測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的故障注入方法優(yōu)化研究

(1.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì) 41分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；2.中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì) 43分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著艦炮制導(dǎo)彈藥的發(fā)展，其測(cè)試性作為質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重要特性，以及維修保障性能的主要設(shè)計(jì)特性之一，越來(lái)越引起使用方和承制方的重視。測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)是艦炮制導(dǎo)彈藥測(cè)試性水平的主要驗(yàn)證手段，故障注入作為驗(yàn)證測(cè)試性水平的一種有效方法，受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視，如何進(jìn)行故障注入方法的優(yōu)化和減少故障注入的成本成為亟待解決的問(wèn)題。故障注入是指人為地產(chǎn)生故障，以加速系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或失效，其方法一般分為基于硬件的故障注入、基于軟件的故障注入和基于仿真的故障注入。以上三種方法各有優(yōu)劣，直接對(duì)硬件進(jìn)行故障注入雖然獲得結(jié)果相對(duì)真實(shí)，但會(huì)對(duì)裝備造成損傷；軟件故障注入成本較低，而且不會(huì)對(duì)裝備造成損傷，但是可實(shí)現(xiàn)的故障有限；基于仿真的故障注入雖然可以解決故障注入量的問(wèn)題，但準(zhǔn)確性不高、可信度差。

工程研究人員開(kāi)發(fā)了大量的故障注入系統(tǒng)，用于驗(yàn)證裝備或系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性。韓國(guó)航空大學(xué)提出了基于System C運(yùn)行高效的混合故障注入環(huán)境SyFI[1]。Jin-fu Chen[2]等提出了一種基于故障注入模型的測(cè)試策略，可有效檢測(cè)組件漏洞，且故障檢測(cè)率大于90%。Shao C[3]等提出了一種針對(duì)故障注入的加密電路安全測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。Wang G H[4]等建立了一種基于故障注入的可測(cè)試演示平臺(tái)，能提高測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的效率。Arasteh B[5]等提出了一種基于使用遺傳算法的軟件故障注入方法，比隨機(jī)注入的結(jié)果更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確。Yang C[6]等提出了一種引傳動(dòng)控制系統(tǒng)安全檢測(cè)與故障診斷的故障注入策略。Wu J[7]等提出了一種混合故障注入模型，評(píng)估了故障預(yù)測(cè)模型。Li H[8]等提出了一種等效故障選擇方法，解決了測(cè)試性試驗(yàn)中部分故障模式不能注入的問(wèn)題，對(duì)比等效故障和原故障發(fā)現(xiàn)此等效故障選擇方法是可行的。Cui X[9]等運(yùn)用ATPG方法得到了尋找最優(yōu)等效故障模式的方法。陳然[10]等提出基于層次模型的可更換模塊故障注入方法，有效解決了測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)中故障不可充分注入的問(wèn)題。江建慧[11]分析了故障傳遞特性，并深入研究了故障傳播機(jī)理。針對(duì)關(guān)聯(lián)復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷問(wèn)題，宋志平[12]等提出了用狀態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣建立狀態(tài)樹(shù)，對(duì)故障傳遞特性進(jìn)行補(bǔ)充。陳杰[13]等提出了一種基于故障傳遞矩陣的故障隔離方法，有效解決了復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的問(wèn)題。李天梅[14]等分析了故障之間的傳遞特性，運(yùn)用貝葉斯信度傳播算法理論，提出了位置不可訪問(wèn)的故障注入方法，提高了故障覆蓋率。

1 故障注入方法優(yōu)化分析

由于某型艦炮制導(dǎo)彈藥存在部分故障無(wú)法注入的問(wèn)題，因此可通過(guò)研究故障傳遞特性，得到測(cè)試性等效故障，然后用等效故障代替無(wú)法注入的故障，提高故障覆蓋率。

1.1 故障與狀態(tài)間的關(guān)系

根據(jù)被試裝備研制總要求規(guī)定的測(cè)試性指標(biāo)，按照GJB2072-94[15]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試性考核，當(dāng)自然故障樣本量不足時(shí)，須采用模擬故障的方式，以滿(mǎn)足樣本量需要。假設(shè)從某型艦炮制導(dǎo)彈藥的故障樣本中抽取n個(gè)故障模式進(jìn)行故障注入，組成故障集F。

