2. 军械工程学院 无人机工程系, 石家庄 050003
2. Department of UAV Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China
系统和设备本身所具有的便于监控其健康状况、易于进行故障诊断测试的特性,就是系统和设备的测试性[1].装备的测试性水平是装备设计水平的一个重要指标,也是测试性工作中的一个重要组成部分.复杂装备具有集成化、模块化的设计特点,随着复杂度的增加,进行测试与诊断亦是越来越难.在进行测试性分析时,测试性模型、装备的维修级别、装备的故障模式与故障率等内容是非常重要的输入项目[2].其中不同维修级别上测试需求有所不同,测试诊断的装备结构对象不同,因此装备在各级别上的测试性水平也不同,不仅要知道装备的总体测试性水平,还应能够评估在维修级别与测试需求约束条件下所能达到的测试性水平.
装备使用现场所具有的测试资源水平决定了装备实时具备的测试性水平,也直接反应了装备当时的诊断维修效果及继续工作的能力[3].因此本文提出维修级别与测试资源约束条件下的装备层次测试性评估方法,结合装备层次化、模块化设计特点,考虑维修保障体制改革下基于换件维修的要求,明确各维修级别的测试需求与测试对象,考察装备在不同测试条件下的测试性水平,实现层次的测试性评估. 1 层次测试性模型
在测试性模型中,多信号流图(MSFG,Multi-Signal Flow Graph)模型的创新性将功能信号作为联系纽带运用到模型中,使故障与测试的关系一目了然,所建立的模型结构同系统的功能框图类似,便于测试性知识的表达[4,5]. 1.1 多信号流图模型
建立测试性模型,需要对建模的各个要素进行分析,测试性模型中包含了装备结构、功能、故障与测试等要素[6,7].通过模块关联测点、测点关联信号、信号关联测试实现相关性分析,获取相关性矩阵,在此基础上进行测试性分析和诊断.MSFG模型定义了4类节点与一个关系:①模块节点;②测试点节点;③表决节点;④开关节点;⑤一个关系为有向边.其建模思想如下.
1) 具有多故障属性.MSFG定义了功能故障和一般故障2类故障.一般故障是模块不能正常运行信息流的故障;功能故障指影响模块某项预期功能实现的故障,可定义多个,功能故障的多维属性决定了故障的多维属性.
2) 使用信号表征系统.MSFG通过信号表征系统或其组成单元特性的特征、状态、属性及参量,可以是定量的参数值,又可以是定性的特征描述,并能区分正常和异常两种状态.信号之间是相互独立的,使用信号的多维属性代表重要的功能属性进行建模,可不用考虑具体的故障模式,能够实现对未知故障的检测与隔离,建模难度低.
3) 信号与测试之间的相关性.故障与测试之间的相关性是通过确定模块关联信号和测试关联信号的定义来实现的,并以此构造故障-测试相关性矩阵.每个测试点上可以定义多个测试项,每个测试项都对应测试相应的信号,并且测试点的所有测试项都能检测其信息流路径上所有模块的一般故障. 1.2 层次多信号流模型
层次多信号流图(HMSFG,Hierarchical Multi-Signal Flow Graph)模型是以装备的层次结构划分为基础,在各层次上进行MSFG建模,依据结构层次之间的联系获取各层测试性模型之间的联系,最终建立整个装备的HMSFG.该模型使测试性的各要素具有了层次化属性,根据装备模块化的物理结构设计,同时考虑测试资源条件与维修级别等方面的约束,构建起符合实际测试维修情况的HMSFG.文献[6]使用MSFG方法在层次上进行了分析,但是对层次上的测试集和故障集需要进一步表述清楚.这与以往的整体MSFG略有差别,具有以下几个特点:
1) 层次建模对象可灵活确定.以往是以底层故障和测试项目为对象,现在分析的对象为层次上的故障和测试,根据测试资源与维修级别所达到的水平,层次上的故障可以是元件级的亦可是模块级的,因此测试性模型划分的层次与维修级别具有对应关系.
2) 在某层可单独进行测试性建模与分析.在测试资源与维修级别确定的情况下,将在该层能够测试的物理结构和故障作为该层的分析对象,建立所在层次的MSFG,确立本层内的故障传播路径和故障-测试相关性.
