基于Visio的圖形化建模可測(cè)性分析軟件設(shè)計(jì)

高 旭，龍 兵，楊興霽，王義琴

（電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引 言

為了降低復(fù)雜電子系統(tǒng)故障診斷的測(cè)試周期與費(fèi)用，必須在設(shè)計(jì)階段就對(duì)系統(tǒng)的可測(cè)試性加以保證。而通過(guò)測(cè)試性的建模與分析來(lái)研究復(fù)雜系統(tǒng)的可測(cè)性是一種準(zhǔn)確且有效的方法。為了確?？蓽y(cè)性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和分析效率，必須借助于相關(guān)的輔助分析工具來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的可測(cè)性分析，并確定整個(gè)系統(tǒng)可測(cè)性設(shè)計(jì)與故障診斷方案。計(jì)算機(jī)輔助建模與仿真分析軟件工具主要有ARINC公司的基于信息流模型的系統(tǒng)可測(cè)性和維護(hù)軟件POINTER[1]，QIS公司的基于多信號(hào)模型的分析工具TEAMS[2]。這些軟件均采用圖形化建模技術(shù)，與傳統(tǒng)的采用直接程序設(shè)計(jì)進(jìn)行可測(cè)性分析建模方法相比，具有直觀、簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)。因此具備圖形化建模的功能是可測(cè)性分析軟件開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。

目前可視化圖形建模環(huán)境的開(kāi)發(fā)主要是用VB、VC或Delphi等開(kāi)發(fā)工具從圖形底層開(kāi)發(fā)完成的，這種開(kāi)發(fā)模式一旦涉及較復(fù)雜的圖形技術(shù)，代碼量將急速膨脹使軟件的開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、后期維護(hù)困難。對(duì)此，利用Visio繪圖控件提供的二次開(kāi)發(fā)功能，以VC++6.0為編譯工具開(kāi)發(fā)了基于多信號(hào)模型的可測(cè)性分析的軟件。該文首先介紹多信號(hào)模型建模技術(shù)和圖形化建模環(huán)境的具體實(shí)現(xiàn)方法；然后闡述了多信號(hào)模型的建模方法和可測(cè)性分析指標(biāo)的算法；最后以具體實(shí)例介紹了以Visio繪圖控件為支撐的可測(cè)性分析軟件的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

1 圖形界面編輯系統(tǒng)

1.1 圖件和模具的設(shè)計(jì)

圖形化可測(cè)性軟件需要設(shè)計(jì)出用于表示多信號(hào)模型的4類節(jié)點(diǎn)和有向連線的元件符號(hào)，這些繪圖元件放在繪圖工具箱中，如圖1所示。圖形化建模時(shí)，用鼠標(biāo)把圖元拖拽繪圖區(qū)，通過(guò)準(zhǔn)確的連接構(gòu)造多信號(hào)模型圖。在Visio中，用于繪圖的圖元稱為圖件，放置圖件的繪圖工具箱稱為模具。Visio本身提供了大量的模具及主控形狀，選中所符合的形狀單擊右鍵選擇添加到新建的模具中，也可以在繪圖區(qū)內(nèi)繪制出所需的繪圖元件符號(hào)并編輯，然后用鼠標(biāo)拖拽到新建的模具中，單擊新建模具上每個(gè)形狀下方的文本，為每個(gè)形狀鍵入一個(gè)新名稱，為新模具命名后保存即可。

圖1 繪圖工具箱

1.2 Visio繪圖控件的應(yīng)用

Microsoft Visio對(duì)象模型表示Visio引擎通過(guò)Automation展示的對(duì)象、屬性、方法和事件，同時(shí)也描述了對(duì)象彼此之間的相關(guān)方式[3]。它以方便的模型管理及豐富的Automation為用戶提供了可用于各種領(lǐng)域的完備的解決方案。在解決方案中實(shí)現(xiàn)Automation 有 4種基本方法：（1）Visio庫(kù)（VSL）；（2）VBA 宏；（3）COM 加載項(xiàng)；（4）獨(dú)立的 EXE 程序。在該文的軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，采用的是第4種方式，即將Visio ActiveX Control控件嵌入VC++工具開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序中。Visio控件是一個(gè)Microsoft ActiveX控件，可以通過(guò)該控件的API來(lái)訪問(wèn)Visio對(duì)象模型，從而使得利用Visio繪圖控件的解決方案更易于開(kāi)發(fā)和調(diào)試。該文通過(guò)Visio控件的實(shí)例來(lái)實(shí)現(xiàn)以編程方式對(duì)Visio控件進(jìn)行全方位的訪問(wèn)和控制。使用Visio繪圖控件的Document或Window屬性獲得Application對(duì)象的引用，然后就可以進(jìn)一步獲取Visio對(duì)象模型中的其他對(duì)象。另外在Visio中，與圖形對(duì)應(yīng)的有一個(gè)ShapeSheet電子表格[4]，可以通過(guò)ShapeSheet來(lái)對(duì)圖形進(jìn)行編輯和改變、用公式的方式精確地描述和控制圖形以及設(shè)置圖形的屬性和進(jìn)行事件的定義等。ShapeSheet內(nèi)容豐富，可以通過(guò)它實(shí)現(xiàn)許多與圖形化建模相關(guān)的功能。而在Visio控件中，ShapeSheet也被作為一個(gè)Shape對(duì)象，所以可以通過(guò)編程的方式來(lái)操縱ShapeSheet。該控件還公開(kāi)了所有Visio Window和Document事件，這些事件涵蓋了用戶可能對(duì)圖形和頁(yè)面的所有操作，這些操作在發(fā)生的時(shí)候?qū)⒂|發(fā)對(duì)應(yīng)的事件。通過(guò)這些事件，可以編寫自己的響應(yīng)函數(shù)，構(gòu)建功能強(qiáng)大的圖形化建模編輯環(huán)境。

