機載裝備測試性模型設計與優(yōu)化

(航空工業(yè)直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

現(xiàn)代航空武器作戰(zhàn)性能不斷提升的同時，也伴隨著故障檢測困難、維修時間長和保障成本高等諸多問題，這對航空武器設備特別是電子系統(tǒng)的維修性和可靠性提出了極高的要求。重要設備如雷達、航電系統(tǒng)等故障檢測、隔離所耗費的時間占故障排除總時間的35%～60%[1]。因此，故障檢測率、故障隔離率及測試、隔離時間成為保障裝備完好性的重要因素。國內(nèi)外自動化測試設備(Automatic Test Equipment,ATE)技術的快速發(fā)展及裝備測試性設計的不斷研究給面向復雜裝備的測試技術帶來了新一輪的技術革新。綜合自動支持系統(tǒng)(CASS)、ATEC6等ATE設備的研發(fā)使用，測試性設計與試驗理論方法的深入研究及TADS(測試性建模、分析軟件)等測試性建模軟件的不斷改進大幅度提升了武器裝備的維修檢測及故障隔離效率[2-6]。

然而，在具備高度集成化、層次化、模塊化特點的機載裝備自動測試過程中，仍存在測試效率低下、虛警率高等諸多問題。造成這類問題的主要原因是大多外部測試設備無法在原位測試過程中對機載設備添加足夠的測點來獲取故障診斷所需的必要全部測試信息，被測件自身的可測試性指標不高，檢測效率提升遇到瓶頸[5-6]。因此，為了提高測試設備對被測單元(Under Unit Test，UUT)故障的檢測率(Fault Detection Rate，F(xiàn)DR)與隔離率(Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR)，本文基于層次化測試性建模方法建立裝備故障模型，利用故障-測試相關性矩陣，對模型中測試點、測試項進行優(yōu)化。利用優(yōu)化結果反饋，在滿足測試要求的基礎上更新測試設備中現(xiàn)有的測試程序集(Test Program Set,TPS)，提高測試設備的運行效率與診斷深度。

1 裝備層次劃分及測試性建模方法

1.1 裝備層次劃分方法

裝備測試性模型可分為系統(tǒng)、子系統(tǒng)、外場可更換單元(LRU)、內(nèi)場可更換單元(SRU)、模塊(MOD)、子模塊、元器件這7個實體層級和1個故障模式層級，故障模式處于最底層[7]。裝備系統(tǒng)層次采用自頂而下劃分，各層級故障由下而上傳遞。當裝備發(fā)生某種故障時，系統(tǒng)相關層級則會產(chǎn)生與之對應的征兆。低層級某些單元模塊的損壞、功能失效傳播至高層級則表現(xiàn)為相應功能的性能下降、設備運轉不暢等現(xiàn)象[8]。

機載裝備系統(tǒng)一般遵循分級診斷與維修原則，即所要求的故障診斷深度在不同維修場合不同。在每一次故障診斷隔離過程中將故障定位到元器件級將極大降低維修效率，且不具備可操作性。

因此，可將裝備系統(tǒng)劃分為LRU、SRU、MOD 3個層級，在系統(tǒng)各個層級分別定義故障模式。在測試維修過程中，只需要將異常定位到符合當前維修深度的層級，并分析與該層級對應的故障模式即可。如圖1所示，三級維修體制按照外場級、中繼級、基地級3個由低到高的層級展開，維修深度要求分別對應LRU、SRU、MOD 3個層級。故障系統(tǒng)經(jīng)過自頂向下的原則先定位高層級單元，根據(jù)當前維修場合精度要求，分析層間關系，將故障模式向下分解，經(jīng)過故障識別、故障隔離、更換故障單元3個步驟實現(xiàn)故障排除。

