某型導彈發控通道層次化測試性建模方法*

葉文，呂鑫燚，呂曉峰2,，馬羚

(1.海軍航空大學，山東 煙臺 264001；2.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710072)

0 引言

現有的測試性建模方法中，相關性模型是一種較為有效的建模方法，它考慮系統測試與診斷過程中的測試與部件之間的因果連接關系，并采用有向圖的形式描述這些關系，使模型不僅描述直觀，且建模難度低[1-3]。但是對于某型空空導彈發控通道，系統級測試性建模由于電路中元件數量過多，而不能準確的設置故障，元件級測試性建模的信號流反饋環過多，造成故障關聯性過多而難以有效區分[4]。

本文針對上述問題，從對復雜電子設備進行合理的層次劃分角度出發，建立一套能分別針對該導彈發控通道系統級和元件級的層次化建模策略，以實現不同層次電路合理的測試性建模，最后通過建模實例評估該測試性建模方法的效果。

1 裝備層次化建模策略

1.1 層次化建模思路

某型空空導彈發控通道結構復雜，其可被劃分為多個子系統，每個子系統又可被劃分成多個電路級子模塊，這樣分層劃分的方法可用于解決復雜電子裝備測試性建模的問題[5-8]。

某型空空導彈發控通道主要由目標指示信息分配組件、交聯組件、武器控制計算機、電源和地面工作臺、能量變換組件、掛點執行組件、電源轉換模塊、導彈發射模塊以及保險模塊等9個功能模塊(子系統)組成。其系統原理框圖如圖1所示。

圖1 某型空空導彈發控通道原理框圖Fig.1 Structure block diagram of a certainmissile-launch channel

其主要工作過程為：由武器控制系統完成飛行員下達的發射任務，導彈的各種狀態信息以及使用情況由武器控制系統送至火控系統，火控系統將瞄準信息發送給武器控制系統，經武器控制計算機處理后分配至相應的導彈武器。

根據目前裝備的3級維修體制(基層級、中繼級和基地級)對該導彈發控通道進層次化劃分。導彈發控通道系統級的測試性建模對應維修體制中的基層級和中繼級，應考慮系統實現的具體功能，將故障定位到各個子系統或各個子模塊；導彈發控通道元件級的測試性建模對應維修體制中的基地級，應考慮元器件可能的故障模式，將故障定位到電路級子模塊上的元器件。

上述導彈發控通道系統級和元件級測試性建模的目標不相同，其建模的方法也不相同。導彈發控通道層次化建模應根據不同的層次結構釆用不同的測試性建模方法，如圖2所示。

圖2 層次化建模示意圖Fig.2 Hierarchical testability modeling diagram

1.2 基于多信號模型的系統級測試性建模

多信號測試性建模的主要特點是通過分析系統組成的各個子系統的功能特性來完成測試性建模[9-10]。多信號測試性建模可以有效達成將導彈發控通道的故障定位到各個子系統或各個子模塊的建模目標，因此本文采用該方法進行導彈發控通道系統級測試性建模。

1.2.1 多信號建模的表示

多信號模型利用有向圖形式來表示系統模塊、測試和信號的相關關系，從而實現對故障傳播特性進行建模。

多信號模型作為一種有向圖的表示模型，其組成主要有兩部分，分別為節點和有向邊。其中前者包含模塊節點、測試點節點、與節點和開關節點[11]。

多信號模型的圖形表示方法基于系統功能原理圖和結構框圖，采取有向圖的方式表示系統各模塊之間的相互連接關系和信號流傳播方向，并標注各模塊相關聯的檢測信號、測試點的位置以及測試和相應檢測信號的關聯等信息，以此描述各組成模塊、測試點與信號之間的相關性關系。

1.2.2 系統級相關性矩陣獲取

系統故障可以通過有向邊傳遞到系統的各個節點，因此可以通過測試任意節點檢測出系統的故障，但是對于功能故障，則需要選擇不同的與之相關的節點進行測試。

在對系統進行多信號建模以后，可分別進行功能故障與測試，系統故障與測試的相關性分析以獲得相關性矩陣，具體計算過程為

(1)

