綜合診斷設(shè)計(jì)與分析綜述

蔣海濤

綜合診斷是指通過(guò)考慮和綜合機(jī)內(nèi)測(cè)試、自動(dòng)和人工測(cè)試、維修輔助手段、技術(shù)信息、人員和培訓(xùn)等構(gòu)成診斷能力的所有要素，使武器裝備診斷能力達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和管理過(guò)程。其目的是以最少的費(fèi)用最有效地監(jiān)測(cè)、隔離裝備內(nèi)已知的或預(yù)期發(fā)生的所有故障，以滿足裝備的任務(wù)要求。綜合診斷是系統(tǒng)工程的概念，其實(shí)施應(yīng)從裝備設(shè)計(jì)開(kāi)始，并貫穿于其壽命周期的各個(gè)階段。通過(guò)綜合診斷，可以有效利用各種資源，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)和機(jī)外診斷要素的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的故障檢測(cè)與隔離能力。

1 國(guó)外綜合診斷發(fā)展研究

根據(jù)對(duì)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(gè)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(guó)國(guó)家安全工業(yè)協(xié)會(huì)（NSIA）主持了第一屆全國(guó)綜合診斷會(huì)議，主要的發(fā)現(xiàn)是裝備缺乏對(duì)診斷過(guò)程中涉及的技術(shù)進(jìn)行綜合或集成。1996年8月8日，美國(guó)國(guó)防分析研究所（IDA）在國(guó)防部采購(gòu)與技術(shù)局的主持下舉辦了一次綜合診斷研討會(huì)，主要的目的包括：增強(qiáng)相關(guān)人員對(duì)綜合診斷應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的認(rèn)識(shí)；確定可以應(yīng)用更好的綜合診斷方法對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行保障的問(wèn)題；提出跨領(lǐng)域的綜合診斷機(jī)會(huì)；開(kāi)始討論將開(kāi)放式或非專有架構(gòu)應(yīng)用于綜合診斷的機(jī)會(huì)。

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(guó)空軍與工業(yè)界合作的計(jì)劃，其主要目標(biāo)是為綜合診斷程序開(kāi)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(guò)將自動(dòng)和手動(dòng)過(guò)程、嵌入式診斷程序和外部測(cè)試設(shè)備相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

2）綜合診斷支持系統(tǒng)

綜合診斷支持系統(tǒng)（IDSS）是美國(guó)海軍開(kāi)發(fā)的，其目標(biāo)是提高裝備的維護(hù)能力。它規(guī)定并有助于實(shí)現(xiàn)診斷最為有效的結(jié)構(gòu)化過(guò)程。

3）開(kāi)放系統(tǒng)和綜合診斷研究計(jì)劃

1999年，美國(guó)國(guó)防部辦公廳（OSD）啟動(dòng)了“綜合診斷開(kāi)放系統(tǒng)方法演示驗(yàn)證（Open System And Integrated Diagnosis Research，OSAIDR）”研究計(jì)劃，探討統(tǒng)一的、通用的綜合診斷功能實(shí)現(xiàn)方法的可行性，以降低費(fèi)用，增加互用性，加快引入新技術(shù)。

2國(guó)內(nèi)綜合診斷發(fā)展分析

國(guó)內(nèi)綜合診斷相關(guān)的要求都包含在測(cè)試性的工作中，GJB2547A是測(cè)試性工程領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系中的牽頭標(biāo)準(zhǔn)，它包括裝備在其壽命周期內(nèi)開(kāi)展測(cè)試性工作應(yīng)遵循的基本要求和一系列管理的和技術(shù)的測(cè)試性工作項(xiàng)目，為建立該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系框架和確定支撐標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目提供了依據(jù)。GJB2547A中給出了綜合診斷的定義，并在工作項(xiàng)目確定診斷方案和測(cè)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(chǔ)管理中心組織編制了裝備測(cè)試性國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)體系，其中就對(duì)MIL-HDBK-1814綜合診斷的轉(zhuǎn)化和我國(guó)《綜合診斷要求》標(biāo)準(zhǔn)的研究和編制工作進(jìn)行了規(guī)劃。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)裝備研制單位已將綜合診斷作為型號(hào)中重要的設(shè)計(jì)工作，開(kāi)展綜合診斷建模、設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，不斷推進(jìn)綜合診斷技術(shù)的工程應(yīng)用。目前綜合診斷主要存在以下問(wèn)題和挑戰(zhàn)：裝備研制單位對(duì)綜合診斷重要性的認(rèn)識(shí)還不夠；綜合診斷寄生于測(cè)試性設(shè)計(jì)工作中，沒(méi)有獨(dú)立出來(lái)；綜合診斷缺乏頂層標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，需求不清楚，設(shè)計(jì)無(wú)指南；裝備設(shè)計(jì)方、系統(tǒng)和設(shè)備供應(yīng)商之間需要緊密配合，才能實(shí)現(xiàn)綜合診斷的目標(biāo)。