2 多信號(hào)模型和建模

多信號(hào)模型是由Somnath Deb[5]等于1994年提出的，是指利用分層有向圖表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、測(cè)試構(gòu)成，僅對(duì)故障傳播特性建模的一種方法。在多信號(hào)模型中，組成單元的故障模式劃分為功能故障（functional failure）和完全故障（general failure）2種類型。

2.1 模型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[6-7]

多信號(hào)模型主要由3類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：

（1）模塊節(jié)點(diǎn)（module node），表示一個(gè)具有特定功能集(依據(jù)信號(hào)劃分)的硬件或模塊。

（2）測(cè)試點(diǎn)節(jié)點(diǎn)（test point node），表示物理的或邏輯的測(cè)量操作位置。

（3）連接線（link），表示有向連接線，為故障提供連接通路。

另外，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)建模還可能用到用于冗余連接的表決節(jié)點(diǎn)（and node）和用于內(nèi)部連接的變動(dòng)關(guān)系的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（switch node）。

2.2 建模步驟

可測(cè)性模型的建模過(guò)程一般可分為以下3個(gè)步驟：

（1）熟悉建模對(duì)象，在可測(cè)性分析軟件中畫(huà)出表述元件組成和基本連接關(guān)系的基本模型。

（2）向模塊添加信號(hào)集，并向測(cè)試點(diǎn)添加測(cè)試和測(cè)試集。

（3）調(diào)整、修正和校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，考慮系統(tǒng)的特殊情況以使模型更加合理。例如如果一個(gè)系統(tǒng)有不同的工作模式，則要使用開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)建模；如果系統(tǒng)存在冗余，則用并聯(lián)節(jié)點(diǎn)配置冗余元件。

2.3 系統(tǒng)建模實(shí)例

該文以磁帶播放機(jī)為例，把一磁帶播放機(jī)系統(tǒng)劃分為：電源（power_sup）、磁頭（tape_head）、前置放大器（pre_amp）、功率放大器（power_amp）、三路揚(yáng)聲器（woofer,mid_range,tweeter）和指示燈（LED）。假設(shè)在系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有測(cè)試點(diǎn)，系統(tǒng)的狀態(tài)只能在其輸入節(jié)點(diǎn)上被檢測(cè)到，比如通過(guò)檢測(cè)3個(gè)揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)和觀察電源指示燈的狀態(tài)進(jìn)行。圖2顯示了該系統(tǒng)的多信號(hào)模型。圖中信號(hào) s1，s2，s3，s4，s5，s6分別代表高頻（treble）、低頻（bass）、中頻（midrange）、信噪比（SNR）、額定功率失真（distortion）和電源指示燈（LED）。系統(tǒng)每個(gè)組件對(duì)應(yīng)一組表征其特征的信號(hào)；每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組在該點(diǎn)可以檢測(cè)到的信號(hào)。該系統(tǒng)的多信號(hào)模型定義如下：

故障源集 C={power_sup，LED，tape，pre_amp，power_amp，woofer，midranger，tweeter}；信號(hào)集 S={s1，s2，s3，s4，s5，s6}；測(cè)試點(diǎn) TP={TP1，TP2}，測(cè)試集 T={T，W，M，L}；信號(hào)檢測(cè)集ST={s1（TP1），s2（TP2），s3（TP2），s4（TP2），s5（TP2），s6（TP1）}={s1（T），s2（W），s3（M），s4（T），s5（W），s6（L）}。

其中，T在測(cè)試點(diǎn)TP2檢測(cè)信號(hào)s1，s4；W在測(cè)試點(diǎn)TP2檢測(cè)信號(hào)s2，s5；M在測(cè)試點(diǎn)TP2檢測(cè)信號(hào)s3；L在測(cè)試點(diǎn)TP1檢測(cè)信號(hào)s6。

