裝備系統(tǒng)測試性方案優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究

陳希祥 邱 靜 劉冠軍

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長沙,410073

0 引言

測試性方案是指為了適應(yīng)裝備測試維修的需要,確定各級維修中哪些項目要測試,何時(連續(xù)或定期)何地(哪個維修級別)利用何種技術(shù)手段對其進(jìn)行診斷測試,以及相關(guān)測試資源的配置情況,是對裝備測試與診斷總的設(shè)想。裝備測試性方案優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是根據(jù)任務(wù)要求合理地綜合應(yīng)用各種測試手段與資源,通過數(shù)據(jù)、信息和知識的融合與共享,實現(xiàn)診斷功能的合理分配、診斷測試要素間的協(xié)同操作,有效地組織和配置各組成單元使其成為一個整體協(xié)同地起作用,以提供裝備在各級維修所需的最佳測試與診斷效能,并降低全壽命周期費用。在裝備測試性設(shè)計中,測試性方案的優(yōu)化設(shè)計是核心工作[1-5]。

然而現(xiàn)有文獻(xiàn)對裝備測試性方案的研究長期處于經(jīng)驗應(yīng)用階段,并沒有開展更深的理論研究,對其內(nèi)涵及關(guān)鍵使能技術(shù)不明確。鑒于此,本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上對裝備測試性方案優(yōu)化的內(nèi)涵進(jìn)行拓展和完善,提出基于模型和多目標(biāo)權(quán)衡的測試性方案權(quán)衡與優(yōu)化設(shè)計研究思路,為構(gòu)建適合于系統(tǒng)各壽命周期階段、面向不同維修級別的測試性方案奠定基礎(chǔ)。

1 測試性方案廣義信息描述模型

為了構(gòu)建適合于裝備全壽命周期的測試性方案,需要采用形式化的方法,將各種與測試性方案設(shè)計相關(guān)的因素、數(shù)據(jù)與信息知識有效地組織起來,進(jìn)行提取建模,建立完整的測試性方案廣義信息描述模型。該模型通過標(biāo)記診斷測試環(huán)境中的物理實體(如裝備本身、測試設(shè)備等),行為實體(如測試行為、診斷推理行為、維修行為等),以及數(shù)據(jù)實體(如測試數(shù)據(jù)、診斷知識、可靠性和維修性數(shù)據(jù)及技術(shù)資料等)等結(jié)構(gòu)組成來全面地描述裝備和各信息實體之間的關(guān)系,體現(xiàn)信息流動和交換過程?；谛畔⒓傻臏y試性方案優(yōu)化設(shè)計框圖如圖1所示。

測試性方案廣義信息描述模型面向裝備系統(tǒng)不同層次和級別的設(shè)計開發(fā)、測試與維修保障人員,建立在統(tǒng)一的、能支持不同應(yīng)用系統(tǒng)的裝備信息交換標(biāo)準(zhǔn)之上,以實現(xiàn)裝備全壽命周期測試性設(shè)計信息的統(tǒng)一描述和測試性設(shè)計過程的信息集成共享,具有標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、可擴(kuò)展性、支持多領(lǐng)域應(yīng)用與協(xié)同等特點,為設(shè)計人員提供有效的交互手段,保證設(shè)計、使用、維修的順利實施,適應(yīng)并行工程的要求。

針對上述目標(biāo),從裝備系統(tǒng)對象、時域、模型3個不同維度建立測試性方案的廣義信息描述模型框架,如圖2所示。

(1)對象維。反映裝備系統(tǒng)本身的層次劃分,與約定的維修級別劃分相對應(yīng)。針對不同的對象,在不同的壽命周期階段,其任務(wù)要求、消耗的測試資源范圍及其組織方式也不同,因而模型研究的側(cè)重點也不同。

(2)時域維。反映裝備的全壽命周期各階段組成。隨著時域各階段的推進(jìn),所研究對象及其對應(yīng)的各種模型也將逐步得到完善與細(xì)化。

(3)模型維。反映裝備的模型組成與組織方式。其中,功能模型描述裝備的功能組成和各功能之間的信息交互情況;資源模型描述裝備各種測試資源與約束,包括測試資源配置和資源流模型;信息模型描述裝備的信息流動和信息處理的過程;過程模型描述測試與診斷的業(yè)務(wù)組成與各項業(yè)務(wù)之間的運行機(jī)制;組織模型描述裝備測試組織結(jié)構(gòu)信息以及組織方式;任務(wù)模型描述裝備系統(tǒng)任務(wù)信息和測試任務(wù)信息,包括系統(tǒng)任務(wù)模型和測試任務(wù)模型;測試診斷模型描述測試與故障之間的關(guān)系。除此之外,還包括裝備系統(tǒng)的可靠性模型和維修保障模型。隨著研究對象及其所處壽命階段的不同,模型研究的深度與廣度也各有不同。

