0 引言
面对陆、海、空、天多维战场的新目标、新环境、新任务,复杂雷达电子装备逐步迈向智能化、信息化、综合化发展的新阶段。然而,雷达电子装备性能的不断提高会给装备的有效维修保养带来困难;此外,雷达电子装备结构复杂,服役环境多变,故障的发生往往导致重大经济损失,甚至带来重大安全问题。因此,进行测试性设计与分析是保障雷达电子装备安全可靠运行的必要举措。
测试性作为装备一种设计特性,按照国军标GJB 2547—95《装备测试性大纲》,具体指产品能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降),并有效地隔离其内部故障的能力[1]。良好的测试性设计能够有效提高电子装备的故障诊断准确率,降低电子装备全寿命周期的维护保养费用,并且可以大大缩短故障检测和隔离时间。作为测试性设计体系的关键技术,测试性建模仿真技术可以在电子装备的研制阶段就组织开展实施,一方面软硬件资源需求少,另一方面可以在电子装备研制阶段较早发现产品的测试性薄弱环节,进一步优化测试点设计,有效提高电子装备的测试性水平[2]。通过不断迭代测试性建模仿真,发现电子装备测试性设计中的问题,并不断地调整修改和优化设计,直至测试性建模仿真结果满足总体的测试性指标要求,最终给出电子装备的诊断策略和诊断逻辑。当前雷达电子装备产品的测试性设计需求迫切,因而测试性建模仿真技术会被越来越广泛的应用[3]。
作为雷达系统的主要分系统,天线阵面分系统主要完成雷达系统的信号发射、目标回波接收、校准等功能,实现波束在一定空域内实现波束扫描。机内测试BIT(built-in test)技术可用于天线阵面状态监测和故障自检,阵面BIT主要完成阵面设备工作状态及BIT信息的汇总和处理。然而,天线阵面内部设备种类繁多,阵面综合网络错综复杂,要综合权衡模块单元的测试难易度、费用、可靠性等因素进行BIT诊断。当前的BIT及测试性设计难以满足要求,其主要原因在于:① 系统测试性设计简单,造成故障诊断准确性较差;② 测试点设计冗余,导致资源浪费严重;③ 测试点位置、类型设置不合理,造成诊断隔离时间长、效率低。
针对以上不足,考虑到复杂电子装备的结构特点,本文中提出了一种基于虚拟测点的多信号流测试性建模方法。该方法通过构建虚拟测点来对复杂电子装备进行状态监测和综合诊断,间接获取电子装备的状态信息,进而对雷达电子装备的测试性水平进行分析和评估。通过雷达天线阵面分系统的工程应用案例,结果表明本文提出的方法可以有效提高电子装备的测试性水平,并提升雷达电子装备的战备完好性、任务成功性。
1 测试性建模概述
基于模型的电子系统测试性设计过程涵盖3个部分:测试性方案设计、测试性建模与分析、测试性验证与评估。其中测试性建模主要目的是构建电子产品的测试性模型,指导分配、预计、评估电子产品的测试性指标[4]。测试性建模与分析应在电子装备的研制阶段就组织开展实施,并不断地进行迭代优化,从而辅助设计人员对测试性方案进行调整和优化改进[5]。20世纪80年代,美军发布了MIL-STD-2165军用设备测试性与维修性大纲,用于指导系统的测试性设计[6]。1995年,国内的国防科工委颁布了国军标GJB 2547—95《装备测试性大纲》,用于指导国内的测试性设计[7]。
目前常用的测试性模型主要包括逻辑模型、混合诊断模型、信息流模型、多信号流模型[8]。作为最受关注的测试性模型,多信号流模型用有向图的形式表现系统结构组成单元之间的信号流连接关系,并用系统结构组成、信号、测试之间的关联性来进行测试性建模[9]。主要特点如表1所示。
表1 测试性模型特点
Table 1 Characteristics of testability model
