鱼雷测试性设计技术框架与关键技术

周坤烨, 蒋 涛, 张 宁



鱼雷测试性设计技术框架与关键技术

周坤烨, 蒋 涛, 张 宁

(海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033)

随着测试性在新型鱼雷研制中逐渐受到重视, 针对装备测试性工作通用要求无法有效指导鱼雷开展测试性设计的问题, 提出了一种适用于鱼雷的测试性设计方法。首先对比分析了航空装备与鱼雷武器存在的设计差异; 随后根据鱼雷的保障特点制定了测试性设计的技术框架和工作方法; 最后, 重点对指标分配、测试性建模以及BIT设计这3个关键技术进行分析优化, 解决了以往在产品研制阶段缺乏规范、有效的标准指导鱼雷测试性设计的问题。

鱼雷; 测试性设计; 技术框架

引言

近年来, 随着装备“六性”设计与分析在研制中的地位和作用得到重视, 测试性设计工作也在新型鱼雷的方案设计中开展[1], 现已在3种型号的鱼雷上推广应用。对鱼雷提高可靠性、维修性, 减少维修保障资源和降低寿命周期费用具有重要意义。

为指导测试性工作的开展, 我国已经颁布了一系列的军用及民用标准, 并成功应用于某些型号装备的测试性设计中。例如直-11的直升机完好性与使用检测系统(healthy and usage monitoring systems, HUMS)[2]和C-919的健康管理系统[3]等。然而, 目前鱼雷的测试性工作主要依据GJB2547A-2012《装备测试性工作通用要求》, 其主要规定了一般性的测试性工作项目和要求, 但缺乏具体的有针对性的标准, 无法对于雷弹装备的测试性设计开展有效地指导。

国内关于雷弹装备测试性设计的研究主要有: 唐银银等[4]设计的一种鱼雷自导系统的测试性验证平台, 有助于提升鱼雷的机内测试(built- in test, BIT)设计; 张钊旭等[5]基于多信号流的方法对鱼雷进行了系统级的测试性建模和分析工作; 吕隽等[6]提出运用边界扫描技术, 在不增加弹上额外零部件情况下, 实现良好的机内测试; 肖明清等[7]分析了导弹不开箱测试的关键技术, 为鱼雷包装箱的测试性设计提供良好借鉴。综上所述, 由于鱼雷武器的测试性研究尚处于起步阶段, 对于如何具体开展测试性设计缺乏系统的论述。文中通过对比分析鱼雷武器与航空装备的测试性设计差异, 结合鱼雷保障特点, 提出一种适用于鱼雷的测试性设计方法, 解决了以往在产品研制阶段缺乏规范、有效的标准指导鱼雷开展测试性设计的问题。

1 鱼雷武器与航空装备的区别

航空电子设备测试性设计是测试性技术发展的起源, 也同时引领了测试性技术的发展方向。由于鱼雷武器具有长期贮存, 一次发射的特点, 与航空装备的设计理念存在差异, 因此在测试性的设计方法上也需要进行改进, 不能照搬航空装备的工作方法。鱼雷武器与航空装备相比, 主要有以下几点不同。

1) 工作方式: 飞机在退役前一般可执行上千次飞行任务, 飞行时间累计达数万小时, 需要开展经常性的维修保养工作。利用机上的预测与健康管理(prognostic and health management, PHM)系统和地面诊断系统交互可以减少外场测试的工作量[8]; 鱼雷在库房长期处于贮存状态, 主要运用自动测试设备(automatic test equipment, ATE)对各舱段实现定期检查, 外场的诊断能力较强。此外, 鱼雷(战雷)发射命中目标后便摧毁, 无法回收继续使用, 因此需要合理权衡ATE和BIT设计。

2) 测试方法: 航空装备发生故障后将造成难以预计的灾难性后果, 所以应该具备在线测试的诊断能力。在系统运行中能够进行实时监测和快速诊断维修, 以便处理危急情况减少损失[9]; 鱼雷主要在发射前完成各项测试任务, 发射后即使发现故障也无法及时采取有效措施弥补[10]。 所以鱼雷的测试性设计应适用于离线状态下进行测试。

