基于多信號模型的某短通系統診斷策略設計*

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(1.海軍指揮學院信息系 南京 211800)(2.92985部隊 廈門 361100)

基于多信號模型的某短通系統診斷策略設計*

尹亞蘭1李登1,2

(1.海軍指揮學院信息系 南京 211800)(2.92985部隊 廈門 361100)

針對某短通系統測試性差的問題,在深入研究多信號模型與診斷策略設計理論的基礎上,提出了一種基于多信號模型的診斷策略設計方法。以該系統的窄帶發信分系統為例,首先研究了基于TEAMS軟件的多信號建模方法,然后根據模型文件獲取了系統的D矩陣,最后利用RIG算法生成系統的診斷策略。測試性分析結果表明,該方法有效提高了系統的測試性指標,生成的診斷策略可用來對該型裝備進行故障診斷。

多信號模型;診斷策略;TEAMS;RIG算法;短通系統

ClassNumberTN953

1 引言

高新技術在武器裝備中的廣泛應用,使裝備的功能與性能越來越先進,同時也增加了裝備結構的復雜性,給裝備帶來了嚴重的測試問題、診斷定位問題和維修保障問題[1]。研究表明,要實現對裝備準確、快速、經濟地維修保障,必須在裝備設計研制一開始就綜合考慮測試、診斷與保障問題,即開展測試性設計,使裝備具有良好的測試性[2]。

測試性(Testability)也稱可測性,是指“裝備能及時準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降),并有效地隔離其內部故障的一種設計特性”[3]。診斷策略設計是測試性設計的一項重要內容,對提高裝備故障診斷能力(即提高故障檢測率和故障隔離率)、提高診斷效率(即減少測試步驟數目)、降低全壽命周期費用具有十分重要的意義。本文針對某短通系統實際情況,采用基于多信號模型的診斷策略設計方法,旨在提高該系統的各項測試性指標,為該裝備診斷系統的開發提供診斷程序。

2 基于多信號模型的診斷策略設計

多信號模型是在系統結構和功能分析的基礎上,以分層有向圖表示信號流方向和各組成模塊的構成及連接關系,并通過定義信號(模塊功能)與組成模塊(故障模式)、測試與信號之間的關聯性,來表征系統組成、功能、故障、測試之間的相關性關系的一種模型表示方法[4]。類似于在結構模型上添加多個(單信號)依賴性模型的集合,多信號模型更加接近于系統的物理結構,建模過程相對簡單[5]。目前基于多信號模型應用最為成功的測試性設計工具當屬美國QSI公司開發的測試性工程與維修系統(Testability Engineering and Maintenance System,TEAMS)軟件[6],能夠完成對裝備系統的測試性分析、可靠性分析、診斷策略設計等功能。因此,對于短通系統這類復雜系統而言,采用基于多信號模型的TEAMS軟件進行診斷策略設計是可行的,具體方法如圖1所示。

首先利用TEAMS軟件構建系統的多信號模型,在此基礎上獲取系統的D矩陣,然后根據一定的診斷策略搜索算法進行診斷策略設計,最終得到系統的診斷策略,用于對系統進行故障診斷。

3 短通系統多信號建模

某短通系統是某型艦載短波綜合通信系統的簡稱,具有獨特的靈活性、抗毀性與低廉性,是艦艇上一種不可或缺的通信裝備,對保障艦艇完成作戰、訓練任務具有極其重要的作用。該系統由窄帶發信分系統、寬帶發信分系統與收信分系統三個獨立的分系統組成,由于本文研究的基于多信號模型的診斷策略設計方法具有一般性,下面以窄帶發信分系統為例對其開展多信號建模與診斷策略設計,寬帶發信分系統和收信分系統的多信號建模與診斷策略設計方法類似。采用TEAMS軟件的多信號建模步驟如下[7]:

1)根據窄帶發信分系統的組成結構,搭建系統層次化模型結構。多信號模型支持層次化模型結構,TEAMS軟件只需對不同層次的模塊設置為不同的層次屬性。本文主要研究現場級的診斷策略設計,要求將裝備故障隔離到LRU層級,因而TEAMS層次與系統組成分析中的層次級別對應關系是:裝備—System、分機與組件—Subsystem、模塊/電路板—LRU、功能故障模式—SRU。最終可將窄帶發信分系統劃分成LRU為111個,共添加故障模式258個。