3 綜合診斷需求分析

3.1整體過(guò)程分析

1814標(biāo)準(zhǔn)附錄B對(duì)綜合診斷的需求捕獲和推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行了規(guī)范和概述。需求設(shè)計(jì)分析（RDA）過(guò)程的目的是得到準(zhǔn)確滿足使用要求的診斷要求和驗(yàn)證方法。RDA過(guò)程由委托方和承制方共同的活動(dòng)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(guò)程包括三項(xiàng)主要活動(dòng)：轉(zhuǎn)化、整合和分配，如圖1所示。轉(zhuǎn)化和整合共同推導(dǎo)出一套滿足需求的診斷要求。分配為將診斷要求分配到對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)層級(jí)和診斷要素中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。不同項(xiàng)目可用于該過(guò)程的信息質(zhì)量和數(shù)量不同，但是應(yīng)盡早執(zhí)行需要分析過(guò)程，即使是基于粗略的或推測(cè)性信息。否則可能影響初期設(shè)計(jì)并導(dǎo)致高昂的變更成本。

RDA過(guò)程提供了對(duì)診斷設(shè)計(jì)要求的可追溯性，以滿足它們所支持的運(yùn)行需求。在充分記錄的前提條件下，這種可追溯性驗(yàn)證了對(duì)診斷需求的需要，并有助于在設(shè)計(jì)過(guò)程中驗(yàn)證RDA過(guò)程中診斷設(shè)計(jì)要求對(duì)使用需求的滿足情況，應(yīng)具備可追溯性。通過(guò)充分地追溯和記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)診斷要求必要性的確認(rèn)，并有助于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證。

3.2診斷需求轉(zhuǎn)化

需求轉(zhuǎn)化是將項(xiàng)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(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和開(kāi)展的必要聲明，其來(lái)源將隨著項(xiàng)目階段而變化。需求轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，因?yàn)樗鞘褂眯枨蠛妥罱K要導(dǎo)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(guò)程，從而評(píng)估診斷功能的必要性。一個(gè)充分記錄的需求轉(zhuǎn)化過(guò)程，可用于系統(tǒng)要求滿足使用需求的確認(rèn)，并為過(guò)程驗(yàn)證提供框架。需求轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示。

一個(gè)系統(tǒng)的既定診斷需求應(yīng)該準(zhǔn)確給出需求的具體目標(biāo)，但不限制如何實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。如系統(tǒng)安全性、出動(dòng)次數(shù)和任務(wù)成功率等作戰(zhàn)需求，以及每飛行小時(shí)的維護(hù)工時(shí)和兩級(jí)維護(hù)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(píng)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(xiàng)決策。識(shí)別出依賴診斷信息的決策，既給出了需要診斷的原因，同時(shí)提供了診斷時(shí)間和質(zhì)量要求。

可依據(jù)診斷時(shí)機(jī)，對(duì)決策進(jìn)行分組，從而簡(jiǎn)化診斷需求，如飛行后診斷可用于多個(gè)維修決策。一些非診斷的設(shè)計(jì)決策也可以創(chuàng)建診斷需求，如某些單元的冗余重構(gòu)機(jī)制設(shè)計(jì)，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(wèn)題而引入。診斷時(shí)機(jī)還可設(shè)計(jì)為提供一些與使用需求不直接相關(guān)的信息。如在項(xiàng)目初期就為設(shè)計(jì)驗(yàn)證、工程變更、培訓(xùn)、驗(yàn)收測(cè)試等工作，提供診斷信息，可能大大節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，減少冗余測(cè)試、降低測(cè)試算法復(fù)雜度等。