1.2 層次測試性模型基本分析

一個N層裝備的測試性模型可以用一個五元數(shù)組Mon表示，n表示處于裝備的第n層，n∈[1,N]，Mon表示第n層的測試性模型。U·F·Sig·T,TP分別表示模塊集、故障模塊集、信號集、測試項集和測試點集。

圖1 三級維修體系示意圖

Mon= (Un,Fn,Sign,Tn,TPn)

Un= {U1,U2,…,UN}

Fn= {F1,F2,…,FN}

Tn和TPn分別表示模型中的測試項集和測試點集，模型中每層都包含一個或者多個測試項和測試點。第n層有Pn個測試項和Sn個測試點，一個測試項對應一個測定點，一個測試點允許設置多個測試項。一個測試點TPs包含的有限測試項用T(TPs)表示，一個測試項Tp能夠檢測到的信號集用SIG(Tp)描述。

一個測試項的屬性通常包含測試名稱(Nam)、層次(Lev)、測試類型(Type)與使用角色(User)。其中，Type類型可多選。

Testn= (Nam,Lev,Type,User)

1.3 多層次測試性建模方法研究

利用較少數(shù)量的測試點和測試項最大限度地提高裝備的故障檢測率與故障隔離率是建立層次測試性模型的根本目的。基本過程是分析模型中故障模式、信號和測試項三者間的關聯(lián)關系，并生成故障-測試相關性矩陣求解出裝備系統(tǒng)中故障檢測率及故障隔離率等指標[9]。故障模式是系統(tǒng)中Un的故障表現(xiàn)形式，信號可以理解為單元模塊的某種特性或狀態(tài)，是層次測試模型中連接故障模式和測試的紐帶。

利用有向圖建立裝備層次測試性模型，描述系統(tǒng)的結構單元。如圖2所示，該裝備某兩級系統(tǒng)包含U1、U2、U3、U4和U55個單元模塊，其中U3和U4為和U5相連接的子模塊，U1和U2為和U3相連接的子模塊。信號集SIG(U1)與單元模塊U1相關聯(lián)，測試點TP1上設置了測試集T(TPs)，測試項Tp可以檢測到信號集SIG(Tp)中的所有信號。信號是單元模塊的某類特性表現(xiàn)，可以被對應的測試項檢測到，系統(tǒng)中所有測試信息在層次測試性模型的有向圖中都可體現(xiàn)。

圖2 多層次測試性模型結構示意圖

任何一個高層級單元模塊都包含多個低層級單元模塊，圖2虛線框內(nèi)表示裝備子系統(tǒng)的測試性模型，包含子模型中的所有測試信息。多層次測試性模型結構清晰，包含的內(nèi)容豐富，任何一個復雜的層次化裝備，都通過多層次測試性模型的有向圖簡明直觀地表現(xiàn)出來。

2 測試性模型優(yōu)化分析與運用

在構建多層次測試性模型的基礎上，測試執(zhí)行平臺基于被測系統(tǒng)故障-測試相關性矩陣和模型特性分析，結合測試結果對測試裝備TPS及被測系統(tǒng)固有測試節(jié)點不斷優(yōu)化，并在使用期間不斷積累維修經(jīng)驗，修正故障概率，更高效準確地將故障定位到機載設備的SRU、MOD級別。

2.1 故障-測試相關性矩陣

在測試性模型中，單元模塊故障Fi與測試Tj之間存在兩類關系，關聯(lián)或相互獨立。如果故障Fi的發(fā)生會導致測試Tj無法通過，則故障Fi與Tj存在關聯(lián)關系；如果故障Fi的發(fā)生對測試Tj通過無影響，則故障Fi與Tj相互獨立。故障-測試相關性矩陣是基于層次測試性模型對復雜裝備進行故障分析的技術基礎。假設某裝備測試性模型中共k個單元模塊，包含2k個故障，模型中添加了p個測試項，該層次測試性模型的故障-測試相關性矩陣為FT2k×p。

