型

多信號(hào)流模型是一種圖形化測(cè)試性評(píng)估模型，利用有向圖表示被測(cè)對(duì)象的組成單元、測(cè)試以及被測(cè)對(duì)象性能特征之間的相關(guān)關(guān)系，主要元素包括：a）系統(tǒng)組成模塊集合C={c1, c2,…,cl}；b）系統(tǒng)各模塊的故障模式f={f1,f2,…,fm}；c）與模塊故障相關(guān)的信號(hào)集合S={s1, s2,…,sn}；d）系統(tǒng)可用的測(cè)試有限集合T={t1, t2,…,tn}；e）有向圖DG={C, T, E}，其中有向圖的邊E表示系統(tǒng)各模塊及測(cè)試間的連接關(guān)系。

將多信號(hào)流模型用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，則形成了故障-測(cè)試相關(guān)性矩陣D。D為系統(tǒng)故障與測(cè)試間定性關(guān)系的一種矩陣表示，其基本形式為[4]

式中 m為系統(tǒng)的故障模式數(shù)目；n為系統(tǒng)采用的測(cè)試數(shù)目；dij為故障Fi與測(cè)試tj之間的相關(guān)性，若二者相關(guān)，則dij=1，否則dij=0。

1.2 基于多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法

在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，需根據(jù)測(cè)試要求改變測(cè)試對(duì)象的狀態(tài)，并施加相應(yīng)的測(cè)試，本文提出多模型綜合的測(cè)試性評(píng)估方法如下：

a）測(cè)試狀態(tài)獨(dú)立建模：區(qū)分評(píng)估對(duì)象不同階段的不同測(cè)試狀態(tài)，分析評(píng)估對(duì)象在各個(gè)測(cè)試狀態(tài)下模塊的連接關(guān)系、工作狀態(tài)、可施加測(cè)試等相關(guān)信息，并對(duì)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)單獨(dú)建模。

b）評(píng)估結(jié)果綜合分析：根據(jù)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)的測(cè)試性模型分析各測(cè)試狀態(tài)下評(píng)估對(duì)象的測(cè)試性參數(shù)，獲得在所有測(cè)試狀態(tài)均實(shí)現(xiàn)的情況下，評(píng)估對(duì)象的綜合測(cè)試性指標(biāo)。

多模型綜合評(píng)估方法將運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的測(cè)試性評(píng)估細(xì)化，避免了直接對(duì)單一狀態(tài)建?？赡軐?dǎo)致的測(cè)點(diǎn)無(wú)法同時(shí)施加的問(wèn)題，使建模思路更加清晰。

1.3 多信號(hào)流模型改進(jìn)

傳統(tǒng)的多信號(hào)流模型將實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化[4]：

a）每個(gè)模塊只考慮一種功能故障和一種全局故障。

b）系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試均為二值測(cè)試，即測(cè)試結(jié)果只有通過(guò)和不通過(guò)。但對(duì)于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，同一模塊可能發(fā)生多種功能故障，且十分關(guān)注具體故障模式；而運(yùn)載火箭的測(cè)試實(shí)施難度大，更為關(guān)注具體的測(cè)試結(jié)果，并利用不同測(cè)試結(jié)果反映不同的故障?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)多信號(hào)流模型對(duì)于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)的測(cè)試性建模并不完全適用。

本文針對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)多故障模式及多值測(cè)試的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的多信號(hào)流模型，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

a）考慮系統(tǒng)模塊的多種故障模式。對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，根據(jù)實(shí)際的故障模式定義多個(gè)功能故障，各個(gè)功能故障根據(jù)故障產(chǎn)生的原因及影響來(lái)關(guān)聯(lián)相應(yīng)的信號(hào)，并以故障所關(guān)聯(lián)的信號(hào)來(lái)區(qū)分同一模塊的不同功能故障。

b）考慮多值測(cè)試。對(duì)于有多個(gè)輸出值的測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果不僅僅定義為通過(guò)（0）和不通過(guò)（1），而是根據(jù)實(shí)際的測(cè)試輸出及測(cè)試與故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將測(cè)試結(jié)果定義為多值，并分別與不同的信號(hào)相關(guān)聯(lián)。具體定義規(guī)則為：0代表測(cè)試通過(guò)；1，2，3，…，n分別代表測(cè)試不通過(guò)時(shí)的不同測(cè)試結(jié)果（數(shù)字無(wú)具體意義，僅用于區(qū)分同一測(cè)試的不同測(cè)試結(jié)果）。

