装备测试性设计与诊断策略优化技术研究

李博 谭斌

摘  要：该研究从复杂装备的诊断测试出发，对装备层次的测试性建模进行了探讨，包括测试性建模要素分析和层次测试性建模;介绍了装备测试诊断技术的发展历程、发展趋势。对其测试诊断策略的优化进行了深入而详细地分析，对目前国内外普遍使用的算法和设计方法进行了介绍，比较了上述方法的使用范围、优缺点。最后举例分析了装备测试性设计与诊断策略优化技术的实际应用范围、产生的问题，展望了测试诊断优化技术的发展趋势。

关键词：测试性设计;测试策略;测试优化

中图分类号 ：TP391            文献标志码：A

0 引言

随着科学技术的飞速发展，新技术参与研发和应用生产的装备正受到广泛关注。实际上，现代装备的性能已经随着科学技术的研发大幅提高，装备的结构原理愈发精密复杂。因此，装备的测试和诊断在装备保养维护中所发挥的作用也越来越大。装备的测试性属于装备的“五性”之一，是装备本身的一种设计特性，在装备后期维护保养中，装备的测试性发挥着至关重要的作用，它为装备的维修提供了参考依据，为装备的更换提供了参考。

现代化大型装备均采用了模块化设计。模块化设计是指装备的某个功能是由许多子功能模块组成的，而装备的层次化设计则是指装备的系统功能单元是上下层逻辑关机相互联系的。因此，装备的测试诊断技术就要从装备的模块化和层次化入手，从装备的某一个模块或者某层系统结构寻找装备的故障原因，再由功能单元模块之间的关系，系统层次的关联，从上到下、从外到里、从表面到内部的方式，找到解决装备故障问题的办法。

目前，装备的功能和结构越来越复杂，使得装备测试诊断的困难越来越大，并且测试成本不断增加。为了确保装备性能，测试与诊断技术也必须随之改进。

1 装备的测试性结构模型

1.1 测试性结构模型的建立

测试性结构模型可用有向图G=（V，E）来表示。G表示结构模型本身，V表示一定的物理模块，E表示功能模块之间的物理连接，如图1所示。

该结构模型的箭头方向是指各个功能模块之间的信息流通方向[1]。再把装备的各个物理功能单元抽象成为有向图中的节点，将故障传播方向表示为节点之间的传播防线，这样，就把复杂的实物装备系统表示成了节点关系图，清晰地反映系统中各功能单元的信息连接。

1.2 物理层次和故障层次的关联性

上述结构模型反应的是装备的系统结构关系，由于装备的模块化和层次化的特点，因此，该结构模型也能反应故障之间的层次关系。实际上，装备的物理层次和故障层次存在着一一对应的关系，因为故障是在物理层理的基础上进行传播的。装备特征库中储存着装备子系统、子模块之间的信号特征、功能特征，通过对装备特征库和信号关系库的建立，可将装备层次模型与故障层次模型之间复杂的关联具体化。

测试性结构模型包括4个内容层次性结构、上下层之间的联系、层次性故障、故障和测试的逻辑关系。通过测试性结构模型可以确定故障所在的最底层功能单元，同时也能根据需求，确定在某层次上结束诊断工作。

由此可知，层次诊断过程就是层次间诊断和层次内诊断相结合、相交互的过程。测试性结构模型是层次诊断的基础，关键的问题是故障与测试的对应关系，这种关系为测试点和测试点的数量增减提供了科学的判断依据。

2 装备测试诊断技术的发展

2.1 国外研究现状

欧美国家特别是美国的装备测试性技术领先全球。自提出“测试性技术”，测试性设计与分析技术的发展经历了3个重要阶段。第一阶段：经验的设计，第二阶段：结构化的设计，第三阶段：基于模型的设计。

自20世纪70年代，美国率先提出了测试性技术的研究[2]。然而，实际应用过程却不尽人意，在早期的测试性技术中，因为诊断技术差、诊断错误率高，始终无法满足实际应用的需求。随着装备精密度的提高，装备性能在不断提高，这就导致了测试设备的数量大大增加，同时操作难度也随之增大。因此，美国等国家的军方展开了测试性技术与人工智能向结合的技术研究，并取得了一定成果，于1991年颁布了《综合诊断》军用标准，为新一代武器装备的诊断技术提供了标准。然后在1998年，美国国防部对开放式综合诊断定义做了进一步修正，定义为：综合诊断是武器装备内外部诊断要素诊断功能分配和寿命周期内经济性能，以及诊断功能性能优化系统工程过程的一部分。而完成診断功能与测试和诊断相关的信息的有效通信是实现综合诊断过程的基础。后来，美国开发了测试性仿真商业软件Teams，该软件能预估产品的故障检测能力，同时发现产品的不可检测故障，可为产品的升级改造提出建设性建议。

