梁海波 姜 蘋 董世茂 孟 恭

1. 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854 2. 宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854

測試性是武器裝備重要的設(shè)計(jì)特性，良好的測試性設(shè)計(jì)可以快速地實(shí)現(xiàn)故障檢測、故障隔離，對提高裝備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性、減少對維修人力和其它資源的要求、降低全壽命周期費(fèi)用有著重要的意義。

在武器裝備的研制過程中建立測試性模型，并利用模型對裝備測試性設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析和評估，既有利于在裝備研制早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的測試性問題并加以解決，避免將問題帶入下一研制階段，又有利于裝備研制過程中對測試性設(shè)計(jì)的掌控，從而提高裝備的測試性水平[1-2]。

電源濾波組合是導(dǎo)彈武器裝備測發(fā)控系統(tǒng)中的重要設(shè)備，需要為測發(fā)控系統(tǒng)確保武器裝備能夠可靠穩(wěn)定地工作提供高品質(zhì)的供電電源。因此，在對武器裝備測發(fā)控系統(tǒng)開展測試性設(shè)計(jì)工作時(shí)，電源濾波組合的測試性設(shè)計(jì)非常重要。這里，以電源濾波組合為研究對象，利用相關(guān)性建模分析方法建立了相關(guān)性圖示模型和D矩陣模型，確定了故障檢測和隔離用測試點(diǎn)，并制定了故障診斷策略，為整個(gè)武器裝備測發(fā)控系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 基于相關(guān)性模型的測試性設(shè)計(jì)方法

基于相關(guān)性模型的測試性分析流程如圖1所示。首先，對設(shè)備開展故障模式影響及危害性分析(Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis, FMECA)，即通過分析確定各組成單元在設(shè)計(jì)和使用過程中所有可能存在的故障模式，以及每個(gè)故障模式的原因及影響。然后，對設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，結(jié)合可用的測試手段和測試點(diǎn)，建立相關(guān)性圖示模型，進(jìn)而建立D矩陣模型。隨后，進(jìn)行測試點(diǎn)優(yōu)選計(jì)算并建立故障診斷樹。最后，利用生成的診斷策略，計(jì)算故障檢測率、故障隔離率等指標(biāo)。

根據(jù)設(shè)備的功能信息流方向，逐個(gè)分析各組成單元Fi的故障信息在測試點(diǎn)Tj上的反映F=DT，即可得到對應(yīng)的D矩陣模型[3]：

(1)

其中，

圖1 基于相關(guān)性模型的測試性設(shè)計(jì)流程圖

在建立設(shè)備的D矩陣模型以后，就可以利用此模型來優(yōu)選故障檢測用測試點(diǎn)和故障隔離用測試點(diǎn)，進(jìn)而確定故障診斷策略，一般步驟如下[4]：

1)簡化D矩陣。為了簡化后續(xù)的計(jì)算工作量，將D矩陣中相等的列或行合并，識別出冗余測試點(diǎn)和故障隔離的模糊組；

2)優(yōu)選故障檢測用測試點(diǎn)。優(yōu)選故障檢測用測試點(diǎn)的關(guān)鍵在于選取的測試點(diǎn)能夠提供盡可能多的檢測信息，這里用故障檢測權(quán)值WFD表示。對于簡化后的D矩陣，其第j個(gè)測試點(diǎn)的WFDj定義為

(2)

3)優(yōu)選故障隔離用測試點(diǎn)。與優(yōu)選故障檢測用測試點(diǎn)類似，選擇故障隔離用測試點(diǎn)的關(guān)鍵在于選取的測試點(diǎn)能夠提供盡可能多的故障隔離信息，這里用故障隔離權(quán)值WFI表示。

經(jīng)分析可知，D矩陣中每一列所反映的正常與故障狀態(tài)信息量雖然不同，但各列的“0”元素和“1”元素的總和是常數(shù)。根據(jù)A+B=C(常數(shù))，當(dāng)A=B=C/2時(shí)，A*B的值是最大的原理，從故障隔離目的來考慮，選取A*B為最大數(shù)值的測試點(diǎn)做為優(yōu)先選取的故障隔離測試入口。

對于簡化后的D矩陣，其第j個(gè)測試點(diǎn)的WFIj定義為

(3)

4)制定測試策略。以上述測試點(diǎn)的優(yōu)選結(jié)果為基礎(chǔ)，先檢測后隔離，依次用選出的測試點(diǎn)進(jìn)行測試，按測試結(jié)果的正常與否確定下一次測試。如果測試結(jié)果正常則繼續(xù)進(jìn)行檢測，否則開始故障隔離，這種故障診斷策略可以用故障樹來形象地表達(dá)。

2 電源濾波組合測試性設(shè)計(jì)

