论文（设计）基于多信号模型的武器系统综合诊断设计.doc

基于多信号模型的武器系统综合诊断设计林志文1 ,贾登文2 ,刘松风1（1.海军电子设备维修&测试中心，北京 102442; 2.北京239厂军代室，北京 100841） 摘要：综合诊断是解决武器系统测试诊断问题、提高武器系统综合诊断能力、降低武器系统使用和保障费用的有效途径。基于此，本文提出了一种基于多信号模型的武器系统综合诊断设计方法，通过例子电路的功能分析、多信号模型建模和综合诊断设计，对武器系统的综合诊断技术实现方法进行了探索，为制定统一的军用武器系统综合诊断技术结构奠定基础。关键词：多信号模型;武器系统;综合诊断;设计1 引言对于武器装备，尤其是电子装备而言，装备的可靠性和测试诊断能力是保证装备完好性的两个重要方面，测试诊断是装备服役后几乎每时每刻都在进行着的活动。因此，装备的测试诊断能力建设成为装备各级保障机关、装备研制部门、科研单位、军内外院校和修理厂，在装备战斗力形成和保障力建设方面努力和投入的重点。一些统计资料表明，装备交付后的使用与维修保障费用已达到装备寿命周期费用的50%-80%，而且还在不断增加。但从实际情况看，投入经费与产生效益并没有成正比，装备的测试诊断能力并没有达到理想的程度，仍然是形成装备保障力的一个薄弱环节。通过调研分析，造成装备测试诊断能力不高的最主要原因是装备测试诊断能力建设依然采用传统的序贯模式，即诊断能力设计滞后于装备设计和研制，同时缺少统一的认识、领导和规划，造成在提高武器装备测试诊断能力方面的努力都是孤立的和短期的，很难形成适合装备战斗力和保障力建设要求的“诊断综合”效应。 “综合诊断”将武器装备的所有测试诊断问题作为一个整体来看待和解决，是测试诊断领域中的一种新思路和技术途径。要求在武器装备全系统全寿命管理过程中，按照统一的设计规范和技术结构，从装备设计开始，同步开展测试诊断需求到测试性设计、手工/自动测试设备、维修辅助工具、人员培训和技术资料等影响装备诊断能力的诊断组件的合理分配，并在各诊断组件之间建立一致信息接口，最终使武器装备诊断能力达到最佳的设计过程。80年代美国空军启动“通用综合维修与诊断支持（GIMADS）”，美国海军启动“综合测试诊断支持系统（IDSS）”。90年代，美国防部又相继启动了舰艇机械诊断、导弹武器综合诊断、航空维修综合诊断、国防部测试系统工厂级到现场级综合测试、综合诊断开放系统途径研究等7个技术演示项目1。实践证明，“综合诊断”对解决武器装备测试诊断问题，提高武器装备综合诊断能力、降低武器装备使用/保障费用具有重要的作用。2 多信号模型模型是对信息的一种标准的抽象表达方式，是一系列用于描述系统知识和功能特性的定义。因此，诊断模型是对诊断信息的抽象表达方式，是一系列用于描述武器系统故障诊断的测试诊断知识和诊断功能特性的抽象定义。诊断模型主要有两大类：一类是结构化模型和依赖性模型。结构化模型是以方向图的形式表示电路连接关系和电路故障传输方向。基于结构模型的诊断模型简单、快速，方便于小系统的测试诊断分析，且模型可简单地从CAD数据库中获取。但是结构并不等于功能，特别是对嵌入到简单方块图中的复杂函数依赖关系，要想获得完整的电路函数依赖关系，结构化模型还不能完全满足。而对于依赖性模型，如诊断推理模型或函数依赖模型，模型故障源与测试或测试与测试间的因果关系可以以方向图的方式表示，方向图具有内在的简化特性，所以依赖性模型是目前测试诊断分析工具中的主要建模技术。但是依赖性模型结构平铺，且结果只能是二进制表示（通过或失败），为单维因果关系，对复杂系统的依赖关系表示，依赖性模型就会很大偏离系统结构框架，造成系统模型综合与模型确认的扩大化。图1 两级放大/滤波电路原理图为了改进依赖性模型结构中的不足，同时兼顾结构化模型的优点，K。R。Pattipati等人提出了多信号故障诊断模型的概念从信号的多维属性着手，识别系统中与元件相关的信号属性和检测到的信号属性，在两者之间建立因果关系（详见参考文献3）。多信号流图模型建模简单、模型的集成和验证也相对简单，对系统的诊断设计人员来讲非常有益3。因此，本文将以多信号故障诊断模型为基础，采用QSI公司的测试性工程与维修系统（Testability Engineering And Maintenance SystemTEAMS）工具，以简单滤波放大电路为例，对基于多信号模型的武器系统综合诊断设计方法、内容和过程进行描述。3 综合诊断设计由综合诊断概念我们可以得到，武器系统的综合诊断实现是一个结构化设计过程，该过程主要包括诊断需求分析、信号依赖性分析、诊断方案制定、诊断需求分配和诊断设计评估五个内容。下面我们以简单滤波放大电路为例，对综合诊断设计的五个子过程进行详细说明。