综合诊断设计与分析综述

蒋海涛

综合诊断是指通过考虑和综合机内测试、自动和人工测试、维修辅助手段、技术信息、人员和培训等构成诊断能力的所有要素，使武器装备诊断能力达到最佳的结构化设计和管理过程。其目的是以最少的费用最有效地监测、隔离装备内已知的或预期发生的所有故障，以满足装备的任务要求。综合诊断是系统工程的概念，其实施应从装备设计开始，并贯穿于其寿命周期的各个阶段。通过综合诊断，可以有效利用各种资源，实现机内和机外诊断要素的协调，实现最优的故障检测与隔离能力。

1 国外综合诊断发展研究

根据对美军综合诊断相关技术文档的研究，可将美军综合诊断的发展大致分为两个方面，分别是思想的发展和方法技术的发展。

1.1综合诊断思想的形成和发展

综合诊断的思想初期形成阶段主要集中在80年代初期到中期。1983年，美国国家安全工业协会（NSIA）主持了第一届全国综合诊断会议，主要的发现是装备缺乏对诊断过程中涉及的技术进行綜合或集成。1996年8月8日，美国国防分析研究所（IDA）在国防部采购与技术局的主持下举办了一次综合诊断研讨会，主要的目的包括：增强相关人员对综合诊断应用优势的认识；确定可以应用更好的综合诊断方法对武器系统进行保障的问题；提出跨领域的综合诊断机会；开始讨论将开放式或非专有架构应用于综合诊断的机会。

1.2综合诊断方法技术发展

1）通用综合维修诊断程序

通用综合维修诊断程序（GIMADS），是美国空军与工业界合作的计划，其主要目标是为综合诊断程序开发系统工程方法和流程，从而满足武器系统的作战需求。通过将自动和手动过程、嵌入式诊断程序和外部测试设备相结合，可以实现此目标。

2）综合诊断支持系统

综合诊断支持系统（IDSS）是美国海军开发的，其目标是提高装备的维护能力。它规定并有助于实现诊断最为有效的结构化过程。

3）开放系统和综合诊断研究计划

1999年，美国国防部办公厅（OSD）启动了“综合诊断开放系统方法演示验证（Open System And Integrated Diagnosis Research，OSAIDR）”研究计划，探讨统一的、通用的综合诊断功能实现方法的可行性，以降低费用，增加互用性，加快引入新技术。

2国内综合诊断发展分析

国内综合诊断相关的要求都包含在测试性的工作中，GJB2547A是测试性工程领域标准体系中的牵头标准，它包括装备在其寿命周期内开展测试性工作应遵循的基本要求和一系列管理的和技术的测试性工作项目，为建立该领域标准体系框架和确定支撑标准项目提供了依据。GJB2547A中给出了综合诊断的定义，并在工作项目确定诊断方案和测试性要求中，提出了涉及综合诊断的诊断方案权衡相关的内容。

2010年，总装备部技术基础管理中心组织编制了装备测试性国家军用标准体系，其中就对MIL-HDBK-1814综合诊断的转化和我国《综合诊断要求》标准的研究和编制工作进行了规划。

近年来，国内装备研制单位已将综合诊断作为型号中重要的设计工作，开展综合诊断建模、设计分析、试验验证等工作，不断推进综合诊断技术的工程应用。目前综合诊断主要存在以下问题和挑战：装备研制单位对综合诊断重要性的认识还不够；综合诊断寄生于测试性设计工作中，没有独立出来；综合诊断缺乏顶层标准指导，需求不清楚，设计无指南；装备设计方、系统和设备供应商之间需要紧密配合，才能实现综合诊断的目标。

3 综合诊断需求分析

3.1整体过程分析

1814标准附录B对综合诊断的需求捕获和推导过程进行了规范和概述。需求设计分析（RDA）过程的目的是得到准确满足使用要求的诊断要求和验证方法。RDA过程由委托方和承制方共同的活动组成。通常，委托方在研制合同文件中明确使用需求，然后确保承制方捕获得到满足使用需求的诊断要求，并将这些要求分配下去。

RDA过程包括三项主要活动：转化、整合和分配，如图1所示。转化和整合共同推导出一套满足需求的诊断要求。分配为将诊断要求分配到对应的设计层级和诊断要素中进行实现。不同项目可用于该过程的信息质量和数量不同，但是应尽早执行需要分析过程，即使是基于粗略的或推测性信息。否则可能影响初期设计并导致高昂的变更成本。

RDA过程提供了对诊断设计要求的可追溯性，以满足它们所支持的运行需求。在充分记录的前提条件下，这种可追溯性验证了对诊断需求的需要，并有助于在设计过程中验证RDA过程中诊断设计要求对使用需求的满足情况，应具备可追溯性。通过充分地追溯和记录，实现对诊断要求必要性的确认，并有助于对设计结果的验证。