b. 約束

部分使用需求對(duì)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(shè)備的可移動(dòng)性限制了其使用范圍。約束條件還可能促進(jìn)診斷的準(zhǔn)確性，如對(duì)嚴(yán)格的空間和重量約束將導(dǎo)致單一診斷要素必須提供準(zhǔn)確的診斷信息。而寬松的空間和重量約束則可以由多個(gè)準(zhǔn)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(duì)所有需要提供診斷信息的系統(tǒng)功能進(jìn)行梳理，如目標(biāo)識(shí)別、通信、飛行控制等。明確的功能使得在設(shè)計(jì)初期便可以確定診斷。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)如何決定實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能（即向操作員提供導(dǎo)航信息）的同時(shí)，也可以確定如何向操作員和維護(hù)人員提供關(guān)于導(dǎo)航功能的所需診斷信息。如此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)性能對(duì)診斷進(jìn)行不斷的迭代設(shè)計(jì)。

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(xiàng)目推進(jìn)，設(shè)計(jì)方案將越來(lái)越詳細(xì)具體，并且功能不斷分解成下一層級(jí)的子功能，直到功能要求成為可實(shí)施的物理設(shè)計(jì)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(shí)機(jī)、約束、準(zhǔn)確性和度量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，匯總整理為完整的診斷需求集合中，并對(duì)診斷需求進(jìn)行相關(guān)確認(rèn)，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(lái)源為需求轉(zhuǎn)化結(jié)果，中期為設(shè)計(jì)方案，后期為上一層級(jí)的設(shè)計(jì)診斷要求。

2）診斷要求整合

為每個(gè)診斷時(shí)機(jī)確定必須上報(bào)的系統(tǒng)功能，或者為每個(gè)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(wù)類。為每個(gè)診斷時(shí)機(jī)或系統(tǒng)功能，整合出一般的診斷要求和相應(yīng)驗(yàn)證方式。轉(zhuǎn)化過(guò)程可能將明確支撐功能或多個(gè)設(shè)計(jì)層級(jí)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(shè)計(jì)層級(jí)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(fù)。

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(shí)現(xiàn)，除非系統(tǒng)約束或設(shè)計(jì)決策明確要求描述如何實(shí)現(xiàn)。確定為實(shí)現(xiàn)每個(gè)決策/診斷時(shí)機(jī)而需要進(jìn)行診斷的功能，完成每個(gè)決策/事件。如轉(zhuǎn)化過(guò)程中應(yīng)對(duì)這些功能進(jìn)行明確。在不同的診斷時(shí)機(jī)中可能會(huì)對(duì)同一個(gè)功能進(jìn)行診斷，如機(jī)上重構(gòu)和轉(zhuǎn)場(chǎng)維護(hù)均需要對(duì)影響安全的關(guān)鍵功能進(jìn)行故障檢測(cè)和隔離。同樣地，一個(gè)決策/診斷時(shí)機(jī)可能需要多個(gè)功能的診斷信息。

在診斷要求中包含決策/診斷時(shí)機(jī)，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(shí)間和關(guān)鍵性能要求，而不必另行確定具體時(shí)間和精度約束。但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要有一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)上述決策/診斷時(shí)機(jī)給出具體的時(shí)間和精度要求。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)由研制過(guò)程各階段、設(shè)計(jì)層級(jí)和設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)層級(jí)和診斷要素中。分配包含兩個(gè)方面：一是橫向，即確定每個(gè)診斷要素或其組合的診斷要求；二是縱向，即確定每個(gè)設(shè)計(jì)層級(jí)上的診斷要求，從而支撐具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的物理設(shè)計(jì)。

分配過(guò)程應(yīng)基于分析、權(quán)衡、低層級(jí)功能設(shè)計(jì)方案、高層級(jí)的診斷要素組合方式，以及診斷能力或精度影響的無(wú)診斷系統(tǒng)工程假設(shè)或設(shè)計(jì)決策等。在具體工程中，診斷要求的確定可通過(guò)表1所示的填寫(xiě)實(shí)現(xiàn)。診斷要求的關(guān)鍵是能夠得到落實(shí)，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(guò)程分析

