綜合診斷設計與分析綜述

蔣海濤

綜合診斷是指通過考慮和綜合機內(nèi)測試、自動和人工測試、維修輔助手段、技術(shù)信息、人員和培訓等構(gòu)成診斷能力的所有要素，使武器裝備診斷能力達到最佳的結(jié)構(gòu)化設計和管理過程。其目的是以最少的費用最有效地監(jiān)測、隔離裝備內(nèi)已知的或預期發(fā)生的所有故障，以滿足裝備的任務要求。綜合診斷是系統(tǒng)工程的概念，其實施應從裝備設計開始，并貫穿于其壽命周期的各個階段。通過綜合診斷，可以有效利用各種資源，實現(xiàn)機內(nèi)和機外診斷要素的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)最優(yōu)的故障檢測與隔離能力。

1 國外綜合診斷發(fā)展研究

根據(jù)對美軍綜合診斷相關(guān)技術(shù)文檔的研究，可將美軍綜合診斷的發(fā)展大致分為兩個方面，分別是思想的發(fā)展和方法技術(shù)的發(fā)展。

1.1綜合診斷思想的形成和發(fā)展

綜合診斷的思想初期形成階段主要集中在80年代初期到中期。1983年，美國國家安全工業(yè)協(xié)會（NSIA）主持了第一屆全國綜合診斷會議，主要的發(fā)現(xiàn)是裝備缺乏對診斷過程中涉及的技術(shù)進行綜合或集成。1996年8月8日，美國國防分析研究所（IDA）在國防部采購與技術(shù)局的主持下舉辦了一次綜合診斷研討會，主要的目的包括：增強相關(guān)人員對綜合診斷應用優(yōu)勢的認識；確定可以應用更好的綜合診斷方法對武器系統(tǒng)進行保障的問題；提出跨領域的綜合診斷機會；開始討論將開放式或非專有架構(gòu)應用于綜合診斷的機會。

1.2綜合診斷方法技術(shù)發(fā)展

1）通用綜合維修診斷程序

通用綜合維修診斷程序（GIMADS），是美國空軍與工業(yè)界合作的計劃，其主要目標是為綜合診斷程序開發(fā)系統(tǒng)工程方法和流程，從而滿足武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求。通過將自動和手動過程、嵌入式診斷程序和外部測試設備相結(jié)合，可以實現(xiàn)此目標。

2）綜合診斷支持系統(tǒng)

綜合診斷支持系統(tǒng)（IDSS）是美國海軍開發(fā)的，其目標是提高裝備的維護能力。它規(guī)定并有助于實現(xiàn)診斷最為有效的結(jié)構(gòu)化過程。

3）開放系統(tǒng)和綜合診斷研究計劃

1999年，美國國防部辦公廳（OSD）啟動了“綜合診斷開放系統(tǒng)方法演示驗證（Open System And Integrated Diagnosis Research，OSAIDR）”研究計劃，探討統(tǒng)一的、通用的綜合診斷功能實現(xiàn)方法的可行性，以降低費用，增加互用性，加快引入新技術(shù)。

2國內(nèi)綜合診斷發(fā)展分析

國內(nèi)綜合診斷相關(guān)的要求都包含在測試性的工作中，GJB2547A是測試性工程領域標準體系中的牽頭標準，它包括裝備在其壽命周期內(nèi)開展測試性工作應遵循的基本要求和一系列管理的和技術(shù)的測試性工作項目，為建立該領域標準體系框架和確定支撐標準項目提供了依據(jù)。GJB2547A中給出了綜合診斷的定義，并在工作項目確定診斷方案和測試性要求中，提出了涉及綜合診斷的診斷方案權(quán)衡相關(guān)的內(nèi)容。

2010年，總裝備部技術(shù)基礎管理中心組織編制了裝備測試性國家軍用標準體系，其中就對MIL-HDBK-1814綜合診斷的轉(zhuǎn)化和我國《綜合診斷要求》標準的研究和編制工作進行了規(guī)劃。

近年來，國內(nèi)裝備研制單位已將綜合診斷作為型號中重要的設計工作，開展綜合診斷建模、設計分析、試驗驗證等工作，不斷推進綜合診斷技術(shù)的工程應用。目前綜合診斷主要存在以下問題和挑戰(zhàn)：裝備研制單位對綜合診斷重要性的認識還不夠；綜合診斷寄生于測試性設計工作中，沒有獨立出來；綜合診斷缺乏頂層標準指導，需求不清楚，設計無指南；裝備設計方、系統(tǒng)和設備供應商之間需要緊密配合，才能實現(xiàn)綜合診斷的目標。

