基于多信號模型的電子裝備測試性分析

蘇瑞祥 張海鷹 薛紅

【摘要】對于復(fù)雜的電子裝備來說，有效的測試性分析有利于提高裝備測試效果。運用TEAMS測試性分析工具，通過建立分層有向圖表示系統(tǒng)屬性的因果關(guān)系來建立系統(tǒng)故障傳播特性的多信號模型，可高效地構(gòu)建復(fù)雜電子裝備的故障診斷模型，提高電子系統(tǒng)測試的故障隔離率和覆蓋率。測試結(jié)果證明，多信號模型建模方法簡單，診斷速度快，測試性評估效果好，可應(yīng)用于復(fù)雜電子系統(tǒng)的測試性設(shè)計、故障模式影響、故障診斷和測試性評估等，滿足現(xiàn)代復(fù)雜電子系統(tǒng)的故障診斷需求。

【關(guān)鍵詞】多信號模型;測試性分析;故障診斷;分層有向圖

Abstract：To complex electronic equipment，testability analysis is advantageous to improve test effect of equipment.During TEAMS testability，multi-signal model is built by a causal relationship of the system using a multilayer direction graph and used to describe TEAMS result of complex electronic equipment in fault spaces.TEAMS testability can build complex electronic equipments fault diagnosis model in highly efficient and flexible way，and also can improve electronic system fault isolation rate.In practice，TEAMS can be used to design complex electronic equipments testability，analysis fault model influence，diagnose fault and evaluate testability，adapt to the needs of fault diagnosis in complex electronic systems.

Key words：Multi-signal model; system testability; fault diagnosis; multilayer direction graph

1.引言

在大型復(fù)雜軍用武器裝備中，故障診斷的準確性、快速性、可靠性的要求更高，如何通過武器系統(tǒng)測試性分析來準確地判定產(chǎn)品工作狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障，使系統(tǒng)的監(jiān)控、測試與診斷簡便而且迅速，是提高武器裝備可維修性的重要途徑。基于TEAMS（testability engineering and maintenance system---測試性工程和維護系統(tǒng)）的多信號模型測試性分析工具是一種新型的系統(tǒng)測試性表示方法，是在單信號結(jié)構(gòu)模型上疊加相關(guān)模型的集合，利用分層有向圖表示系統(tǒng)屬性（結(jié)構(gòu)、規(guī)格等）的相關(guān)關(guān)系，對故障傳播特性建模的模型分析方法，可應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的測試性設(shè)計、故障模式影響與危害度分析、TPS開發(fā)、故障診斷和測試性評估等。基于多信號模型測試性分析，一方面有助于系統(tǒng)設(shè)計人員為系統(tǒng)提供更高故障檢測率和故障隔離率的，以及科學(xué)合理的測試接口，提高產(chǎn)品自診斷能力和外部診斷能力;另一方面也為自動測試設(shè)備（ATE）的設(shè)計人員提供綜合診斷方案設(shè)計的理論基礎(chǔ)，方便有效地確定產(chǎn)品狀態(tài)和隔離故障。

2.測試性分析模型的建立

多信號模型在形式上與系統(tǒng)的原理圖近似，其中“信號”等同于傳遞函數(shù)中的獨立變量，或者組成系統(tǒng)性能規(guī)范的相互區(qū)分的屬性， TEAMS利用模塊化推理的優(yōu)點和能力，通過參數(shù)反饋、方法更新和專家輸入等手段，使得系統(tǒng)測試和維護的解決方案逐步完善。TEAMS可用來對大規(guī)模相互連接系統(tǒng)進行多信號建模，并得到元件與測試間的依賴關(guān)系，簡化了裝備的復(fù)雜性、故障容錯率。

2.1 構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

在電子系統(tǒng)中，所有可能的信號數(shù)量是一個可數(shù)集，在測試性分析中，“信號”之間力求區(qū)分明顯和相互獨立，確保一個信號存在故障而不影響其他信號。