1.4 基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估流程

基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法的評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 多模型綜合評(píng)估方法

a）劃分系統(tǒng)模塊。故障診斷的目的是尋找可以整體更換的故障模塊，因此需根據(jù)實(shí)際測(cè)試及維修條件將系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，并梳理各個(gè)模塊間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

b）故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）。通過(guò)FMEA分析，確定各個(gè)模塊所有可能的故障模式，以及每個(gè)故障模式的影響。

c）關(guān)聯(lián)故障模式與信號(hào)。根據(jù)FMEA分析結(jié)果，考慮每個(gè)故障模式產(chǎn)生的原因及影響，獲取與之相關(guān)的獨(dú)立信號(hào)集，將故障模式與信號(hào)相關(guān)聯(lián)。

d）梳理測(cè)試種類及測(cè)試狀態(tài)。整理運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的測(cè)試方法及各個(gè)測(cè)試方法所要求的測(cè)試狀態(tài)，并根據(jù)測(cè)試內(nèi)容及輸出結(jié)果將測(cè)試點(diǎn)與信號(hào)關(guān)聯(lián)。

e）建立系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)下的多信號(hào)流模型。對(duì)于每一種測(cè)試狀態(tài)si，選取該測(cè)試狀態(tài)下的測(cè)試集T(si)={ti}（ti為可以在測(cè)試狀態(tài)s下進(jìn)行的測(cè)試），建立系統(tǒng)在該測(cè)試狀態(tài)下的多信號(hào)流模型。

f）生成各測(cè)試狀態(tài)下的矩陣D。由系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)的多信號(hào)流模型生成相應(yīng)矩陣D[4]，根據(jù)式（2）對(duì)各測(cè)試狀態(tài)si的矩陣D(si)m×n賦值：

g）生成綜合矩陣D。根據(jù)式（3）將各個(gè)測(cè)試狀態(tài)下的矩陣D的元素進(jìn)行“或”運(yùn)算，獲得綜合矩陣D。

h）相關(guān)性矩陣分析。根據(jù)相關(guān)矩陣分析方法[4]，利用綜合矩陣D測(cè)試性參數(shù)計(jì)算，并對(duì)未檢測(cè)故障、未隔離故障及冗余測(cè)試進(jìn)行分析，獲得測(cè)試性評(píng)估結(jié)果。測(cè)試性參數(shù)是對(duì)測(cè)試性特性的描述，其中，故障檢測(cè)率及故障隔離率是運(yùn)載火箭測(cè)試性評(píng)估關(guān)注的主要指標(biāo)[1]。

故障檢測(cè)率FDR為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)與被測(cè)單元發(fā)生的故障總數(shù)之比。其定量數(shù)學(xué)模型為

式中TN為實(shí)際發(fā)生的故障數(shù)；DN為正確檢測(cè)到的故障數(shù)。

故障隔離率FIR為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法將故障正確隔離到小于等于L個(gè)單元的故障數(shù)與同一時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的故障數(shù)之比（L為故障隔離模糊度）。其定量數(shù)學(xué)模型為

式中LN為正確隔離到故障隔離模糊度為L(zhǎng)的故障數(shù)；DN為正確檢測(cè)到的故障數(shù)。

2 多模型綜合評(píng)估方法的應(yīng)用

2.1 時(shí)序控制系統(tǒng)的測(cè)試性需求及結(jié)構(gòu)分析

時(shí)序控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火箭按照預(yù)定時(shí)序執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的關(guān)鍵分系統(tǒng)，需要保證較高的可靠性和測(cè)試性。目前，運(yùn)載火箭時(shí)序控制系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目多依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安排，未從理論上論證其測(cè)試性水平，缺少量化的測(cè)試性指標(biāo)。因此，本文采用基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法，針對(duì)時(shí)序控制系統(tǒng)的典型故障模式開(kāi)展測(cè)試性分析與評(píng)估。

運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的時(shí)序控制系統(tǒng)一般由電源、時(shí)序控制裝置、時(shí)序輸出裝置、時(shí)序執(zhí)行裝置及保護(hù)電阻組成。本文選取某型號(hào)典型電路作為具體研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖2所示。時(shí)序控制裝置發(fā)出時(shí)序控制信號(hào)，通過(guò)時(shí)序輸出裝置對(duì)時(shí)序執(zhí)行裝置（雙橋火工品）進(jìn)行時(shí)序控制。

