某相控陣?yán)走_(dá)天線測(cè)試性建模與指標(biāo)優(yōu)化研究

張 宇,趙 寧,唐 環(huán),李蕓倩,黃大榮

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153;2.北京可維卓立科技有限公司,北京 100191;3.重慶交通大學(xué),重慶 400074)

0 引 言

相控陣?yán)走_(dá)具有功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)組成龐大等特點(diǎn),對(duì)故障診斷能力提出了更高的要求。測(cè)試性能夠幫助及時(shí)準(zhǔn)確地確定設(shè)備狀態(tài),得到故障檢測(cè)率、故障隔離率等數(shù)據(jù)并隔離其內(nèi)部故障,通過(guò)測(cè)試性手段確定故障是一種行之有效的方式,可以幫助降低排故難度。好的測(cè)試性不僅可以與可靠性相輔相成,還能提高裝備的戰(zhàn)備完好性,減少維修時(shí)間和維修費(fèi)用,因此很有必要在研制階段對(duì)裝備進(jìn)行測(cè)試性分析、評(píng)估與驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[1]～[4]分析了不同裝備對(duì)象的測(cè)試性,但研究主要針對(duì)故障檢測(cè)率的提高,鮮少涉及故障隔離率。為了完成相控陣?yán)走_(dá)天線面陣的測(cè)試性分析,并進(jìn)一步提高測(cè)試性設(shè)計(jì)水平,本文首先以相關(guān)性模型為理論基礎(chǔ),通過(guò)分析FMECA、組件-故障聯(lián)系、故障-故障聯(lián)系、故障-測(cè)試聯(lián)系,建立天線面陣的系統(tǒng)測(cè)試性模型并進(jìn)行仿真分析;然后根據(jù)仿真結(jié)果,通過(guò)分析冗余測(cè)試、改進(jìn)優(yōu)化測(cè)試模型等方式,建立優(yōu)化后測(cè)試性模型;最后通過(guò)測(cè)試性仿真驗(yàn)證了故障隔離率指標(biāo)是否得到改善。

1 測(cè)試性指標(biāo)

測(cè)試性指標(biāo)包括故障檢測(cè)率、故障隔離率、虛警率、平均故障檢測(cè)時(shí)間、平均故障隔離時(shí)間、平均診斷時(shí)間等,其中故障檢測(cè)率和故障隔離率是最常用的兩個(gè)指標(biāo)。故障檢測(cè)率用能夠檢測(cè)出的故障與設(shè)備總體故障的比值表示;故障隔離率用能夠被隔離出的故障與可以被檢測(cè)出的故障的比值表示。

1.1 故障檢測(cè)率

故障檢測(cè)率數(shù)學(xué)模型可以表示為

(1)

式中,NT表示在時(shí)間T內(nèi)的故障總數(shù);ND為被檢測(cè)到的故障數(shù)。

當(dāng)故障率λ為常數(shù)時(shí),式(1)可以改寫(xiě)為

(2)

式中,λD為所有能被檢測(cè)出的故障模式的故障率之和;λ為實(shí)際存在的所有故障模式故障率之和;λDi為檢測(cè)出第i個(gè)故障模式的故障率;λi為本身第i個(gè)故障模式的故障率。

1.2 故障隔離率

故障隔離率數(shù)學(xué)模型可以表示為

(3)

式中,NL為隔離到小于等于L個(gè)可更換單元的故障數(shù);ND為檢測(cè)到的故障數(shù)。

也可以用故障率替換表示為

(4)

式中,λL為隔離到小于等于L個(gè)可更換單元故障模式的總故障率;λD為檢測(cè)出的所有故障模式總故障率;λLi為可隔離到小于等于L個(gè)可更換單元的故障中,第i個(gè)故障模式故障率;L為隔離組內(nèi)的可更換單元數(shù),也稱為模糊度。

2 測(cè)試性建模與仿真流程

測(cè)試性建模與仿真流程圖如圖1所示:

(1)明確產(chǎn)品的功能與原理,得到整體組成與功能表;

(2)根據(jù)產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)與實(shí)際分析需求,確定產(chǎn)品的隔離與分析層次,畫(huà)出產(chǎn)品層級(jí)關(guān)聯(lián)圖;

(3)通過(guò)測(cè)試性信息表的輸入信息與FMECA,明確組件間、組件-故障、故障間的信號(hào)流向關(guān)系,得到信息流向關(guān)系圖等信息;

(4)確定各層級(jí)的測(cè)試點(diǎn)位置與類(lèi)型,分析故障-測(cè)試的相關(guān)性,得到相關(guān)性圖示模型與D矩陣;

(5)進(jìn)行基于TMAS軟件的測(cè)試性仿真建模與分析,并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上優(yōu)化測(cè)試性模型。

