基于相關性模型的電源濾波組合測試性設計

梁海波 姜 蘋 董世茂 孟 恭

1. 北京航天自動控制研究所，北京 100854 2. 宇航智能控制技術國家級重點實驗室，北京 100854

測試性是武器裝備重要的設計特性，良好的測試性設計可以快速地實現故障檢測、故障隔離，對提高裝備的戰備完好性和任務成功性、減少對維修人力和其它資源的要求、降低全壽命周期費用有著重要的意義。

在武器裝備的研制過程中建立測試性模型，并利用模型對裝備測試性設計情況進行分析和評估，既有利于在裝備研制早期及時發現存在的測試性問題并加以解決，避免將問題帶入下一研制階段，又有利于裝備研制過程中對測試性設計的掌控，從而提高裝備的測試性水平[1-2]。

電源濾波組合是導彈武器裝備測發控系統中的重要設備，需要為測發控系統確保武器裝備能夠可靠穩定地工作提供高品質的供電電源。因此，在對武器裝備測發控系統開展測試性設計工作時，電源濾波組合的測試性設計非常重要。這里，以電源濾波組合為研究對象，利用相關性建模分析方法建立了相關性圖示模型和D矩陣模型，確定了故障檢測和隔離用測試點，并制定了故障診斷策略，為整個武器裝備測發控系統的測試性設計奠定了基礎。

1 基于相關性模型的測試性設計方法

基于相關性模型的測試性分析流程如圖1所示。首先，對設備開展故障模式影響及危害性分析(Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis, FMECA)，即通過分析確定各組成單元在設計和使用過程中所有可能存在的故障模式，以及每個故障模式的原因及影響。然后，對設備的功能和結構進行劃分，結合可用的測試手段和測試點，建立相關性圖示模型，進而建立D矩陣模型。隨后，進行測試點優選計算并建立故障診斷樹。最后，利用生成的診斷策略，計算故障檢測率、故障隔離率等指標。

根據設備的功能信息流方向，逐個分析各組成單元Fi的故障信息在測試點Tj上的反映F=DT，即可得到對應的D矩陣模型[3]：

(1)

其中，

圖1 基于相關性模型的測試性設計流程圖

在建立設備的D矩陣模型以后，就可以利用此模型來優選故障檢測用測試點和故障隔離用測試點，進而確定故障診斷策略，一般步驟如下[4]：

1)簡化D矩陣。為了簡化后續的計算工作量，將D矩陣中相等的列或行合并，識別出冗余測試點和故障隔離的模糊組；

2)優選故障檢測用測試點。優選故障檢測用測試點的關鍵在于選取的測試點能夠提供盡可能多的檢測信息，這里用故障檢測權值WFD表示。對于簡化后的D矩陣，其第j個測試點的WFDj定義為

(2)

3)優選故障隔離用測試點。與優選故障檢測用測試點類似，選擇故障隔離用測試點的關鍵在于選取的測試點能夠提供盡可能多的故障隔離信息，這里用故障隔離權值WFI表示。

經分析可知，D矩陣中每一列所反映的正常與故障狀態信息量雖然不同，但各列的“0”元素和“1”元素的總和是常數。根據A+B=C(常數)，當A=B=C/2時，A*B的值是最大的原理，從故障隔離目的來考慮，選取A*B為最大數值的測試點做為優先選取的故障隔離測試入口。

對于簡化后的D矩陣，其第j個測試點的WFIj定義為

(3)

4)制定測試策略。以上述測試點的優選結果為基礎，先檢測后隔離，依次用選出的測試點進行測試，按測試結果的正常與否確定下一次測試。如果測試結果正常則繼續進行檢測，否則開始故障隔離，這種故障診斷策略可以用故障樹來形象地表達。

2 電源濾波組合測試性設計

2.1 電源濾波組合功能分析

電源濾波組合作為一種電源預處理和變換裝置，其供電品質的優劣，直接決定著外部用電設備工作狀態的穩定性和可靠性。電源濾波組合以交流220V電源作為輸入，對外輸出4路直流24V和3路經過濾波處理的交流220V供電信號，為外部設備供電，其功能框圖如圖2所示。其中直流24V供電輸出電路由AC/DC電源模塊、開關控制單元以及4路串行配置的繼電器控制單元組成。當啟/停開關接通時，繼電器電路1～4依次接通，分別為外部的光端機、PLC1、PLC2和PLC3供電，由于各外部設備加電時間依次錯開，避免了同時加電對AC/DC電源模塊造成沖擊，提高了供電可靠性。

交流220V電源供電電路分為3個獨立的供電通路，每個通路上均串聯了電源濾波器。在為外部計算機供電的同時，還確保了自身通路的電磁兼容性。

圖2 電源濾波組合功能結構示意圖

2.2 相關性分析與建模

結合電源濾波組合功能分析結果，在對其進行FMECA的基礎上，開展相關性分析與建模工作?？紤]測試點設置的難易程度、成本等因素，在電源濾波組合的各組成單元上設置測試點，并標注在功能信息流圖上，即得到了電源濾波組合的相關性圖示模型，如圖3所示。

圖3 電源濾波組合測試性框圖

根據電源濾波組合的功能信息流方向，得到如下D矩陣模型：

(4)

通過分析發現，此模型不存在數值相同的行或列，即不存在冗余測試情況和模糊組，不需要對D矩陣進行簡化處理。

2.3 選取檢測用測試點

采用式(2)計算故障檢測權值列于表2中，顯然，故障檢測權值WFD=6最大，即將測試點T6作為第1個檢測用測試點。從功能上看，T6設置在直流24V供電電路的末端，通過對T6進行測試，可實現對直流24V供電電路的功能狀態進行檢測。