3.2诊断需求转化

需求转化是将项目中明确的需求，转化为便于确定诊断要求的描述与定义。需求作为项目驱动和开展的必要声明，其来源将随着项目阶段而变化。需求转化至关重要，因为它是使用需求和最终要导出的诊断要求之间的桥梁，可用于系统工程中的权衡过程，从而评估诊断功能的必要性。一个充分记录的需求转化过程，可用于系统要求满足使用需求的确认，并为过程验证提供框架。需求转换过程如图2所示。

一个系统的既定诊断需求应该准确给出需求的具体目标，但不限制如何实现该目标。如系统安全性、出动次数和任务成功率等作战需求，以及每飞行小时的维护工时和两级维护概念等保障需求，都可作为诊断要求的输入。

1）确定既定诊断需求

评估既定需求以确定三种诊断需求：决策/事件，约束和功能。

a. 决策/事件

诊断给出系统的健康状态信息，从而支撑最终的各项决策。识别出依赖诊断信息的决策，既给出了需要诊断的原因，同时提供了诊断时间和质量要求。

可依据诊断时机，对决策进行分组，从而简化诊断需求，如飞行后诊断可用于多个维修决策。一些非诊断的设计决策也可以创建诊断需求，如某些单元的冗余重构机制设计，可能不是由原系统使用需求引入，而是为解决安全性和可靠性问题而引入。诊断时机还可设计为提供一些与使用需求不直接相关的信息。如在项目初期就为设计验证、工程变更、培训、验收测试等工作，提供诊断信息，可能大大节省开发成本，减少冗余测试、降低测试算法复杂度等。

b. 约束

部分使用需求对诊断信息的获取，可能需要满足一定约束条件。约束条件有利于诊断要求的确定，如地面保障设备的可移动性限制了其使用范围。约束条件还可能促进诊断的准确性，如对严格的空间和重量约束将导致单一诊断要素必须提供准确的诊断信息。而宽松的空间和重量约束则可以由多个准确性差的诊断要素共同组合以提供满足要求的诊断信息。

c. 功能

必须对所有需要提供诊断信息的系统功能进行梳理，如目標识别、通信、飞行控制等。明确的功能使得在设计初期便可以确定诊断。设计团队在系统如何决定实现导航功能（即向操作员提供导航信息）的同时，也可以确定如何向操作员和维护人员提供关于导航功能的所需诊断信息。如此，设计团队可以通过性能对诊断进行不断的迭代设计。

功能的传递梳理使得需求可以以自顶向下的方式分配。随着项目推进，设计方案将越来越详细具体，并且功能不断分解成下一层级的子功能，直到功能要求成为可实施的物理设计要求。

3.3诊断需求整合

将需求整合为诊断要求，即将需要诊断信息的功能、诊断时机、约束、准确性和度量进行关联，汇总整理为完整的诊断需求集合中，并对诊断需求进行相关确认，如图3所示。

1）收集输入信息

可供收集的信息源包含很多种，在初期的主要来源为需求转化结果，中期为设计方案，后期为上一层级的设计诊断要求。

2）诊断要求整合

为每个诊断时机确定必须上报的系统功能，或者为每个系统功能确定所需的诊断信息。功能可以按类别分组，如关键任务类。为每个诊断时机或系统功能，整合出一般的诊断要求和相应验证方式。转化过程可能将明确支撑功能或多个设计层级决策所需的诊断信息需求。如果筛选的诊断要求包含分配至设计层级之前已确定的诊断要求，则需要统一考虑，确保覆盖全面性，并避免重复。

3）定制出满足系统需求的诊断要求

定制要求是指描述指定系统或阶段需要的内容，而不是如何实现，除非系统约束或设计决策明确要求描述如何实现。确定为实现每个决策/诊断时机而需要进行诊断的功能，完成每个决策/事件。如转化过程中应对这些功能进行明确。在不同的诊断时机中可能会对同一个功能进行诊断，如机上重构和转场维护均需要对影响安全的关键功能进行故障检测和隔离。同样地，一个决策/诊断时机可能需要多个功能的诊断信息。

在诊断要求中包含决策/诊断时机，可以建立诊断和使用需求的之间的联系，并且可以保证诊断要求中具备必要的时间和关键性能要求，而不必另行确定具体时间和精度约束。但是在设计过程中，要有一个时间点对上述决策/诊断时机给出具体的时间和精度要求。这个时间点由研制过程各阶段、设计层级和设计方案决定。

