石萬(wàn)山 江政杰

（1.海軍駐沈陽(yáng)地區(qū)電子系統(tǒng)軍事代表室 沈陽(yáng) 110003)（2.海軍裝備部沈陽(yáng)軍事代表局 沈陽(yáng) 110031)

1 引言

隨著海軍裝備建設(shè)轉(zhuǎn)型、使命任務(wù)轉(zhuǎn)變及維修體制改革的發(fā)展，裝備維修保障逐步由計(jì)劃維修向視情綜合后勤保障（ILS)諸要素保障過(guò)渡，故障診斷和檢測(cè)作為保障的重要要素，受裝備系統(tǒng)復(fù)雜性、布置空間局限性及技術(shù)含量高、信息化程度高、設(shè)備之間關(guān)聯(lián)程度高等影響，難度和成本大大增加，單一機(jī)內(nèi)自檢、自動(dòng)測(cè)試等技術(shù)、傳統(tǒng)的測(cè)試與診斷思想、系統(tǒng)的構(gòu)成方法難以對(duì)裝備維修發(fā)揮全面效能，現(xiàn)已向綜合診斷保障系統(tǒng)（IDSS)等綜合保障故障診斷的趨勢(shì)發(fā)展。本文就綜合診斷保障系統(tǒng)、多信號(hào)診斷模型、多信號(hào)模型故障診斷方法設(shè)計(jì)等，作進(jìn)一步的研究和探討［1］。

2 綜合診斷保障系統(tǒng)

圖1 綜合診斷保障系統(tǒng)功能框圖

綜合診斷保障系統(tǒng)是基于海軍裝備中三級(jí)維修體制運(yùn)行中的所有測(cè)試診斷問(wèn)題視為整體看待而提出的，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能、微電子技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試等新技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)將綜合狀態(tài)監(jiān)控、自動(dòng)測(cè)試、手動(dòng)測(cè)試、維修工具、技術(shù)信息、接口等綜合保障諸因素，合理設(shè)計(jì)并獲得最大綜合診斷效能。其特點(diǎn)和關(guān)鍵是“綜合”，主要功能是完成裝備的監(jiān)控、診斷、維修、管理和人員訓(xùn)練等（綜合診斷保障系統(tǒng)功能框圖見(jiàn)圖1)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最佳的故障檢測(cè)和隔離［2］。

3 多信號(hào)診斷模型

多信號(hào)模型主要有兩大類：結(jié)構(gòu)化模型和依賴性模型［3］。

1)結(jié)構(gòu)化模型。結(jié)構(gòu)化模型建模簡(jiǎn)單，方便，適用于小系統(tǒng)，對(duì)嵌入到簡(jiǎn)單方塊圖中的復(fù)雜函數(shù)依賴關(guān)系還不能完全滿足，經(jīng)常導(dǎo)致錯(cuò)誤的診斷結(jié)論。

2)依賴性模型。依賴性模型以具有內(nèi)在的簡(jiǎn)化特性方向圖表示模型故障源與測(cè)試或測(cè)試與測(cè)試－之間的因果關(guān)系，是目前測(cè)試診斷分析工具中的主要建模技術(shù)，但由于平鋪結(jié)構(gòu)，只能表示0、1單維因果關(guān)系，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的依賴關(guān)系會(huì)偏離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，造成建模擴(kuò)大化。

多信號(hào)診斷模型是兼顧二者特點(diǎn)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析基礎(chǔ)上，以分層有向圖表示信號(hào)（功能)流導(dǎo)向和各組成單元（故障模式)的構(gòu)成及相互連接關(guān)系，并通過(guò)定義信號(hào)（功能)以及組成單元（故障模式)、測(cè)試與信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)性來(lái)表征系統(tǒng)組成、功能、故障及測(cè)試之間相關(guān)性，是一種基于有向圖的故障診斷模型表示方法，具有建模簡(jiǎn)單、模型集成和驗(yàn)證簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

4 多信號(hào)模型故障診斷方法設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)海軍裝備系統(tǒng)及分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)具體設(shè)備裝備提出的關(guān)聯(lián)及信號(hào)邏輯要求，并結(jié)合設(shè)備整機(jī)、分機(jī)、模塊、具體單板的結(jié)構(gòu)與功能，充分考慮核心器件、電路的特殊功能性，分析各單元之間的接口關(guān)系，設(shè)計(jì)構(gòu)建多信號(hào)模型；其次，通過(guò)所建立的多信號(hào)模型生成故障診斷相關(guān)矩陣，進(jìn)一步完成系統(tǒng)的單故障特性分析、多故障特性分析、診斷策略和測(cè)試參數(shù)的分析。其中，多信號(hào)模型的建模、故障分析等都由TEAMS建模與分析工具來(lái)完成。最后，根據(jù)分析結(jié)果和故障診斷相關(guān)矩陣可以設(shè)計(jì)出符合武器系統(tǒng)特點(diǎn)的故障診斷算法。多信號(hào)模型進(jìn)行故障診斷分析方法的內(nèi)容和流程如圖2所示［4］。

