基于改進多信號流模型的運載火箭電氣系統(tǒng)測試性評估

汪芊芊，王海濤，藍 鯤

基于改進多信號流模型的運載火箭電氣系統(tǒng)測試性評估

汪芊芊，王海濤，藍 鯤

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

對現(xiàn)有測試性建模方法在運載火箭電氣系統(tǒng)測試性評估的應用上存在的不足進行分析。針對運載火箭電氣系統(tǒng)不同的測試狀態(tài)，提出基于多信號流模型的多模型綜合測試性評估方法；并結合運載火箭電氣系統(tǒng)的實際故障模式及測試特點，考慮多故障模式及多值測試，對多信號流模型進行改進，得到基于改進多信號流模型的多模型綜合評估方法，并給出了具體的評估流程。以運載火箭時序控制系統(tǒng)為例進行了驗證，結果表明，基于改進多信號流模型的多模型綜合評估方法能夠更為準確地對運載火箭電氣系統(tǒng)故障空間及測試狀態(tài)進行建模，對運載火箭電氣系統(tǒng)的測試性評估有效。

改進多信號流模型；多模型綜合；測試性評估

0 引 言

測試性是指能夠及時準確、經(jīng)濟有效地確定被測試系統(tǒng)內部工作狀態(tài)（可工作、不工作或性能下降），并能隔離其內部故障的一種設計特性[1]。面對當前高密度、高可靠、高效率的發(fā)射需求，提高運載火箭的測試性已成為運載火箭研制的迫切要求。電氣系統(tǒng)作為箭上關鍵系統(tǒng)，應在設計過程中對其測試性進行分析與評估，獲得量化的測試性指標。

當前的測試性評估模型主要包括相關性模型[2～4]和虛擬樣機模型[5～7]，研究最為成熟的是多信號流模型，由Somnath和Pattipati于1994年提出[4]。該模型將故障與測試以信號為紐帶聯(lián)系起來，表現(xiàn)系統(tǒng)的故障空間，在測試性評估領域獲得了廣泛應用[8～11]。但傳統(tǒng)的多信號流模型僅對單一狀態(tài)進行建模，無法區(qū)分運載火箭不同的測試狀態(tài)；且假設條件過于苛刻，無法全面準確地描述運載火箭測試系統(tǒng)的多故障模式及多值測試。因此，無法直接用于運載火箭的測試性評估中。

本文針對運載火箭電氣系統(tǒng)不同的測試狀態(tài)，提出基于多信號流模型的多模型綜合評估方法，并結合實際測試特點對多信號流模型進行改進，以運載火箭時序控制系統(tǒng)為例驗證了該方法的有效性。

1 基于改進多信號流模型的多模型綜合評估

1.1 多信號流模型

多信號流模型是一種圖形化測試性評估模型，利用有向圖表示被測對象的組成單元、測試以及被測對象性能特征之間的相關關系，主要元素包括：a）系統(tǒng)組成模塊集合C={c1, c2,…,cl}；b）系統(tǒng)各模塊的故障模式f={f1,f2,…,fm}；c）與模塊故障相關的信號集合S={s1, s2,…,sn}；d）系統(tǒng)可用的測試有限集合T={t1, t2,…,tn}；e）有向圖DG={C, T, E}，其中有向圖的邊E表示系統(tǒng)各模塊及測試間的連接關系。

將多信號流模型用數(shù)學形式表達，則形成了故障-測試相關性矩陣D。D為系統(tǒng)故障與測試間定性關系的一種矩陣表示，其基本形式為[4]

式中 m為系統(tǒng)的故障模式數(shù)目；n為系統(tǒng)采用的測試數(shù)目；dij為故障Fi與測試tj之間的相關性，若二者相關，則dij=1，否則dij=0。

1.2 基于多信號流模型的多模型綜合評估方法

在運載火箭電氣系統(tǒng)的測試過程中，需根據(jù)測試要求改變測試對象的狀態(tài)，并施加相應的測試，本文提出多模型綜合的測試性評估方法如下：

a）測試狀態(tài)獨立建模：區(qū)分評估對象不同階段的不同測試狀態(tài)，分析評估對象在各個測試狀態(tài)下模塊的連接關系、工作狀態(tài)、可施加測試等相關信息，并對各個測試狀態(tài)單獨建模。

b）評估結果綜合分析：根據(jù)各個測試狀態(tài)的測試性模型分析各測試狀態(tài)下評估對象的測試性參數(shù)，獲得在所有測試狀態(tài)均實現(xiàn)的情況下，評估對象的綜合測試性指標。