由此可見,測試性方案廣義信息描述模型和裝備系統(tǒng)模型不同。系統(tǒng)模型主要用來描述裝備的結(jié)構(gòu)、行為及功能信息,而測試性方案信息描述模型除了包括系統(tǒng)模型之外,還涵蓋裝備故障與測試邏輯關(guān)系、對測試資源的占用約束關(guān)系、裝備可靠性和維修保障數(shù)據(jù)、人員與培訓(xùn)信息等信息的描述,特別是可對測試性設(shè)計與分析過程中存在的非確定性因素進(jìn)行完整描述。

建立裝備測試性方案的廣義信息描述模型可以指導(dǎo)測試性信息描述和標(biāo)準(zhǔn)化交換方法的開發(fā),實現(xiàn)裝備測試性方案設(shè)計的全壽命化和并行化,切實提高裝備的測試與診斷能力。

2 測試性方案優(yōu)化設(shè)計過程分析

測試性方案的設(shè)計必須從裝備研制之初開始,并貫穿于其壽命周期的各階段。為此對裝備全壽命周期各階段的測試任務(wù)進(jìn)行分析,綜合考慮裝備自身特性與測試診斷數(shù)據(jù)、維修保障資料等信息,將并行工程思想運用于測試性方案優(yōu)化設(shè)計過程,在可用資源與全壽命周期費用約束條件下,通過合理組織測試過程以指導(dǎo)方案優(yōu)化設(shè)計。

綜上所述,測試性方案優(yōu)化設(shè)計過程應(yīng)當(dāng)從橫向和縱向兩個角度進(jìn)行研究:

(1)從方案設(shè)計的橫向(宏觀)角度出發(fā),對裝備功能結(jié)構(gòu)、測試需求、可靠性和維修性要求、測試資源控制及管理、測試技術(shù)資料管理等方面進(jìn)行描述,分析裝備全系統(tǒng)全壽命的測試性方案優(yōu)化設(shè)計過程,從總體上明確裝備測試性方案具體工作內(nèi)容,如圖3所示。

(2)從縱向(微觀)角度出發(fā),依據(jù)裝備不同狀態(tài)下測試性方案設(shè)計要求,分析裝備測試與診斷具體實施過程,對其共性技術(shù)進(jìn)行抽象提取,提出測試性方案優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線,如圖4所示。

盡管面向裝備全壽命周期各階段、不同任務(wù)剖面或維修級別的測試性方案優(yōu)化設(shè)計要求不同,但從測試過程的分析中可以看出上述技術(shù)路線具有通用性。本文在該技術(shù)路線基礎(chǔ)上提出測試性方案優(yōu)化設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3 測試性方案優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 測試性分析與評估技術(shù)

為了獲得裝備最佳測試性方案,需要對其測試性設(shè)計水平進(jìn)行分析與評估,并貫穿于優(yōu)化設(shè)計全過程[1-2]。通過分析評估才能發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計中存在的問題與缺陷,使設(shè)計人員能夠及時利用信息對方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),保證最終設(shè)計的裝備系統(tǒng)能夠滿足規(guī)定的測試性要求。

目前對于機(jī)電系統(tǒng)測試性設(shè)計的研究比較廣泛[2-5],而測試性建模與分析雖然也有一定的研究,且已研制出一些輔助工具[6-7],但其理論與方法仍停留在早期研究基礎(chǔ)之上,不夠科學(xué)和深入。