在TEAMS軟件中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型能夠從圖形用戶界面直接構(gòu)建。TEAMS支持支持SYSTEM、SUBSYSTEM、LRU、SRU、MODULE、SUBMODULE、COMPONENT、FAILURE八個層（如圖1所示）。

對于復(fù)雜電子系統(tǒng)，可以通過結(jié)合實際需求對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進行逐級分解的方法來構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。系統(tǒng)模型的最低一級可以根據(jù)需要劃分到現(xiàn)場可更換單元（LRU）或者SRU，即為現(xiàn)場可更換的模塊/組件/電路板。LRU的確定是根據(jù)實際的維修需要而確定的，有時需要把復(fù)雜度較大同時在現(xiàn)場難以深入維修的組合甚至機柜作為LRU層，有時又需要把部分分離元器件分別作為LRU處理，盡量把現(xiàn)場維修的時間縮短到最短，更換的電路單元規(guī)模降到最小。

例如某導(dǎo)航系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)可以與TEAMS多信號模型建立如下對應(yīng)關(guān)系：導(dǎo)航系統(tǒng)為系統(tǒng)模塊對應(yīng)system層，下面包含分機柜子系統(tǒng)對應(yīng)subsystem層，而分機柜子系統(tǒng)下又可能包含分機柜抽屜子系統(tǒng)，其對應(yīng)模型級別同樣為subsystem層，在各種子系統(tǒng)下又包含現(xiàn)場可更換的模塊/組件/電路板，其對應(yīng)層TEAMS多信號模型的LRU層。

圖1 多信號模型層次結(jié)構(gòu)

2.2 測試點上信號的添加

通過分析模型系統(tǒng)的系統(tǒng)級功能，并關(guān)聯(lián)到多信號模型中的最低一級模塊，建立完整的信號走向圖，通過信號集將任何獨特的屬性都可定義一個相聯(lián)系的信號。例如，在某導(dǎo)航系統(tǒng)中，信號接收可分為對數(shù)接收、線性接收、導(dǎo)航接收等通道，如果系統(tǒng)功能只有一個接收功能的話，其故障診斷策略樹必須覆蓋對數(shù)接收、線性接收、導(dǎo)航接收等通道，需要測試的點較多、測試時間較長，如果將系統(tǒng)功能設(shè)為對數(shù)接收功能、線性接收功能、導(dǎo)航接收功能，就可以通過對系統(tǒng)功能的檢查將原故障診斷策略樹分為三棵小樹，大大減小了故障診斷策略樹的規(guī)模，縮短了測試時間。

2.3 模型有效性驗證

多信號模型的構(gòu)建效果可以從以下2個方面來驗證。①多信號模型的構(gòu)建可以由簡而繁，逐步完善，即在開始階段先根據(jù)一些常識性的知識和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成構(gòu)建系統(tǒng)的初步模型，其后隨著對系統(tǒng)認知的深入和應(yīng)用需求的提出，通過在已有模型上增加定義信號等逐步完善模型;②多信號模型的構(gòu)建與測試點的設(shè)置無關(guān)。

2.4 測試性設(shè)計指標

應(yīng)用多信號模型進行測試性分析的內(nèi)容和流程如圖2所示。

圖2 電子裝備測試性分析流程

首先根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計以及測試方案構(gòu)建系統(tǒng)的多信號模型，由多信號模型能夠完成反饋回路分析，基于多信號模型可以生成故障--測試相關(guān)矩陣，進一步完成產(chǎn)品的單故障特性分析、多故障特性分析和測試性參數(shù)分析。評價測試方案兩個重要的指標是故障檢測率（FDR）和故障隔離率（FIR）。

故障檢測率（FDR）可表示為：

FDR=ND/N×100%

式中，ND為在規(guī)定條件下正確檢測出的故障數(shù);N為在規(guī)定工作時間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)。

故障隔離率（FIR）可表示為：

FIR=NL/ND×100%

式中，NL為正確隔離到L個單元的故障數(shù)。

3.某型導(dǎo)航設(shè)備測試性分析的實現(xiàn)