圖2 磁帶播放機(jī)系統(tǒng)的多信號(hào)模型圖

利用開(kāi)發(fā)的可測(cè)性軟件對(duì)圖2所示的磁帶播放機(jī)系統(tǒng)的多信號(hào)模型圖進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3 磁帶播放機(jī)系統(tǒng)的建模結(jié)果

3 可測(cè)性分析算法

應(yīng)用多信號(hào)模型進(jìn)行可測(cè)性分析，計(jì)算各種可測(cè)性指標(biāo)。首先分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和測(cè)試策略，構(gòu)建系統(tǒng)的多信號(hào)模型，計(jì)算基于多信號(hào)模型的依賴矩陣；然后完成系統(tǒng)的單故障特性分析、多故障特性分析和計(jì)算各種可測(cè)性指標(biāo)。

3.1 故障測(cè)試依賴矩陣

多信號(hào)模型的一種表示形式是有向圖，另一種表示形式是依賴矩陣，即故障測(cè)試依賴矩陣。故障測(cè)試依賴矩陣反映了測(cè)試的診斷能力，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可測(cè)性分析的基礎(chǔ)，它以故障源作為行索引，可用測(cè)試作為列索引的矩陣D=[dij]。在多信號(hào)模型中，組成單元的故障模式根據(jù)作用結(jié)果不同分為2類：完全故障（指系統(tǒng)喪失主要功能，用字母G表示）和功能故障（指系統(tǒng)喪失部分功能，用字母F表示）。依賴矩陣既包含完全故障信息也包含功能故障信息，通過(guò)遍歷模型圖直接求取依賴矩陣比較困難，該文采取分而治之的策略，即把依賴矩陣D分成完全故障依賴矩陣D（G）和功能故障依賴矩陣D（F）兩部分來(lái)分別進(jìn)行求取，然后再把兩部分合在一起即得到系統(tǒng)的依賴矩陣。

3.1.1 完全故障依賴矩陣的求取

該文先求取多信號(hào)模型圖的鄰接矩陣，然后利用算法求取相應(yīng)的可達(dá)矩陣，最后由可達(dá)矩陣即可得到完全故障依賴矩陣。

要求取模型圖鄰接矩陣，需要對(duì)模型圖中的各模型之間的連接進(jìn)行分析。在Visio繪圖控件中，形狀對(duì)象（CVShape）表示繪圖文件中的基本形、連接線和組合等，附著在形狀上的連接點(diǎn)可看做是連接對(duì)象（CVConnect）。由連接集合（CVConnects）可得到連接對(duì)象，而獲取連接集合的方法有2種：（1）通過(guò)形狀對(duì)象的屬性Connects得到該形狀的連接集合；（2）通過(guò)頁(yè)面對(duì)象（CVPage）的屬性Connects獲取頁(yè)面上的全部連接點(diǎn)集合[8]。該文采用第1種方法，首先遍歷繪圖文件建立模型的形狀列表，其次獲取形狀的所有連接點(diǎn)并遍歷每個(gè)連接點(diǎn)，判斷連接點(diǎn)位于連接線的哪一端，若為起始端則獲取連接線的另一端所連接的形狀，再根據(jù)該形狀的信息在形狀列表中查找相應(yīng)的形狀，由此即可判斷兩形狀之間是否相連。根據(jù)列表中形狀的數(shù)目構(gòu)造并初始化矩陣，矩陣元素初始值均為0，依次對(duì)列表中的每個(gè)形狀進(jìn)行分析，兩形狀相連為1，否則為0，即可得到鄰接矩陣。由鄰接矩陣求可達(dá)矩陣的常用算法有逐次平方法、布爾矩陣算法和Warshall算法[9]，基于效率和編程易實(shí)現(xiàn)的原則，該文采用布爾矩陣算法。求得可達(dá)矩陣后，再根據(jù)列表中故障源和測(cè)試的數(shù)目構(gòu)造矩陣并用0值進(jìn)行初始化，由可達(dá)矩陣的值即可得出完全故障的可達(dá)矩陣為

3.1.2 功能故障依賴矩陣的求取

同樣根據(jù)列表中故障源和測(cè)試的數(shù)目構(gòu)造矩陣并用0值進(jìn)行初始化，然后對(duì)故障源中的信號(hào)集SC（ci）與測(cè)試集中的信號(hào)集ST（tj）做比較，若SC（ci）與ST（tj）的交集不為空，則dij=1；遍歷整個(gè)故障源與每個(gè)測(cè)試的信號(hào)集做比較（另外，若故障源中無(wú)功能故障，則不進(jìn)行比較，也不存在相應(yīng)的行，如模塊power、LED和pre-amp不存在功能故障），則可得功能故障依賴矩陣。又若測(cè)試不是故障可達(dá)性測(cè)試點(diǎn)，則測(cè)試集檢測(cè)不到對(duì)應(yīng)的故障，所以對(duì)功能故障依賴矩陣做如下修正，完全故障依賴矩陣中dij（G）=0時(shí)，對(duì)應(yīng)功能故障依賴矩陣中dij（F）=0，可得功能故障依賴矩陣為