F={f1,f2,...,fi,...,fn}

(1)

UUT的狀態(tài)由m個(gè)信號(hào)參數(shù)組成，用向量V表示：

V={v1,v2,...,vi,...,vm}

(2)

得到故障與狀態(tài)的相關(guān)矩陣RFV如下：

(3)

式(3)中，rij表示故障與狀態(tài)參數(shù)之間的相關(guān)性，取值為1或0。當(dāng)rij=1時(shí)，該故障的發(fā)生會(huì)引起狀態(tài)參數(shù)突變；當(dāng)rij=0時(shí)，則相反。

1.2 故障間的相關(guān)性分析

由于系統(tǒng)各部件之間聯(lián)系緊密，一個(gè)部件的故障必然會(huì)引起其狀態(tài)信號(hào)異常，可能導(dǎo)致下一個(gè)或幾個(gè)相鄰部件同時(shí)發(fā)生故障，因此，故障是具有傳播特性的。通過(guò)故障所對(duì)應(yīng)的故障狀態(tài)信號(hào)分析，可以得到基于測(cè)試性的等效故障矩陣EFF：

2)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身靜止時(shí)，橫滾角和俯仰角均在0.4°以?xún)?nèi)，航向角的變化在0.2°以?xún)?nèi)；在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，航向角的變化曲線基本與旋轉(zhuǎn)臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)的方位角曲線斜率相同。

(4)

式(4)中，eij代表故障fi與故障fj之間的等效關(guān)系，取值為1或0。當(dāng)eij=1時(shí)，表示兩個(gè)故障引起的狀態(tài)變化相同，那么故障fi是故障fj的一個(gè)等效故障；當(dāng)eij=0時(shí)，則兩個(gè)故障不是等效故障。

為了進(jìn)一步描述故障與狀態(tài)、故障與故障之間的準(zhǔn)確關(guān)系，需要確定矩陣RFV和EFF中元素的值。RFV可通過(guò)模糊概率Petri網(wǎng)[16]以及相關(guān)算法得到。由于某型艦炮制導(dǎo)彈藥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障之間的關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，存在很多不確定因素，需要借助貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)傳播算法確定EFF。

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)傳播算法

多樹(shù)傳播算法是指在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中每處節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)處理器[17]，綜合相鄰節(jié)點(diǎn)傳遞的故障信息以及處理器內(nèi)部的條件概率信息進(jìn)行計(jì)算，求出各節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率值，然后按照此規(guī)律繼續(xù)傳播。

假設(shè)在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，各變量取值為1或0，其中“1”表示發(fā)生故障或處于故障狀態(tài)，“0”表示未發(fā)生故障或處于正常狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)B可表示為有限集B=(B1,B2)，且B1與B2互斥，其中B1=1，B2=0。Bi(i=1,2)的信度計(jì)算公式如下：

BEL(Bi)=τφ(Bi)θ(Bi)

(5)

定義1：故障行為狀態(tài)向量(BC)

在1.1節(jié)中的矩陣RFV中的第i行中所有取值為1的元素組成的向量組成故障fi對(duì)應(yīng)的行為狀態(tài)向量BCi。

在網(wǎng)絡(luò)推理中，修改節(jié)點(diǎn)B的信度大小時(shí)需要考慮其父節(jié)點(diǎn)A的傳遞信息θB(A)以及各子節(jié)點(diǎn)的傳遞信息φ1(B)，φ2(B)，…

(6)

式(6)中，μ為歸一化因子。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)傳遞中，信度可傳遞給子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)，從子節(jié)點(diǎn)B自下而上傳遞給其父節(jié)點(diǎn)A的信息如式(7)：

(7)

從父節(jié)點(diǎn)A自上而下傳遞給子節(jié)點(diǎn)B的信息如式(8)：

(8)

