基于 TEAM S的 ATS战场损伤定位研究❋

高成金,王 琳,王 磊

(空军工程大学工程学院自动测试系统实验室,陕西西安 710038）

0 引 言

战场抢修(BDAR,Battlefield Dam age Assessment and Repair),于 1992年引入我军并受到国防科技工业部门的高度重视[1].但是,目前国内外对战场抢修的研究重点都放在作战武器装备上,即如何用完好的保障设备对损伤装备进行应急诊断和修复,然而这在实际作战中是不现实的,战时条件下,保障设备同样易受到战争损坏.没有完好的保障设备,作战武器装备的抢修将无从谈起,因此保障设备作为实施作战装备战场抢修的基础,对其进行战场抢修研究是非常有必要的.所以,本文将重点研究保障设备中用于某型装备应急检测的自动测试系统的战场抢修.

战时,某型装备在未检测之前不允许使用,所以某型装备自动测试设备的好坏直接影响到装备战斗力的发挥,进而影响战斗的结局.因此当该装备自动测试系统出现战时损伤时,必须对其进行抢修.

战场抢修主要由损伤评估和损伤修复两部分组成,损伤评估是损伤修复的前提与基础,高效、快速、准确的损伤评估能确保抢修工作正确而有效地实施.评估损伤时,如何快速确定引起损伤的原因,也就是进行损伤定位,是整个损伤评估过程中的重要环节,而且在多个损伤的情况下,存在着确定评估顺序和检修顺序的问题.采用适当的人工智能技术来进行智能损伤定位研究,是提高损伤评估准确性和效率的重要途径.目前在智能损伤定位的研究中,基于损伤树推理的方法存在着缺乏表达和推理的灵活性,不易将抢修、观测等操作纳入到模型之中的缺点[2];而基于贝叶斯网络的损伤定位方法,虽然具有定性判断与定量计算相结合,可进行双向推理的功能,但贝叶斯网络的建立是一项比较复杂的、困难的工作,而且只能依靠本领域专家的经验建立[3].本文应用 TEAMS对 ATS进行了损伤定位研究和案例分析,与传统损伤定位方法相比,减少了损伤诊断中的冗余步骤,提高了损伤定位的效率和可信度.

1 TEAM S工作原理

TEAMS(Testability Engineering And Maintenance System)是美国 Qualtech公司开发的用于测试性设计分析、诊断指标评估、诊断知识推理和可靠性维修性数据综合的、基于多信号流模型的测试性分析与评估软件平台,与 TEAM-RT,TEAM ATE,TEAM-KB和TEAM-RDS一起组合,提供一种系统综合诊断的全面解决方案[4].

TEAMS将建模方法和故障隔离算法集成在一个图形用户界面里,能够方便地建立大型复杂、可重构、带有故障容错的多重系统模型,并完成验证、分析和修改工作.用户可以直接在 TEAM S中由顶至下建立模型,也可由多种信息源导入.通过静态分析和测试性分析,得出故障检测和故障隔离指标、故障模糊组情况、未被检测故障、未被使用或冗余测试等指标信息.另外,TEAM S还可提供 FM ECA、可靠性预计、测试策略等维修报告或数据[5].TEAMS建模分析流程如图1所示.

TEAMS算法和计算结果已经在航空、国防、空间科学和商业等各个领域得到了广泛地验证.

2 基于 TEAMS的 ATS战场损伤定位

对 ATS的战场损伤进行定位[6](ATSDamage Location Analysis,ATSDL)必须具备两个前提条件:①自动测试系统基本功能项目(ATSBasic Function Item s,ATSBFI)的确立;②自动测试系统损伤树(ATSDamage Tree,ATSDT)的建立.

自动测试系统的基本功能项目是指完成装备测试任务必不可少的项目,各种备用项目、冗余系统均不属于此列,且基本功能项目损伤后,会直接导致测试任务不能完成.确立基本功能项目分析的目的是要找出实现自动测试系统基本测试功能的所有项目,明确损伤分析和战场抢修的对象.

自动测试系统损伤树就是把系统级的某一损伤事件(例如 ATE无法开机)作为出发点(即顶事件),根据损伤现象判断直接导致这一损伤事件发生的所有基本功能项目(ATE无法开机的所有可能原因),然后再逐步分析,直到确定导致系统级损伤的、能够进行抢修处理的最终原因(底事件)为止[7].

2.1 某自动测试系统的组成

某型装备自动测试系统完成某型该装备使用前的各种测试,包括二级检测、三级检测、应急检测等[8].该型装备自动测试系统的组成框图如图2所示.

该型装备自动测试系统各组成部分的主要功能如下:

1)测试控制计算机.提供测试操作人员的操作接口,管理和执行 UUT测试程序,是整个系统的控制中心.采用加固军用计算机作为测试控制器,配有 1394接口卡、RS422接口卡、数字 I/O卡等.

