基于多信號模型的魚雷測試性建模方法

張釗旭, 王志杰, 李建辰, 許 軍, 王貴奇, 楊進(jìn)候

?

基于多信號模型的魚雷測試性建模方法

張釗旭1,2, 王志杰1, 李建辰1,2, 許 軍1, 王貴奇1, 楊進(jìn)候1

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所,陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安, 710077）

結(jié)合魚雷武器系統(tǒng)的特點(diǎn), 提出了基于多信號模型的魚雷測試性建模方法, 并采用TEAMS軟件構(gòu)建了魚雷的全雷級測試性模型, 并開展測試性分析、指標(biāo)預(yù)計(jì)及設(shè)計(jì)改進(jìn), 驗(yàn)證了該建模方法的可行性,為今后開展魚雷測試性設(shè)計(jì)探明了一條可行的技術(shù)途徑。

魚雷; 多信號模型; 測試性建模; TEAMS軟件

0 引言

在日趨復(fù)雜的海戰(zhàn)形勢下, 魚雷的性能越來越先進(jìn), 功能和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜, 對其進(jìn)行測試與診斷也變得越來越困難[1]。因此, 要從根本上解決魚雷的測試與診斷問題, 實(shí)現(xiàn)快速而精確的故障檢測與隔離, 就必須從魚雷研制初期綜合考慮測試、維修和保障等問題, 系統(tǒng)地開展魚雷測試性設(shè)計(jì)[2]。

測試性建模是開展測試性設(shè)計(jì)工作的前提, 通過構(gòu)建測試性模型實(shí)現(xiàn)測試性知識獲取, 表征產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能、故障與測試間的復(fù)雜聯(lián)系, 全面系統(tǒng)地對產(chǎn)品的測試性要素進(jìn)行相關(guān)性分析, 為后續(xù)開展測試性設(shè)計(jì)、分析和指標(biāo)預(yù)計(jì)提供依據(jù), 有利于從根本上提高產(chǎn)品的故障檢測、隔離能力, 促進(jìn)測試性設(shè)計(jì)水平。

多信號模型是美國康涅狄格大學(xué)的Pattipati和 Deb等人于20世紀(jì)90年代提出的測試性模型, 并已由美國的QSI(Qualtech Systems Inc.)公司引入其測試性工程和維修系統(tǒng)軟件(testability engineering and maintenance system, TEAMS)中, 并在大型復(fù)雜系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)、分析及故障診斷方面獲得了應(yīng)用[3-9]。該模型采用分層有向圖描述系統(tǒng)的信號流向及各級組成單元的構(gòu)成及相互聯(lián)系, 并通過信號(功能)將故障與測試聯(lián)系起來, 使得對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能層次的刻畫變得簡潔直觀, 并顯著降低了建模難度, 為設(shè)計(jì)人員開展測試性建模工作提供了便利。

文中結(jié)合魚雷武器系統(tǒng)特點(diǎn), 提出了基于多信號模型的魚雷測試性建模方法, 采用TEAMS軟件構(gòu)建了魚雷的全雷級測試性模型, 并開展測試性分析、指標(biāo)預(yù)計(jì)及設(shè)計(jì)改進(jìn), 驗(yàn)證了該建模方法的可行性。

1 基于多信號模型的建模方法

1.1 多信號模型

多信號模型以分層有向圖描述系統(tǒng)的信號流向及各級組成單元的構(gòu)成及相互聯(lián)系, 并通過定義信號(功能)來表征系統(tǒng)各組成單元的故障模式與測試間的相關(guān)性。其中, 功能信號是指表征系統(tǒng)或其組成單元故障特性的征兆、屬性及參數(shù), 組成單元的故障被劃分為功能故障(僅影響該單元的正常功能)和全局故障(導(dǎo)致所在單元及后續(xù)單元工作異常), 分別用和表示。

多信號模型可由下列元素描述:

1.2 基于TEAMS的建模方法

TEAMS軟件使用基于多信號模型的圖形化建模方法, 通過友好的用戶界面, 利用基于模型推理技術(shù)(model based reasoning , MBR)進(jìn)行故障隔離, 可以自動進(jìn)行測試性分析、評估并給出建議, 輔助優(yōu)化測試、故障診斷、維修解決方案, 并最終成熟完善。該軟件極大地方便了用戶的測試性設(shè)計(jì)工作, 顯著提高了工作效率。

用TEAMS進(jìn)行測試性建模可分為以下3步:

1) 構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能模型

TEAMS中的模型層次結(jié)構(gòu)如圖1所示, 用戶可在其提供的圖形化建模環(huán)境中建立系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)功能模型, 并根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置模型的結(jié)構(gòu)層次, 亦可選擇對所建模型的不同層次進(jìn)行分析。

圖1 TEAMS模型層次結(jié)構(gòu)

在構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能模型前, 應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的維修保障等實(shí)際需求, 合理劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能層次。對于結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的系統(tǒng), 一般情況下, 最低層級劃分到外場可更換單元(line replace unit, LRU)或車間可更換單元(shop replace unit, SRU)。