先按照式(7)計(jì)算自下而上向父節(jié)點(diǎn)傳遞的信息為φ，然后根據(jù)式(8)計(jì)算自上而下向子節(jié)點(diǎn)傳遞的信息θ，按照此方法計(jì)算全部節(jié)點(diǎn)的信息，根據(jù)式(5)可計(jì)算得到各故障節(jié)點(diǎn)的信度值。如果計(jì)算得到的信度值高于其先驗(yàn)值，則求解此故障對(duì)應(yīng)的行為狀態(tài)向量BCi′，并與已經(jīng)得出的行為狀態(tài)向量BCi對(duì)比，如果滿(mǎn)足BCi=BCi′，則兩個(gè)故障互為等效故障，且在等效矩陣EFF中的對(duì)應(yīng)元素為1；相反，則對(duì)應(yīng)元素為0。根據(jù)以上的方法進(jìn)行多次計(jì)算，可得到故障等效矩陣EFF。那么，等效故障也能清晰地在矩陣EFF上反映出來(lái)。

3 案例分析

3.1 某型艦炮制導(dǎo)彈藥主要故障模式分析

根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，發(fā)現(xiàn)射擊試驗(yàn)的主要故障是近彈(未達(dá)到目標(biāo)所在位置提前掉地)，成為試驗(yàn)失敗的主要原因[18]。制導(dǎo)彈藥首次投入戰(zhàn)爭(zhēng)是在1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，由于探測(cè)器件、慣性器件、電子器件、控制器件及動(dòng)力裝置等部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在快速發(fā)展和受到廣泛關(guān)注的同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題。

故障樹(shù)分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA)是系統(tǒng)可靠性分析和故障診斷的一種有效方法。將某型艦炮制導(dǎo)彈藥的故障現(xiàn)象進(jìn)行故障樹(shù)分析，得到導(dǎo)致這一現(xiàn)象的具體故障模式，作為改進(jìn)彈藥性能的重要參考，進(jìn)一步提升其可靠性與作戰(zhàn)效能。具體如圖1所示。

3.2 電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)FMECA分析

故障模式、影響和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)一般根據(jù)工程實(shí)踐與總結(jié)得到。分析各子系統(tǒng)或子單元的故障模式對(duì)裝備或系統(tǒng)的影響，得到裝備系統(tǒng)性的故障列表，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的重要單元和薄弱環(huán)節(jié)，用于改進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)。

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)作為某型艦炮制導(dǎo)彈藥的主要功能部件，在控制炮彈飛行彈道和增加射程方面具有舉足輕重的作用。經(jīng)過(guò)理論分析和調(diào)研實(shí)踐，得到其FMECA分析如表1所示。

3.3 基于硬件和軟件的混合故障注入

根據(jù)3.1節(jié)中某型艦炮制導(dǎo)彈藥的故障模式分析，從故障樣本中抽取了主要的故障模式進(jìn)行注入，具體情況如表2所示：

表2中“成功隔離次數(shù)”指故障被準(zhǔn)確隔離到LRU的次數(shù)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)顯示，基于硬件和軟件實(shí)現(xiàn)的故障注入總次數(shù)為154次，被成功檢測(cè)且隔離的次數(shù)為119次。此外，存在3個(gè)故障模式無(wú)法注入，測(cè)試的覆蓋率為77.3%，故障注入率為85.7%，難以滿(mǎn)足測(cè)試性驗(yàn)證的要求。

3.4 運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)傳播算法求解等效故障

前面介紹了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)信度傳播算法，這一節(jié)以某型艦炮制導(dǎo)彈藥各子系統(tǒng)的故障模式為例進(jìn)行分析和計(jì)算。