3.4诊断要求分配

分配的目的是将转化和整合得到的诊断要求分配到适当的设计层级和诊断要素中。分配包含两个方面：一是横向，即确定每个诊断要素或其组合的诊断要求；二是纵向，即确定每个设计层级上的诊断要求，从而支撑具体实现过程中的物理设计。

分配过程应基于分析、权衡、低层级功能设计方案、高层级的诊断要素组合方式，以及诊断能力或精度影响的无诊断系统工程假设或设计决策等。在具体工程中，诊断要求的确定可通过表1所示的填写实现。诊断要求的关键是能够得到落实，即将诊断功能要求转化为满足要求的物理产品。

4 综合诊断权衡分析

4.1综合诊断过程分析

综合诊断过程分析包括以下几方面。

1）用户需求和技术评估：对用户的使用需求进行论证，对当前技术水平进行评估，从而获取航空装备中和诊断相关的顶层需求。

2）建立计划、规范和指南：基于顶层需求，制定综合诊断计划，建立诊断数据收集系统，制定装备相应的规范和指南，如系统使用需求、保障需求、工作要求、确认与验证等。

3）诊断要求导出与确认：以各类型的需求为输入，结合装备的架构组成，对诊断要求进行自上至下不同系统层级的纵向分配，以及各诊断要素之间的横向分配。

4）方案设计和验证：在装备方案阶段，通过对外接口权衡分析、各层次的纵向权衡分析、各诊断要素间横向权衡分析，建立诊断方案，对该方案是否满足捕获和分配得到的诊断要求进行验证。

5）初步设计和验证：在装备工程研制阶段的初期，开展诊断系统的初步设计与验证。

6）详细设计和验证：在装备工程研制阶段的后期，开展诊断系统的详细设计与验证。

7）设计变更：当验证结果未达到诊断要求时，或技术更新等其他情况出现时，应对诊断设计进行变更。

8）项目监督和控制：对项目过程中的数据、文件、方案、结果等进行审查，并确定后续阶段的工作目标和内容。

9）诊断系统实现：对诊断系统中所需的所有硬件和软件进行生产实现，确保诊断系统的所有组成都可一并交付。

10）诊断熟化：收集使用过程中的数据，对诊断系统性能进行评估，验证是否满足用户使用需求。确定所有变更的需求，以便作为后续型号构建综合诊断系统的重要依据。

4.2综合诊断权衡分析

诊断能力设计，是系统工程和保障性功能的组合。可靠性、维修性、综合保障、测试性、人素工程、安全性等均对诊断能力的要求确定和诊断能力设计发挥着重要作用。

综合诊断过程可以从一开始就考虑采购的所有方面（绩效、支持、生产等），并在整个计划中以交互方式处理，正确定制和应用路线图中描述的诊断需求将确保在采集程序的适当位置考虑诊断，确保提供适当的系统工程环境，以满足这些需求取决于整体计划管理。

将诊断系统工程研究和分析作为武器系统设计过程的一个组成部分。识别技术风险，并将嵌入式支持对离线诊断要素的影响输入到正式的L5A过程中，强调在Dem/Val期间正在开发的高风险设备。

在Dem/Val期间，该迭代过程应重新评估在系统级别的概念探索过程中导出和分配的要求（并且经常下降到分段和要素级别），并将此导出和分配过程向下延伸到至少子系统级别。诊断系统工程研究和分析的验证。通过检查验证，武器系统设计过程包括系统和配置项级别的诊断段的定量值，并且以完成适当的权衡，包括对这些研究和分析的质量进行评估。

5 结论

近年来，国内装备研制单位以将综合诊断作为型号中重要的设计工作，开展综合诊断建模、设计分析、试验验证等工作，不断推进综合诊断技术的工程应用。目前综合诊断主要存在以下问题和挑战：综合诊断工作缺乏统一的信息模型，数据共享不足；综合诊断缺乏顶层标准指导，需求不清楚，设计无指南；主机单位、系统集成商进行综合诊断的设计工作量大，集成技术难度大。

综合诊断工作建议：

1）针对综合诊断缺乏相关标准问题，應开展综合诊断需求分析、综合诊断设计和综合诊断验证相关的标准化研究和制定工作；在制定标准时需要充分考虑与现有测试性相关标准的关系。

2）针对缺乏统一信息模型的问题，应加强开放式架构的综合诊断信息模型的研究，这部分可以和当前的预测与健康管理相关的工作结合起来，综合诊断如果被纳入预测与健康管理（PHM）和综合健康管理（IVHM）工作中，应从技术发展的前景出发，避免重复研究。

3）针对综合诊断设计工作量大和集成技术难度大的问题，应在装备的研制过程中，明确各利益相关方关于综合诊断工作的分工，尤其是成品厂应进行的工作。

参考文献

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