在TEAMS中構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能模型, 包含以下4點(diǎn):

a.編輯模塊。分層嵌套建立模塊, 與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)劃分層級相對應(yīng); 設(shè)置模塊的名稱、所屬層級、輸入輸出端口等信息, 并添加關(guān)聯(lián)的功能信號。

b. 編輯連線。模塊間的連線代表了信號的流向和故障的傳播路徑, 只能從模塊的輸入端口進(jìn), 從輸出端口出。

c. 編輯測試點(diǎn)。設(shè)置測試點(diǎn), 添加測試, 關(guān)聯(lián)對應(yīng)的功能信號。

d. 編輯開關(guān)和工作模式。添加開關(guān)設(shè)置系統(tǒng)不同的工作模式。

2) 修正及調(diào)整模型

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能模型構(gòu)建完成后, 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對模型進(jìn)行修正和調(diào)整。

基于故障隔離的考慮, 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能劃分一般應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致。此外, 應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際, 對最底層組成單元的故障模式進(jìn)行梳理、細(xì)化, 以便于故障定位和維修。

若系統(tǒng)中存在一些組件能夠阻斷一個(gè)信號集或全局故障, 則應(yīng)為這些組件定義一個(gè)被阻斷信號集。若系統(tǒng)中存在一些組件能夠映射一個(gè)或多個(gè)信號到另一個(gè)信號子集, 則需為這些組件定義信號映射關(guān)系[10]。

3) 驗(yàn)證改進(jìn)模型

完成模型的搭建和初步調(diào)整后, 應(yīng)開展系統(tǒng)模型分析, 對模型進(jìn)行驗(yàn)證。首先進(jìn)行‘靜態(tài)分析’選項(xiàng), 獲得模型的未覆蓋故障、故障模糊組、冗余測試等信息。然后選擇‘測試性分析’選項(xiàng), 生成故障-測試相關(guān)性矩陣和測試性分析總體報(bào)告, 尋找設(shè)計(jì)缺陷, 以改進(jìn)系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)。

2 基于TEAMS的魚雷測試性建模

2.1 魚雷結(jié)構(gòu)功能劃分

圖2 魚雷層次劃分結(jié)果

2.2 確定模塊端口信號集

2.3 確定測試集

根據(jù)魚雷全雷試驗(yàn)內(nèi)容及測試項(xiàng)目, 確定魚雷的測試點(diǎn)和測試集, 如表2所示。

表1 魚雷SRU端口信號表

表2 魚雷測試項(xiàng)目表

2.4 構(gòu)建多信號模型

根據(jù)上述分析, 在TEAMS軟件中, 依次編輯模塊、連線、測試點(diǎn), 并根據(jù)實(shí)際情況, 添加開關(guān)設(shè)置系統(tǒng)不同的工作模式, 建立魚雷的多信號模型, 如圖3所示。

3 基于TEAMS的魚雷測試性分析

3.1 魚雷系統(tǒng)測試性分析

對建立的魚雷多信號模型進(jìn)行“靜態(tài)分析”, 得到魚雷的未覆蓋故障(undetected fault)包含SRU: 55、41、54、66, 模糊組(ambiguity group)如表3所示。

圖3 魚雷多信號模型

表3 SRU模塊模糊組清單

表3中列出的SRU模糊組包含了因SRU之間部分故障模式無法隔離的情況。分析得到, 魚雷的SRU模糊組沒有在同一艙段內(nèi)。

進(jìn)行“測試性分析”, 預(yù)計(jì)測試性指標(biāo), 得到魚雷的測試性分析總體評估報(bào)告如圖4所示。

圖4 魚雷測試性分析總體報(bào)告

可以看出, 故障檢測率(percentage fault detection)為92.24%, 故障隔離率(percentage fault isolation)為85.72%。

3.2 魚雷測試性設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)魚雷測試性分析及指標(biāo)預(yù)計(jì)結(jié)果, 可以看到, 對故障艙段(LRU)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確隔離及替換維修。因此, 需改進(jìn)設(shè)計(jì), 在原有的多信號模型中增加測試項(xiàng)目, 具體內(nèi)容如表4所示。

表4 添加的測試項(xiàng)目清單

進(jìn)行‘靜態(tài)分析’, 得到魚雷的SRU模糊組如表5所示。

表5 改進(jìn)模型后的模糊組清單

分析得到, SRU模糊組均在同一艙段內(nèi), 方便替換維修。

進(jìn)行“測試性分析”, 預(yù)計(jì)測試性指標(biāo), 得到魚雷的測試性分析結(jié)果總體報(bào)告如圖5所示。

圖5 改進(jìn)模型后的測試性分析總體報(bào)告

此時(shí)魚雷SRU的故障檢測率達(dá)到100%, 故障隔離率為97.15%, 實(shí)現(xiàn)了對魚雷SRU檢測的全覆蓋, 故障隔離率也有所提高, 方便了故障單元的替換和維修。

