基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法

张钊旭, 王志杰, 李建辰, 许 军, 王贵奇, 杨进候



基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法

张钊旭1,2, 王志杰1, 李建辰1,2, 许 军1, 王贵奇1, 杨进候1

(1. 中国船舶重工集团公司第705研究所,陕西西安, 710077; 2. 水下信息与控制国家重点实验室,陕西西安, 710077）

结合鱼雷武器系统的特点, 提出了基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法, 并采用TEAMS软件构建了鱼雷的全雷级测试性模型, 并开展测试性分析、指标预计及设计改进, 验证了该建模方法的可行性,为今后开展鱼雷测试性设计探明了一条可行的技术途径。

鱼雷; 多信号模型; 测试性建模; TEAMS软件

0 引言

在日趋复杂的海战形势下, 鱼雷的性能越来越先进, 功能和结构越来越复杂, 对其进行测试与诊断也变得越来越困难[1]。因此, 要从根本上解决鱼雷的测试与诊断问题, 实现快速而精确的故障检测与隔离, 就必须从鱼雷研制初期综合考虑测试、维修和保障等问题, 系统地开展鱼雷测试性设计[2]。

测试性建模是开展测试性设计工作的前提, 通过构建测试性模型实现测试性知识获取, 表征产品结构、功能、故障与测试间的复杂联系, 全面系统地对产品的测试性要素进行相关性分析, 为后续开展测试性设计、分析和指标预计提供依据, 有利于从根本上提高产品的故障检测、隔离能力, 促进测试性设计水平。

多信号模型是美国康涅狄格大学的Pattipati和 Deb等人于20世纪90年代提出的测试性模型, 并已由美国的QSI(Qualtech Systems Inc.)公司引入其测试性工程和维修系统软件(testability engineering and maintenance system, TEAMS)中, 并在大型复杂系统的测试性设计、分析及故障诊断方面获得了应用[3-9]。该模型采用分层有向图描述系统的信号流向及各级组成单元的构成及相互联系, 并通过信号(功能)将故障与测试联系起来, 使得对系统结构功能层次的刻画变得简洁直观, 并显著降低了建模难度, 为设计人员开展测试性建模工作提供了便利。

文中结合鱼雷武器系统特点, 提出了基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法, 采用TEAMS软件构建了鱼雷的全雷级测试性模型, 并开展测试性分析、指标预计及设计改进, 验证了该建模方法的可行性。

1 基于多信号模型的建模方法

1.1 多信号模型

多信号模型以分层有向图描述系统的信号流向及各级组成单元的构成及相互联系, 并通过定义信号(功能)来表征系统各组成单元的故障模式与测试间的相关性。其中, 功能信号是指表征系统或其组成单元故障特性的征兆、属性及参数, 组成单元的故障被划分为功能故障(仅影响该单元的正常功能)和全局故障(导致所在单元及后续单元工作异常), 分别用和表示。

多信号模型可由下列元素描述:

1.2 基于TEAMS的建模方法

TEAMS软件使用基于多信号模型的图形化建模方法, 通过友好的用户界面, 利用基于模型推理技术(model based reasoning , MBR)进行故障隔离, 可以自动进行测试性分析、评估并给出建议, 辅助优化测试、故障诊断、维修解决方案, 并最终成熟完善。该软件极大地方便了用户的测试性设计工作, 显著提高了工作效率。

用TEAMS进行测试性建模可分为以下3步:

1) 构建系统结构功能模型

TEAMS中的模型层次结构如图1所示, 用户可在其提供的图形化建模环境中建立系统的分层结构功能模型, 并根据实际需求灵活设置模型的结构层次, 亦可选择对所建模型的不同层次进行分析。

图1 TEAMS模型层次结构

在构建系统的结构功能模型前, 应综合考虑系统的维修保障等实际需求, 合理划分系统结构功能层次。对于结构功能复杂的系统, 一般情况下, 最低层级划分到外场可更换单元(line replace unit, LRU)或车间可更换单元(shop replace unit, SRU)。

在TEAMS中构建系统的结构功能模型, 包含以下4点:

a.编辑模块。分层嵌套建立模块, 与系统的结构划分层级相对应; 设置模块的名称、所属层级、输入输出端口等信息, 并添加关联的功能信号。

b. 编辑连线。模块间的连线代表了信号的流向和故障的传播路径, 只能从模块的输入端口进, 从输出端口出。

c. 编辑测试点。设置测试点, 添加测试, 关联对应的功能信号。

d. 编辑开关和工作模式。添加开关设置系统不同的工作模式。

2) 修正及调整模型

系统的结构功能模型构建完成后, 应根据实际情况对模型进行修正和调整。

基于故障隔离的考虑, 系统的结构功能划分一般应与实际结构相一致。此外, 应根据工程实际, 对最底层组成单元的故障模式进行梳理、细化, 以便于故障定位和维修。

若系统中存在一些组件能够阻断一个信号集或全局故障, 则应为这些组件定义一个被阻断信号集。若系统中存在一些组件能够映射一个或多个信号到另一个信号子集, 则需为这些组件定义信号映射关系[10]。