2.2 国内研究现状

我国测试性设计技术起步较晚，同时由于国情等原因，使得我国测试性设计技术的研究重点主要集中在将国外的测试性设计技术的相关标准中国化，即通过适当的改良创新，使国外的标准在国内应用时能符合我国相关行业的发展行情。主要的软件平台包括Test.Lab、TMAS、TADES等，这些软件工具与Teams功能相似。

我国研究单位在展开测试性设计技术研究分析时，主要集中在针对飞机飞行系统、分系统的建模研究，并提出相应的测试性设计的改进建议。但是，由于装备测试性设计技术在建模时要求偏高，建模复杂，理论创新难以实现，我国的装备测试性建模技术仍然基于前人的经验。

由此可见，装备的测试诊断技术是不断完善发展的，经过若干年的研究，目前，装备诊断技术已经有了完善地标准。

3 装备测试诊断策略的优化

我国对测试诊断策略的优化主要集中在对测试算法的优化方面，下面对我国主要优化的测试算法（AO*算法、蚁群算法、离散离子群算法、混合离散离子群-遗传算法（以上算法均基于多信号模型）、ATMS算法等）进行简要介绍。

3.1 AO*搜索算法

该算法来Huffman编码和信息熵为基础构建搜索代码规则，搜索过程包括对有效结果的隔离、对真实值的估计。实际上，该算法的原理就是利用估计值替代真实值。

3.2 蚁群算法

该算法用以解决系统测试策略优化的问题。该算法把每个测试点设置成一个算法节点，算法节点之间的路线作为蚁群行进路线，每次测试都从此时的测试节点出发，根据算法规则选择为测试的行进路线，在计算完所有行进路线后，根据迭代法得到测试的最优解。

3.3 混合离散离子群-遗传算法

该算法国防科技大学首先提出，算法具體实现方法为：首先，设置遗传算法和粒子群算法的参数，进而进行种群初始化。其次，对所有个体的适应度进行算法运算，并评估计算结果，进而产生下一代种群。再次，对产生的下一代种群中的个体与上一个步骤一样再次进行种群适应性评价，经过多次迭代，得到测试的最优解。最后，输出最优个体作为测试策略的最优解。

4 案例应用与分析

某设备采用了层次化和模块化的设计，维修要求更换组件维修，因其设计特点，可采用层次测试性建模方法对该设备进行故障诊断，诊断结果以及分析结论如下。

装备的层次测试性建模以该设备的自动架设系统为例进行研究。自动架设系统是由各类传感器、驱动电机、电源系统和自动控制系统等组成的。对各个模块均进行了相应的故障测试，经过分析可以得出层次故障的对应关系，见表1。

对于模块中的故障类型都进行了相应的故障检测，从表1的故障类型可以看出，传感器故障由于没有下层故障，因此可直接更换。而有些下层故障是由多个模块可能发生故障造成的，因此，需要继续深入分析，各类传感器很多，表1展示的传感器故障代表这一故障类型，其他传感器故障不再一一列举。

5 结论

装备的精密性、复杂性决定了装备的测试与诊断技术对于装备的维修保养工程具有重要意义。在对装备进行优化诊断的过程中要将各种数据、信息以及测试资源进行有机融合与共享，将各个组成单元整合在一起，有效地配置各个单元的测试资源，使其共同作用，达以到最佳测试与诊断效果，同时最大限度地降低测试成本。

从实际装备的诊断策略来看，装备的诊断技术必须将理论联系实际，使理论与实际相结合。该研究介绍的各种诊断测试技术都基于单故障假设，假设模型太过理想化，与实际情况有些许出入，测试过程相对于实际测试还比较简单，测试结果还存在一定的不可信度。因此，还需要进一步研究多故障模型的测试策略方法，从根本上解决测试策略结果的可信度问题。

参考文献

[1]于功敬，厚泽，王振华.装备测试性设计与诊断策略优化技术研究[J].电子测量技术，2012（7）：14-17.

[2]尹园威，尚朝轩，马彦恒，等.装备测试性设计的层次诊断方法[J].海军工程大学学报，2014（1）：71-75.