4 結(jié)束語

測試性建模是開展測試性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ), 而選擇一種好的測試性建模工具可以顯著降低測試性建模的難度。文中結(jié)合魚雷武器系統(tǒng)的特點(diǎn), 提出了基于多信號模型的魚雷測試性建模方法, 采用TEAMS軟件構(gòu)建了某型魚雷的全雷級測試性模型, 并開展測試性分析、指標(biāo)預(yù)計(jì)及設(shè)計(jì)改進(jìn), 驗(yàn)證了該建模方法的可行性。

文中在進(jìn)行魚雷測試性建模時(shí), 尚未考慮各組成單元的故障率等因素, 后續(xù)將綜合權(quán)衡相關(guān)影響因素對模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化, 并基于模型構(gòu)建魚雷的診斷策略。

[1] 尹韶平, 劉瑞生. 魚雷總體技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2011.

[2] 邱靜, 劉冠軍, 楊鵬, 等. 裝備測試性建模與設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[3] 呂曉明, 黃考利, 連光耀. 基于多信號流圖的分層系統(tǒng)測試性建模與分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 37(9): 1151-1155.Lü Xiao-ming, Huang Kao-li, Lian Guang-yao. Modeling and Analyzing for Testability of Hierarchy System Based on Multi-signal Flow Graph Model[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2011, 37(9): 1151-1155.

[4] 秦文娟, 王魁. 基于TEAMS軟件的空空導(dǎo)彈測試性建模方法[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2011, 31(5): 44-46.Qin Wen-juan, Wang Kui. The Research on Testability Modeling Method of Air-to-air Missile Based on TEAMS [J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2011, 31(5): 44-46.

[5] 薛凱旋, 黃考利, 張瑋昕, 等. 基于多信號模型的測試性分析與故障診斷策略設(shè)計(jì)[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2008, 28(4): 225-227. Xue Kai-xuan, Huang Kao-li, Zhang Wei-xin, et al. Testability Analysis and Fault Diagnosis Strategy Design Based on Multi-signal Model[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2008, 28(4): 225-227.

[6] 龍兵, 王日新, 姜興渭. 多信號模型航天器配電系統(tǒng)最優(yōu)測試技術(shù)[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 37(4): 440-443. Long Bing, Wang Ri-xin, Jiang Xing-wei. Optimal Test Technology for Distribution Systems of Space Crafts Based on Multi-signal Model[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2005, 37(4): 440-443.

[7] 楊智勇, 許愛強(qiáng), 牛雙誠. 基于多信號模型的系統(tǒng)測試性建模與分析[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2007, 14(5): 364-368. Yang Zhi-yong, Xu Ai-qiang, Niu Shuang-cheng. Model and Analysis of System Testability Based on Multi-signal Model[J]. Journal of Engineering Design, 2007, 14(5): 364-368.

[8] 趙建軍, 梁翔宇, 張小楓, 等. 基于多信號模型的武器裝備故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測量技術(shù), 2008, 31(11): 103-107. Zhao Jian-jun, Liang Xiang-yu, Zhang Xiao-feng, et al. Design of Test System for the Weapon System Based on the Multi-signal Modeling Methodology[J]. Electronic Measurement Technology, 2008, 31(11): 103-107.

[9] 龔勇, 景小寧, 陳云翔, 等. 基于多信號流圖的飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障診斷[J]. 電光與控制, 2006, 13(6): 89-92. Gong Yong, Jing Xiao-ning, Chen Yun-xiang, et al. Real-time Fault Diagnosis for Flight Control System Based on Multi-signal Flow Graph[J]. Electronics Optics& Control, 2006, 13(6): 89-92.

[10] 田華明, 孫華, 趙宏家. 復(fù)雜電子系統(tǒng)的TEAMS測試性研究[J]. 測控技術(shù), 2009, 28(9): 72-76. Tian Hua-ming, Sun Hua, Zhao Hong-jia. Study on TEAMS Testability of Complex Electronic Systems[J]. Measurement & Control Technology, 2009, 28(9): 72-76.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Modeling Method of Torpedo Testability Based on Multi-Signal Model

ZHANG Zhao-xu1,2, WANG Zhi-jie1, LI Jian-chen1,2, XU Jun1, WANG Gui-qi1, YANG Jin-hou1

(1.The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Considering the characteristics of torpedo weapon system, a modeling method of torpedo testability based on multi-signal model is proposed. Then, a testability model at whole torpedo level is constructed by using the software TEAMS. Testability analysis, index prediction and design improvement are conducted to verify the feasibility of the proposed modeling method. This study may provide a feasible way to future design of torpedo testability.

torpedo; multi-signal model; testability modeling; TEAMS software

張釗旭, 王志杰, 李建辰, 等. 基于多信號模型的魚雷測試性建模方法[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(4):339-343.

TJ630; TN06

A

2096-3920(2017)04-0339-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.006

2017-06-22;

2017-06-28.

張釗旭(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).