圖1 某型艦炮制導(dǎo)彈藥故障樹(shù)分析

功能模塊功能故障模式故障原因影響檢測(cè)方法24V直流電源提供24V電壓無(wú)電壓輸出或電壓過(guò)高或過(guò)低線路或接地端電阻損壞舵機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作電壓值測(cè)量控制驅(qū)動(dòng)器接收彈載計(jì)算機(jī)的控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)不按照指令轉(zhuǎn)動(dòng)控制電纜斷路或控制模式出錯(cuò)(選擇位置控制模式)無(wú)法按照控制指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)檢查電纜和控制模式設(shè)置直流無(wú)刷電機(jī)為舵機(jī)系統(tǒng)提供扭矩扭矩或轉(zhuǎn)速異?？刂茀?shù)選用不當(dāng)或繞組損壞舵效降低,系統(tǒng)滯后控制參數(shù)調(diào)整或電流和電阻值測(cè)量舵片張開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)打開(kāi)和固定舵片舵片抖動(dòng)或卡死裝配異常或結(jié)構(gòu)尺寸超差舵片無(wú)法張開(kāi)或轉(zhuǎn)動(dòng)觀察裝配間隙減速器扭矩傳遞減速器打滑或轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻安裝配合不精密扭矩輸出不正常觀察和尺寸檢測(cè)反饋電位器反饋舵片偏轉(zhuǎn)角度電位器反饋信息不穩(wěn)定電位器磨損、接觸不良或短接反饋異常,影響準(zhǔn)確判斷電阻值測(cè)量和線性度測(cè)量

以表2中電動(dòng)舵機(jī)的“齒輪間隙過(guò)大f1”、“輪齒斷裂f2”和“軸承失效f3”三個(gè)的常見(jiàn)故障模式進(jìn)行分析，這三個(gè)故障對(duì)應(yīng)的主要狀態(tài)信號(hào)為“轉(zhuǎn)速信號(hào)g1”、“噪聲信號(hào)g2”、“振動(dòng)信號(hào)g3”和“溫度信號(hào)g4”。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得出故障與信號(hào)的關(guān)系如圖2所示。

表2 某型艦炮制導(dǎo)彈藥故障模式混合注入

圖2 故障模式與狀態(tài)信號(hào)的關(guān)系

在試驗(yàn)信息的基礎(chǔ)上得到貝葉斯推理的故障概率信息如下：

(9)

(10)

(11)

(12)

假設(shè)故障f1為已知的故障節(jié)點(diǎn)，且故障率為0.70，根據(jù)信度傳遞中貝葉斯條件概率計(jì)算得到各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的信度大小如表3所示。

從表3中可以看出，在故障f1發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)速信號(hào)g1和噪聲信號(hào)g2的故障信度超過(guò)了閾值。根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得到的貝葉斯反向推理網(wǎng)絡(luò)的條件概率如下：

表3 各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)信度大小和信度閾值

(13)

(14)

(15)

(16)

假設(shè)在轉(zhuǎn)速信號(hào)g1和噪聲信號(hào)g2的出現(xiàn)異常的概率均為0.70，經(jīng)過(guò)信度傳遞算法計(jì)算得到各故障節(jié)點(diǎn)的信度大小如表4所示。

表4 各故障節(jié)點(diǎn)信度大小和閾值

在轉(zhuǎn)速信號(hào)g1和噪聲信號(hào)g2的出現(xiàn)異常的情況下，f2故障信度大于閾值，而且在故障f2發(fā)生時(shí)，信號(hào)g1與g2也處于非正常狀態(tài)。從而可以判斷f2是f1的一個(gè)等效故障，從而可用故障f2代替故障f1，解決故障f1無(wú)法注入的問(wèn)題。

同理，根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)傳播算法可得到故障模式f7和f19分別是故障模式f6和f21的等效故障，通過(guò)等效故障代替無(wú)法注入的故障模式，可將故障覆蓋率從85.7%提高至100%，從而優(yōu)化了故障注入方法。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型艦炮制導(dǎo)彈藥封裝嚴(yán)密，故障注入難度大，導(dǎo)致部分故障模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)和故障覆蓋率較低的問(wèn)題，利用故障傳遞特性得到故障與狀態(tài)、故障與故障之間的關(guān)系，并運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)多樹(shù)傳播算法求解等效故障，最終實(shí)現(xiàn)了某型艦炮制導(dǎo)彈藥主要故障模式的全部覆蓋，使測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)更加完備，測(cè)試性水平的驗(yàn)證結(jié)果可信度更高。