模型类型优点缺点应用逻辑类型分析测试性设计,提高测试性水平仅适用于设计阶段,应用范围小DSI公司的LOGMOD软件混合诊断模型吸取逻辑模型的优点,增加符合工程实际的诊断推理规则模型须随设计更改,工作量大美国DSI公司的eXpress软件信息流模型描述故障模式和测试的关联关系,可以获取故障测试相关性矩阵难以满足复杂系统的测试性建模美国航空无线电公司的STAMP软件多信号流模型建模过程简单,能够真实反映系统结构与元件间的关系难以描述不确定性信息QSI公司的TEAMS软件
国内外设计人员和研究机构相继开发辅助设计软件工具,美国康涅狄格大学开发了START软件,用于系统测试性分析与诊断[10];CATA软件、美军的DARTS软件,以色列的AITEST软件、法军的AGENDA软件也相继面世[11]。此外,美国DSI公司开发了eXpress软件,其在美军的Bradley战车等系统中广泛应用[12];QSI公司开发了TEAMS软件,其在F135发动机的故障检测项目等系统中广泛应用[13]。在国内,北京可维创业科技公司推出了GARMS软件,可以进行测试性建模和分析[14];国防科学技术大学开发了TADES软件,实现测试性需求分析、建模、设计等功能[15]。
2 基于虚拟测点的TEAMS建模仿真
2.1 虚拟测点
机内测试BIT可以完成自动检测、隔离电子装备的故障,为实现系统及分系统整体设计、状态监测、故障诊断以及维修决策等奠定了坚实的基础,发挥改善电子装备测试性和诊断性能的重要作用。而机内测试中测试点的选择在BIT技术中占据非常重要的地位,基本原则是保证测试点能够有效提高电子装备故障检测率、故障隔离率等测试性指标,并且要综合权衡测试点的测试难易度、费用、可靠性等因素进行BIT诊断。
由于复杂雷达系统模块化集成和数字化程度较高,结构更为紧凑,因而对模块的BIT技术要求更高。作为雷达系统的分系统,天线阵面分系统在实现BIT工程应用过程中,天线阵面内部设备种类繁多,阵面综合网络错综复杂,必须要综合权衡模块单元的测试难易度、费用、可靠性等因素进行BIT诊断。
然而,天线阵面的综合网络错综复杂,主要由射频网络、光传网络、供电网络构成,其中射频网络由时钟网络、本振网络构成。此外,天线阵面综合网络的设备种类丰富,涵盖时钟功分器、本振功分器、光纤放大分配器、光功分器、光功分集线器等设备。由于天线阵面综合网络设备缺少相应BIT测点,很难对其进行状态监测和故障诊断。因此,提出一种基于虚拟测点(间接测点)的建模仿真方法,依赖间接测点来对综合网络设备进行状态监测和综合诊断,间接获取综合网络设备的状态信息,最终给出综合网络设备的故障诊断策略和诊断逻辑,建立相应的故障诊断算法。综合网络典型设备的虚拟测点布置情况如表2所示。
表2 虚拟测点布置情况
Table 2 Layout of virtual measuring point
综合网络类型设备种类虚拟测点时钟网络时钟1/4功分器、时钟1/5功分器、时钟1/8功分器TR组件时钟失锁间接测点:判断功分器某一链路控制的TR组件的时钟全部失锁本振网络本振1/4功分器、本振1/5功分器TR组件控保信息间接测点:判断功分器某一链路控制的TR组件的控保信息全部不正常光传网络1/16光纤放大分配器、1/16光功分器、1/8光功分器TR组件光纤失锁间接测点:判断功分器某一链路控制的TR组件的光纤全部失锁
天线阵面综合网络设备的监测信息主要通过TR组件内部的BIT测点间接获取,以时钟网络为例,可以通过时钟功分器某一链路控制的TR组件的时钟是否全部失锁,判断该时钟功分器某一链路是否发生故障。因此,在天线阵面分系统测试性建模过程中,引入综合网络设备虚拟测点,进行测试性建模和分析,给出最终的故障诊断策略和诊断逻辑。天线阵面综合网络示意图如图1所示。
图1 天线阵面综合网络示意图
Fig.1 Diagram of antenna array integrated network