2.1 電源濾波組合功能分析

電源濾波組合作為一種電源預(yù)處理和變換裝置，其供電品質(zhì)的優(yōu)劣，直接決定著外部用電設(shè)備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和可靠性。電源濾波組合以交流220V電源作為輸入，對外輸出4路直流24V和3路經(jīng)過濾波處理的交流220V供電信號，為外部設(shè)備供電，其功能框圖如圖2所示。其中直流24V供電輸出電路由AC/DC電源模塊、開關(guān)控制單元以及4路串行配置的繼電器控制單元組成。當(dāng)啟/停開關(guān)接通時(shí)，繼電器電路1～4依次接通，分別為外部的光端機(jī)、PLC1、PLC2和PLC3供電，由于各外部設(shè)備加電時(shí)間依次錯(cuò)開，避免了同時(shí)加電對AC/DC電源模塊造成沖擊，提高了供電可靠性。

交流220V電源供電電路分為3個(gè)獨(dú)立的供電通路，每個(gè)通路上均串聯(lián)了電源濾波器。在為外部計(jì)算機(jī)供電的同時(shí)，還確保了自身通路的電磁兼容性。

圖2 電源濾波組合功能結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 相關(guān)性分析與建模

結(jié)合電源濾波組合功能分析結(jié)果，在對其進(jìn)行FMECA的基礎(chǔ)上，開展相關(guān)性分析與建模工作?？紤]測試點(diǎn)設(shè)置的難易程度、成本等因素，在電源濾波組合的各組成單元上設(shè)置測試點(diǎn)，并標(biāo)注在功能信息流圖上，即得到了電源濾波組合的相關(guān)性圖示模型，如圖3所示。

圖3 電源濾波組合測試性框圖

根據(jù)電源濾波組合的功能信息流方向，得到如下D矩陣模型：

(4)

通過分析發(fā)現(xiàn)，此模型不存在數(shù)值相同的行或列，即不存在冗余測試情況和模糊組，不需要對D矩陣進(jìn)行簡化處理。

2.3 選取檢測用測試點(diǎn)

采用式(2)計(jì)算故障檢測權(quán)值列于表2中，顯然，故障檢測權(quán)值WFD=6最大，即將測試點(diǎn)T6作為第1個(gè)檢測用測試點(diǎn)。從功能上看，T6設(shè)置在直流24V供電電路的末端，通過對T6進(jìn)行測試，可實(shí)現(xiàn)對直流24V供電電路的功能狀態(tài)進(jìn)行檢測。

針對T6所在的列，對D矩陣進(jìn)行“0-1”分割，將D矩陣一分為二，如表2所示。對“0”子矩陣再次進(jìn)行故障檢測權(quán)值計(jì)算，T7，T8和T9對應(yīng)的故障檢測權(quán)值均為1。通過對電源濾波組合的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，T7，T8和T9三個(gè)測試點(diǎn)地位均等、功能獨(dú)立，只要對D矩陣再進(jìn)行任意次序的“0-1”分割，即可實(shí)現(xiàn)對3路交流220V供電通道工作狀態(tài)的檢測，這里不再詳述。

表1 檢測用測試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表1

表2 檢測用測試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表2

根據(jù)對D矩陣進(jìn)行4次分割及故障檢測權(quán)值計(jì)算結(jié)果，最終選取T6，T7，T8和T9作為故障檢測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對電源濾波組合4個(gè)輸出通道的故障檢測。

2.4 選取隔離用測試點(diǎn)

在單故障假設(shè)下，由于F7，F(xiàn)8，F(xiàn)9相互獨(dú)立，且故障檢測后F7，F(xiàn)8和F9已經(jīng)成為單行，即在進(jìn)行故障檢測的同時(shí)也完成了隔離，此后分析就可以不再考慮。在進(jìn)行故障隔離用測試點(diǎn)選取時(shí)，首先在故障檢測點(diǎn)中選取T6作為第1個(gè)故障隔離用測試點(diǎn)，用式(3)計(jì)算故障隔離權(quán)值最大值WFI=9，對應(yīng)測試點(diǎn)T3，即選取T3作為第2個(gè)隔離用測試點(diǎn)。

利用測試點(diǎn)T3所對應(yīng)的列對D矩陣進(jìn)行“0-1”分割，將D矩陣分割為3個(gè)子矩陣，再次計(jì)算各測試點(diǎn)的隔離權(quán)值最大值為2，對應(yīng)T1，T2，T4和T5這4個(gè)測試點(diǎn)，理論上4個(gè)測試點(diǎn)開展下一步故障隔離所耗費(fèi)的時(shí)間資源均等，此時(shí)可根據(jù)測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取難易程度等方面綜合考慮，優(yōu)先選取獲取數(shù)據(jù)方便的測試點(diǎn)。這里，選取T1作為第3個(gè)故障隔離用測試點(diǎn)。