3 綜合診斷需求分析

3.1整體過程分析

1814標準附錄B對綜合診斷的需求捕獲和推導過程進行了規(guī)范和概述。需求設計分析（RDA）過程的目的是得到準確滿足使用要求的診斷要求和驗證方法。RDA過程由委托方和承制方共同的活動組成。通常，委托方在研制合同文件中明確使用需求，然后確保承制方捕獲得到滿足使用需求的診斷要求，并將這些要求分配下去。

RDA過程包括三項主要活動：轉(zhuǎn)化、整合和分配，如圖1所示。轉(zhuǎn)化和整合共同推導出一套滿足需求的診斷要求。分配為將診斷要求分配到對應的設計層級和診斷要素中進行實現(xiàn)。不同項目可用于該過程的信息質(zhì)量和數(shù)量不同，但是應盡早執(zhí)行需要分析過程，即使是基于粗略的或推測性信息。否則可能影響初期設計并導致高昂的變更成本。

RDA過程提供了對診斷設計要求的可追溯性，以滿足它們所支持的運行需求。在充分記錄的前提條件下，這種可追溯性驗證了對診斷需求的需要，并有助于在設計過程中驗證RDA過程中診斷設計要求對使用需求的滿足情況，應具備可追溯性。通過充分地追溯和記錄，實現(xiàn)對診斷要求必要性的確認，并有助于對設計結(jié)果的驗證。

3.2診斷需求轉(zhuǎn)化

需求轉(zhuǎn)化是將項目中明確的需求，轉(zhuǎn)化為便于確定診斷要求的描述與定義。需求作為項目驅(qū)動和開展的必要聲明，其來源將隨著項目階段而變化。需求轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，因為它是使用需求和最終要導出的診斷要求之間的橋梁，可用于系統(tǒng)工程中的權(quán)衡過程，從而評估診斷功能的必要性。一個充分記錄的需求轉(zhuǎn)化過程，可用于系統(tǒng)要求滿足使用需求的確認，并為過程驗證提供框架。需求轉(zhuǎn)換過程如圖2所示。

一個系統(tǒng)的既定診斷需求應該準確給出需求的具體目標，但不限制如何實現(xiàn)該目標。如系統(tǒng)安全性、出動次數(shù)和任務成功率等作戰(zhàn)需求，以及每飛行小時的維護工時和兩級維護概念等保障需求，都可作為診斷要求的輸入。

1）確定既定診斷需求

評估既定需求以確定三種診斷需求：決策/事件，約束和功能。

a. 決策/事件

診斷給出系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，從而支撐最終的各項決策。識別出依賴診斷信息的決策，既給出了需要診斷的原因，同時提供了診斷時間和質(zhì)量要求。

可依據(jù)診斷時機，對決策進行分組，從而簡化診斷需求，如飛行后診斷可用于多個維修決策。一些非診斷的設計決策也可以創(chuàng)建診斷需求，如某些單元的冗余重構(gòu)機制設計，可能不是由原系統(tǒng)使用需求引入，而是為解決安全性和可靠性問題而引入。診斷時機還可設計為提供一些與使用需求不直接相關(guān)的信息。如在項目初期就為設計驗證、工程變更、培訓、驗收測試等工作，提供診斷信息，可能大大節(jié)省開發(fā)成本，減少冗余測試、降低測試算法復雜度等。

b. 約束

部分使用需求對診斷信息的獲取，可能需要滿足一定約束條件。約束條件有利于診斷要求的確定，如地面保障設備的可移動性限制了其使用范圍。約束條件還可能促進診斷的準確性，如對嚴格的空間和重量約束將導致單一診斷要素必須提供準確的診斷信息。而寬松的空間和重量約束則可以由多個準確性差的診斷要素共同組合以提供滿足要求的診斷信息。

c. 功能

必須對所有需要提供診斷信息的系統(tǒng)功能進行梳理，如目標識別、通信、飛行控制等。明確的功能使得在設計初期便可以確定診斷。設計團隊在系統(tǒng)如何決定實現(xiàn)導航功能（即向操作員提供導航信息）的同時，也可以確定如何向操作員和維護人員提供關(guān)于導航功能的所需診斷信息。如此，設計團隊可以通過性能對診斷進行不斷的迭代設計。

功能的傳遞梳理使得需求可以以自頂向下的方式分配。隨著項目推進，設計方案將越來越詳細具體，并且功能不斷分解成下一層級的子功能，直到功能要求成為可實施的物理設計要求。