3) 设计约束: 航空装备体积较大, 设置机内测试设备(built-in test equipment, BITE)和测试点所引起的质量体积变化不会对产品整体设计造成太大影响。因此可以采用大量BIT和传感器设备提高飞机的自检能力; 鱼雷的直径大小由于受到鱼雷发射管限制, 只能在有限的空间开展测试性设计。同时还要考虑到鱼雷的作战效能以及航行时重心的稳定, 因此BITE引起的附加质量、体积、功耗应在规定的范围内[11]。

2 鱼雷测试性设计技术框架

鱼雷测试性设计技术框架如图1所示。测试性设计实现的主要功能包括状态监控、故障检测、故障隔离、虚警抑制和故障预测等[12]。考虑到鱼雷的工程现状, 对故障预测和实时监控的诊断能力暂不考虑, 虚警率也难以控制, 鱼雷测试性设计实现的主要功能目标是故障检测和故障隔离。

测试性设计技术主要包括固有测试性设计、机内测试设计和外部测试设计。测试性设计的介入越早越好, 从产品的固有测试性设计开始就明确划分产品结构和功能, 有利于测试性工作的开展。针对鱼雷的使用保障特点, 合理地权衡鱼雷机内测试和外部测试诊断方案, 能够充分发挥鱼雷的外场诊断能力。

测试性设计工程任务主要由测试性指标分配、测试性建模、测试性预计、故障模式、影响及危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)和诊断设计组成。具体将在后文说明。

3 鱼雷装备测试性设计工作方法

3.1 测试性设计总体要求

测试性设计总体要求主要有以下几点: 1) 测试性设计和产品方案设计应同步进行; 2) 测试性设计过程中应充分考虑工程上的可行性、可靠性和安全性; 3) BITE引起的附加质量、体积、功耗、元器件数量应在规定范围内; 4) 应进行维修级别分析, 并根据维修级别对系统进行可更换单元划分, 以便于故障隔离; 5) 在各维修级别上, 对每个被测单元(unit under test, UUT)应确定如何使用BIT、ATE和通用电子测试设备来进行故障检测和故障隔离。

3.2 测试性设计工作流程

通过研究航空装备的测试性工程, 提出鱼雷测试性设计工作流程, 如图2所示。首先, 根据装备的顶层规范文件以及相似产品的设计经验, 制定鱼雷的测试性设计准则。其次, 根据测试性设计准则中的指标要求按系统级、现场可更换单元(line replaceable unit, LRU)级、车间可更换单元(shop replaceable unit, SRU)级自上而下进行分配, 并制定各级别的初步诊断方案, 包括BIT初步设计、测试点选取、固有测试性设计等。随后, 根据FMECA报告和初步诊断方案进行系统的测试性建模工作, 基于该模型可以开展测试性预计和改进工作。若预计结果满足设计要求, 则进行下一步, 否则返回修改模型。最后, 对改进的诊断方案可按维修级别开展诊断策略设计, 为ATE和BIT的详细设计奠定良好的基础。

4 关键技术分析

4.1 测试性指标分配

鱼雷按两级维修体制可分为基层级、基地级。基层级测试任务主要包括日常维护、技术准备和维修测试, 以更换故障段或LRU的换件维修为主。基地级主要是对送修的鱼雷、故障段以及LRU进行检测, 将故障隔离到SRU或最小可置换件。

因此, 鱼雷的测试模式主要有4种(见表1)。包装箱内检测主要运用BIT和便携式检测设备进行定期检修。全雷联调依靠BIT、全雷检测台和辅助设备进行全雷组装后的调试。段检测和组件检测主要依靠外部测试设备进一步隔离故障。

表1 测试模式

由于组件检测可利用系统间的预留接口, 其故障检测率和故障隔离率可达较高水平, 故不必对其进行分配, 所以主要对全雷到LRU级的测试性指标进行分配。

以包装箱内检测为例, 假定测试性要求中对其关键故障检测率为95%。采用加权分配法, 选取故障率、故障影响、平均故障修复时间(mean time to repair, MTTR)、诊断难易程度、诊断成本5个因素对全雷进行分配, 加权系数取值范围为0~5。得到鱼雷包装箱内测试指标分配如表2所示。