針對T6所在的列，對D矩陣進行“0-1”分割，將D矩陣一分為二，如表2所示。對“0”子矩陣再次進行故障檢測權值計算，T7，T8和T9對應的故障檢測權值均為1。通過對電源濾波組合的功能結構進行分析，T7，T8和T9三個測試點地位均等、功能獨立，只要對D矩陣再進行任意次序的“0-1”分割，即可實現對3路交流220V供電通道工作狀態的檢測，這里不再詳述。

表1 檢測用測試點選取數據處理表1

表2 檢測用測試點選取數據處理表2

根據對D矩陣進行4次分割及故障檢測權值計算結果，最終選取T6，T7，T8和T9作為故障檢測點，實現對電源濾波組合4個輸出通道的故障檢測。

2.4 選取隔離用測試點

在單故障假設下，由于F7，F8，F9相互獨立，且故障檢測后F7，F8和F9已經成為單行，即在進行故障檢測的同時也完成了隔離，此后分析就可以不再考慮。在進行故障隔離用測試點選取時，首先在故障檢測點中選取T6作為第1個故障隔離用測試點，用式(3)計算故障隔離權值最大值WFI=9，對應測試點T3，即選取T3作為第2個隔離用測試點。

利用測試點T3所對應的列對D矩陣進行“0-1”分割，將D矩陣分割為3個子矩陣，再次計算各測試點的隔離權值最大值為2，對應T1，T2，T4和T5這4個測試點，理論上4個測試點開展下一步故障隔離所耗費的時間資源均等，此時可根據測試點的數據獲取難易程度等方面綜合考慮，優先選取獲取數據方便的測試點。這里，選取T1作為第3個故障隔離用測試點。

同理，再經過4次計算和矩陣分割，F1～F6已經先后被分割為單行。因此，根據矩陣分割的先后順序，依次選取T2，T4和T5作為后續故障隔離用測試點。

表3 隔離用測試點選取數據處理表

2.5 制定故障診斷策略

電源濾波組合的故障診斷策略可以用故障診斷樹的形式表示。從第1個故障檢測用測試點開始，按測試結果的正常與否畫2個分支：

1)對于正常分支(以“0”表示)，繼續用第2個故障檢測用測試點對系統進行檢測，畫出兩個分支，若測試結果為異常，則轉入下一步，否則仍繼續進行測試，直到用完所有故障檢測用測試點，表示被測系統無故障；

2)對于異常分支(以“1”表示)，使用第1個故障隔離用測試點，按其結果是否正常(“0”和“1”)分為2個分支；再用第2個故障隔離用測試點，畫出2個分支，直到所用分支為單個組成部件為止，表示故障隔離完成[5]。

按照上述方法，得到故障診斷樹如圖4所示，使用故障檢測用測試點T6對系統進行檢測，將系統劃分為2個分支，正常分支由F7～F9組成，異常分支由F1～F6組成。

針對正常分支，利用檢測用測試點T7對正常分支進行檢測，如果測試結果異常，則判定F7故障，反之需要對F8～F9分支繼續進行檢測，以此類推，再依次采用測試點F8和F9進行測試，可判定整個系統有無故障。

針對異常分支F1～F6，依次采用隔離用測試點T3，T1，T4，T2和T5進行隔離性測試，可將故障隔離到單個組成部件。

圖4 故障診斷樹

3 測試性分析與評估

測試性分析與評估的目的是對測試診斷策略的診斷能力做客觀量化的考核，同時指出測試診斷策略設計中存在的不足，便于進一步改進。

通常，測試性分析與評估工作基于以下3點假設[6]：

1)單故障假設，即在任何時候當被測對象處于故障狀態時，認為只有一個組成單元發生了故障;

2)被測對象各組成單元故障率相等，各個測試點測試所需的時間和費用均不予考慮，即不考慮被測對象組成單元的可靠性、測試時間和費用的影響;

3)信號傳輸通道正常，不存在連接錯誤和通道中斷。

通過分析，電源濾波組合的測試診斷策略中不存在冗余測試和模糊組，對內部各組成單元的故障檢測率和故障隔離率均為100%。根據故障診斷樹，將故障診斷平均測試步驟計算如下：

平均故障檢測測試步驟數為

平均故障隔離測試步驟數為

可見，針對電源濾波組合的測試診斷，該策略平均通過3.3步即可實現所有組成單元的故障診斷與隔離，可大大減少故障檢測與隔離時間。

4 結束語

在對電源濾波組合測試信息進行分析的基礎上，利用相關性模型優選了故障檢測用測試點和故障隔離用測試點，制定了故障診斷測試策略，故障診斷率和故障隔離率均達到了100%，且測試效率較高。

[1] 林志文,劉松風,楊士元.基于D矩陣的艦船電子裝備綜合診斷方法[J].海軍工程大學學報,2009,21(4):87-91.

[2] 陳龍.石君友.劉衎.測試性建模分析的工程化應用方法研究[J].測控技術,2014, 33(5):36-39.

[3] 邵俊宇,周仁明,張宏軍,吳偉,夏征農.基于信息流模型的自動駕駛儀多故障診斷分析[J].計算機測量與控制,2015,23(9):3005-3008.

[4] 韓玉芹,祖先鋒,潘孟春.導彈裝備測試系統中優化測試策略研究[J].彈箭與制導學報,2006,26(4):85-88.

[5] 王晉陽,陳圣儉,張勝滿,宋克嶺.基于相關性模型的混合電路系統測試性設計研究[J].微電子學與計算機,2011,28(2):157-161.

[6] 石君友.測試性設計分析與驗證[M].北京:國防工業出版社,2011.