多模型綜合評估方法將運載火箭電氣系統(tǒng)的測試性評估細化，避免了直接對單一狀態(tài)建?？赡軐е碌臏y點無法同時施加的問題，使建模思路更加清晰。

1.3 多信號流模型改進

傳統(tǒng)的多信號流模型將實際系統(tǒng)進行簡化[4]：

a）每個模塊只考慮一種功能故障和一種全局故障。

b）系統(tǒng)各個測試均為二值測試，即測試結果只有通過和不通過。但對于運載火箭電氣系統(tǒng)來說，同一模塊可能發(fā)生多種功能故障，且十分關注具體故障模式；而運載火箭的測試實施難度大，更為關注具體的測試結果，并利用不同測試結果反映不同的故障?？梢?，傳統(tǒng)多信號流模型對于運載火箭電氣系統(tǒng)各個測試狀態(tài)的測試性建模并不完全適用。

本文針對運載火箭電氣系統(tǒng)多故障模式及多值測試的特點，提出了改進的多信號流模型，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

a）考慮系統(tǒng)模塊的多種故障模式。對系統(tǒng)中的各個模塊，根據(jù)實際的故障模式定義多個功能故障，各個功能故障根據(jù)故障產(chǎn)生的原因及影響來關聯(lián)相應的信號，并以故障所關聯(lián)的信號來區(qū)分同一模塊的不同功能故障。

b）考慮多值測試。對于有多個輸出值的測試，其測試結果不僅僅定義為通過（0）和不通過（1），而是根據(jù)實際的測試輸出及測試與故障之間的關聯(lián)關系，將測試結果定義為多值，并分別與不同的信號相關聯(lián)。具體定義規(guī)則為：0代表測試通過；1，2，3，…，n分別代表測試不通過時的不同測試結果（數(shù)字無具體意義，僅用于區(qū)分同一測試的不同測試結果）。

1.4 基于改進多信號流模型的多模型綜合評估流程

基于改進多信號流模型的多模型綜合評估方法的評估流程如圖1所示。

圖1 多模型綜合評估方法

a）劃分系統(tǒng)模塊。故障診斷的目的是尋找可以整體更換的故障模塊，因此需根據(jù)實際測試及維修條件將系統(tǒng)劃分為多個模塊，并梳理各個模塊間的關聯(lián)關系。

b）故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）。通過FMEA分析，確定各個模塊所有可能的故障模式，以及每個故障模式的影響。

c）關聯(lián)故障模式與信號。根據(jù)FMEA分析結果，考慮每個故障模式產(chǎn)生的原因及影響，獲取與之相關的獨立信號集，將故障模式與信號相關聯(lián)。

d）梳理測試種類及測試狀態(tài)。整理運載火箭電氣系統(tǒng)的測試方法及各個測試方法所要求的測試狀態(tài)，并根據(jù)測試內容及輸出結果將測試點與信號關聯(lián)。

e）建立系統(tǒng)各個測試狀態(tài)下的多信號流模型。對于每一種測試狀態(tài)si，選取該測試狀態(tài)下的測試集T(si)={ti}（ti為可以在測試狀態(tài)s下進行的測試），建立系統(tǒng)在該測試狀態(tài)下的多信號流模型。

f）生成各測試狀態(tài)下的矩陣D。由系統(tǒng)各個測試狀態(tài)的多信號流模型生成相應矩陣D[4]，根據(jù)式（2）對各測試狀態(tài)si的矩陣D(si)m×n賦值：

g）生成綜合矩陣D。根據(jù)式（3）將各個測試狀態(tài)下的矩陣D的元素進行“或”運算，獲得綜合矩陣D。

h）相關性矩陣分析。根據(jù)相關矩陣分析方法[4]，利用綜合矩陣D測試性參數(shù)計算，并對未檢測故障、未隔離故障及冗余測試進行分析，獲得測試性評估結果。測試性參數(shù)是對測試性特性的描述，其中，故障檢測率及故障隔離率是運載火箭測試性評估關注的主要指標[1]。

故障檢測率FDR為在規(guī)定的時間內，用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)與被測單元發(fā)生的故障總數(shù)之比。其定量數(shù)學模型為

式中TN為實際發(fā)生的故障數(shù)；DN為正確檢測到的故障數(shù)。

故障隔離率FIR為在規(guī)定的時間內，用規(guī)定的方法將故障正確隔離到小于等于L個單元的故障數(shù)與同一時間內檢測到的故障數(shù)之比（L為故障隔離模糊度）。其定量數(shù)學模型為