表2 测试性指标分配

4.2 测试性建模

鱼雷的测试模式包含包装箱内测试、全雷联调和段检测等, 对于不同级别的测试任务, 其指标要求不尽相同, 需要根据各级任务的故障定位要求, 建立相应的测试性模型, 从而作为测试性预计和诊断策略设计的依据。此外, 由于装备的方案设计主要按系统进行设计与优化, 因此应首先按系统开展测试性建模工作, 如图3所示。

1) 首先利用测试性初步诊断方案和FMECA报告进行建模数据的准备工作, 主要包括FMECA扩展表、产品结构信息、信号端口数据和测试点信息。

2) 进行各分系统的测试性建模工作。基于模型可以分析得到各分系统的不可测故障、冗余测试和测试性指标预计值。

3) 根据测试性预计与分析结果判断产品是否符合设计要求, 如满足则进入下一步, 不满足则返回进行测试方案的改进优化。

4) 最后集成各系统的模型, 构建全雷以及各舱段的测试性模型, 并同样进行测试性预计与改进工作, 为诊断策略的构建奠定良好基础。

4.3 BIT设计

BIT按照系统运行模式可以分为上电BIT、周期BIT和维修BIT。合理设计这3种BIT, 能够快速、准确地获得故障诊断信息。

1) 上电BIT主要运用于鱼雷包装箱内检测以及艇上测试, 实现鱼雷发射前系统的通电自检。

2) 周期BIT是在系统运行的过程中不断发送检测信号对系统进行实时监控, 然而目前鱼雷发射后即使发现故障也无法采取有效措施弥补。

3) 维修BIT则是通过雷上预留接口与ATE结合共同完成设备各个系统或舱段的检测, 进一步隔离故障, 获得的诊断信息比上电BIT更详细。

综上所述, 考虑到鱼雷是一种离线测试的装备, 若加入周期BIT必然增加系统复杂度并且存在虚警问题。除此以外, 在故障注入时也难以模拟水下真实环境, 无法开展周期BIT的测试性验证评估工作。所以鱼雷在BIT的设计时应当以上电BIT为主、维修BIT为辅。

5 结束语

文中从工程实际出发, 提出了一种适用于鱼雷武器的测试性设计方法并就其关键技术进行了分析优化。该方法已经成功应用于鱼雷产品测试性设计, 下一步重点将研究如何开展鱼雷的测试性验证与评价工作。

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[2] 张冀, 李书, 贺天鹏, 等. 直升机RMS与测试性综合评估模型研究[J]. 系统工程与电子技术, 2016, 38(2): 470-474.Zhang Ji, Li Shu, He Tian-peng, et al. Research on the Comprehensive Helicopter RMS and Evaluation Model of Testability[J]. Systems Engineering and Electronics, 2016, 38(2): 470-474.

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[12] 石君友. 测试性设计分析与验证[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011.

(责任编辑: 许 妍)

Technical Framework and Key Technologies of Torpedo Testability Design

ZHOU Kun-ye, JIANG Tao, ZHANG Ning

(College of Weapons Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Testability receives more attention in development of a new torpedo, however it is difficult to effectively guide the testability design of a torpedo according to the general requirements of equipment testability. In this paper, the differences of design between aerial equipment and torpedo weapon are compared. Then, according to the characteristics of torpedo support, the technical framework and working methods of the testability design are proposed. Moreover, the key technologies of specifications allocation, testability modeling and built-in test(BIT) design are analyzed and optimized. This study may offer a normative and effective standard for product development stage to guide the testability design of a torpedo.

torpedo; testability design; technical framework

周坤烨, 蒋涛, 张宁. 鱼雷测试性设计技术框架与关键技术[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(3): 258-262.

TJ630.6; TN06

A

2096-3920(2018)03-0258-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.012

2018-03-06;

2018-03-30.

周坤烨(1994-), 男, 在读硕士, 主要从事武器系统运用与保障工程方面的研究.