2)劃分窄帶發信分系統的系統級功能,對系統各LRU添加功能信號。在TEAMS軟件中,模塊的功能只能在最底層模塊功能屬性中定義,上一層模塊的功能自動定義為下一層的所有功能之和。因此,建模時要依次按照每一個系統功能流,把系統功能添加到最底層模塊功能屬性中,并用連接線把分離的模塊有機連接起來,形成多信號模型有向邊的集合。在對窄帶發信分系統進行功能劃分時,首先分析系統的加電與開機功能,然后在開機狀態下分析系統的按鍵操作功能,最后分析系統在不同頻率和不同工作方式下的發射功能。窄帶發信分系統包含2個獨立的窄帶發信信道,每個窄帶發信信道均可分解成系統級功能13個。

3)針對窄帶發信分系統的每一個系統級功能,在功能流上添加測試點和測試。多信號模型中的測試不能單獨存在,必須屬于某個測試點。每個測試點可能包含一個或多個測試,每個測試可同時添加多個功能信號。因此,建模時先確定測試點位置,然后對每一個位置添加相應的測試,最終共添加了400個測試。

4)模型修正及有效性驗證。構建多信號模型是一個由簡到繁,根據知識和需求逐漸完善的過程。起初根據系統組成結構和功能原理等基本知識構建系統的初級模型,隨著對系統認識的深入和應用需求的提出,通過增加功能信號等逐步完善已有模型,最后根據測試數據與物理模型對多信號模型進行檢驗。

4 短通系統診斷策略設計與評估

4.1 系統D矩陣獲取

在使用TEAMS軟件構建系統的多信號模型后,模型的信息主要有兩種存儲方式,分別為文件形式和數據庫形式。由于利用數據庫獲取D矩陣的方法比較麻煩,在具體實現時較難[8],因此,采用基于模型文件的D矩陣數據獲取方法。對TEAMS多信號模型的所有文件內容進行分析,可知多信號模型的信息主要保存在模塊文件、測試文件、*.nsi、*_grf.map、*.dep和*.prm文件中,利用這幾個文件可以分別得到D矩陣的行向量、列向量、元素值和故障概率、測試費用、時間、級別等數據。具體步驟如下:

1)確定D矩陣的行向量集合。首先從*.nsi文件的FAULTS字段中獲取所有故障模塊的ID號,然后根據故障模塊的ID號從*_grf.map文件的MODULE_PROPERTIES獲得對應故障模塊的名稱,每個故障模塊對應D矩陣的一個行向量。

2)確定D矩陣的列向量集合。首先從*.nsi文件的TESTS字段中獲取所有測試的ID號,然后根據測試的ID號從*_grf.map文件的TEST_PROPERTIES獲得對應測試的名稱,每個測試對應D矩陣的一個列向量。

3)確定D矩陣元素值,即故障與測試的依賴關系。首先將*.dep文件FAULT_D_MATRIX_COMPACT字段中每組的十進制數值轉換成32位二進制數值,然后刪除右段多余的0即可得到D矩陣每一行的元素值。

4)確定D矩陣的附加信息。D矩陣元素值只是D矩陣的基本信息,對于實際系統的故障診斷,在診斷過程中,為了生成最優的診斷策略,不僅要知道故障和測試的依賴關系,還要知道故障先驗概率、測試費用、測試時間、測試優先級等信息,這些信息可以從*.prm文件中獲得。具體過程是:從MTTFS字段獲取各模塊的故障概率,從TEST_COSTS字段獲取各測試的費用,從TEST_HOURS字段獲取各測試需要的時間,從TEST_LEVELS字段獲取各測試的優先級。

4.2 系統診斷策略的生成

在設計診斷策略時必須選擇合適的診斷策略搜索算法,目前常用的診斷算法有SIG算法[9]、AO*算法[10]、RIG算法[11]。其中SIG算法計算簡單,但只能得到近似最優診斷策略;AO*算法能生成測試費用最優的診斷策略,但需要不斷回溯修正以致存儲的臨時支路和數據很大,計算復雜度也較大,不適用于大型規模系統;而RIG算法兼顧了計算復雜度和測試費用最優性,在平均測試費用上優于SIG算法,在計算復雜度上優于AO*算法,且這種優越性隨系統規模的增加體現得越明顯。因此,本文采用RIG算法對短通系統進行診斷策略設計。如圖2所示為基于RIG算法生成的窄帶發信分系統的部分診斷策略。