綜合診斷過(guò)程分析包括以下幾方面。

1）用戶需求和技術(shù)評(píng)估：對(duì)用戶的使用需求進(jìn)行論證，對(duì)當(dāng)前技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)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(jì)劃、規(guī)范和指南：基于頂層需求，制定綜合診斷計(jì)劃，建立診斷數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，制定裝備相應(yīng)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(rèn)與驗(yàn)證等。

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

4）方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：在裝備方案階段，通過(guò)對(duì)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(duì)該方案是否滿足捕獲和分配得到的診斷要求進(jìn)行驗(yàn)證。

5）初步設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：在裝備工程研制階段的初期，開(kāi)展診斷系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

6）詳細(xì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證：在裝備工程研制階段的后期，開(kāi)展診斷系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

7）設(shè)計(jì)變更：當(dāng)驗(yàn)證結(jié)果未達(dá)到診斷要求時(shí)，或技術(shù)更新等其他情況出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)診斷設(shè)計(jì)進(jìn)行變更。

8）項(xiàng)目監(jiān)督和控制：對(duì)項(xiàng)目過(guò)程中的數(shù)據(jù)、文件、方案、結(jié)果等進(jìn)行審查，并確定后續(xù)階段的工作目標(biāo)和內(nèi)容。

9）診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：對(duì)診斷系統(tǒng)中所需的所有硬件和軟件進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)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(guò)程中的數(shù)據(jù)，對(duì)診斷系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)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(hào)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(shè)計(jì)，是系統(tǒng)工程和保障性功能的組合。可靠性、維修性、綜合保障、測(cè)試性、人素工程、安全性等均對(duì)診斷能力的要求確定和診斷能力設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要作用。

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

將診斷系統(tǒng)工程研究和分析作為武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)組成部分。識(shí)別技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并將嵌入式支持對(duì)離線診斷要素的影響輸入到正式的L5A過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)在Dem/Val期間正在開(kāi)發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備。

在Dem/Val期間，該迭代過(guò)程應(yīng)重新評(píng)估在系統(tǒng)級(jí)別的概念探索過(guò)程中導(dǎo)出和分配的要求（并且經(jīng)常下降到分段和要素級(jí)別），并將此導(dǎo)出和分配過(guò)程向下延伸到至少子系統(tǒng)級(jí)別。診斷系統(tǒng)工程研究和分析的驗(yàn)證。通過(guò)檢查驗(yàn)證，武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程包括系統(tǒng)和配置項(xiàng)級(jí)別的診斷段的定量值，并且以完成適當(dāng)?shù)臋?quán)衡，包括對(duì)這些研究和分析的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)論

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)裝備研制單位以將綜合診斷作為型號(hào)中重要的設(shè)計(jì)工作，開(kāi)展綜合診斷建模、設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，不斷推進(jìn)綜合診斷技術(shù)的工程應(yīng)用。目前綜合診斷主要存在以下問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，需求不清楚，設(shè)計(jì)無(wú)指南；主機(jī)單位、系統(tǒng)集成商進(jìn)行綜合診斷的設(shè)計(jì)工作量大，集成技術(shù)難度大。

綜合診斷工作建議：

1）針對(duì)綜合診斷缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，應(yīng)開(kāi)展綜合診斷需求分析、綜合診斷設(shè)計(jì)和綜合診斷驗(yàn)證相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究和制定工作；在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要充分考慮與現(xiàn)有測(cè)試性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。

2）針對(duì)缺乏統(tǒng)一信息模型的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)放式架構(gòu)的綜合診斷信息模型的研究，這部分可以和當(dāng)前的預(yù)測(cè)與健康管理相關(guān)的工作結(jié)合起來(lái)，綜合診斷如果被納入預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）和綜合健康管理（IVHM）工作中，應(yīng)從技術(shù)發(fā)展的前景出發(fā)，避免重復(fù)研究。

3）針對(duì)綜合診斷設(shè)計(jì)工作量大和集成技術(shù)難度大的問(wèn)題，應(yīng)在裝備的研制過(guò)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(yīng)進(jìn)行的工作。

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