賈占強(qiáng)， 梁保衛(wèi)， 王江輝， 閆 改

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

測試性是指產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作和性能下降程度)，并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[1]。測試性作為裝備便于測試和診斷的重要設(shè)計(jì)特性，對于實(shí)現(xiàn)裝備快速故障診斷、縮短維修時(shí)間、減少保障資源和提升綜合效能等具有重要意義。目前，國內(nèi)外關(guān)于測試性設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用最多、效率最高的方法是基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要測試性模型包括DSI公司的相關(guān)性模型、ARINC公司的信息流模型和康涅狄格大學(xué)的多信號流圖模型，這些建模技術(shù)被廣泛應(yīng)用于F-18、F-22和F-35等先進(jìn)武器裝備的研制中，有效提高了裝備測試診斷效率[2]。我國于20世紀(jì)80年代中后期開始測試性設(shè)計(jì)技術(shù)研究，30多年來，在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、衛(wèi)星和雷達(dá)等裝備研制中取得大量成果，實(shí)現(xiàn)了故障檢測與狀態(tài)監(jiān)控一體化設(shè)計(jì)，有效提升了裝備BIT(Built-In Test,機(jī)內(nèi)測試)水平[3-4]。

無人機(jī)測控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要由數(shù)據(jù)鏈和控制站組成，用于完成無人機(jī)遙控、遙測、跟蹤定位和任務(wù)載荷信息傳輸[5]。在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)測控系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)平臺、任務(wù)載荷、指揮信息系統(tǒng)的緊密連接，保證情報(bào)、指揮控制、無人機(jī)協(xié)同等信息實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確地傳輸，實(shí)現(xiàn)了信息共享，便于指揮員實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)區(qū)域情況，對于提升無人機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)能力起到了積極作用。從無人機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)際使用來看，系統(tǒng)級的故障報(bào)警較為準(zhǔn)確，但仍存在故障隔離定位難、基層級維修便捷性差、外場保障壓力大、實(shí)際指標(biāo)和要求指標(biāo)不匹配等問題，這些問題已經(jīng)成為制約無人機(jī)測控系統(tǒng)乃至無人機(jī)系統(tǒng)戰(zhàn)斗力快速恢復(fù)和保障能力快速生成的短板弱項(xiàng)。由于測試性是通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，故在無人機(jī)測控系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)性、規(guī)范性的測試性設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

當(dāng)前，信息流模型和多信號流圖模型是應(yīng)用最為廣泛的測試性建模方法，多信號流圖模型以圖形化形式構(gòu)建系統(tǒng)模型，建模簡單，應(yīng)用廣泛[6]。據(jù)此，本文引入多信號流圖建模技術(shù)，以典型無人機(jī)測控系統(tǒng)為對象，重點(diǎn)從測試性設(shè)計(jì)流程、關(guān)鍵方法實(shí)施和建模技術(shù)等方面入手，規(guī)范了無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)程序，給出了無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化策略，相關(guān)策略可滿足系統(tǒng)與平臺異地配置檢測以及網(wǎng)絡(luò)化測控建設(shè)需要，具有較好的工程實(shí)踐意義。

1 多信號流圖模型

1.1 多信號流圖建?；舅悸?/h3>

多信號流圖模型是由美國康涅狄格大學(xué)Pattipati和Deb等[7-9]在20世紀(jì)90年代提出的。經(jīng)過多年發(fā)展，這種技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、機(jī)電和機(jī)電液等產(chǎn)品的測試性設(shè)計(jì)中，取得較為明顯的效果[10-18]。從多信號流圖模型的名稱可以看出，這種模型是一種流圖或者有向圖模型，它在故障域內(nèi)進(jìn)行建模，反映了故障在系統(tǒng)中的傳播特性。模型利用分層有向圖表示系統(tǒng)各組成單元之間的相互關(guān)系，這種相互關(guān)系可以把設(shè)計(jì)師對系統(tǒng)的理解和故障診斷經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為信息流，進(jìn)而可以較為真實(shí)地反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并描述各個(gè)層級間故障模式的傳遞過程。基于多信號流圖模型的測試性建模思路如圖1所示。