傳統(tǒng)的裝備測試性分析模型有多種建模方式,其中運用最廣泛、效果最明顯的是Deb等[8]提出的基于多信號流的測試性建模方法。該模型以確定性測試為條件,測試結(jié)果只有0/1(通過/不通過)兩種,此時裝備故障與測試之間存在布爾邏輯相關(guān)性,對于裝備研制初期的測試性設(shè)計而言可以滿足需要,但由于沒有考慮測試過程中的不確定性,會導(dǎo)致模型不具備對不確定信息的處理能力。另外,由于約束條件在實際測試性設(shè)計中往往是不完備的,因此,也會導(dǎo)致裝備測試性分析的結(jié)果可信度不高。實際上,由于裝備復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境,測試結(jié)果會受諸多干擾源的影響[9-10],包括裝備存在多個工作模式、不正確的安裝、錯誤的人為操作、電磁干擾、環(huán)境變化、測試設(shè)備固有的測量誤差,以及測試執(zhí)行所需的準(zhǔn)備條件等帶來的不確定因素。這些難以用傳統(tǒng)模型來描述的系統(tǒng)運行狀態(tài)和工況,都會導(dǎo)致故障—測試的相關(guān)性以及測試性度量的定義發(fā)生改變。如果忽略這些不確定性,而采用傳統(tǒng)的診斷測試推理機(jī),則可能產(chǎn)生不合乎實際情況的測試性分析結(jié)果,無法有效地指導(dǎo)測試性評估與設(shè)計。為了從根本上避免脫離實際,應(yīng)從模型入手,通過構(gòu)造具有不確定性信息處理能力的測試性分析模型,并基于該模型對測試性度量參數(shù)進(jìn)行形式化描述,尋求相應(yīng)的有效方法分析裝備測試性水平,為測試性方案優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。這也將是測試性分析與評估技術(shù)進(jìn)一步研究的重點。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[11]是基于概率推理的數(shù)學(xué)模型,其本身是一種不確定性因果關(guān)聯(lián)模型。近十幾年來,備受關(guān)注的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對于解決復(fù)雜系統(tǒng)不確定因素引起的故障分析具有很大的優(yōu)勢,被認(rèn)為是目前不確定知識表達(dá)和推理領(lǐng)域有效的理論模型之一[12]。因此可以建立面向測試性分析的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,在此基礎(chǔ)上通過貝葉斯參數(shù)學(xué)習(xí)算法獲得不確定條件下的故障—測試相關(guān)矩陣,并利用貝葉斯推理算法進(jìn)行測試性指標(biāo)描述與測試性分析,進(jìn)而對裝備測試性水平進(jìn)行更為客觀的評估。

3.2 測試集優(yōu)化選擇技術(shù)

隨著武器裝備性能的提高和復(fù)雜性的日益增加,獲取足夠的故障檢測與診斷信息的難度越來越大。為了提高系統(tǒng)全壽命周期的費用與效率比,基于測試性分析與評估結(jié)果,開展測試集優(yōu)化選擇[1-5,13]技術(shù)研究是裝備測試性方案的重要內(nèi)容之一。這一問題越來越得到人們的關(guān)注。

根據(jù)裝備系統(tǒng)測試任務(wù)要求及測試性設(shè)計相關(guān)要求,首先基于裝備設(shè)計方案及專家經(jīng)驗等現(xiàn)有知識初步設(shè)置測試項目集作為備選測試集,然后對系統(tǒng)測試性進(jìn)行分析,計算系統(tǒng)各層次的故障檢測率、隔離率、未檢測和未隔離的故障、冗余測試以及故障模糊組等信息,并提出改進(jìn)建議。如果備選測試集不能滿足測試性設(shè)計要求,那么就對其原因進(jìn)行分析處理,并增加合適的測試項目,直到測試集能夠提供足夠的信息來滿足測試性設(shè)計要求為止,保證備選測試集的完備性。

通常上述完備測試集存在冗余信息,并不一定是最優(yōu)的測試集。因此,測試優(yōu)化選擇面臨的另一個問題是測試優(yōu)化選取,其目的是在系統(tǒng)所有可能的測試組合中,尋找滿足系統(tǒng)測試性指標(biāo)要求的最佳組合,使測試代價最小。不論考慮的因素如何復(fù)雜,測試對故障的覆蓋問題是測試選擇的核心問題,從數(shù)學(xué)上最終可歸結(jié)為一個組合優(yōu)化問題,可用集合覆蓋模型進(jìn)行描述。而集合覆蓋問題是一個NP完全問題,目前許多文獻(xiàn)都提出了相應(yīng)的求解算法[2-5,13],也取得了一定的效果,但由于問題本身固有的難度及對優(yōu)化模型的簡化描述,使得其求解效率與準(zhǔn)確性都不盡如人意。隨著裝備系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高,集合規(guī)模的增大,特別是考慮不確定信息影響的測試集優(yōu)化選擇,需要結(jié)合問題本質(zhì)建立更完整的模型,并利用有效的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

3.3 測試資源優(yōu)化選擇與調(diào)度技術(shù)

依據(jù)裝備自上而下的分析原則,將各分系統(tǒng)的測試資源分析作為選擇與調(diào)度的第一個層次,在初步設(shè)置的測試項目和現(xiàn)有測試設(shè)備類型約束下,對機(jī)內(nèi)測試設(shè)備(BITE)、自動測試設(shè)備(ATE)和人工測試設(shè)備(MTE)等不同類型進(jìn)行權(quán)衡選擇與配置。