圖2 窄帶發信分系統的部分診斷策略

4.3 系統測試性評估結果

根據前面設計的診斷策略,執行測試性分析,可評估系統的各項測試性指標。圖3所示為窄帶發信分系統的評估結果。

圖3 窄帶發信分系統測試性指標評估結果

從上面的分析結果可知,對窄帶發信分系統使用基于RIG算法的診斷策略進行故障診斷,故障檢測率、故障隔離率均為98%以上,平均模糊組大小為1.03,隔離到單個模塊的比例達到98%,說明本文設計的診斷策略是成功的。

5 結語

隨著裝備的技術和結構復雜性越來越強,裝備測試、診斷的技術難度也越來越大,因此對裝備維修保障提出了更新、更高、更嚴的要求。本文針對某短通系統在實際維修保障中存在漏檢、誤檢率高,診斷效率低等問題,提出一種基于多信號模型的診斷策略設計方法,首先對系統進行多信號建模,根據TEAMS軟件的模型文件獲取系統的D矩陣,然后使用RIG算法進行診斷策略設計生成系統的診斷策略,最后測試性評估結果表明本文設計的診斷策略是有效的、可行的。本文提出的方法具有通用性,對其它復雜電子系統的診斷策略設計具有十分重要的參考價值和指導意義。

[1]張勇,邱靜,劉冠軍.測試性模型對比及展望[J].測試技術學報,2011,25(6):504-514.

[2]楊鵬.基于相關性模型的診斷策略優化設計技術[D].長沙:國防科學技術大學博士論文,2008:1-7.

[3]石君友.測試性設計分析與驗證[M].北京:國防工業出版社,2011:1-2.

[4]呂曉明,黃考利,連光耀.基于多信號流圖的分層系統測試性建模與分析[J].北京航空航天大學學報,2011,37(9):1151-1155.

[5]Liu D D, Zeng Z Y, Huang C H, et al. The testability modeling and model conversion technology based on multi-signal flow graph[C]//2012 Prognostics &System Health Management Conference,2012:1-8.

[6]Pattipati K R, Raghavan V, Shakeri M, et al. TEAMS:testability engineering and maintenance system[C]//Proceedings of the American Control Conference,1994:1989-1995.

[7]林志文,賀喆,楊士元.基于多信號模型的雷達測試性設計分析[J].系統工程與電子技術,2009,31(11):2781-2784.

[8]林志文,陳曉明,楊士元.基于XML模式的D矩陣描述及診斷應用[J].兵工學報,2010,31(3):385-890.

[9]孫煜,劉松風,馬力.貪心算法在系統故障診斷策略生成中的應用[J].計算機系統應用,2011,20(1):150-154.

[10]Pattipati K R, Alexandridis M. Application of heuristic search and information theory to sequential fault diagnosis[J]. IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics,1990,20(4):872-887.

[11]Tu F, Pattipati K R. Rollout strategies for sequential fault diagnosis[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics — Part A:Systems and Humans,2003,33(1):86-99.

DiagnosticStrategyDesignofSWICSBasedonMuli-signalModel

YIN Yalan1LI Deng1,2

(1. Information Department, Navy College of Commanding, Nanjing 211800)(2. No. 92985 Troops of PLA, Xiamen 361100)

Aiming at the problem that it is poor for the shortwave integrated communication system(SWICS)in testability, the method of diagnostic strategy design based on the multi-signal model is proposed on the basis of in-depth study of the multi-signal model and diagnostic strategy design. Taking narrowband transmitting subsystem as an example, the multi-signal modeling based on testability engineering and maintenance system(TEAMS)is researched firstly. Then the dependency matrix is obtained according to the model files. Lastly the diagnostic strategy of the system is generated in the light of the rollout information heuristic(RIG)algorithm. The result of testability analysis indicates that the method can improve testability metrics of the system. The generated diagnostic strategy can be used to troubleshoot the equipment.

multi-signal model, diagnostic strategy, TEAMS, rollout information gain algorithm, SWICS

2013年11月5日,

:2013年12月21日

尹亞蘭,女,副教授,碩士生導師,研究方向:通信與信息系統。李登,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:裝備可測性設計與故障診斷技術。

TN953DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.031