3.1 TEAMS系統(tǒng)測試性指標分析

在進行某型導(dǎo)航測試性指標分析，根據(jù)設(shè)備各個組成部分的結(jié)構(gòu)特征和功能，建立多信號模型，運用TEAMS系統(tǒng)輸入自身的BITE以及系統(tǒng)預(yù)留測試點作為系統(tǒng)的測試診斷方案，建立故障-測試矩陣，對電臺的故障檢測率和故障隔離率進行定義，運行TEAMS系統(tǒng)，得到電臺的測試性設(shè)計評估結(jié)果為：故障覆蓋率（Percentage Fault Detection）為88.89%，故障隔離率（Percentage Fault Isolation）為38.50%。

3.2 測試性指標分析的改進

由于故障隔離率較低，結(jié)合實際維修情況，需要對測試點添加位置進行取舍，取舍原則是容易完成測試的測試點優(yōu)先添加，測試過程復(fù)雜且用時較長的測試點放在其次，對于無法完成測試的測試點要堅決剔除。在測試性改進過程中，TEAMS軟件會針對冗余測試進行提醒，將相關(guān)測試點從測試診斷方案中剔除。同時，TEAMS軟件也會對故障測試無法覆蓋的模塊進行提示。通過對設(shè)備測試性設(shè)計的改進，得出最終的測試方案，TEAMS評估結(jié)果如圖3所示，可以看到其測試性指標已經(jīng)得到極大的改觀。

從圖3可以看出，故障覆蓋率為100.00%;故障隔離率為100.00%。

根據(jù)TEAMS生成的測試性改進后的指標可以看到：該導(dǎo)航設(shè)備如果按照改進后的測試性設(shè)計作為測試診斷方案， TEAMS系統(tǒng)最終給出的故障覆蓋率可以達到100%，即在該設(shè)備的現(xiàn)場故障診斷中，通過對改進后測試點的測試，可以對設(shè)備的各個組成部分和所有的測試點進行測試性分析。而設(shè)備的故障隔離率也達到了100%，說明通過TEAMS系統(tǒng)可以進行故障準確診斷和定位。

4.結(jié)論

電子系統(tǒng)的多信號模型的建立和測試性的分析評估是故障診斷工作的基礎(chǔ)，其目標是實現(xiàn)電子系統(tǒng)的最優(yōu)故障測試診斷工作。作為測試技術(shù)的核心，故障診斷策略是指故障檢測和隔離時的測試順序?；诙嘈盘柲Ｐ偷脑\斷策略的設(shè)計是在被測對象多信號模型基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)的測試優(yōu)選算法，以測試選出的先后順序制定診斷測試策略。在測試性設(shè)計改進結(jié)束后，TEAMS軟件可根據(jù)維修需要和測試診斷知識生成不同等級、不同診斷要素所需的測試診斷數(shù)據(jù)和診斷內(nèi)容，根據(jù)人工智能算法自動生成最優(yōu)化的診斷策略二叉樹，通過對該診斷二叉樹的查詢和遍歷，維修人員可以很方便地判斷并隔離出故障。

總之，采用多信號模型描述復(fù)雜電子裝備的因果依賴關(guān)系，在故障空間使用TEAMS進行建模，可高效靈活地構(gòu)建復(fù)雜電子裝備的故障診斷模型，提高電子系統(tǒng)的故障隔離率。該方法診斷速度快，能適應(yīng)復(fù)雜電子系統(tǒng)的故障診斷。

參考文獻

[1]馮廣斌，連光耀，黃考利.一種基于多信號模型的測試性分析系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2104-2104.

[2]張巧炫.龍兵.楊興霽.基于多信號模型的可測性指標體系研究[J].電子測量技術(shù)，2011，34（10）：19-22.

[3]石君友，張鑫，鄒天剛.多信號建模與診斷策略設(shè)計技術(shù)應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33（4）：811-815.

[4]司兵，袁勝智，李建華.多信號模型在某型裝備實時診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2011，18（6）：61-64.

[5]楊智勇，許愛強，王子玲.對多信號模型中故障模式建模方法的改進研究[J].微計算機信息，2009，25（4）：151-152.