圖2 故障診斷分析方法流程圖

4.1 多信號(hào)模型建模分析

1)多信號(hào)建模方法。多信號(hào)建模主要包括：一是自行編程或購(gòu)買軟件系統(tǒng)，可借用某平臺(tái)的軟件工具，對(duì)大規(guī)模相互連接系統(tǒng)進(jìn)行多信號(hào)建模，并得到元件與測(cè)試間的依賴關(guān)系，其圖形接口簡(jiǎn)化了大規(guī)模、復(fù)雜、可重構(gòu)、故障容錯(cuò)以及分級(jí)的系統(tǒng)的創(chuàng)建、裝配、檢驗(yàn)和修正。二是采用人工建立的方法，對(duì)于中小規(guī)模的系統(tǒng)（元件與測(cè)點(diǎn)為幾百個(gè)以下)，可以在系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖上添加相應(yīng)的信號(hào)得到相應(yīng)的多信號(hào)模型圖。

2)多信號(hào)建模步驟。多信號(hào)建模一般需要以下五個(gè)步驟：一是輸入結(jié)構(gòu)模型，原理圖模型或概念方框圖。例如，在TEAMS中，結(jié)構(gòu)模型也可以通過(guò)VHDL結(jié)構(gòu)模型，EDIF連線表等自動(dòng)產(chǎn)生或通過(guò)圖形用戶界面直接輸入；二是對(duì)模塊和測(cè)試點(diǎn)增加信號(hào)。信號(hào)集可以從功能特性或傳遞函數(shù)中獨(dú)立變量發(fā)現(xiàn)。三是特殊情況下的修正模型。例如，（1)如果一個(gè)系統(tǒng)有一些組件能夠阻斷（block)一個(gè)信號(hào)集或完全故障，則應(yīng)為這些組件定義一個(gè)被阻斷信號(hào)集。（2)如果一個(gè)系統(tǒng)有一些組件能夠映射一個(gè)或多個(gè)信號(hào)到另一個(gè)信號(hào)子集，則需為這些組件定義一組映射函數(shù)。（3)如果一個(gè)復(fù)雜信號(hào)（或函數(shù))是由一組簡(jiǎn)單信號(hào)（或函數(shù))構(gòu)成，則可將這些簡(jiǎn)單（或底層)信號(hào)組合為一個(gè)復(fù)雜信號(hào)或超信號(hào)。四是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)測(cè)試數(shù)據(jù)與物理模型對(duì)多信號(hào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。（1)多信號(hào)模型的構(gòu)建可以由簡(jiǎn)而繁，逐步完善，即在開(kāi)始階段先根據(jù)一些常識(shí)性的知識(shí)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成構(gòu)建系統(tǒng)的初步模型，其后隨著對(duì)系統(tǒng)認(rèn)知的深入和應(yīng)用需求的提出，通過(guò)在已有模型上增加定義信號(hào)等逐步完善模型；（2)多信號(hào)模型的構(gòu)建與測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置無(wú)關(guān)；五是將武器裝備的多信號(hào)模型導(dǎo)出到Access數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 相關(guān)性矩陣的構(gòu)建

相關(guān)矩陣D＝ dij，是一種能夠反映各故障組元與測(cè)試信號(hào)之間相關(guān)性的模型，是相關(guān)模型的矩陣表示［5］。其結(jié)構(gòu)如下：

1)設(shè)系統(tǒng)故障數(shù)為M，其中包括故障組元數(shù)為L(zhǎng)，功能性故障為L(zhǎng)f，測(cè)試信號(hào)數(shù)為n，則相關(guān)矩陣為（L＋Lf)×n維；

2)矩陣中的第i行表示第i個(gè)功能模塊fi的故障向量，若dij＝1，則表示功能模塊異常影響信號(hào)sj；

3)第j列表示第j個(gè)測(cè)試信號(hào)sj，若dij＝1，則表示第j個(gè)信號(hào)sj可檢測(cè)到第fi個(gè)功能模塊異常。

該相關(guān)矩陣包含了系統(tǒng)一些基本信息，利用該信息可以解釋測(cè)試結(jié)果和診斷故障，以及在最短時(shí)間產(chǎn)生測(cè)試方案。

4.3 多信號(hào)模型故障診斷算法

由系統(tǒng)的多信號(hào)相關(guān)性模型得出相關(guān)矩陣以后，可在該矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)各測(cè)試的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行推理，判斷各個(gè)模塊所處的狀態(tài)。

