基于多信號模型的空間站某典型產(chǎn)品測試性建模與分析

張 帥，胡 政

(國防科學技術大學裝備綜合保障技術重點實驗室，長沙410073)

基于多信號模型的空間站某典型產(chǎn)品測試性建模與分析

張 帥，胡 政

(國防科學技術大學裝備綜合保障技術重點實驗室，長沙410073)

測試性建模與分析在提高產(chǎn)品的測試性設計水平上，發(fā)揮的作用越發(fā)重要.基于多信號流圖模型方法，以某典型產(chǎn)品為例，分析其工作原理和結構，建立其測試性模型.根據(jù)分析結果，采用增加測點、斷開反饋回路的方法，改進了模型的測試性設計，提高了其測試性指標.

多信號流圖;測試性;空間站

按照載人航天工程戰(zhàn)略規(guī)劃，中國將建設空間站.在建成空間站后，開展空間技術試驗，提供在軌維修、大型空間設施組裝建造等空間服務將成為重點發(fā)展的技術領域.

為了完成空間站上電子設備的在軌維修和空間設施組裝建造等服務任務，需要對現(xiàn)有的測試體系進行改進，從系統(tǒng)設計的開始階段就開展測試性設計工作，提高電子設備的總體測試診斷能力.

測試性定義為產(chǎn)品能及時準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設計特性[1].由定義即可看出，測試性是產(chǎn)品的一種設計特性，是設計時賦予產(chǎn)品的一種固有特性，應貫穿于系統(tǒng)的整個設計過程當中[2].

在測試性設計過程中，構建測試性模型對產(chǎn)品/系統(tǒng)的測試與故障之間的關聯(lián)關系、故障在系統(tǒng)內(nèi)部的傳播關系進行定量數(shù)學描述，是進行測試性分析，進而實現(xiàn)測試性優(yōu)化設計的關鍵[3].

本文基于多信號流圖模型，對空間站某典型產(chǎn)品進行功能結構分析和測試性建模，并對其測試性進行改進設計，提高該典型產(chǎn)品的故障隔離率等指標，對增強空間站的診斷能力有積極意義.

1 測試性建模與分析方法

1.1 常用測試性建模方法分析與比較

目前，常用的測試性建模方法主要有:基于關系數(shù)據(jù)庫方法、信息流模型方法和多信號流圖模型方法.

基于關系數(shù)據(jù)庫的測試性分析建模方法比較直觀、明確，測試性信息描述能力強，與系統(tǒng)測試性相關的信息可以比較全面地描述出來.但是，該方法在描述測試與故障之間的對應關系時不直觀，必須額外進行定義明確.另外，系統(tǒng)單元之間的層次性也不是很明確.信息流模型方法是考慮系統(tǒng)中進行測試時的信息流動方式，用符號邏輯來融合所有的測試性相關信息，在此基礎上對系統(tǒng)進行測試性評價[4].在信息流模型中，測試與測試、測試與診斷結果之間的關系是二值的，當系統(tǒng)構成比較復雜時，測試和診斷結論之間的因果關系將非常復雜，模型的集成和驗證工作比較困難.

多信號模型建模方法是美國QSI(Qualtech Systems Inc)公司在信息流模型的基礎上，為克服信息流模型建模困難和不準確問題，由Deb博士等[5-7]在20世紀90年代初提出來的，并以此為基礎開發(fā)了TEAMS軟件工具箱.

多信號模型類似于在結構模型上覆蓋依賴模型的集合，將系統(tǒng)功能函數(shù)特性以模塊屬性的形式表現(xiàn)出來，詳細分析單元內(nèi)各種功能故障模式，并將故障模式添加到單元中，形成信息流.它只對故障怎樣傳播到各個監(jiān)測點進行建模，一個或多個元件故障使系統(tǒng)產(chǎn)生功能異常，可以通過系統(tǒng)中不同測點觀測到.它認為故障有兩種類型:功能故障和系統(tǒng)故障;同時故障空間不是二值的(即簡單的通過/未通過)，而是多維的，并且故障狀態(tài)可以是任意的，沒有必要建立精確的定量關系模型.它是利用分層有向圖表示被測對象的組成單元、測試以及被測對象性能特征之間的相關關系，僅對故障傳播建模的一種模型方法.