3.1 诊断需求分析2如图1所示，例子电路由一级放大子电路、低通滤波子电路和二级跟随放大子电路组成，其中一级放大由R1、R2、R3和A1组成，低通滤波由R4和C1组成，二级跟随放大由A2组成。通过电路分析，影响电路的参数主要包括增益（S1）、信号线性（S2）、低通截止频率（S3）、信号扭曲变形（S4）和直流偏移（S5）。对电路来说，任何一个参数出现问题，电路都属于不正常（即故障）。因此，例子电路的诊断需求：要求对电路增益、线性、截止频率、信号扭曲和直流偏移进行测试。3.2 信号依赖性分析如图1所示，如果R1|R2R3,则出现直流偏移，即R1、R2与R3状态影响参数直流偏移S5；同样，R4和C1状态影响参数S3；R2/R1 放大民和A1状态影响参数S1等等。即电路依赖性关系为：R1关联信号S1和S5，R2关联信号S1和S5，R3关联S5，A1关联信号S1、S2、S4和S5，R4和C1关联信号S3，A2关联信号S1、S2、S4和S5。按照多信号模型要求，利用TEAMS建模方法，我们得到图1电路原理图相对应的电路依赖性模型如图2所示，各矩形表示各个器件模块，每一个模块都有相应的输入输出端口，且关联多个电路功能信号（如图A2模块关联信号增益-gain及线性-linearity等），而图中带方向箭头的直线则是表示电路特征信号的传输路径。这样，由模块属性关联和传输直线集就得到了直观易理解的综合电路结构和功能的依赖性性模型4。图2 两级放大/滤波电路依赖性模型3.3 诊断方案制定5对系统和设备进行故障诊断可以采用各种测试方法，如机内测试、外部测试、人工测试和自动测试。其中，BIT是设计到UUT内的一种自动检测与隔离故障的能力，能在UUT工作期间周期地或连续地监测其运行状态及时发现故障并报警。BIT可以大大降低对外部测试设备和维修技术人员技术水平的要求，BIT的缺点是可能增加UUT的复杂性。外部自动测试通常是借助自动测试设备（ATE）完成的。ATE是用于自动完成对UUT故障诊断、功能参数分析，以及评价性能下降的测试设备。ATE与UUT是分离的，主要是在中继级和基地级维修使用。人工测试是指以维修人员为主进行的故障诊断测试，需要借用一些简单通图3 诊断方案组成要素用的仪器设备和工具和测试流程图或诊断手册等，按照规定的故障查找路径找出故障部件。因此，如图3所示，对于一个特定的系统或设备来说，要通过比较分析，按需要选用其中一部分或大部分或全部要素构成自己的诊断方案，在满足故障检测与隔离要求的条件下，诊断方案越简单越好。当然，人工测试比自动测试费时费事，维修时间长，影响系统可用性。但是BIT和ATE往往不能达到百分之百地故障检测与隔离能力，经常有些难于实现自动检测的故障模式或部件，需要人工测试。3.4 诊断需求分配图4 测试性设计质量评估图诊断需求分配是将要求的诊断功能测试，按维修级别要求，合理有效地分配给制定的诊断方案诊断要素。如图1所示，我们制定的故障诊断方案包括测试点TP0、TP1、TP2和J，诊断要素包括机内测试、手工测试和自动测试，其中TP0和TP2是机内测试点，J是自动测试点，而TP1则是手工测试点，各测试点关联的功能分别为：TP0S1、S5、TP1S1、S2、S4、S5、TP2S3和JS1、S2、S4、S5。3.5 诊断设计评估图3 诊断要素诊断设计评估是对用户设计的诊断能力或诊断方案做客观量化的评估，同时指出测试诊断设计方案中存在的不足，便于进一步改进。如图4，按照前面制定的电路测试诊断方案，通过TEAMS算法自动计算，TEAMS系统最终给出的电路的测试性指标如图4所示：（a）文字说明数据显示系统故障覆盖率为100%，故障隔离率为43.43%,故障模糊集大小为1.57个模块；（b）柱状图表明故障模糊集为1的占43%，模糊集为2的占57%，而最终实现故障隔离需要用到两个测试的占38%，要求用到3个测试的占63%。利用这种直观的数据和图形，开发人员可以很快得到电路测试诊断能力和测试性设计中存在的缺陷。因此，综合诊断设计过程是一个不断循环的设计过程。4 综合诊断实现当然，综合诊断设计只是实现武器系统综合诊断的第一步，是实现综合诊断的基础。要完成武器系统的综合诊断还需要其它方面的知识和工作，本文仅简单介绍TEAMS需求的部分内容。4.1 测试诊断知识的输入测试诊断知识来源于设计员、专家或电路开发人员，TEAMS依赖性模型可用于集成测试诊断知识。根据图1电路特征，其测试诊断知识包括：（1）测试点TP1测试条件：当在输入P1端施加1V r.m.s.、1KHZ正弦波信号，测量内容为（a）T0=测量直流电压（S5）、（b）T1=测量TP0交流电压比（S1）、（c）T2=测量谐波畸变（S2）；当施加高频、大幅度正弦信号于P1，测量内容为T4=用示波器正弦波零正交功能观察信号旋转性（S4）。