故障診斷的推理的目的在于，將系統(tǒng)中各個(gè)模塊的狀態(tài)確定為以下四種中的任意一種：1)正常；2)故障；3)可疑；4)未知。推理的基本規(guī)則是：初始化，假設(shè)所有模塊狀態(tài)未知；若檢測(cè)某模塊的某測(cè)試通過(guò)，則該模塊狀態(tài)修改為正常；若檢測(cè)某模塊的某測(cè)試失敗，該模塊狀態(tài)修改為可疑；故障模塊從可疑模塊中通過(guò)去掉正常模塊得來(lái)。為描述方便，記為測(cè)試tj所檢測(cè)的故障組元（模塊)的集合，并且記：

A為所有模塊的集合；B為故障模塊的集合；S為可疑模塊的集合；U為未知模塊的集合；G為未正常模塊的集合；F＝｛ ｝為所有失敗測(cè)試所檢測(cè)的模塊移除正常模塊后的集合。實(shí)時(shí)故障診斷推理機(jī)基本算法如下所述：

第一步：初始化。將所有模塊狀態(tài)置為未知，即

第二步：處理通過(guò)的測(cè)試。

1)求所有通過(guò)測(cè)試所檢測(cè)模塊集的并集

2)找出新的正常模塊

3)更新故障集合，即從可疑模塊集合、未知模塊集合中移除正常模塊：

第三步：處理失敗測(cè)試。

1)存儲(chǔ)失敗測(cè)試所檢測(cè)的模塊集F＝｛fk｝←｛Tsk－G｝

2)將失敗測(cè)試所檢測(cè)的模塊集添加到可疑模塊集S←S∪｛fk｝，U←U－｛fk｝第四步：處理狀態(tài)待定的失敗測(cè)試所檢測(cè)的模塊集F

1)更新?tīng)顟B(tài)待定的失敗測(cè)試所檢測(cè)的模塊集F，即從F中移除新的正常模塊：

2)更新故障模塊集，即：

3)更新F，即移除新確認(rèn)的故障模塊；

如果fk∩ΔB≠Φ則從F中移除fk，因?yàn)榇藭r(shí)fk已經(jīng)屬于ΔB。

4.4 應(yīng)用舉例

例如，某艦載電子裝備系統(tǒng)由N個(gè)設(shè)備、信號(hào)接線箱、顯控臺(tái)、信號(hào)模擬器等多個(gè)分布式系統(tǒng)組成，可更換單元達(dá)數(shù)以百計(jì)之多?？蓽y(cè)試信號(hào)包括模擬量信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)、控制及觸發(fā)脈沖信號(hào)等［6］。

我們通過(guò)三個(gè)級(jí)別（分系統(tǒng)、分機(jī)、模塊)的多信號(hào)模型故障診斷有向圖，建立了武器系統(tǒng)故障診斷相關(guān)性矩陣，在ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中建立相應(yīng)的故障診斷表。被測(cè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集適配器送到測(cè)試主機(jī)，通過(guò)與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的正常值進(jìn)行比對(duì)，給出相應(yīng)的誤差范圍并以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式發(fā)送到故障診斷平臺(tái)，最后由故障診斷軟件根據(jù)具體故障信號(hào)特征給出與信號(hào)相關(guān)的武器裝備故障模塊。實(shí)踐證明，“綜合診斷”對(duì)解決武器裝備測(cè)試診斷、提高可靠性、降低裝備使用保障費(fèi)用具有重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合診斷是解決武器系統(tǒng)測(cè)試診斷問(wèn)題、提高武器系統(tǒng)綜合診斷能力、降低武器系統(tǒng)使用和保障費(fèi)用的有效途徑。多信號(hào)模型的建立要求建模的人員必須對(duì)所研究的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、分機(jī)、單板模塊及元件之間以及元件與測(cè)試點(diǎn)之間的邏輯控制關(guān)系深入了解，切合實(shí)際地建立多信號(hào)模型。在實(shí)際診斷推理過(guò)程中，可根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)矩陣，利用測(cè)試信號(hào)，不斷排除正常元件，最后得到發(fā)生故障的元件集合［7］。

［1］邵思杰，曹勇，李愛(ài)民.基于多信號(hào)模型的火控系統(tǒng)測(cè)試性分析與仿真驗(yàn)證 ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，CSCD，2012，（7)：19071909.

［2］許輝，梁力.基于多信號(hào)模型的測(cè)試性分析方法研究 ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，CSCD，2012，（4)：914916.

［3］司兵，袁勝智，李建華.多信號(hào)模型在某型裝備實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.儀器儀表用戶，2011，（6)：6164.

［4］張巧炫，龍兵，楊興霽.基于多信號(hào)模型的可測(cè)性指標(biāo)體系研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，（10)：811815.

［5］石君友，張?chǎng)危u天剛.多信號(hào)建模與診斷策略設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，EI CSCD，2011，（4)：1922.

［6］張強(qiáng)，胡駿，胡政，李鴻飛.基于多信號(hào)模型的航天器供電系統(tǒng)測(cè)試性建模與分析［J］.載人航天，CSCD，2012，（6)：3946.

［7］張帥，胡政.基于多信號(hào)模型的空間站某典型產(chǎn)品測(cè)試性建模與分析［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2011，（5)：4548.