2)测试控制接口.测试控制计算机对仪器资源控制器进行控制的物理通路,采用 1394总线实现.

3)仪器资源控制器.即 VXI总线控制器,接受测试控制计算机的指令,控制 VXI仪器资源工作,并返回操作结果,该控制器还负责对 VXI系统进行自检和诊断.采用HPE8491B零槽控制器实现.

4)仪器控制总线接口.实现仪器控制器与仪器资源的信息交互通道,实际上就是 VX I总线背板.

5)VX I仪器资源.由测量子系统、开关子系统、激励子系统、数字子系统、射频子系统等组成,可根据实际需要进行更换、增加或减少.

测量子系统完成对输入的各类信号进行测量,包括:数字万用表 (hpe1412A)、多路 A/D(hpe1413C)、时间间隔分析仪(VXI1472)等.开关子系统将 UUT的测试点引入测试仪器,或将激励信号加到 UUT的输入端,给 UUT提供激励信号、电源等.采用继电器矩阵开关 (hpe1460A)等实现.激励子系统提供 UUT测试所需的部分激励信号,按性质可将其分为模拟激励和数字激励两类,采用 OC门驱动模块(自制 VX I模块)、多路 D/A(hpe1418A)等实现.数字子系统完成数字信号的接收、发送与处理,包括数字量 I/O装置、总线收发装置,如 429总线模块等.射频子系统完成对雷达、无线电引信等的测量,如射频开关 (hpe1472/hpe1473)等.

6)控制器-电源接口.用以实现对电源子系统的控制,测试控制计算机通过 GPIB总线与 Agilent程控电源进行通讯,通过 RS422总线与通用直流电源监控模块和通用交流电源监控模块进行通讯.

7)电源子系统.包括通用直流和通用交流两部分,负责给整个测试系统提供动力能源,同时还给UUT提供各种相应的测试激励信号以及给 RTUA的信号调理电路提供基准工作电压与电流等.

8)通用测试接口.将系统公共资源引出,实现信号传递,采用 VPC90阵列接口实现.

9)电源-适配器接口.完成电源子系统与适配器的连接,是UUT所需各种电源及部分激励信号的通路,以电缆形式实现.

10)可重构接口适配器(RTUA).完成 UUT大部分信号到 VX I仪器的信号转接,根据测试需要,在其中可设置信号调理电路.RTUA包括控制模块、交 /直流监控模块、识别电路模块、自检模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块、扩展开关模块和一些专用模块等[9,10].

11)RTUA-UUT接口.完成 RTUA与 UUT之间的电气连接,以电缆形式实现.

12)专用装置.提供 UUT测试时所必需的一些设备,包括气源装置、液压装置、信号模拟器等.

13)专用装置-UUT接口.完成专用装置与 UUT的物理连接.电气连接以电缆形式实现,气路或油路以高压软管实现.

14)打印机.用于测试结果和测试流程等文档的打印,以便查看.

2.2 TEAM S对 ATS建模分析

通过对 ATS进行建模分析,研究了 TEAM S在战场损伤定位中的应用,从构建模型到损伤树导出,阐述了 TEAMS的功能及应用方法.

2.2.1 层次化模型的建立

TEAMS分析与评估的层次由上到下支持 system,subsystem,LRU,SRU,module,submodule,com ponent,failure 8个层次,对于构造复杂的部件可以划分多个层次,逐层进行讨论,以简化分析难度,使系统便于理解,如图3所示.

利用 TEAM S对某型装备 ATS按 system→subsystem→ LRU→SRU进行层次化分解,ATS的 system层模型图如图4所示.ATS的 subsystem层模型图如图5所示.

对 ATS的 VX I机箱、电源系统、可重构测试接口适配器继续进行 LRU层分解,VX I机箱的 LRU层模型图如图6所示.对ATS的测试控制计算机、专用装置等进行 SRU层分解,测试控制计算机的 SRU层模型图如图7所示.

2.2.2 ATS基本功能项目的确立

利用 TEAMS对 ATS的层次化模型进行功能关联,按照提供的功能分解描述确立 ATS的基本功能项目.然后对系统中执行测试的抽象位置设定测试点,每个测试点可能包括一个或多个测试,每个测试可同时判定多个诊断功能.

2.2.3 损伤树的确立和损伤定位

ATS经过层次化分解、基本功能项目的确立后,便可对其进行测试性分析,建立损伤树.

2.2.3.1 ATS的模糊组指标

模糊组是指损伤树的末端组成,即损伤定位的最小单元.图8中第一个柱状图表是模糊组,由图8可知,在不特定的一次维修中,损伤定位到单一元件的概率是 89%,定位到一组两个元件的概率是 4%.