3) 明确了MSFG的层间联系.如果在某维修级别出现无法测试的模块而需要借助更高维修级别的测试资源或者出现某层次模块内部的各故障模块无法进行故障隔离的情况时,则将这些模块作为分析对象,建立新的MSFG,这样就构成了层间的MSFG,可以满足诊断维修的要求.
建立的HMSFG结构示意图如图 1所示.图中每层中的大方框表示该层内的MSFG,大方框内带阴影的方块代表无法测试或隔离的模块,空白方块代表可直接隔离维修的模块.在某层建模时,分析的对象为该层次上的测试性要素,而不一定是所有的底层故障模式,将该层确定的所有单元模块与测试分析完毕之后,才能获取该层完整的相关性矩阵[7,8].在这里说明一点,由于信号具有流动性,可以在层次之间传播,层次的故障具有灵活的表达方式,有些故障可以作为底层故障也可作为层次故障,因此在选用层次故障时,要具有合理性和针对性,确保符合维修与诊断的工作要求[9].
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| 图 1 装备HMSFG结构示意图 Fig. 1 HMSFG structure of equipment |
在此对HMSFG进行定义,在某层上的MSFG可表示为如下形式:
此外仍需明确上下层之间的联系,在本层中出现的不可测试或隔离的模块需要深入到下一层进行分析,建立下层的MSFG.同时上下层之间的模块具有这样的关系:如果
,则
代表上下两层模块之间的关系,满足如下条件:
建立HMSFG之后,在各层次上获取相关性矩阵(DM,Dependence Matrix),并在此基础上进行测试性评估与诊断分析,评价装备测试性的设计水平和故障隔离的难易程度. 2.1 层次相关性矩阵的建立
这里仍作单故障假设,依据MSFG方法获取单层的DM,之后依据层间联系获取层次相关性矩阵.构建步骤为:①选择顶层,建立该层的MSFG模型,分析故障-测试相关性,建立该层的DM;②逐步深入,当出现不可测试维修模块时,对该模块内部进行分析,建立下层的MSFG模型与DM,直到获取所要求层次的DM;③建立联系,依据层间联系得到整体的层次相关性矩阵[10,11].完整的层次DM形式化表示见图 2.层次DM的数学模型为
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| 图 2 层次相关性矩阵形式化表示 Fig. 2 Chart of hierarchical DM |
使用层次DM进行测试性评估的方法:首先获取观测数据,使用本层的DM法进行测试性评估;当在该层次上出现不可测试或隔离的模块时,根据上下层联系分析对应的下层DM,继续使用下层的DM进行测试性评估,进而实现层次的测试性评估. 2.2 基于层次相关性矩阵的测试性评估
考虑装备在实际的测试、维修过程中具有层级性,比如在维修级别上,可分为基层级和基地级,在基层级,测试诊断的对象可能为模块,而不用测试到底层元器件;在基地级,测试诊断的对象可能需要测试到器件级.所以在相应的维修级别只需评估该层的测试性水平即可.
进行测试性评估时,需要在各层级上获得测试性水平,也能获得在相应测试资源条件下装备整体的测试性水平.依据前文所述的层次相关性矩阵,建立层次测试性评估的数学模型[12,13].在规定某层中,计算该层测试性指标γFD/γFI的数学模型为
在规定某层中,计算该层模糊度为g的γFI,其数学模型为
对装备整体测试性水平的评估,是将所有底层故障作为基数进行计算的,因此底层的测试性水平可代表装备整体的测试性水平,将底层相关性矩阵作为测试性评估的数据来源,进行装备整体的测试性指标γFD/γFI的评估,数学模型为
通过式(4)和式(5)可获得所需要的装备层级测试性指标及整体测试性指标,满足在不同测试资源与维修级别上实际情况的需求.依据式(6)和式(7)可获得装备整体的测试性水平. 3 实例分析
某新型雷达采用高度集成化与模块化的设计,其结构层次划分为分系统、模块、部组件.进行初步的测试与诊断时,利用装备自带的BITE自检功能及结合相应的辅助检测措施,能够保证大部分可更换单元被检测,并在很短的时间内定位故障单元,采用更换备件或快速维修的方法排除故障;进一步测试时,对以前检测不到的部位或不可隔离维修模块进行深入的测试,实现装备的深度诊断与维修[14,15].