式中：fti(F)j表示模塊mi的功能故障fiF與測試tj的相關性；fti(G)j表示模塊mi的系統故障fiG與測試tj的相關性。mtij為模塊-測試相關性矩陣；mstij為模塊-信號-測試相關性矩陣，主要表征模塊mi與測試tj間是否存在關聯信號。

系統故障fiG與測試tj相關只需滿足塊mi與測試tj之間至少有1條有向邊；而功能故障fiF與測試tj相關需要滿足模塊mi與測試tj之間至少有1條有向邊，且模塊mi影響的信號集SM(mi)與測試tj的信號集ST(tj)的交集不能為空，即SM(mi)∩ST(tj)≠φ。

1.2.3 系統級測試性建模步驟

基于多信號模型的系統級測試性建模過程如圖3所示。

圖3 多信號建模流程圖Fig.3 Flow of multi signal modeling

具體的建模步驟如下：

(1) 識別和提取模型信息，主要包括系統組成的有限模塊集M，描述模塊功能的有限信號集S及系統可用的有限測試集T；

(2) 構建模塊集M與信號集S的相關關系；

(3) 在系統中加入可用測試集T，并建立測試與信號的相關關系；

(4) 建立多信號模型，并獲取故障-測試相關性矩陣D，為下一步測試性分析奠定基礎。

1.3 基于改進離散事件系統的元件級測試性建模

1.3.1 基于改進DES建模的表示

基于離散事件系統(discrete event system,DES)的測試性建模主要從故障狀態與測試之間的相關關系著手，建立其相關性矩陣[12-13]。由于DES理論從電路的基本故障狀態出發，因此更適合于元器件級的測試性建模，其測試性模型如圖4所示。

圖4 DES測試性模型Fig.4 Testability model of DES

基于DES的元件級測試性建模中，離散事件用于描述測試結果，離散狀態用于描述元件的故障狀態。對電路G進行測試性建模[14]如下:

G=(Σ，Q,δ)，

(2)

式中：Σ表示電路G的測試事件集合；Q表示電路G的全部故障狀態集合；δ：Σ*Q→2Q為轉移函數，即可觀測事件集合，主要描述離散事件與故障狀態間的相關關系。

1.3.2 元件級相關性矩陣獲取

基于DES的測試性建模過程極其復雜，且針對該模型的故障診斷算法速度慢、精度低，后續測試性分析的難度也隨之提升。因此本文借鑒多信號建模方法，將故障與測試相關性矩陣引入到基于DES的測試性建模分析中，形成基于改進DES的測試性建模方法。即通過建立故障狀態與測試事件的相關性矩陣，最終使元件級測試性建模與系統級測試性建模釆用統一的建模手段，以提高建模與后續測試性的分析效率。

通過EDA(electronic design automation)軟件對電路進行仿真實驗后，可根據實驗結果建立有限故障狀態集Q與測試事件集Σ的驅動關系列表，其中可觀測事件集δ描述了測試事件與故障狀態之間的關系。

在本文中，取仿真結果中各故障狀態下的電壓值與標準電壓值的相減得絕對值為可觀測事件集δ={t1,t2,…,tn}，如式(3)所示。

ti=|Ti(fl)-Ti(f0)|>ε,

(3)

式中：ti表示第i個可觀測事件；Ti(fl)表示第i個觀測事件中電路處于fl故障狀態下的電壓值；T(f0)表示第i個觀測事件中電路處于無故障狀態下的電壓值；ε表示相關性閾值，本文取ε=0.7 V，即二極管的導通電壓[15]。