在矩陣FT2k×p中，元素ftij表示第j列的測試項Tj對第i行的單元模塊故障Fi激勵的響應。若故障Fi與Tj存在關聯(lián)關系，測試項Tj對Fi的故障測試可以通過，取測試項Tj對故障Fi的激勵相應值ftij=1；若故障Fi與Tj相互獨立，測試項Tj對Fi的故障測試無法通過，取測試項Tj對故障Fi的激勵響應值ftij=0。故障與測試項之間存在影響信號集之間是否存在并集和在結構圖上是否可達兩方面的關聯(lián)關系，如果同時滿足這兩個條件，則定義ftij=1。

依據(jù)模型定義，故障-測試間的相關性矩陣可以轉換為單元模塊-測試相關性矩陣UTk×p，故障-測試相關性矩陣用單元模塊-測試點矩陣UTPk×s表示。圖2模型中的有向邊，清晰地描述了模塊Ui對任意測試點TPs間的關聯(lián)關系。以模塊U2為起點，沿有向邊對整個模型進行搜索，可得到U2的相關測試點集合UTP2={TP2,TP3}。規(guī)定矩陣UTPk×s中若某元素utpks=1，表示該元素所在列對應的測試點為該元素所在行對應的模塊的相關測試點。反之utpks=0，則該元素對應的模塊Ui通過多層次測試性模型中的有向邊無法到達測試點TPs，Ui與TPs無關聯(lián)關系。同理，對模型中的所有模塊Ui(i=[1,2,…,k])進行遍歷搜索，可以確定單元模塊-測試點矩陣UTPk×s。

(1)

(2)

只有故障與測試項之間同時滿足結構圖上可達和影響信號間存在并集兩個條件，激勵響應值ftij=1，測試項Tj對Fi的故障測試可以通過。

2.2 測試性模型特性分析

為了優(yōu)化多層次測試性模型，提高系統(tǒng)的運行效率，需對模型進行優(yōu)化分析。測試性模型分析包括未檢測故障分析、模糊組分析、冗余測試分析三部分。特性分析依據(jù)模型結構有向圖的連接關系，并結合故障-測試相關性矩陣為FT2k×p。

未檢測故障表示故障存在，但通過添加的測試項無法檢測到的故障，在故障-測試相關性矩陣FT2k×p中表示為所在行向量全為0對應的故障；模糊組表示兩個(兩個以上)的故障具備相同的測試特征，但系統(tǒng)無法將其區(qū)分開來，在相關性矩陣中表現(xiàn)為具有完全相同的行向量；如果多組測試對任意故障檢測出的故障模式完全相同，則該組測試視為冗余測試，若某個測試未定義任何測試內(nèi)容也被認為是冗余測試，在相關性矩陣中，具備相同列向量對應的測試組成的測試集合為冗余測試。

如圖3所示，為了提高故障檢測率，可通過故障-測試相關性矩陣，對模型中所有未檢測故障添加相應的測試項；通過相關性矩陣找出模糊組，對其添加相應的測試，可提高系統(tǒng)的故障隔離率。此外，通過比較判斷列向量，找出模型中的冗余測試并剔除，可以提高系統(tǒng)中測試項的利用率。

圖3 測試性模型分析示意圖

2.3 故障診斷隔離與系統(tǒng)優(yōu)化

通過對被測系統(tǒng)測試性模型分析，可得出被測系統(tǒng)故障模型。設備執(zhí)行平臺通過調(diào)用測試運行期引擎完成故障診斷與系統(tǒng)優(yōu)化工作，當TPS測試完成后存在“不合格”項目時，執(zhí)行管理平臺將根據(jù)測試結果、模型分析結果將故障隔離到SRU(或MOD)信息、SRU(或MOD)模糊組信息，以及故障查找建議。