通過以上的分析比較，可以看出基于關系數(shù)據(jù)庫與基于信息流模型的測試性分析建模方法對復雜的電子產(chǎn)品而言，顯然是不合適的.而多信號流圖模型則可以有效表述故障與測試之間的復雜映射關系，是進行測試性分析的一種較為理想的建模分析方法.有鑒于此，本文以TEAMS軟件為平臺，通過建立產(chǎn)品的多信號模型，實現(xiàn)測試性分析與改進.

1.2 建模與分析的基本步驟

應用TEAMS軟件對產(chǎn)品進行測試性建模與分析通常是采取如下基本步驟:

1)對產(chǎn)品進行FMEA分析，了解故障發(fā)生的原因;

2)按照產(chǎn)品的功能和結構，進行合理的層次劃分;

3)根據(jù)隔離級別添加故障模式;

4)在模塊之間添加鏈接關系;

5)為模塊添加測試點和測試;

6)為故障源和測試添加功能名稱和設定各種屬性;

7)對系統(tǒng)或指定的模塊進行測試性分析，得到系統(tǒng)的測試性、反饋回路等參數(shù);

8)根據(jù)回路反饋結果，分析系統(tǒng)的回路，在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和滿足測試條件的情況下斷開系統(tǒng)回路;

9)根據(jù)系統(tǒng)測點推薦報告，結合產(chǎn)品的實際情況，增加相應測點;

10)重復第8)，9)兩步，達到要求為止.

2 測試性模型構建

2.1 產(chǎn)品功能結構分析

該產(chǎn)品是空間站熱控分系統(tǒng)的關鍵部件之一.其基本功能是驅(qū)動熱控流體回路工質(zhì)沿熱控管路循環(huán)流動，熱控流體回路工質(zhì)通過熱交換器收集熱量，通過熱控流體回路工質(zhì)循環(huán)流動進行熱量傳遞，工質(zhì)流經(jīng)輻射器時將熱量通過輻射器向外部空間排散，以保證飛行器艙內(nèi)溫度保持在系統(tǒng)要求范圍之內(nèi).因此，該產(chǎn)品的測試性好壞對于裝備能否正常運行具有十分關鍵的作用，需要對其進行測試性優(yōu)化設計，以提升其測試性指標.

該產(chǎn)品基本結構形式主要由泵部分、無刷電機本體、驅(qū)動器(底座)和接插件4部分組成.泵部分由泵體、葉輪、軸端螺母和軸套組成;電機本體由定子、轉(zhuǎn)子、軸承和轉(zhuǎn)速傳感器組成;驅(qū)動器由線路板和底座殼體組成;接插件負責電源和轉(zhuǎn)速信號的傳輸.

2.2 測試性模型具體構建

根據(jù)產(chǎn)品的功能結構和FMEA分析，將其劃分為LRU、SRU、MODULE級3個功能層次，通過添加產(chǎn)品的20余個故障模式，并設置相應的測點與測試手段，可以建立產(chǎn)品的測試性模型，如圖1所示.

圖1 產(chǎn)品測試性模型

3 產(chǎn)品測試性分析

在產(chǎn)品的測試性模型構建完成之后，可對其靜態(tài)測試性指標進行分析.

隨著當前智能技術的快速發(fā)展，關于機械設計制造與自動化技術的發(fā)展，也獲得了較多的實踐發(fā)展機會。其中具體分析當前我國機械設計制造與自動化技術在發(fā)展中，宏觀分析整體的發(fā)展現(xiàn)狀較為良好，為我國科技生產(chǎn)力的提升發(fā)揮了重要的作用。其中具體分析當前機械設計制造與自動化技術在發(fā)展中，廣泛的應用于汽車制造，電子產(chǎn)品制造，農(nóng)用機械制造，以及其他機械機具類產(chǎn)品的制造設計中，并且在實際應用中獲得了廣泛的認可，整體分析對于社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，以及科技的進步發(fā)揮了重要的作用。

靜態(tài)測試性用來評估系統(tǒng)的固有測試性，主要是對產(chǎn)品在某一工作模式下的測試性指標進行評價.它能夠確定產(chǎn)品的未檢測故障、故障模糊組、冗余測試、反饋回路循環(huán)、假故障、隱藏故障等指標.