图5 TEAMS生成的测试诊断二叉树（2）因为，测试点TP1和J关联相同的功能，所以同样的测量可以应用于测试点J1（TP3）。（3）而在测试点TP2仅测试信号参数S3，即测试不同频率的TP2/TP1电压比，判断低通滤波器截止频率性能。为了使设计的结果能直接应用于诊断和维修，用户在设计过程中必须对测试诊断过程中需要的测试资源和诊断知识做深入的分析，分析得越透越容易实现诊断。4.2 诊断策略数据的生成如图4，当诊断设计指标达到指定要求后，TEAMS软件可根据维修需要和测试诊断知识生成不同等级、不同诊断要素所需的测试诊断数据和诊断内容，包括BIT用数据、适用于PMA的IETM和ATE用测试程序等，其数据格式含XML、HTML、TRD和AI-ESTATE等。图5是TEAMS生成的、用于现场人工测试所需的优化测试诊断二叉树，通过对该诊断树的查询和遍历，维修人员可以很方便地判断并隔离出故障，详细见参考文献4。4.3 测试性设计与BITE/ATE设计诊断数据的获取和诊断的实现决定于武器系统的测试可观性、可控性和测试设备，因此综合诊断设计后的武器系统的测试性设计和开放系统结构的BITE/ATE研制也是实现武器系统综合诊断的关键内容，每一个部分都是一门学科，因此这部分内容将不在本文详述，读者可参考相关文献。5 结束语为解决武器装备存在的严重的诊断问题，美军方提出了综合诊断（ID）思想。1991年2月美国防部正式颁布军用标准MIL-STD-1814综合诊断，把综合诊断作为提高新一代武器装备诊断能力和战备完好性及降低使用和保障费用的有效途径6。在国内，随着自动测试技术和自动测试设备在军用装备技术保障中的应用的不断深入，“综合诊断”思想在装备技术保障中的作用也逐渐突出。基于此，本文提出了一种基于多信号模型的武器系统综合诊断设计方法，通过例子电路的功能分析和多信号模型建模，对武器系统的综合诊断技术实现进行了探索，为下一步制定统一的军用武器系统综合诊断技术结构奠定了坚实的基础。参考文献1 Open System Approach Integrated Diagnostics Demonstration EB, Department of Defense,1999, http:/dodats.osd.mil2 林志文,基于多信号模型的系统测试性分析与评估.计算机测量与控制,2006, 2(14):222-224.3 温熙森等.智能机内测试理论与应用C，国防工业出版社，2002. 4 Teams user guide, Qualtech Systems, 2003.5 田仲等.系统测试性设计分析与验证M，北京航空航天大学出版社，2004.6 周鸣岐,综合诊断技术发展,海军装备维修,2004,6:34-35.Editor's note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the world's first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, I've still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, you'd hear my foot tapping rapidly under my desk. I'm anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.It's like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line "we" would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and "capcom" (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, "Fearless Felix" will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, he'll be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes it's not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it won't. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way I'd miss this.