圖1 測(cè)試性建模與仿真流程圖

3 實(shí)例分析與指標(biāo)優(yōu)化

選取某相控陣?yán)走_(dá)天線面陣為分析對(duì)象,依照?qǐng)D1完成測(cè)試性建模分析與評(píng)估。

3.1 明確產(chǎn)品功能與原理

天線面陣主要組成為電源組件、頻綜組件、T/R組件、DBF組件、定時(shí)模塊等,其中電源組件負(fù)責(zé)將高電壓隔離轉(zhuǎn)換為低電壓,并給其他組件供電;頻綜組件為面陣提供相參時(shí)鐘和本振信號(hào);T/R組件負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和發(fā)射、接收波束預(yù)處理等;DBF組件分為三級(jí)與二級(jí)組件,主要完成接收波束合成等功能;定時(shí)模塊主要完成波形、頻率等控制功能。

3.2 確定分析與隔離層級(jí)

基于天線功能原理和結(jié)構(gòu)組成分析,確定分析和隔離的層次,確定的層次就是最后要對(duì)應(yīng)故障模式的層次。圖2為相控陣?yán)走_(dá)天線層級(jí)劃分。

圖2 相控陣?yán)走_(dá)天線層級(jí)劃分圖

3.3 明確信息流向關(guān)系

分析電源組件、頻綜組件、DBF組件、定時(shí)模塊以及T/R組件的故障信息,包括故障信息流向、故障位置、故障模式、故障嚴(yán)酷度和故障發(fā)生概率。

首先分析組件間關(guān)系,得到組件之間信號(hào)流向關(guān)系;然后分析各組件內(nèi)部的故障傳播關(guān)系,得到各組件內(nèi)部故障與組件輸入輸出的信息流向關(guān)系;最后分析組件內(nèi)部故障與故障之間的傳播關(guān)系。

3.3.1 組件間信息流向關(guān)系

以定時(shí)模塊為例,編制信號(hào)流向關(guān)系表如表1所示,包括輸入/輸出端口、信號(hào)名稱、信號(hào)來(lái)源/去向等內(nèi)容,厘清各LRU輸入輸出信號(hào)以及相互之間的信號(hào)流向關(guān)系。

表1 定時(shí)模塊信號(hào)流向關(guān)系

3.3.2 組件-故障間的信息流向關(guān)系

以電源組件為例,根據(jù)分析得到的組件自身具有的故障與輸入輸出信號(hào)的關(guān)系,編制LRU級(jí)的故障信息表如表2所示,包括LRU名稱、故障率、故障模式、故障影響的輸出信號(hào)與相關(guān)輸入信號(hào)等內(nèi)容。

表2 電源組件故障信息表

3.3.3 故障間的信息流向關(guān)系

取款人身份證復(fù)印件上的名字明白無(wú)誤是宋月芝，照片黑乎乎的看不清楚，老福很難確認(rèn)那是不是他見(jiàn)過(guò)的小宋。他把這兩張紙裝進(jìn)塑料袋交給高超，叫他去做指紋鑒定，然后三個(gè)人離開(kāi)銀行，直奔羅家。

故障的傳播與組件相關(guān),某個(gè)故障的發(fā)生也可能引起其他1個(gè)或多個(gè)故障的發(fā)生,如圖3(a)、(c)所示,而多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生也許會(huì)導(dǎo)致某個(gè)故障產(chǎn)生,如圖3(b)所示,因此須明確各LRU故障模式間的關(guān)系。

圖3 故障間傳播方式

以定時(shí)模塊為例,編制定時(shí)模塊故障模式表如表3所示。

表3 定時(shí)模塊故障模式

以定時(shí)模塊5個(gè)故障模式代號(hào)為橫縱坐標(biāo),可以得到故障與故障的相關(guān)性矩陣如表4所示。

表4 故障模式相關(guān)性矩陣

3.4 明確測(cè)試點(diǎn)位置與類(lèi)型

仍然以定時(shí)模塊為例,明確使用的測(cè)試方法與測(cè)試手段,編制測(cè)試信息表如表5所示。

表5 測(cè)試信息表

3.5 建立相關(guān)性圖示模型以及D矩陣

利用上述定時(shí)模塊故障模式與測(cè)試點(diǎn)信息,繪制故障與測(cè)試的相關(guān)性模型,如圖4所示。根據(jù)圖4可得到對(duì)應(yīng)的D矩陣,如表6所示。

圖4 定時(shí)模塊故障-測(cè)試相關(guān)性圖示模型

表6 定時(shí)模塊故障-測(cè)試的D矩陣

3.6 基于TMAS的測(cè)試性建模仿真與分析

依據(jù)上述步驟開(kāi)展天線面陣的測(cè)試性建模仿真工作,電源組件和定時(shí)模塊故障模式關(guān)系模型分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

(a)電源組件

(b)定時(shí)模塊

對(duì)測(cè)試性模型進(jìn)行仿真分析,設(shè)定分析層次為L(zhǎng)RU級(jí),選擇所有測(cè)試種類(lèi),得到故障檢測(cè)率為99.1 411%;故障隔離率在模糊度為1、2、3時(shí)均為71.8 355%。