2.2 工程实例
参照图2的建模仿真流程,利用TEAMS软件对某型雷达天线阵面分系统进行测试性建模,并分析其测试性水平。
图2 测试性建模流程
Fig.2 Process of testability model
2.2.1 天线阵面分系统层次结构和功能信息
天线阵面分系统主要完成雷达系统的信号发射、目标回波接收、校准等功能,实现波束在一定空域内实现波束扫描。根据分系统详细设计方案、测试性设计方案,梳理分系统层次结构信息、功能原理流程、模块信号接口关系;结合分系统故障模式影响及危害性分析(FMECA)报告和已收集的故障模式库,获取分系统各个模块的故障模式信息、故障失效率、故障频数比、故障影响信息和BIT测点信息等。根据系统的结构复杂程度和设计分析需求,采用自顶向下的原则对天线阵面分系统各模块进行功能结构划分,如图3所示。
图3 各模块层次划分
Fig.3 Hierarchical division of each module
将系统划分为3个层次:初始约定层、约定层和最低约定层。自顶向下将其划分为装备、分系统、现场可更换单元(LRU)。
M={M1,M2,…,ML}
(1)
式(1)中:M为雷达模块集合;L为雷达层级,层级L=3。
2.2.2 故障模式分析
在底层模块内部添加故障模式,并设置每个故障模式的属性,故障模式信息来自FMECA数据和故障模式库。
F={F1,F2,…,FL}
(2)
式(2)中:F为雷达故障模式集合。
2.2.3 BIT测点信息
根据实际情况在测试性模型的相应位置设置测试点,而在天线阵面分系统综合网络设备建模过程中,引入虚拟测点,间接反映设备的运行状态信息。BIT测点信息包括一般测点和虚拟测点。测点信息示意表如表3所示。
表3 测点信息
Table 3 Information of measuring point
测试对象测试类型测试功能前级电源一般测点电压、电流、温度等本振功放一般测点输入功率、输出功率、A/B状态信息、温度等时钟功放一般测点输入功率、输出功率、A/B状态信息、温度等重构组件一般测点本振/分阵输出信息、温度等时钟功分器虚拟测点TR组件时钟失锁间接反映状态信息本振功分器虚拟测点TR组件控保信息间接反映状态信息光功分器虚拟测点TR组件光纤失锁间接反映状态信息
TP={TP1,TP2,…,TPL}
(3)
式(3)中:TP为雷达故障模式集合。
2.2.4 测试性模型
考虑一般测点和虚拟测点,构建天线阵面分系统测试性模型,如图4所示。
图4 测试性模型
Fig.4 Testability model
2.3 虚拟测点的物理映射
测试性模型进行测试行分析,得到相关性D矩阵,能够反映故障模式与虚拟测点之间的相关关系,蕴含了故障诊断逻辑信息,虚拟测点与故障模式的D矩阵如图5所示。
图5 D矩阵
Fig.5 D matrix
图5中f1,f2,…,f25表示虚拟测点可以测试的故障模式,tp1,tp2,…,tp24表示虚拟测点,0和1表示故障模式与测试特征的相关性(0:不相关,1:相关)。
上述D矩阵包含了基于虚拟测点的诊断逻辑知识,但无法反映天线阵面分系统中实际监测结果与故障模式之间的相关关系,因而不能完成诊断逻辑知识的物理映射。因此,将虚拟测点映射到天线阵面分系统实际监测结果,进而转化为诊断逻辑知识物理映射形式,以便进行更好地诊断隔离故障,具体如图6所示。
图6 D矩阵的物理映射
Fig.6 Physical mapping of D matrix
图6中lg1,lg2,…,lg25表示虚拟测点对应的实际监测结果的物理映射逻辑组合。通过构建基于虚拟测点的测试性模型,根据测试性分析得到表征虚拟测点与故障模式的D矩阵,并将虚拟测点进行物理映射,进而给出装备的诊断策略和诊断逻辑组合,辅助设计人员迭代测点优化和迭代设计优化。