測試執(zhí)行系統(tǒng)可利用UUT組成信息、BIT(機內(nèi)測試)測試點和PMA(便攜式維修輔助設備)測試點、測試結果等構建故障推斷與隔離機制，通過優(yōu)化模型、優(yōu)選測試點等操作，生成診斷策略。對SRU(或MOD)模糊組，依據(jù)具體的故障隔離要求，通過部署新的測試節(jié)點或優(yōu)化現(xiàn)有的測試節(jié)點，消除模糊組，過程如圖4所示。

圖4 故障推斷與隔離原理圖

3 案例分析

以某溫度控制系統(tǒng)為例，建立各個層級單元系統(tǒng)的測試性模型。依據(jù)本文提出的相關性矩陣模型和TADS軟件的測試性分析報告優(yōu)化該系統(tǒng)測試項，通過對比優(yōu)化前后的故障檢測率、故障隔離率論證本文所述多層次測試性建模方法的有效性。

3.1 系統(tǒng)結構層次劃分

依據(jù)該溫度控制器的硬件設計方案，可知該系統(tǒng)主要用于內(nèi)場環(huán)境中模擬機載電子系統(tǒng)中的機電溫度控制，負責與綜合處理機通信完成溫度監(jiān)測和溫度控制功能，其修理級別一般位于中繼級和基地級，故將該溫控系統(tǒng)故障定位MOD級。如圖5所示，溫控器包含電源板、CPU板和IO板3個模塊。

圖5 溫度控制器總體結構圖

根據(jù)溫度控制器FEMA報告、功能原理及電路圖，可分析出溫度控制系統(tǒng)中模塊的故障模式、模塊端口包含的信號集、測試點及測試項等參數(shù)。

T1T2T3T4T5T6T7T8T9T10T11T12T13T14T15T16T17T18T19T20T21T22F10000001000000000000000F20000000000000000000000F30000000001100001110000F40000000000000000100000F50000010111000000000000F60000010111000000000000F70000000000000000001010F80000000000000000000110F90000000000000000000001F100000000110000000000000F110000001000000001000000F120010000000000000000000F130001000000000000000000F140000000000001000000000F150000000000000100000000F160000000000000010000000F170000100000000000000000F181000000000000000000000F190100000000000000000000F200000000000010000000000F210000000000001000000000

(3)

表1 單元模塊影響故障模式、信號集對照表

表2 測試點、測試項、影響信號集對照表

3.2 測試性分析及優(yōu)化

利用TADS建模軟件添加相應的單元模塊及測試節(jié)點，并設置對應的測試項及信號集等，對整個系統(tǒng)模型進行測試性評估分析。溫控器LRU層的測試性模型如圖6所示，CPU板、IO板的測試性模型分別如圖7、圖8所示，溫控系統(tǒng)的測試工程分析結果如表3所示。

圖6 溫控器LRU層測試性模型

圖7 溫控器CPU板測試性模型

圖8 溫控器IO板測試性模型

表3 溫度控制系統(tǒng)總體測試性模型分析結果

通過檢測報告對模型分析，綜合考慮設備重量與測試性的平衡，添加相應的測試點及測試項，減少模型中的未檢測故障及模糊組，優(yōu)化后的系統(tǒng)測試性模型分析結果如表4所示。

表4 測試性模型優(yōu)化后分析結果

從表3、表4中可知，通過在增加RS485控制信號端口和Sout端口分別添加測試-溫度調(diào)理測試項，溫控單元的FDR從92.33%提升到93.79%，定位到兩個MOD層次的FIR從86.66%提高到96.73%，極大地提升了溫控單元的可測試性。

依據(jù)模型分析結果，添加對應的測點及測試項，進而對測試設備中測試程序集進行優(yōu)化，可提高對故障測試及診斷的效率，降低維修成本。

4 結束語

利用多層次測試性建模方法，可對復雜的機載裝備系統(tǒng)建立起測試性建模，并對模型中的測點及測試項進行分析與優(yōu)化，在滿足對當前機載設備維修精度的條件下，提高維修效率，并降低維修成本。