3.3診斷需求整合

將需求整合為診斷要求，即將需要診斷信息的功能、診斷時機、約束、準確性和度量進行關(guān)聯(lián)，匯總整理為完整的診斷需求集合中，并對診斷需求進行相關(guān)確認，如圖3所示。

1）收集輸入信息

可供收集的信息源包含很多種，在初期的主要來源為需求轉(zhuǎn)化結(jié)果，中期為設計方案，后期為上一層級的設計診斷要求。

2）診斷要求整合

為每個診斷時機確定必須上報的系統(tǒng)功能，或者為每個系統(tǒng)功能確定所需的診斷信息。功能可以按類別分組，如關(guān)鍵任務類。為每個診斷時機或系統(tǒng)功能，整合出一般的診斷要求和相應驗證方式。轉(zhuǎn)化過程可能將明確支撐功能或多個設計層級決策所需的診斷信息需求。如果篩選的診斷要求包含分配至設計層級之前已確定的診斷要求，則需要統(tǒng)一考慮，確保覆蓋全面性，并避免重復。

3）定制出滿足系統(tǒng)需求的診斷要求

定制要求是指描述指定系統(tǒng)或階段需要的內(nèi)容，而不是如何實現(xiàn)，除非系統(tǒng)約束或設計決策明確要求描述如何實現(xiàn)。確定為實現(xiàn)每個決策/診斷時機而需要進行診斷的功能，完成每個決策/事件。如轉(zhuǎn)化過程中應對這些功能進行明確。在不同的診斷時機中可能會對同一個功能進行診斷，如機上重構(gòu)和轉(zhuǎn)場維護均需要對影響安全的關(guān)鍵功能進行故障檢測和隔離。同樣地，一個決策/診斷時機可能需要多個功能的診斷信息。

在診斷要求中包含決策/診斷時機，可以建立診斷和使用需求的之間的聯(lián)系，并且可以保證診斷要求中具備必要的時間和關(guān)鍵性能要求，而不必另行確定具體時間和精度約束。但是在設計過程中，要有一個時間點對上述決策/診斷時機給出具體的時間和精度要求。這個時間點由研制過程各階段、設計層級和設計方案決定。

3.4診斷要求分配

分配的目的是將轉(zhuǎn)化和整合得到的診斷要求分配到適當?shù)脑O計層級和診斷要素中。分配包含兩個方面：一是橫向，即確定每個診斷要素或其組合的診斷要求；二是縱向，即確定每個設計層級上的診斷要求，從而支撐具體實現(xiàn)過程中的物理設計。

分配過程應基于分析、權(quán)衡、低層級功能設計方案、高層級的診斷要素組合方式，以及診斷能力或精度影響的無診斷系統(tǒng)工程假設或設計決策等。在具體工程中，診斷要求的確定可通過表1所示的填寫實現(xiàn)。診斷要求的關(guān)鍵是能夠得到落實，即將診斷功能要求轉(zhuǎn)化為滿足要求的物理產(chǎn)品。

4 綜合診斷權(quán)衡分析

4.1綜合診斷過程分析

綜合診斷過程分析包括以下幾方面。

1）用戶需求和技術(shù)評估：對用戶的使用需求進行論證，對當前技術(shù)水平進行評估，從而獲取航空裝備中和診斷相關(guān)的頂層需求。

2）建立計劃、規(guī)范和指南：基于頂層需求，制定綜合診斷計劃，建立診斷數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，制定裝備相應的規(guī)范和指南，如系統(tǒng)使用需求、保障需求、工作要求、確認與驗證等。

3）診斷要求導出與確認：以各類型的需求為輸入，結(jié)合裝備的架構(gòu)組成，對診斷要求進行自上至下不同系統(tǒng)層級的縱向分配，以及各診斷要素之間的橫向分配。

4）方案設計和驗證：在裝備方案階段，通過對外接口權(quán)衡分析、各層次的縱向權(quán)衡分析、各診斷要素間橫向權(quán)衡分析，建立診斷方案，對該方案是否滿足捕獲和分配得到的診斷要求進行驗證。