3 测试性仿真分析
3.1 测试性仿真分析
3.1.1 静态分析
静态分析的输出信息有未检测的故障、模糊组、冗余测试、隐藏故障的建议等,通过静态分析,发现有未检测的故障模式,并且具有冗余测试点。具体如图7所示,从静态分析结果中可以看出,未检测的故障模式集中在发射前级的控保组件,主要原因是控保组件内部缺少相应的BIT测点;冗余测点有6个,主要原因是在本振功放和时钟功放的信号输入端含有测点,造成冗余测试。
图7 静态分析结果
Fig.7 Results of static analysis
3.1.2 测试性分析
测试性分析报告主要有测试性指标报告、诊断树报告、故障检测和故障隔离统计报告、D矩阵等,测试性分析结果如图8所示。
图8 测试性分析结果
Fig.8 Results of testability analysis
从图8分析结果中可以看出,天线阵面分系统的故障检测率为89.36%,故障隔离率为100%,以此对天线阵面分系统的测试性方案进行定量评价。
3.2 结果分析
通过测试性建模分析和测试点迭代优化设计,发现产品的测试性薄弱环节,优化天线阵面测试点设计,有效提高了天线阵面的测试性水平。为了验证本文提出方法中虚拟测点的有效性,将本文提出方法与未设置虚拟测点的测试性建模方法进行对比,测点布置对比图如图9所示。
图9 测试布置对比图
Fig.9 Comparison of measuring point
进行测试性建模静态分析和测试性分析,结果如表4所示。
表4 对比结果
Table 4 Results of comparison
方法未检测数冗余测试检测率/%隔离率/%虚拟测点10689.36100非虚拟测点38659.5789.28
故障检测率和故障隔离率为:
(4)
(5)
式(4)、式(5)中:N为总的故障数;ND为检测到的故障数;NL为能够隔离到指定单元的故障数; λ为总的故障率;λD为检测到的故障率;λL为能够隔离的故障率。
从对比结果中可以看出,虚拟测点的未检测故障数明显少于非虚拟测点,故障检测率明显高于非虚拟测点,由此说明,本文提出方法可以有效提高电子装备的测试性水平。
此外,测试性建模分析会给出诊断树和诊断逻辑,建立相应的故障诊断算法。为了直观分析提出方法的有效性,利用D矩阵给出故障模式和测试点的相关关系,将本文提出方法与未设置虚拟测点的测试性建模方法进行对比。以天线阵面分系统部分故障模式为例,对比结果如图10所示。
(a) 虚拟测点的D矩阵
(b) 非虚拟测点的D矩阵
图10 D矩阵对比图
Fig.10 Comparison of D matrix
从上述D矩阵中可以看出,本文中提出方法能够布置虚拟测点,对天线阵面分系统综合网络的时钟功分器、本振功分器、光功分器等故障模式进行有效监测,最终给出诊断策略和诊断逻辑;而非虚拟测点的方法难以对天线阵面分系统综合网络设备的故障模式进行有效监测。进一步说明了本文中提出方法可以有效提高电子装备的测试性水平,并指导设计人员优化测试性方案。
4 结论
结合一般测点和虚拟测点的优势,本文中提出一种新的基于多信号流的测试性建模方法。
1) 首先对测试性建模进行了简单概述,然后依托于TEAMS软件平台,详细说明了基于虚拟测点的测试性建模流程,最后通过天线阵面分系统的工程应用案例对提出方法进行验证,结果表明本文中提出方法可以有效提高装备的测试性水平,并提升雷达电子装备的战备完好性、任务成功性。
2) 本文中提出的测试性建模方法能够根据测试性分析结果给出装备的诊断策略和诊断逻辑,辅助设计人员迭代测点优化和迭代设计优化,具有较高的工程应用价值,为装备创新性开展基于模型的系统测试性设计提供技术支撑。
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