圖1 基于多信號流圖模型的測試性建模思路

1.2 多信號流圖建模步驟

多信號流圖建模的關(guān)鍵是建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化模型、再以有向圖方式完成故障影響的傳播設(shè)置，使模型框架或運(yùn)行原理能夠較為準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的工作狀態(tài)，主要步驟如下。

① 建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息圖表。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案及功能框圖等，收集產(chǎn)品組成信息，主要包括產(chǎn)品編碼、設(shè)備名稱、數(shù)量、工作模式和基本功能等，建立起產(chǎn)品各層次組成信息圖表。

② 完成FMECA(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,故障模式及影響分析和危害性分析)。作為建模的基本對象模塊，應(yīng)對產(chǎn)品的各級故障模式信息進(jìn)行搜集，作為測試性模型中故障模式的建模輸入，在完成故障模式信息的搜集后，建立底層模塊的故障模式模型并添加屬性信息。

③ 建立端口信號。模型中的端口是用于表達(dá)功能信號傳播路徑的邏輯端口，端口定義應(yīng)具有可讀性，以準(zhǔn)確說明端口傳遞信號，例如“422信號”“DC28V”“中頻-550M”等。

④ 建立有向圖?；诮⒌哪Ｐ湍K及其故障模式和端口信號，依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型及FMECA給出的故障影響關(guān)系，建立產(chǎn)品組成單元和故障模式的接口與信號關(guān)系圖。

⑤ 建立結(jié)構(gòu)模型圖。以圖形化建模構(gòu)建系統(tǒng)及其內(nèi)部各單元之間的相互影響關(guān)系，進(jìn)而在系統(tǒng)各層次建立相關(guān)測試。

⑥ 模型校驗(yàn)和調(diào)整。依據(jù)產(chǎn)品測試性設(shè)計(jì)要求、FMECA報(bào)告和測試性設(shè)計(jì)方案等，對模型進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)整，完成完整性校驗(yàn)、故障模式檢驗(yàn)和測試信息校驗(yàn)，使模型更符合實(shí)際情況。

2 典型無人機(jī)測控系統(tǒng)及其工作原理

無人機(jī)測控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)鏈和控制站組成，其中數(shù)據(jù)鏈又分為控制站數(shù)據(jù)終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端，主要設(shè)備包括終端處理機(jī)、收發(fā)信機(jī)、天線組合、控制席位、數(shù)據(jù)交互設(shè)備和配套的供配電設(shè)備等[5]。典型無人機(jī)測控系統(tǒng)通過建立上下行信息傳輸通道，由控制站通過上行測控鏈路將遙控指令發(fā)送給無人機(jī)平臺，無人機(jī)平臺及其載荷通過下行測控鏈路將飛行、任務(wù)和載荷信息傳送給控制站，其工作原理如圖2所示。

圖2 無人機(jī)測控系統(tǒng)工作原理圖

3 測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

在上述分析基礎(chǔ)上，利用多信號流圖模型建立無人機(jī)測控系統(tǒng)的測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序如圖3所示，用以規(guī)范無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)程序。

圖3 基于多信號流圖的無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

① 產(chǎn)品功能及結(jié)構(gòu)劃分主要是合理確定功能組合或獨(dú)立功能單元，仔細(xì)分析工作原理，繪制功能框圖，并清晰標(biāo)識各組成單元的輸入輸出關(guān)系。

② FMECA及測試需求分析主要是依據(jù)GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》開展FMECA分析，根據(jù)分析結(jié)果對嚴(yán)酷度為Ⅲ類以上的故障模式開展測試需求分析，明確測試項(xiàng)目。

③ 依據(jù)測試性需求分析結(jié)果，完成測試點(diǎn)選擇，明確測試點(diǎn)信號特征，設(shè)置測試集。

④ 按照1.2節(jié)方法建立無人機(jī)測控系統(tǒng)的多信號流圖模型。

⑤ 基于多信號流圖模型對故障檢測率、故障隔離率等測試性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對模糊集、未檢測故障等進(jìn)行定性分析。

