装甲车辆数字灭火控制系统BIT 优化设计研究

龚秀军，魏 巍，魏曙光，纪伯公

(1.驻559厂军事代表室，无锡214035;2.装甲兵工程学院，北京100072)

灭火系统是装甲车辆防护系统的关键组成部分，其可靠性和完好性是车辆安全使用的重要保证.由于集成电路和新型电力电子器件的应用，数控自动灭火装置的故障检测与诊断出现很多新的困难，传统的故障诊断技术和手段凸显检测时间长或无法诊断等问题.

机内测试(BIT，Built In Test)是提高系统可靠性并减少维护费用的一种新型在线故障诊断技术，它通过附加在系统内的软、硬件测试单元，实现系统电路及关键硬件单元的故障自诊断[1].完善的BIT设计能迅速有效地检测、定位和隔离系统故障，对提升系统的综合化水平，提高维修和保养效率具有重要意义[2].

在装甲车辆综合电子系统体系下[3]，针对某特定数字控制系统，其BIT设计流程如图1所示.

本文将针对数字灭火控制系统，开展BIT优化设计方案研究，主要研究内容涵盖图1中的步骤1和步骤2.

图1 基于BIT的数字控制系统的BIT设计流程

1 系统结构划分及典型故障模式统计

数字灭火控制系统采用模块化设计方案，其硬件体系结构原理如图2所示.

该系统包括DSP最小硬件系统、电源系统、信号处理、功率驱动、CAN总线通信以及BIT电

图2 数字灭火控制系统硬件结构原理图

路等硬件单元.此外，火焰传感器、报警喇叭和进排气风扇等检测和执行部件也通常被纳入灭火系统.

归纳日常统计数据，某型数字灭火控制系统常见典型故障模式如表1所示.

表1 数字灭火控制系统典型故障模式表

2 BIT优化设计问题描述

设系统的典型故障模式集为F，

式中:N为系统典型故障模式的个数.针对任一典型故障模式fi，可采用ni种BIT设计方法.设故障模式fi对应的测试集为Tfi，Tfi定义为ni种BIT设计方法的集合，表示为

式中:tfi，j表示针对故障模式fi的第j种测试方法.F中所有故障模式所对应测试集的并集构成F的备用测试集T，

根据式(2)和式(3)，T是F的一个冗余完备测试集[4].已知T和F，系统BIT优化设计问题可描述为如下最优化问题:基于相关性矩阵FT[5]，在完备测试集T中寻求测试子集Ts，满足如下条件:

式中:TFDR表示故障检测率，S为具体指标;f(∑Cpi，∑Csi)为费用指标函数，Cpi和Csi分别表示Ts中第i个测试方法的测试成本和测试资源开支.

3 最优测试集提取方法研究

根据第2章分析，系统BIT优化设计可等效为基于式(4)的最优测试集求解问题.为简化计算过程，并提高最优测试集的实用性，提出一种基于分步优选的最优测试集求解方法，其基本思路如下:第一步，已知故障模式集F和测试集T，在满足故障检测率指标S条件下，确定最小测试集的集合A(Tm)[5];第二步，引入费用指标函数f(∑Cpi，∑Csi)，在A(Tm)中选取最优测试集Ts.

(1)最小测试集求解计算.

故障模式集F与备选测试集T之间相关性矩阵F-T表示为

F-T为布尔矩阵，其中行向量 di=(di，1，di，2，…，di，n)中各元素表示T中第i个测试ti对F中各故障模式的可检测状态.测试集优选中，每个行向量di对应一布尔参数ai，ai=1表示di所对应测试ti包含在优选测试集中.F-T矩阵所有行向量对应布尔参数构成向量 A=(a1，a2，…，am).

实际系统设计中，最终选择测试集Tm的TFDR指标通常要求为1.此时，Tm对应布尔向量A满足

根据最小测试集定义，如Tm对应布尔向量A中非零元素个数最少，则Tm为最小测试集.基于布尔代数方法，最小测试集的约束表达式为

式中:f中相累加乘积项fk(a1，a2，…，am)的个数Nm为备选测试集T包含最小测试集合Tm的个数;乘积函数fk(a1，a2，…，am)中各乘积项参数akl对应测试tkl构成最小测试集Tm.

(2)最优测试集选取.

由式(8)得到由Nm个最小测试集构成的测试集组合A(Tm)，为从中提取最优测试集Ts，提出加权费用指标函数

与文献中通常采用的直接累加费用指标函数相比[6]，式(9)中引入权值参数ξ，用于体现不同系统BIT设计中对测试成本和测试资源开支关注程度的不同.

结合式(9)，计算A(Tm)中各最小测试集的费用指标函数f(Tm).费用指标最小值min[f(Tm)]所对应的最小测试集即是系统故障模式集F的最优测试集.

4 数字灭火控制系统最优测试集计算

针对表1中数字灭火控制系统典型故障模式，设计了表2所示故障备选测试集，并给出了测试集中各故障检测方法的归一化测试成本和测试资源费用.

表2 数字灭火控制系统典型故障模式备选测试集信息表

续表2

故障模式集F(见表1)与备选测试集T(见表2)之间的相关性矩阵F-T为

初始化数字灭火控制系统测试集优选指标S=100%;加权费用指标函数权值ξ=0.2.根据最小测试集计算方法，求解得到

式(11)表明，A(Tm)中最小测试集数Nm=8.引入加权指标函数，得到各最小测试集的费用指标函数值如表3所示.

对比表3，得数字灭火控制系统典型故障模式集F的最优测试集Ts，

结合数字灭火控制系统的软、硬件设计，对Ts中的8种测试方法进行了具体实现.系统调试结果表明，测试集Ts能有效实现表1所示故障的有效诊断，且具有实现简单和费用开支小等优点.

表3 最小测试集加权费用指标函数计算表

5 结论

BIT作为一种新型在线故障诊断技术，已广泛应用于高可靠性需求的数控电子装置.本文针对装甲车辆数控电子系统，开展了BIT优化设计研究，提出一种基于分步优选的最优测试集求解方案，并将该方案应用于数字灭火控制系统BIT设计中.应用结果表明，论文研究方法能有效指导系统的故障自诊断设计，具有很好的实用性和可推广性.

[1]Ron Drees，Neal Young.Role of BIT in Support System Maintenance and Availability[J].IEEE Aerospace and Eletronic Systems Magazine，2004，19(8):3-7.

[2]朱万年，周 童.F-22航空电子系统重构设计研究[J].航空电子技术，1999，(3):35-43.

[3]宋小庆，李匡成，张豫南.军用车辆综合电子系统[M].装甲兵工程学院，2006.

[4]杨士元.数字系统的故障诊断与可靠性设计[M].北京:清华大学出版社，2000.

[5]康 波.混沌控制与混沌优化及其在组合电路测试生成中的应用研究[D].中国科技大学博士学位论文，2002.

[6]王 栋.电子系统测试性分析与设计方法研究[D].装甲兵工程学院博士学位论文，2009.