圖2 時(shí)序控制系統(tǒng)電路

2.2 時(shí)序控制系統(tǒng)的多模型綜合評(píng)估

根據(jù)時(shí)序控制系統(tǒng)的測(cè)試及診斷要求，從單機(jī)層面進(jìn)行測(cè)試性分析。對(duì)時(shí)序控制系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析，結(jié)果如表1所示。測(cè)試方法及與測(cè)試狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表1 火工品控制回路的FMEA分析

表2 火工品控制回路的測(cè)試與信號(hào)關(guān)聯(lián)關(guān)系

針對(duì)時(shí)序控制回路的3種測(cè)試狀態(tài)，分別建立改進(jìn)多信號(hào)流模型。以等效器測(cè)試狀態(tài)1s為例，選取在1s狀態(tài)下可以施加的測(cè)試Ts1={t1, t2, t3, t4}，在Matlab平臺(tái)上建立的多信號(hào)流模型如圖3所示。

圖3 時(shí)序控制系統(tǒng)初始狀態(tài)的改進(jìn)多信號(hào)流模型

根據(jù)各個(gè)測(cè)試狀態(tài)的多信號(hào)流模型，利用式（2）生成各測(cè)試狀態(tài)下的矩陣D分別為

根據(jù)式（3）對(duì)各擴(kuò)展矩陣D進(jìn)行綜合分析，得到綜合矩陣D如表3所示。

基于綜合矩陣D，對(duì)時(shí)序控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試性分析與評(píng)估，結(jié)果如表4所示。

從時(shí)序控制系統(tǒng)的測(cè)試性評(píng)估結(jié)果可見(jiàn)：已有的總體測(cè)試項(xiàng)目對(duì)于時(shí)序控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)率為100%，能夠完全覆蓋系統(tǒng)的主要故障模式，避免了由于系統(tǒng)故障漏檢而導(dǎo)致的測(cè)試任務(wù)失??；然而故障隔離率僅為75%，主要為火工品的左橋保護(hù)電阻及右橋保護(hù)電阻的斷路故障無(wú)法隔離，需在保護(hù)電阻單元測(cè)試階段對(duì)保護(hù)電阻的通斷及阻值進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，確保裝箭前保護(hù)電阻無(wú)故障。

表3 時(shí)序控制系統(tǒng)的綜合矩陣D

表4 時(shí)序控制系統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估結(jié)果

3 結(jié) 論

本文結(jié)合運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的實(shí)際故障模式和測(cè)試特點(diǎn)，提出基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合測(cè)試性評(píng)估方法，通過(guò)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

a）改進(jìn)的多信號(hào)流模型分析多故障模式及多值測(cè)試時(shí)，將故障直接與信號(hào)關(guān)聯(lián)，更為準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的故障空間進(jìn)行建模；同時(shí)詳細(xì)描述了測(cè)試的多值輸出，保留了測(cè)試信息，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)試性參數(shù)的評(píng)估更為準(zhǔn)確。

b）基于改進(jìn)多信號(hào)流模型的多模型綜合評(píng)估方法展示了運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)不同測(cè)試狀態(tài)下的測(cè)試情況，更貼近運(yùn)載火箭的實(shí)際測(cè)試模式，使建模思路更加簡(jiǎn)單清晰，降低了大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模難度，對(duì)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)的評(píng)估具有通用性。

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Research on Testability Analysis of Electric System in Launch Vehicle Based on Improved Multi-signal Flow Graphs Model

Wang Qian-qian, Wang Hai-tao, Lan Kun
(Beijing Ιnstitute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Existed methods of testability analysis are not suitable for electric system in launch vehicle. Considering the different test states of electric system, a multi-model synthesis method based on multi-signal flow graphs model was proposed. Meanwhile, the traditional multi-signal flow graphs model was improved on the basis of the multi-fault and the multi-value test of electric system. A timing sequence control system was taken as an example for modeling. The result shows that this method models the defective space and test states of electric system more accurately, and is effective for testability analysis of electric system.

Ιmproved multi-signal flow graphs; Multi-model synthesis; Testability analysis

TP391.9

A

1004-7182(2017)04-0021-05

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170406

2016-08-01；

2016-09-28

汪芊芊（1992-），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試性分析與評(píng)估