由D（G）和D（F）可得依賴矩陣D如表1所示。

3.2 故障特性分析

故障特性分析可分為單故障特性分析和多故障特性分析。單故障特性分析包括識(shí)別未檢測(cè)故障、冗余測(cè)試和模糊組；多故障特性分析包括故障隱藏和故障冒充。各指標(biāo)概念如下[6，10]：

未檢測(cè)故障：實(shí)際存在但不能被測(cè)試檢測(cè)出來(lái)的故障，對(duì)應(yīng)依賴矩陣中的全零行。

冗余測(cè)試：具有相同檢測(cè)特征的測(cè)試，對(duì)應(yīng)依賴矩陣中相同的列向量。

模糊組：一組具有相同故障特征的故障源，對(duì)應(yīng)依賴矩陣中相同的行向量。圖2所示的磁帶播放機(jī)系統(tǒng)的故障模糊組有：{tape（G），pre-amp（G），power-amp（G），woofer（G），midrange（G），tweeter（G）}，{tape（F），tweeter（F）}；隱藏故障集：某個(gè)故障Si的故障特征隱藏了另一個(gè)故障Sj的所有故障特征，則稱Sj為Si的故障特征。

表1 磁帶播放機(jī)的依賴矩陣

掩蓋故障集：多個(gè)故障的故障特征的疊加與某個(gè)單故障的故障特征相同。

在圖2所示的磁帶播放機(jī)系統(tǒng)中，power-sup（G）的隱藏故障集為{LED（G），tape（G），pre-amp（G），power-amp（G），woofer（G），midrange（G），tweeter（G），tape（F），power-amp（F），woofer（F），midrange（F），tweeter（F）}，掩蓋故障集為{LED（G），tape（G），preamp（G），power-amp（G），woofer（G），midrange（G），tweeter（G），tape（F），power-amp（F），woofer（F），midrange（F），tweeter（F）}。模糊組{tape（G），pre-amp（G），power-amp（G），woofer（G），midrange（G），tweeter（G）}的隱藏故障集為{tape（F），power-amp（F），woofer（F），midrange（F），tweeter（F）}；掩蓋故障集為{tape（F），power-amp（F），woofer（F），midrange（F），tweeter（F）}。模糊組{tape（F），tweeter（F）}無(wú)隱藏故障和掩蓋故障。

式中：λ——所有可能發(fā)生故障的故障率之和；

λD——可檢測(cè)到的故障的故障率之和；

λDi——可檢測(cè)到單個(gè)故障的故障率；

λi——各故障的故障率；

λL——可隔離到小于等于L個(gè)可更換單元的故障率之和；

λLi——各個(gè)可隔離到小于等于L個(gè)可更換單元的故障率；

L——規(guī)定的模糊度。

上述可測(cè)性指標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)算法參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

對(duì)于圖3所示磁帶播放機(jī)系統(tǒng)，設(shè)定各組員的故障概率均為0.001，系統(tǒng)完好系數(shù)為70%，根據(jù)上述公式可計(jì)算得FDR=100%，F(xiàn)IR=42.86%。

上述分析結(jié)果在軟件中顯示形式如圖4所示。

利用TEAMS軟件對(duì)圖2所示的磁帶播放機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析得到的結(jié)果如圖5所示。

圖4 可測(cè)性軟件的分析結(jié)果

圖5 TEAMS可測(cè)性分析結(jié)果

由圖5可知，TEAMS軟件的分析結(jié)果與該文所述的軟件分析結(jié)果一致，TEAMS軟件對(duì)模糊組、未檢測(cè)故障等指標(biāo)在文本中進(jìn)行顯示，經(jīng)對(duì)比與該文所示的結(jié)果也一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文利用VC對(duì)Visio控件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于多信號(hào)模型的圖形化建模系統(tǒng)可測(cè)性分析軟件。該軟件具有界面友好、功能強(qiáng)大和易于使用的特點(diǎn)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)有系統(tǒng)的故障診斷提供了方便?？梢酝ㄟ^(guò)該軟件進(jìn)行常用可測(cè)性指標(biāo)分析，并評(píng)價(jià)系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期要求的可測(cè)性目標(biāo)，獲知系統(tǒng)故障診斷難易程度，進(jìn)而提高故障診斷效率，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助建模與仿真分析軟件工具的研究和開(kāi)發(fā)具有一定參考價(jià)值。

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