式中LN為正確隔離到故障隔離模糊度為L的故障數(shù)；DN為正確檢測到的故障數(shù)。

2 多模型綜合評估方法的應用

2.1 時序控制系統(tǒng)的測試性需求及結構分析

時序控制系統(tǒng)是實現(xiàn)火箭按照預定時序執(zhí)行相應動作的關鍵分系統(tǒng)，需要保證較高的可靠性和測試性。目前，運載火箭時序控制系統(tǒng)的測試項目多依據(jù)設計人員的經(jīng)驗進行安排，未從理論上論證其測試性水平，缺少量化的測試性指標。因此，本文采用基于改進多信號流模型的多模型綜合評估方法，針對時序控制系統(tǒng)的典型故障模式開展測試性分析與評估。

運載火箭電氣系統(tǒng)的時序控制系統(tǒng)一般由電源、時序控制裝置、時序輸出裝置、時序執(zhí)行裝置及保護電阻組成。本文選取某型號典型電路作為具體研究對象，結構如圖2所示。時序控制裝置發(fā)出時序控制信號，通過時序輸出裝置對時序執(zhí)行裝置（雙橋火工品）進行時序控制。

圖2 時序控制系統(tǒng)電路

2.2 時序控制系統(tǒng)的多模型綜合評估

根據(jù)時序控制系統(tǒng)的測試及診斷要求，從單機層面進行測試性分析。對時序控制系統(tǒng)進行FMEA分析，結果如表1所示。測試方法及與測試狀態(tài)的對應關系如表2所示。

表1 火工品控制回路的FMEA分析

表2 火工品控制回路的測試與信號關聯(lián)關系

針對時序控制回路的3種測試狀態(tài)，分別建立改進多信號流模型。以等效器測試狀態(tài)1s為例，選取在1s狀態(tài)下可以施加的測試Ts1={t1, t2, t3, t4}，在Matlab平臺上建立的多信號流模型如圖3所示。

圖3 時序控制系統(tǒng)初始狀態(tài)的改進多信號流模型

根據(jù)各個測試狀態(tài)的多信號流模型，利用式（2）生成各測試狀態(tài)下的矩陣D分別為

根據(jù)式（3）對各擴展矩陣D進行綜合分析，得到綜合矩陣D如表3所示。

基于綜合矩陣D，對時序控制系統(tǒng)進行測試性分析與評估，結果如表4所示。

從時序控制系統(tǒng)的測試性評估結果可見：已有的總體測試項目對于時序控制系統(tǒng)的故障檢測率為100%，能夠完全覆蓋系統(tǒng)的主要故障模式，避免了由于系統(tǒng)故障漏檢而導致的測試任務失??；然而故障隔離率僅為75%，主要為火工品的左橋保護電阻及右橋保護電阻的斷路故障無法隔離，需在保護電阻單元測試階段對保護電阻的通斷及阻值進行詳細測試，確保裝箭前保護電阻無故障。

表3 時序控制系統(tǒng)的綜合矩陣D

表4 時序控制系統(tǒng)測試性評估結果

3 結 論

本文結合運載火箭電氣系統(tǒng)的實際故障模式和測試特點，提出基于改進多信號流模型的多模型綜合測試性評估方法，通過驗證得出以下結論：

a）改進的多信號流模型分析多故障模式及多值測試時，將故障直接與信號關聯(lián)，更為準確地對運載火箭電氣系統(tǒng)的故障空間進行建模；同時詳細描述了測試的多值輸出，保留了測試信息，對于系統(tǒng)的測試性參數(shù)的評估更為準確。

b）基于改進多信號流模型的多模型綜合評估方法展示了運載火箭電氣系統(tǒng)不同測試狀態(tài)下的測試情況，更貼近運載火箭的實際測試模式，使建模思路更加簡單清晰，降低了大型復雜系統(tǒng)的建模難度，對運載火箭電氣系統(tǒng)的評估具有通用性。

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Research on Testability Analysis of Electric System in Launch Vehicle Based on Improved Multi-signal Flow Graphs Model

Wang Qian-qian, Wang Hai-tao, Lan Kun
(Beijing Ιnstitute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Existed methods of testability analysis are not suitable for electric system in launch vehicle. Considering the different test states of electric system, a multi-model synthesis method based on multi-signal flow graphs model was proposed. Meanwhile, the traditional multi-signal flow graphs model was improved on the basis of the multi-fault and the multi-value test of electric system. A timing sequence control system was taken as an example for modeling. The result shows that this method models the defective space and test states of electric system more accurately, and is effective for testability analysis of electric system.

Ιmproved multi-signal flow graphs; Multi-model synthesis; Testability analysis

TP391.9

A

1004-7182(2017)04-0021-05

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170406

2016-08-01；

2016-09-28

汪芊芊（1992-），女，助理工程師，主要研究方向為測試性分析與評估