查看仿真分析結(jié)果報(bào)表,主要分析其中的不可檢測(cè)故障和冗余測(cè)試組,如表7、表8所示。

表7 不可檢測(cè)故障

表8 冗余測(cè)試

由表7可知,整個(gè)測(cè)試性模型僅有TR1-9內(nèi)部的1個(gè)故障模式不可檢測(cè);由表8可知,在16個(gè)T/R組件中,各有兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)整個(gè)測(cè)試模型是冗余的;二級(jí)DBF與三級(jí)DBF也各有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)是冗余的,形成模糊度為38的冗余測(cè)試組(模糊組)。這表明測(cè)試性模型存在設(shè)計(jì)不合理,應(yīng)該采取相應(yīng)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.7 測(cè)試性模型優(yōu)化

首先對(duì)測(cè)試性模型進(jìn)行DFT追蹤,如圖 6～8所示,查看不可檢測(cè)故障與模糊組的形成區(qū)域,見(jiàn)其中虛線連接部分。

圖6 T/R組件中異常聯(lián)系

圖7 二級(jí)DBF組件中異常聯(lián)系

圖8 三級(jí)DBF組件中異常聯(lián)系

通過(guò)DFT追蹤得到故障模式的傳播關(guān)系,相關(guān)測(cè)試點(diǎn)如表9所示。

表9 工作異常關(guān)聯(lián)測(cè)試點(diǎn)表

由圖6～8可知,大型模糊組主要由各LRU故障模式之間的傳播關(guān)系造成,最大是模糊度為38的模糊組,如表8所示,這種大的模糊組在實(shí)際檢修排故中將帶來(lái)不小的阻礙,因此有必要對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試性模型進(jìn)行合理性優(yōu)化改進(jìn)。針對(duì)模糊組和不可檢測(cè)故障主要集中部分——T/R組件、DBF組件,分析各故障模式實(shí)際發(fā)生的合理性、故障模式之間連接合理性以及測(cè)試點(diǎn)設(shè)置與連接合理性,形成測(cè)試性模型的改進(jìn)優(yōu)化策略:

對(duì)于DBF組件,根據(jù)供電異?？梢灾苯颖粰z測(cè)到,去除“模塊供電異常”故障模式與其余所有故障模式的相連;根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸需要利用光纖的特性,添加“光纖傳輸異?！惫收夏Ｊ?作為“模塊接收數(shù)據(jù)異?！薄ⅰ澳K發(fā)送數(shù)據(jù)異?！钡牟l(fā)模式,分別兩兩共用1個(gè)測(cè)試點(diǎn),測(cè)試類(lèi)型為PBIT;根據(jù)實(shí)際測(cè)試,“模塊供電異常”、“DBF處理功能異?！睖y(cè)試類(lèi)型改為ATE;

對(duì)于T/R組件,以故障模式“組件通道上行異?！薄ⅰ敖M件通道下行異?！?、“組件通道上下行異?！睘橐唤M,首先明確各故障模式可通過(guò)檢測(cè)直接區(qū)分開(kāi),排除測(cè)試點(diǎn)共用情況,但在“組件通道上行異?！?、“組件通道下行異常”的發(fā)生為或、與關(guān)系的前提下,刪減掉“組件通道上下行異?！惫收夏Ｊ?并通過(guò)“組件通道上行異?！?、“組件通道下行異?！惫灿靡粋€(gè)測(cè)試點(diǎn)來(lái)表征刪除故障模式的特性。

以三級(jí)DBF組件為例,優(yōu)化前后的三級(jí)DBF測(cè)試性模型如圖9所示。

(a)優(yōu)化前

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行測(cè)試性分析,優(yōu)化后的故障模糊組如表10所示。分析層次選擇同樣的LRU層級(jí),選擇所有測(cè)試種類(lèi),得到優(yōu)化后故障檢測(cè)率與隔離率指標(biāo)如表11所示。

表10 優(yōu)化后模糊組

表11 優(yōu)化后測(cè)試性指標(biāo)(單位：%)

對(duì)比優(yōu)化前后模糊組、不可檢測(cè)故障、測(cè)試性指標(biāo),利用優(yōu)化策略,最高模糊度由38降低至2;故障隔離率由71.8 355%提高到了100%,消除了不可檢測(cè)故障,從而表明了優(yōu)化策略的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了以相控陣?yán)走_(dá)天線面陣為對(duì)象的測(cè)試性模型;分析了故障模式、測(cè)試點(diǎn)與信號(hào)流向的關(guān)系,得到優(yōu)化策略;對(duì)比分析測(cè)試性模型優(yōu)化前后指標(biāo),驗(yàn)證了模型優(yōu)化的有效性。

當(dāng)產(chǎn)生大的模糊組時(shí),應(yīng)關(guān)注模糊組的范圍,注意故障模式之間的連接關(guān)系是否合理?？刹捎酶櫮Ｊ酵癸@某個(gè)故障模式在整個(gè)模型中的信息流向關(guān)系,也可利用關(guān)聯(lián)模式查找出與此故障模式關(guān)聯(lián)的測(cè)試點(diǎn);然后圍繞此故障模式的關(guān)聯(lián)關(guān)系,分析其設(shè)置的合理性,并加以改進(jìn),從而達(dá)到精簡(jiǎn)關(guān)系結(jié)構(gòu)、提高測(cè)試性指標(biāo)精度的目標(biāo)。