⑥ 依據(jù)測試性要求判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，不滿足時(shí)采取改進(jìn)措施，增加必要的測試(點(diǎn))項(xiàng)目并轉(zhuǎn)入步驟②對FMECA及測試需求結(jié)果進(jìn)行修正，直至測試性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

⑦ 依據(jù)步驟⑤和步驟⑥分析結(jié)果，綜合定量、定性分析結(jié)果完成測試點(diǎn)優(yōu)選與布局。

⑧ 依據(jù)優(yōu)化結(jié)果，開展無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性軟和硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)，完成最終測試性預(yù)測與分析評價(jià)工作。

4 典型無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 測試性設(shè)計(jì)要求

某無人機(jī)測控系統(tǒng)研制項(xiàng)目技術(shù)要求中測試性設(shè)計(jì)要求為：故障檢測率為85%(BIT)，故障隔離率為85%(1個(gè)LRU/LRM)。

4.2 無人機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息

以某典型無人機(jī)測控系統(tǒng)為例，其工作原理及信號接口關(guān)系如圖2所示，按照各部分功能構(gòu)建起系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)信息，如表 1所示。

表1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)信息

4.3 系統(tǒng)FMECA分析及測試需求分析

依據(jù)GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》對系統(tǒng)開展FMECA分析[19]，各組成單元各種故障模式、嚴(yán)酷度和危害度如表2所示。為保證嚴(yán)重故障能夠及時(shí)被檢測定位，對Ⅲ類以上故障模式進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控和監(jiān)測，考慮工程實(shí)現(xiàn)性，測試點(diǎn)初步設(shè)置如表2第6列所示。

表2 無人機(jī)測控系統(tǒng)FMECA分析表

4.4 建立無人機(jī)測控系統(tǒng)多信號流圖模型

在4.3節(jié)FMECA分析基礎(chǔ)上，依據(jù)無人機(jī)測控系統(tǒng)產(chǎn)品組成及1.2節(jié)方法分層次建立起該無人機(jī)測控系統(tǒng)的多信號流圖模型，各層次多信號流圖模型如圖4～圖6所示。

圖4 無人機(jī)測控系統(tǒng)多信號流圖模型

圖5 控制站數(shù)據(jù)終端多信號流圖(無人機(jī)測控系統(tǒng)→控制站數(shù)據(jù)終端)

圖6 地面收發(fā)信息機(jī)多信號流圖模型(無人機(jī)測控系統(tǒng)→控制站數(shù)據(jù)終端→地面收發(fā)信機(jī))

4.5 初步測試性設(shè)計(jì)分析

在多信號流圖建?；A(chǔ)上，對無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)，結(jié)果如表3所示。可以看出,系統(tǒng)故障檢測率為88.81%，滿足要求；故障隔離率為83.70%，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；控制站、控制站數(shù)據(jù)終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端3個(gè)分系統(tǒng)的故障檢測率分別為87.12%、98.79%和77.81%，故障隔離率均為100%。除機(jī)載數(shù)據(jù)終端故障檢測率未滿足要求外，其他指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性預(yù)測表

通過上述分析可以看出,分系統(tǒng)故障隔離率均滿足要求，而系統(tǒng)故障隔離率卻不達(dá)標(biāo)。針對此問題，由基于多信號流圖模型可以得到無人機(jī)測控系統(tǒng)的模糊組分析圖和模糊組分析表如圖7和表4所示。通過分析可知,模糊度為2時(shí)，主要由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和地面終端處理機(jī)信號交互及測試點(diǎn)不足造成；模糊度為3時(shí)，主要由地面天線組合、機(jī)載天線組合和機(jī)載收發(fā)信機(jī)信號交互以及測試點(diǎn)不足造成。正是由于控制站、控制站數(shù)據(jù)終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端之間復(fù)雜的信號交互造成了系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，因此需要合理設(shè)置系統(tǒng)級測試點(diǎn)，才能確保系統(tǒng)測試性指標(biāo)滿足要求。