3) 验证改进模型

完成模型的搭建和初步调整后, 应开展系统模型分析, 对模型进行验证。首先进行‘静态分析’选项, 获得模型的未覆盖故障、故障模糊组、冗余测试等信息。然后选择‘测试性分析’选项, 生成故障-测试相关性矩阵和测试性分析总体报告, 寻找设计缺陷, 以改进系统的测试性设计。

2 基于TEAMS的鱼雷测试性建模

2.1 鱼雷结构功能划分

图2 鱼雷层次划分结果

2.2 确定模块端口信号集

2.3 确定测试集

根据鱼雷全雷试验内容及测试项目, 确定鱼雷的测试点和测试集, 如表2所示。

表1 鱼雷SRU端口信号表

表2 鱼雷测试项目表

2.4 构建多信号模型

根据上述分析, 在TEAMS软件中, 依次编辑模块、连线、测试点, 并根据实际情况, 添加开关设置系统不同的工作模式, 建立鱼雷的多信号模型, 如图3所示。

3 基于TEAMS的鱼雷测试性分析

3.1 鱼雷系统测试性分析

对建立的鱼雷多信号模型进行“静态分析”, 得到鱼雷的未覆盖故障(undetected fault)包含SRU: 55、41、54、66, 模糊组(ambiguity group)如表3所示。

图3 鱼雷多信号模型

表3 SRU模块模糊组清单

表3中列出的SRU模糊组包含了因SRU之间部分故障模式无法隔离的情况。分析得到, 鱼雷的SRU模糊组没有在同一舱段内。

进行“测试性分析”, 预计测试性指标, 得到鱼雷的测试性分析总体评估报告如图4所示。

图4 鱼雷测试性分析总体报告

可以看出, 故障检测率(percentage fault detection)为92.24%, 故障隔离率(percentage fault isolation)为85.72%。

3.2 鱼雷测试性设计改进

根据鱼雷测试性分析及指标预计结果, 可以看到, 对故障舱段(LRU)难以实现准确隔离及替换维修。因此, 需改进设计, 在原有的多信号模型中增加测试项目, 具体内容如表4所示。

表4 添加的测试项目清单

进行‘静态分析’, 得到鱼雷的SRU模糊组如表5所示。

表5 改进模型后的模糊组清单

分析得到, SRU模糊组均在同一舱段内, 方便替换维修。

进行“测试性分析”, 预计测试性指标, 得到鱼雷的测试性分析结果总体报告如图5所示。

图5 改进模型后的测试性分析总体报告

此时鱼雷SRU的故障检测率达到100%, 故障隔离率为97.15%, 实现了对鱼雷SRU检测的全覆盖, 故障隔离率也有所提高, 方便了故障单元的替换和维修。

4 结束语

测试性建模是开展测试性设计的基础, 而选择一种好的测试性建模工具可以显著降低测试性建模的难度。文中结合鱼雷武器系统的特点, 提出了基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法, 采用TEAMS软件构建了某型鱼雷的全雷级测试性模型, 并开展测试性分析、指标预计及设计改进, 验证了该建模方法的可行性。

文中在进行鱼雷测试性建模时, 尚未考虑各组成单元的故障率等因素, 后续将综合权衡相关影响因素对模型进行改进优化, 并基于模型构建鱼雷的诊断策略。

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(责任编辑: 许 妍)

Modeling Method of Torpedo Testability Based on Multi-Signal Model

ZHANG Zhao-xu1,2, WANG Zhi-jie1, LI Jian-chen1,2, XU Jun1, WANG Gui-qi1, YANG Jin-hou1

(1.The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Considering the characteristics of torpedo weapon system, a modeling method of torpedo testability based on multi-signal model is proposed. Then, a testability model at whole torpedo level is constructed by using the software TEAMS. Testability analysis, index prediction and design improvement are conducted to verify the feasibility of the proposed modeling method. This study may provide a feasible way to future design of torpedo testability.

torpedo; multi-signal model; testability modeling; TEAMS software

张钊旭, 王志杰, 李建辰, 等. 基于多信号模型的鱼雷测试性建模方法[J].水下无人系统学报, 2017, 25(4):339-343.

TJ630; TN06

A

2096-3920(2017)04-0339-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.006

2017-06-22;

2017-06-28.

张钊旭(1993-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为鱼雷总体技术.