對特定分系統(tǒng)的測試與故障診斷一般通過多個測試項目來完成,影響因素眾多,需要綜合考慮測試過程中的各項約束指標(biāo)。通常涉及兩類知識:一是定量數(shù)據(jù)的分析計算,它們?yōu)闄?quán)衡提供定量的支持;另一類是專家在長期實踐中積累起來的經(jīng)驗知識,其中大部分難以定量表示。因此,測試設(shè)備類型的選擇與權(quán)衡是基于定量計算和定性分析相結(jié)合的多目標(biāo)綜合決策過程,只依賴于專家經(jīng)驗難以決定使用何種類型的測試設(shè)備,此時需要借助一定的技術(shù)手段來完成。通過對影響測試設(shè)備類型的各要素進(jìn)行定量計算與定性分析,確定評價指標(biāo)集,建立多屬性模糊評價模型并利用模糊層次分析法進(jìn)行求解,綜合評判求解結(jié)果便可以選取適合于對該分系統(tǒng)進(jìn)行全面測試的設(shè)備類型組合。

對大型裝備進(jìn)行測試診斷時,包括測試設(shè)備在內(nèi)的可用測試資源往往是有限的、集中的,如果被測對象對測試資源同時提出測試要求,勢必會引起資源的競爭和沖突。因而在測試過程中須保證測試資源在每個時刻只能為一個測試所占用,所以測試資源優(yōu)化選擇與調(diào)度面臨的第二個問題是根據(jù)測試任務(wù)對資源進(jìn)行合理調(diào)度。其工作主要是在前述的測試優(yōu)化選擇、測試設(shè)備類型初步選擇以及可用資源的基礎(chǔ)上,綜合考慮測試過程的特性和調(diào)度問題的復(fù)雜性,建立裝備系統(tǒng)測試資源調(diào)度模型。該模型以測試時間與費用最小為目標(biāo),以測試順序、測試準(zhǔn)備條件以及可用測試資源等為約束條件,采用多目標(biāo)智能進(jìn)化算法,對由測試時間和測試費用聯(lián)合確定的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合評價與模型求解。

3.4 方案總體集成

針對不同任務(wù)剖面、不同維修測試級別,需采用不同測試技術(shù)級別和技術(shù)手段,通常是各種技術(shù)手段和技術(shù)級別相結(jié)合。在裝備測試性方案設(shè)計及測試實施過程中,為便于不同信息的訪問與共享,需要選擇合適信息集成方式對信息進(jìn)行集中管理,通過總線方式實現(xiàn)裝備測試的總體集成方案。

集成過程中的兩個基本技術(shù)問題亟待解決:測試性方案總體集成框架如圖5所示。

(1)信息訪問接口設(shè)計。在測試性方案優(yōu)化過程中,建立廣義信息描述模型,為信息的交換與共享奠定基礎(chǔ),但是這些信息的流動與共享是通過管理與集成工作反映在各個階段的,因此需要對信息模型管理進(jìn)行合適的訪問接口設(shè)計。

(2)總線接口技術(shù)。測試性方案的實施,首先需要在確定各類實體測試資源的前提下對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,從物理上實現(xiàn)測試資源有效合理的調(diào)度,總線型結(jié)構(gòu)得到了越來越多的應(yīng)用?？偩€接口作為實現(xiàn)總線型測試結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ),在采用這種設(shè)計結(jié)構(gòu)時,必須對總線接口作出明確的定義。

4 敏感性分析

在設(shè)計測試性方案時需要利用裝備信息模型以及其他先驗信息,這些信息種類繁多,關(guān)系錯綜復(fù)雜,且在分析處理中與真實值之間可能存在一定的偏差。為判斷這種偏差對最優(yōu)方案的影響程度,須對最優(yōu)測試性方案設(shè)計的各權(quán)衡過程進(jìn)行敏感性分析。如果先驗信息的微小變化引起最優(yōu)方案大幅度改變,則說明該方案對信息的偏差非常敏感,實際應(yīng)用時應(yīng)慎重考慮。如果先驗信息在一定的范圍內(nèi)變化時,最優(yōu)方案的變化不大,則說明此最優(yōu)方案魯棒性很好,所期望的應(yīng)用效果也比較好。

5 結(jié)束語

對裝備系統(tǒng)而言,構(gòu)建測試性方案的主要依據(jù)來自于訂購方提出的測試性要求及測試資源約束條件、裝備的方案及可靠性分析數(shù)據(jù)、維修與保障方案等,影響因素眾多,求解過程復(fù)雜。本文通過分析首先明確了測試性方案的內(nèi)涵,在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地闡述了測試性方案優(yōu)化設(shè)計與權(quán)衡工作內(nèi)容、技術(shù)流程以及關(guān)鍵使能技術(shù),為測試性方案的進(jìn)一步研究提供了技術(shù)途徑,為有效地指導(dǎo)裝備測試性設(shè)計、分析與測試實施打下了理論基礎(chǔ)。

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