在可觀測事件集δ={t1,t2…,tn}全部設置完畢后，依據可觀測事件成立則矩陣中對應元素為“1”，反之為“0”的規則，即可得到仿真電路的故障-測試相關性矩陣。

1.3.3 元件級測試性建模步驟

基于改進DES的元件級測試性建模流程如圖5所示。

圖5 電路元件級測試性建模流程Fig.5 Flow of testability modeling forcomponent-level circuit

具體的建模步驟如下：

(1) 分析故障信息，設置有限的故障狀態集合Q；

(2) 選擇可用測試集，設置有限的測試事件集合Σ；

(3) 根據EDA軟件的電路仿真實驗結果，建立表征有限故障狀態集Q與測試事件集Σ的相關關系的可觀測事件集δ；

(4) 建立故障-測試相關性矩陣D，為下一步測試性分析奠定基礎。

2 建模實例

實例1：依據前述方法對某型空空導彈發控通道進行系統級建模。

第1步，提取系統的組成模塊集M={m1,m2,…,m9}和描述模塊功能的有限信號集S={s1,s2,…,s21}。其中，s1為供直流信號；s2為加溫信號；s3為供氮信號；s4為應急發射信號；s5為發射(+27 V)信號；s6為對地攻擊信號；s7為+20 V直流電信號；s8為-20 V直流電信號；s9為+27 V信號；s10為-27 V信號；s11，s12，s13分別為36 V,400 Hz三相交流ΦA,ΦB,ΦC信號；s14為發動機點火信號；s15為發射殼體(地)；s16為接地信號；s17為懸掛信號；s18為供氮氣(殼體)信號；s19為導彈截獲目標信號；s20為導彈準備好信號；s21為殼體信號。

第2步，建立信號與模塊的相關關系，如能量變換組件m5的相關信號有供直流信號s1、加溫信號s2、+27V信號s9和發動機點火信號s14，因此能量變換組件相關信號為s1，s2，s9，s14。系統全部子模塊的相關信號如表1所示。

表1 系統子模塊和信號的相關關系Table 1 Relationship between system sub-moduleand signal

第3步，根據系統的結構特征，選擇測試點TP1～TP6，對系統加入測試t1～t15，進而構建測試、測試點和信號的相關關系如表2所示。

最后，構建其多信號模型如圖6所示。依據該多信號模型，根據式(1)依次對各個模塊進行分析，最終得到某型空空導彈發控通道的故障-測試相關性矩陣如表3所示。

實例2：本文以某型導彈發控電路中的戰術發射電路為例，闡述層次化建模中元件級測試性建模的過程，該電路的仿真圖及測點設置如圖7所示。

第1步，對戰術發射電路進行故障分析，建立故障狀態集Q={f0,f1,…,f25}，具體設置如表4所示。

第2步，取在測試點測得的輸出電壓為測試事件集Σ={T1,T2,…,T18}。

第3步，通過EDA軟件Pspice到該電路的仿真測試結果如表5所示。依據此表建立測試事件集Σ與故障狀態集Q的驅動關系列表，依據式(3)設置可觀測事件集δ={t1,t2…,t18}，其中t1=|T1-27|>ε,t2=|T2-0|>ε,t3=|T3-26.866|>ε,…,t18=|T18-27|>ε。

表2 測試、測試點和信號的相關關系Table 2 Relationship among tests, test points and signal

圖6 某型空空導彈發控通道多信號模型Fig.6 Multi-signal modeling of a certain missile-launch channel

表3 某型空空導彈發控通道的相關性矩陣Table 3 Dependency matrix of a certain missile-launch channel

圖7 戰術發射電路仿真電路圖Fig.7 Simulation circuit diagram of tactical launch circuit

最后，依據可觀測事件成立則矩陣中對應元素為“1”，反之為“0”的規則，得到戰術發射電路的故障-測試相關性矩陣如表6所示。

通過分析相關矩陣可得到測試性指標，為后續測試性設計中的測試優化選擇和診斷策略設計提供理論基礎。

表4 故障狀態集Table 4 Fault state set

表5 戰術發射電路EDA仿真Table 5 EDA simulation for tactical launch circuit

表6 戰術發射電路的相關性矩陣Table 6 Dependency matrix of tactical launch circuit

3 結束語

本文針對多層次某型導彈發控通道測試性建模困難的問題，提出了分別從系統級和元件級建立測試性模型的層次化測試性建模方法。該建模方法能夠分別從系統故障和元件故障的角度出發，結合基于多信號模型的系統級測試性建模和基于DES的元件級測試性建模的優點，將多信號模型的故障-測試相關性矩陣借鑒到基于DES的測試性建模中并對其進行改進，從而建立層次化的測試性建模方法。最后通過建模實例驗證了本文提出的層次化建模方法的實用性和有效性，為進一步研究測試優化選擇和診斷策略優化方法提供了理論基礎。