3.1 靜態(tài)測試性分析方法

對測試性進行分析，其根本都是基于模型的故障-測試相關性矩陣，由此可以得出故障檢測率和隔離率.

在多信號模型中，故障分為系統(tǒng)故障和功能性故障，系統(tǒng)故障可以任意傳播，因此可以采用可達性分析算法來獲得相關性矩陣;而功能性故障只具有局部傳播能力.測試可以檢測任意傳播到該測試的所在測點的系統(tǒng)故障，但對于功能性故障具有選擇性.因此對多信號流圖進行相關性分析時，需要將系統(tǒng)故障和功能性故障區(qū)別對待，還要考慮模塊與信號、信號與測試之間的邏輯關系.

由多信號模型獲得相關性矩陣[8]，首先令模塊mi包括系統(tǒng)故障fiG和功能性故障fiF.模塊-測試連接矩陣MT=描述模塊與測試之間的連接關系.若存在一條路徑從模塊mi到達測試則m tij=1;否則m tij=0，直接用可達性分析算法就可以得到該連接矩陣.模塊-信號-測試相關性矩陣MST=描述模塊mi與測試tj之間是否存在公共信號.若SM(mi)∩ST≠φ，則mstij=1;否則mstij=0.其中，SM(mi)為mi單獨影響的信號集，ST表示測試STj可以檢測到的所有故障集.

已知傳播到mi的信號集為A=SI(mi)，mi單獨影響的信號集為B=SM(mi)，mi阻止的信號集為C=SB(mi)，mi將信號集D=SMS1(mi)轉(zhuǎn)變成E=SMS2(mi)，則在整個系統(tǒng)中mi影響到得信號集為(A∪B-C)∪E-D.已知每個測試檢測的信號集，則可得到相關性矩陣MST=

接下來分別分析系統(tǒng)故障和功能性故障與測試的相關性.系統(tǒng)故障fiG與tj邏輯相關的充要條件為:由模塊mi出發(fā)，至少有一條路徑到達.因此有:fti(G)j=式中，fti(G)j表示tj同系統(tǒng)故障fiG的相關性.

功能性故障fiF與tj邏輯相關有兩個充要條件:(1)由模塊mi出發(fā)，至少有一條路徑到達tj所在的測點;(2)模塊mi影響的信號集SM(mi)與測試tj可檢測的信號集的交集非空，即滿足SM(mi)∩ST≠φ.

因此可得，fti(F)j=m tij×其中fti(F)j表示tj同功能性故障fiF的相關性，其中“×”為邏輯乘.

綜上所述，首先得到模塊-測試連接矩陣，然后分析各模塊影響的信號集以及各測試檢測到的信號集，得到模塊-信號-測試相關性矩陣，再根據(jù)所述得到故障-測試相關性矩陣.

3.2 靜態(tài)測試性分析結果

查看TEAMS報告，其故障檢測率和隔離率分別為95.24%，14.14%，平均模糊組大小為3.51.

4 測試性改進設計

4.1 改進方法

對于該產(chǎn)品而言，故障隔離率是評價其測試性好壞的一個非常重要的指標，需要通過改進設計來提高.故障隔離率是指在規(guī)定條件下將檢測到的故障正確隔離到不大于規(guī)定的可更換單元的故障數(shù)與檢測到的故障總數(shù)之比.而故障隔離率與模糊組又是相關的，隔離率低，則模糊組個數(shù)大.