该装备由9个分系统与外设组成,在基层级,这9个分系统的模块或部件、外设、整机的性能检测结果,一般是将故障隔离至可更换单元、易于维修的部位或者相应的不可隔离维修模块;通过基地级测试将故障隔离至底层可更换单元与可实现维修的部分.因此,依据文献[14]得到装备的部分结构划分及故障如表 1所示,这里只给出部分故障与模块,剩余部分不再列举.
| 分系统 | 故障现象 | 模块 | 内部组成 | … |
| 分系统1 | 天线不转 | 天线控制 部分 | 伺服 SD板 变频器 驱动电机 | … |
| 数码管 无显示 | 显控部分 | 控制板 显示板 | ||
| 电源故障 | 电源部分 | 配电分机 油机或市电 控制板 电缆 | ||
| E13显示 | 接近开关组 | |||
 | ||||
表 1内容的含义为:分系统1列出了4个明显的故障现象为:天线不转、数码管无显示、电源故障、E13显示.通过基层级的测试诊断,可将故障隔离至天线控制部分、显示部分、电源部分和接近开关组[16];通过基地级的测试诊断,能将故障隔离至可更换单元或者可以维修的部位,如天线不转时,可将故障定位于伺服、SD板、变频器或驱动电机,其中SD板和变频器具有备件,能直接更换,伺服和驱动电机需要进行维修.其中“E13显示”所在行代表“E13”显示时直接指示到“接近开关组”故障.对分系统1的故障模块使用1.2节的方法建立HMSFG模型,如图 3所示[17,18].
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| 图 3 分系统1的HMSFG模型 Fig. 3 HMSFG model of subsystem 1 |
第1层MSFG中,ƒ11为“天线控制”故障,ƒ21为“显控”故障,ƒ31为“电源”故障,ƒ41为“接近开关组”故障,分别对应4个故障现象;第2层MSFG中,ƒ12为“伺服”故障,ƒ22为“SD板”故障,ƒ32为“变频器”故障,ƒ42为“驱动电机”故障.图 2中只对“天线控制”进行了下层MSFG的建模,其余部分省略.建立HMSFG之后,依据图 2获得相应的层次DM,如表 2所示.
| 部分D1 | T11 | T21 | T31 | T41 |
| ƒ11 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| ƒ21 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| ƒ31 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| ƒ41 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 部分D2 | T12 | T22 | T32 | T42 |
| ƒ12 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| ƒ22 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| ƒ32 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| ƒ42 | 0 | 0 | 1 | 0 |
对所有的层次进行MSFG建模并获取DM,将每层上的DM进行合并得到该层上完整的Dl,完成装备的层次相关性矩阵的建立.经过合并与统计得到各维修级别具有的故障、测试及不可隔离维修模块数目,由式(4)~式(7)计算得到层次测试性评估结果,如表 3所示.
| 维修级别 | 基层级 | 基地级 | ||
| 数量 | γFI/% | 数量 | γFI/% | |
| 故障 | 65 | 127 | ||
| 测试 | 73 | 139 | ||
| 模糊度1 | 27 | 41.5 | 127 | 100 |
| 模糊度2 | 54 | 83.1 | 127 | 100 |
| 模糊度3 | 62 | 95.4 | 127 | 100 |
| 模糊度4 | 65 | 100 | 127 | 100 |
| γFD/% | 100 | 100 | ||
由表 3可以看出,该装备的γFD为100%,基层级上γFI根据模糊度的大小有所不同,基地级上γFI均为100%.该装备在论证时测试性指标要求为:γFD≥90%,γFI≥90%,所以在基层级使用时,模糊度为3能满足γFI的指标要求. 4 结 论
1) 本文提出的基于层次测试性模型的评估方法,很好地诠释了在不同维修级别与测试条件约束下装备具有不同评估结果的情况.
2) 装备作战使用时的测试诊断与维修活动主要发生在基层级,因此进行指标考核时在基层级明确了相应模糊度下的测试性指标.
3) 分析MSFG层间的联系,可为测试性设计、维修与备件储供提供决策帮助.需要进一步测试的部分,依据实际情况可做出改进设计、转换维修级别或者提供备件的决策.
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