5）初步設計和驗證：在裝備工程研制階段的初期，開展診斷系統(tǒng)的初步設計與驗證。

6）詳細設計和驗證：在裝備工程研制階段的后期，開展診斷系統(tǒng)的詳細設計與驗證。

7）設計變更：當驗證結(jié)果未達到診斷要求時，或技術(shù)更新等其他情況出現(xiàn)時，應對診斷設計進行變更。

8）項目監(jiān)督和控制：對項目過程中的數(shù)據(jù)、文件、方案、結(jié)果等進行審查，并確定后續(xù)階段的工作目標和內(nèi)容。

9）診斷系統(tǒng)實現(xiàn)：對診斷系統(tǒng)中所需的所有硬件和軟件進行生產(chǎn)實現(xiàn)，確保診斷系統(tǒng)的所有組成都可一并交付。

10）診斷熟化：收集使用過程中的數(shù)據(jù)，對診斷系統(tǒng)性能進行評估，驗證是否滿足用戶使用需求。確定所有變更的需求，以便作為后續(xù)型號構(gòu)建綜合診斷系統(tǒng)的重要依據(jù)。

4.2綜合診斷權(quán)衡分析

診斷能力設計，是系統(tǒng)工程和保障性功能的組合?？煽啃?、維修性、綜合保障、測試性、人素工程、安全性等均對診斷能力的要求確定和診斷能力設計發(fā)揮著重要作用。

綜合診斷過程可以從一開始就考慮采購的所有方面（績效、支持、生產(chǎn)等），并在整個計劃中以交互方式處理，正確定制和應用路線圖中描述的診斷需求將確保在采集程序的適當位置考慮診斷，確保提供適當?shù)南到y(tǒng)工程環(huán)境，以滿足這些需求取決于整體計劃管理。

將診斷系統(tǒng)工程研究和分析作為武器系統(tǒng)設計過程的一個組成部分。識別技術(shù)風險，并將嵌入式支持對離線診斷要素的影響輸入到正式的L5A過程中，強調(diào)在Dem/Val期間正在開發(fā)的高風險設備。

在Dem/Val期間，該迭代過程應重新評估在系統(tǒng)級別的概念探索過程中導出和分配的要求（并且經(jīng)常下降到分段和要素級別），并將此導出和分配過程向下延伸到至少子系統(tǒng)級別。診斷系統(tǒng)工程研究和分析的驗證。通過檢查驗證，武器系統(tǒng)設計過程包括系統(tǒng)和配置項級別的診斷段的定量值，并且以完成適當?shù)臋?quán)衡，包括對這些研究和分析的質(zhì)量進行評估。

5 結(jié)論

近年來，國內(nèi)裝備研制單位以將綜合診斷作為型號中重要的設計工作，開展綜合診斷建模、設計分析、試驗驗證等工作，不斷推進綜合診斷技術(shù)的工程應用。目前綜合診斷主要存在以下問題和挑戰(zhàn)：綜合診斷工作缺乏統(tǒng)一的信息模型，數(shù)據(jù)共享不足；綜合診斷缺乏頂層標準指導，需求不清楚，設計無指南；主機單位、系統(tǒng)集成商進行綜合診斷的設計工作量大，集成技術(shù)難度大。

綜合診斷工作建議：

1）針對綜合診斷缺乏相關(guān)標準問題，應開展綜合診斷需求分析、綜合診斷設計和綜合診斷驗證相關(guān)的標準化研究和制定工作；在制定標準時需要充分考慮與現(xiàn)有測試性相關(guān)標準的關(guān)系。

2）針對缺乏統(tǒng)一信息模型的問題，應加強開放式架構(gòu)的綜合診斷信息模型的研究，這部分可以和當前的預測與健康管理相關(guān)的工作結(jié)合起來，綜合診斷如果被納入預測與健康管理（PHM）和綜合健康管理（IVHM）工作中，應從技術(shù)發(fā)展的前景出發(fā)，避免重復研究。

3）針對綜合診斷設計工作量大和集成技術(shù)難度大的問題，應在裝備的研制過程中，明確各利益相關(guān)方關(guān)于綜合診斷工作的分工，尤其是成品廠應進行的工作。

參考文獻

[1] 張寶珍.國外飛機預測與健康管理技術(shù)發(fā)展計劃綜述[D].北京：中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心.2016.

[2] 張寶珍.國外綜合診斷、預測與健康管理技術(shù)的發(fā)展及應用[D].北京：中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心.2008.

[3] 潘泉.美軍新機的綜合診斷技術(shù)及啟示[D].北京：西北工業(yè)大學.2005.

[4] 吳千.裝備綜合診斷技術(shù)的研究和應用[D].北京：海軍工程大學.2008.

[5] 林典倫.綜合診斷標準的幾個問題[D].三〇一研究所.1996.