2.2.3.2 ATS的故障测试点数分布

故障测试点数分布是指不特定的一个损伤定位可能要测的测试点数.图8中第二个柱状图表是测试点数分布,由图可知,在 17% 的情况下为两个测试点,在 8% 的情况下为 4个测试点,14% 的情况下为 6个测试点,15% 的情况下为 7个测试点,55% 的情况下大于 9个测试点.损伤源数目为 100个,测试点数目 76个,首次发生损伤时间 1e+004(h),损伤监测百分比为 100%,损伤定位百分比为89.11%,而其它一些重要统计数据如图8所示.

图5 ATS的 subsystem层模型图Fig.5 Subsystem layer modle of A TS

图6 VX I机箱的 LRU层模型图Fig.6 LRU layer model of VX Ibox

图7 测试控制计算机的 SRU层模型图Fig.7 SRU layermodel of test con trol com puter

图8 测试性指标报告Fig.8 Testability report for ATS

图9 ATS的损伤树Fig.9 Damage tree of ATS

2.2.3.3 ATS的损伤树

通过 TEAMS软件处理后,可以得到系统的损伤树(如图9所示,图9只是整个损伤树的一部分).与传统损伤树不同的是:TEAMS软件生成的损伤树是测试点—测试点—元件 /模糊组,而不是元件—元件—元件/模糊组,顶事件的不同,决定了分析过程的不同,即传统损伤树是由分析顶事件(元件)的影响范围来确定底事件(元件),而 TEAMS软件损伤树是分析顶事件(测试点)的影响范围来确定底事件(测试点 /元件).维修人员可根据损伤树从上到下排查故障.根据损伤树的层状分析结构,可以清楚地了解各个元器件的相互联系和故障的传播方向,为后续的维修工作提供了有力的帮助,保证了维修的可靠性和快速性[11,12].

2.2.3.4 ATS损伤定位

得到 ATS的损伤树后,便可以按图9通过查询相关损伤,追寻具体的损伤原因,进行损伤定位.

3 结 论

损伤定位是战场抢修的前提,本文采用 TEAM S对某 A TS进行战场损伤定位研究.研究表明,与传统损伤定位方法相比,利用 TEAM S进行损伤定位,能够减少损伤定位时间,提高了损伤诊断效率.同时,可得出系统的各种统计数据,直观地显示出系统的测试性和健康度.由于真正的作战环境下,战场损伤的具体形式往往多种多样,所以下一步要重点研究复杂情况下的自动测试系统损伤定位,为战场抢修提供保障.

[1] 郝杰忠,杨建军,杨若鹏.装备技术保障运筹分析 [M].北京:国防工业出版社,2006.

[2] 王润生.战场损伤评估智能化研究 [D].石家庄:军械工程学院,2004.

[3] 王润生,贾希胜,王卫国,王润泉.基于贝叶斯网络的损伤定位研究[J].兵工学报,2006,27(4):726-730.

W ang Runsheng,Jia Xisheng,Wang W eiguo,Wang Runquan.The damage reason location based on bayesian netw orks[J].ACTA Transaction,2006,27(4):726-730.(in Chinese)

[4] 韩乐,胡政,刘海明.可测试性分析工具 TEAM S及其应用[J].电子测量与仪器学报,2006,20(6):763-766.

Han Le,Hu Zheng,Liu Haim ing.Testability analysis tool TEAM S and its usage[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2006,20(6):763-766.(in Chinese)

[5] Pattipati K R.TEAM S Testability Engineering and Maintenance System[C].Proceedings o f American Control Conference.Baltimore,Mary land,1994.

[6] 石全,米双山,王广彦,胡起伟.装备战伤理论与技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[7] 李建平,石全,甘茂治.装备战场抢修理论与应用 [M].北京:兵器工业出版社,2000.

[8] 吴志强.某型自动测试系统研究 [D].西安:空军工程大学,2007.

[9] 付新华.并行测试系统建模、分析与开发方法研究[D].空军工程大学,2009.

[10] Wang Lei,Fang Jiayong,Gao Chengjin.Para llel test tasks schedu ling on mu lti-core p latform[C].IEEE Autotestcon Proceedings,2008:504-507.

[11] 樊大地,王宏力,侯青剑.TEAMS在故障诊断中的应用研究[J].装备制造技术,2008(9):126-128.

Fan Dadi,W ang Hong li,Hou Qing jian.Study on fault diagnosis based on TEAM S[J].Equipment Manu fac turing Technology,2008(9):126-128.(in Chinese)

[12] Xu Bin,Feng Kem ing.Determ ine themasing fau lt sets in comp lex systems[C].IEEE Autotestcon Proceedings,2006:585-590.