圖7 無人機(jī)測控系統(tǒng)模糊組分析圖

表4 無人機(jī)測控系統(tǒng)模糊組分析表

4.6 優(yōu)化策略及效果評估

針對上述問題，根據(jù)表4模糊組分析表，在設(shè)計(jì)上采用表5所示的4種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。方案1增加地面終端處理機(jī)解調(diào)功能的測試點(diǎn)用于解耦與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)XS2無輸出的模糊組；地面增加1個(gè)自檢天線，在加電BIT或維護(hù)BIT時(shí)通過控制天線切換完成天線的故障隔離，此外增加自檢天線后可使無人機(jī)地面設(shè)備具備回路測試功能，可實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)地面設(shè)備與無人機(jī)異地配置時(shí)的功能性能自檢測，也滿足無人機(jī)地面站網(wǎng)絡(luò)化測控建設(shè)需要。方案2在方案1基礎(chǔ)上對機(jī)載天線組合增加1個(gè)自檢天線，用于解耦控制站數(shù)據(jù)終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端的信號關(guān)聯(lián)。方案3在方案2基礎(chǔ)上增加機(jī)載終端處理機(jī)解調(diào)功能的測試點(diǎn)，增加的測試點(diǎn)有利于解耦與無人機(jī)平臺的模糊組。考慮到無人機(jī)平臺裝機(jī)需求，方案4在方案3基礎(chǔ)上減少1個(gè)機(jī)載自檢天線。優(yōu)化設(shè)計(jì)后各種方案下的無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性指標(biāo)對比結(jié)果如圖8所示，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 無人機(jī)測控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖8 測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)對比圖

在實(shí)際應(yīng)用中，若僅考慮無人機(jī)測控系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)更改最少的情況下，推薦使用方案1。該方案下故障檢測率提升0.06%，但故障隔離率提升7.48%?？紤]到無人機(jī)測控系統(tǒng)與無人機(jī)平臺及其載荷的信息交互和無人機(jī)平臺裝機(jī)更改應(yīng)盡量少，推薦使用方案4，該方案下故障檢測率提升7.42%，故障隔離率提升8.16%。

5 結(jié)束語

從無人機(jī)測控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)階段即開始系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)工作，通過對系統(tǒng)測試性進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，對發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷和提升系統(tǒng)測試性水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。利用多信號流圖模型建立了無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，建立了典型無人機(jī)測控系統(tǒng)各層次多信號流圖模型，通過對典型無人機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)際案例開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)測試性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了多種設(shè)計(jì)方案，比較了各種方案的優(yōu)勢和不利因素，給出了相對最優(yōu)方案。通過案例研究，在無人機(jī)測控系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意以下3個(gè)問題。

① 測試性設(shè)計(jì)工作應(yīng)與系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)同步開展，做到同策劃、同設(shè)計(jì)、同驗(yàn)證和同考核，設(shè)計(jì)方案一旦確定，后期更改難度大。

② 測試性設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)按照“系統(tǒng)設(shè)計(jì)→分系統(tǒng)設(shè)計(jì)→分系統(tǒng)驗(yàn)證優(yōu)化→系統(tǒng)驗(yàn)證優(yōu)化”的程序開展工作，確保全系統(tǒng)測試性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際工程中，系統(tǒng)和分系統(tǒng)信號相互關(guān)聯(lián)，當(dāng)測試點(diǎn)或測試方式設(shè)置不合理時(shí)，可能有“分系統(tǒng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求而系統(tǒng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)”的現(xiàn)象發(fā)生。

③ 開展系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)的根本目的是提升裝備的故障診斷水平，進(jìn)而有效提升裝備維修效率。為此，后續(xù)研究和工程中，需要在多信號流圖建模的基礎(chǔ)上，建立和生成故障-測試的相關(guān)性矩陣，以相關(guān)性矩陣為基礎(chǔ)構(gòu)建起無人機(jī)測控系統(tǒng)的故障診斷架構(gòu)，并開展故障診斷軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障診斷與監(jiān)測。