反饋回路的存在，會使系統(tǒng)存在拓撲測試性局限，使的回路中各單元的故障傳遞關系產(chǎn)生循環(huán)，因而無法確定故障源[9].多信號流圖模型確定反饋回路的方法是把系統(tǒng)圖形模型分解為強連通部件.強連通部件定義為在有向圖節(jié)點集中那些與其余每一個節(jié)點存在相互連接途徑的節(jié)點.用測試性分析的術語來說，系統(tǒng)圖表中強連通部件就是完全反饋回路.

由于信號流在反饋回路中循環(huán)傳遞，所以無法確定回路中的故障源.因此系統(tǒng)有向圖中每一個完全反饋回路都組成一個故障模糊組，并且這種模糊組通過加入任何數(shù)量的測試都不能進行故障隔離.處理這種反饋回路的方法，一般是在強連通部件中設置三態(tài)緩沖器或開關來中斷信息反饋.

通過分析該產(chǎn)品，依據(jù)前面所述產(chǎn)品測試性分析方法，可以通過兩種途徑來提高故障隔離率，一是增加測點，二是阻斷系統(tǒng)回路.

4.2 改進途徑

4.2.1 增加測點

查看分析結果，增加測點的推薦報告，如表1所示.

表1 測點推薦報告

根據(jù)產(chǎn)品的實際設計能力，可在電源保護電路模塊處增加測點，進一步提高故障檢測率，來改善隔離率.

4.2.2 阻斷回路

查看分析報告，產(chǎn)品中的回路如圖2所示，為電機速度到控制電路的反饋環(huán).根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，可將電機至控制電路的連接作為斷開點，在此處增加一個開關，阻斷反饋，如圖3所示.

圖2 斷開前的回路(綠色線條)

圖3 斷開后的回路

4.3 改進效果

基于以上兩點改進，對測試性再次進行分析，與之前測試性指標進行對比，如表2所示.

表2 改進前后測試性對比

故障隔離率達到38.71%，模糊組大小由3.51降低到2.51，測試性得到了一定的提升，測試性指標有所改善.

5 結 論

本文采用基于多信號流圖模型的方法，依托TEAMS軟件為平臺，對某典型產(chǎn)品測試性進行了建模和分析.通過采用增加測點、斷開反饋回路的方法，對其測試性進行改進，提高了測試性指標，具有較好的實際意義.

[1] GJB2547-95.裝備測試性大綱[S].中華人民共和國國家軍用標準，1995

[2] Byron J，Deight L，Stratton G.RADC testability notebook[D].ADA118881，1982

[3] 田仲，石君友.系統(tǒng)測試性設計分析與驗證[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003

[4] Simpson W R，Sheppard JW.System test and diagnosis[M].Boston:Kluwer Academic Publishers，1994

[5] Pattipati K R，Deb S，Dontamsetty M，et al.START:system testability analysis and research tool[J].IEEE Aerospace and Electronics Magazine，1991，6(1):13-20

[6] Deb S，Pattipati K R，Raghavan V.Multi-signal flow graphs:a novel approach for system testability analysis and fault diagnosis[C].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，1995，10(5):14-25

[7] Pattipati K R，Deb S，Dontamsetty M，et al.START:system testability analysis and research tool[C].IEEE Systems Readiness Technology Conference，San Antonio，TX，USA，sep 17-21，1990

[8] 楊鵬.基于相關性模型的診斷策略優(yōu)化設計技術[D].長沙:國防科技大學，2008

[9] 劉海明.飛船推進艙配電系統(tǒng)測試性分析與評估研究[D].長沙:國防科技大學，2006

Modeling and Analysis of Testability for a Typical Product of Spacecraft Based on Multi-Signal Model

ZHANG Shuai，HU Zheng
(Laboratory of Science and Technology on Integrated Logistics Support，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Modeling and analysis of testability is becoming more and more important on the improvement of testability design of products.A typical product is taken for example，and the principle and structure of the product is analyzed.Its testability model is built based on multi-signal flow graph.The analysis results prove that the testability is improved by adding test points and breaking the feedback.

multi-signal flow graph;testability;space station

TJ06

A

1674-1579(2011)05-0045-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.05.009

2011-05-10

張 帥(1985—)，男，河南人，碩士研究生，研究方向為狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷(e-mail:363042626@163.com).