同理，再經(jīng)過4次計(jì)算和矩陣分割，F(xiàn)1～F6已經(jīng)先后被分割為單行。因此，根據(jù)矩陣分割的先后順序，依次選取T2，T4和T5作為后續(xù)故障隔離用測試點(diǎn)。

表3 隔離用測試點(diǎn)選取數(shù)據(jù)處理表

2.5 制定故障診斷策略

電源濾波組合的故障診斷策略可以用故障診斷樹的形式表示。從第1個(gè)故障檢測用測試點(diǎn)開始，按測試結(jié)果的正常與否畫2個(gè)分支：

1)對于正常分支(以“0”表示)，繼續(xù)用第2個(gè)故障檢測用測試點(diǎn)對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，畫出兩個(gè)分支，若測試結(jié)果為異常，則轉(zhuǎn)入下一步，否則仍繼續(xù)進(jìn)行測試，直到用完所有故障檢測用測試點(diǎn)，表示被測系統(tǒng)無故障；

2)對于異常分支(以“1”表示)，使用第1個(gè)故障隔離用測試點(diǎn)，按其結(jié)果是否正常(“0”和“1”)分為2個(gè)分支；再用第2個(gè)故障隔離用測試點(diǎn)，畫出2個(gè)分支，直到所用分支為單個(gè)組成部件為止，表示故障隔離完成[5]。

按照上述方法，得到故障診斷樹如圖4所示，使用故障檢測用測試點(diǎn)T6對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，將系統(tǒng)劃分為2個(gè)分支，正常分支由F7～F9組成，異常分支由F1～F6組成。

針對正常分支，利用檢測用測試點(diǎn)T7對正常分支進(jìn)行檢測，如果測試結(jié)果異常，則判定F7故障，反之需要對F8～F9分支繼續(xù)進(jìn)行檢測，以此類推，再依次采用測試點(diǎn)F8和F9進(jìn)行測試，可判定整個(gè)系統(tǒng)有無故障。

針對異常分支F1～F6，依次采用隔離用測試點(diǎn)T3，T1，T4，T2和T5進(jìn)行隔離性測試，可將故障隔離到單個(gè)組成部件。

圖4 故障診斷樹

3 測試性分析與評估

測試性分析與評估的目的是對測試診斷策略的診斷能力做客觀量化的考核，同時(shí)指出測試診斷策略設(shè)計(jì)中存在的不足，便于進(jìn)一步改進(jìn)。

通常，測試性分析與評估工作基于以下3點(diǎn)假設(shè)[6]：

1)單故障假設(shè)，即在任何時(shí)候當(dāng)被測對象處于故障狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為只有一個(gè)組成單元發(fā)生了故障;

2)被測對象各組成單元故障率相等，各個(gè)測試點(diǎn)測試所需的時(shí)間和費(fèi)用均不予考慮，即不考慮被測對象組成單元的可靠性、測試時(shí)間和費(fèi)用的影響;

3)信號傳輸通道正常，不存在連接錯(cuò)誤和通道中斷。

通過分析，電源濾波組合的測試診斷策略中不存在冗余測試和模糊組，對內(nèi)部各組成單元的故障檢測率和故障隔離率均為100%。根據(jù)故障診斷樹，將故障診斷平均測試步驟計(jì)算如下：

平均故障檢測測試步驟數(shù)為

平均故障隔離測試步驟數(shù)為

可見，針對電源濾波組合的測試診斷，該策略平均通過3.3步即可實(shí)現(xiàn)所有組成單元的故障診斷與隔離，可大大減少故障檢測與隔離時(shí)間。

4 結(jié)束語

在對電源濾波組合測試信息進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)性模型優(yōu)選了故障檢測用測試點(diǎn)和故障隔離用測試點(diǎn)，制定了故障診斷測試策略，故障診斷率和故障隔離率均達(dá)到了100%，且測試效率較高。

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[2] 陳龍.石君友.劉衎.測試性建模分析的工程化應(yīng)用方法研究[J].測控技術(shù),2014, 33(5):36-39.

[3] 邵俊宇,周仁明,張宏軍,吳偉,夏征農(nóng).基于信息流模型的自動(dòng)駕駛儀多故障診斷分析[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2015,23(9):3005-3008.

[4] 韓玉芹,祖先鋒,潘孟春.導(dǎo)彈裝備測試系統(tǒng)中優(yōu)化測試策略研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(4):85-88.

[5] 王晉陽,陳圣儉,張勝滿,宋克嶺.基于相關(guān)性模型的混合電路系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2011,28(2):157-161.

[6] 石君友.測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.