基于多信号模型的火控系统测试性优化设计

陈春良,邵思杰,2

(1.装甲兵工程学院技术保障工程系,北京 100072,2.装甲兵工程学院兵器工程系,北京 100072)

基于多信号模型的火控系统测试性优化设计

陈春良1,邵思杰1,2

(1.装甲兵工程学院技术保障工程系,北京 100072,2.装甲兵工程学院兵器工程系,北京 100072)

测试性设计是要保证武器系统具有良好的测试性。在以往的武器系统中,测试性设计的优劣往往在实装试验验证后才能做出评价。基于系统测试性模型的测试性设计,可以通过仿真验证不断地改进,从而优化和提高武器系统的测试性。分析了某坦克火控系统控制信号的传递关系,建立了该系统的TEAMS仿真模型,利用TEAMS DFT Feedback诊断策略,采用增加测试点的方式优化系统的测试性设计。结果表明,优化设计后火控系统测试性显著提高。

信息处理技术;多信号模型;测试性设计;TEAM S

火控系统是主战坦克武器系统的主要组成部分,如果火控系统的综合保障性能差,尤其是测试性水平低的话,将使火控系统的状态监测、故障检测与维修存在致命的缺陷,影响装备的战备完好性和战场生存能力。

测试性设计是保证装备状态监测水平、降低测试和维护费用的关键[1]。武器装备的测试性水平经过试验设计由武器装备的测试性验证试验,通过故障注入机在样机上有选择地注入故障以评价。在样机上开展的验证试验属于实装试验,存在验证时机滞后,对武器装备测试性设计指导不及时的不足;故障注入机能够产生的故障有限,真实的、完全意义的故障很难模仿等问题。

建立武器系统的测试性模型是对武器系统进行测试性设计的基础,依据系统的测试性模型可以完成系统的测试性分析与设计,进而在形成有效的诊断策略之后,对武器系统的测试性进行仿真验证。测试性仿真验证在装备研制阶段,依据设计原理图和相关信息进行测试性评估,实时将测试性水平反馈给装备设计人员,对提高装备测试性水平有极大帮助。在装备的使用阶段,利用详尽信息建立的装备测试性模型进行的仿真验证试验,既可以改进定型装备的测试性,又可以提高新型装备的测试性水平。

1 多信号模型

多信号模型(Multi-signal Model)是由 Somnath Deb等人于1994年提出,利用分层有向图表示被测对象的组成单元、测试以及被测对象性能特征之间的相关关系,作为故障传播建模的一种建模方法,可应用于复杂系统的测试性设计、故障模式影响与危害度分析、TPS开发和故障诊断等。多信号模型具有的优势在于:更接近系统的物理结构;表现系统的故障空间,克服了需要精确定量关系建模的缺点,使建模容易;使一些复杂大型系统的测试性建模变得可行,模型失真度小。

美国Qualtech系统公司(QSI)将这种方法引入其测试性工程和维修系统软件TEAMS方案中。TEAMS软件通过对产品构建多信号模型,能够完成对产品的测试性分析和预计、故障模式、影响及危害度分析以及故障诊断等[2]。

由于模型中的信号是独立的,信号之间不会相互影响,更接近系统的物理结构,这使得多信号模型建模容易、模型的集成和验证都相对简单[3]。基于该分析,借助 TEAMS软件平台,笔者建立了某型坦克火控系统的多信号模型,对其进行了测试性分析与优化设计。

2 火控系统控制信号传递关系分析

某型坦克火控系统是以微型计算机为控制中心的综合火控系统。该火控系统为稳像式火控系统,由火控计算机及传感器分系统、观瞄分系统和炮控分系统3部分组成,如图1所示。

火控系统工作时3大分系统协调工作[4],信号传递流程为:

1)炮手操控火炮跟踪瞄准目标,瞄准镜内稳像陀螺产生高低、水平十位光码值(格林码),传递至控制盒。

2)瞄准镜内高低、水平角速度(模拟量)经过控制盒中继后,传递至火控计算机。

3)经过弹道计算后,将高低、水平角解算量传递至控制盒。

4)控制盒单片机通过格林码解码和相关运算后,输出高低、水平数据,经A/D转换后,将高低、水平模拟量数据传递至炮控中继。

5)炮控中继将高低、水平模拟量数据传递至炮控箱,炮控箱通过高低、水平控制电路和驱动部件,驱动炮塔及火炮运动。

6)炮塔及火炮运动通过四连杆机构带动瞄准镜运动,进而影响瞄准镜内稳像陀螺进动,光码发生变化,形成控制闭环。

3 火控系统测试性建模与分析

根据对火控系统控制信号传递关系的分析,采用如下步骤构建系统的测试性模型[5]:

1)以层次化形式的表述方式,建立系统的结构化模型,了解系统故障模式。

2)根据故障隔离要求添加故障模式。

3)建立模块之间的链接关系,表述故障信号传递流向。

4)添加测试点和测试,定义故障源及测试的名称和各种属性。

5)对系统或指定的模块进行测试性分析,得出系统测试性评估及诊断报告。

根据维修指南,火控系统的测试主要包括机内自检程序、火控系统静态测试、系统自检和工况检查4个部分。根据分析,选定测试点如表1所示。

表1 系统测试点Tab.1 Test points of system

根据表1建立火控系统的多信号模型。进行TEAMS测试性仿真分析,由软件生成测试性评估报告,评估报告截图如图2所示。

从报告可以看出系统故障检测率偏低,仅为39.29%,故障隔离率仅为12.46%,而重测合格率较高,为80.68%,说明原系统测试性存在一定的缺陷,需要改进。

4 火控系统测试性改进设计

4.1 原火控系统测试性缺陷分析

TEAMS软件中的DFT Feedback功能可以对经过测试性分析的模型进行设计验证,主要关注系统中存在测试性缺陷的部分。

由TEAMS的DFT Feedback设计验证以及图2所示的测试性评估报告,可以判断该火控系统测试性存在以下几个方面的缺陷:

1)系统故障覆盖范围小。在规定的方法下,正确检测到的故障数少。该系统的测试仅仅以火控计算机为核心,检查火控系统最基本和最主要的参数,不能对整个火控系统的故障全面覆盖。主要表现在缺少对观瞄分系统和炮控分系统的测试。

2)系统故障隔离率偏低。检测到的故障正确隔离到小于规定模糊度的故障数偏少。模糊组数量大,导致能被某一个测试所诊断的部件(部位)太多,不能准确地实现故障隔离,给准确定位发生故障的部件(部位)带来困难。

3)重测合格率偏高。技术人员从某LRU拆下的车间可更换单元(SRU),送到后方维修基地,而基地级技术人员对该SRU重新测试后,判定良好的数量多,这样说明原系统测试存在的误拆可能性较为突出。系统的重测合格率太高,导致虚警率增高,诊断准确度很差。

4.2 测试性优化设计

通过对该火控系统测试性缺陷分析,按照TEAMS的DFT建议,在系统中添加若干测试点,如表2所示。

表2 系统增加的测试点Tab.2 Added test points of system

根据表2中增加的测试点,按照诊断建议的测试部件(部位),重新建立系统的测试性模型,进行TEAMS测试性仿真分析,再次产生测试性评估报告,评估报告截图如图3所示。

经过测试性优化设计,可以看出,故障检测率和故障隔离率有了明显的提高,分别提高到88.88%和59.58%,而重测合格率则明显降低,为27.36%。按照 TEAMS软件分析建议,改进的模型能较好的覆盖整个火控系统的故障,故障隔离的效果显著。

5 结束语

优化设计后系统的测试性指标明显提高,表明优化设计是成功的。如果能够在火控系统性能、结构设计之时同步开展测试性设计,相信系统的测试性水平会更高。

References)

[1]田仲,石君友.系统测试性设计分析与验证[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:17-21.

TIAN Zhong,SHI Jun-you.Analysis and validation of design for testability for system[M].Beijing:Publisher of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2003:17-21.(in Chinese)

[2]杨东健,王红,刘金甫.航空设备的测试性设计和验证技术概述[J].测控技术,2006,25(10):1-5.

YANG Dong-jian,WANG Hong,LIU Jin-fu.Designfor-testability and validation technology of aeronautic equipment[J].Measurement and Control Technology,2006,25(10):1-5.(in Chinese)

[3]钱彦岭.测试性建模技术及其应用研究[D].长沙:国防科技大学,2002.

QIAN Yan-ling.Research on modeling of testability requirement and application[D].Changsha:National University of Defense Technology,2002.(in Chinese)

[4]黄秀成.某型坦克火控系统构造与修理[M].北京:解放军出版社,2005.

HUANG Xiu-cheng.Structer and repair of a tank fire control system[M].Beijing:People's Liberation Army Press,2005.(in Chinese)

[5]ERIC GOULD.Testability timeline[OL].(2008-06-16)[2010-01-15].http://www.testability.com/reference/History.aspx.

Testability Optimal Design for Fire Control System Based on Multi-Signal Model

CHEN Chun-liang1,SHAO Si-Jie1,2

(1.Department of Technical Support Engineering,Armored Force Engineering Academy,Beijing 100072,China;
2.Department of Arms Engineering,Armored Force Engineering Academy,Beijing 100072,China)

Testability design is a key measure to ensure the weapon systems to have a good testability.In past weapon systems,estimation of design for testability can only be carried out after real equipment experiment was performed.Based on testability design of system testability model,design for testability was continuously improved so as to optimize and enhance the testability of the weapon system.The signal transitive relation of fire control system(FCS)in some type of tank was analysed in detail,and TEAMS simulation model of the system was established.By means of TEAMS DFT Feedback diagnosis strategy,the testability design of the system was optimized with the aid of added test points.The results indicated that the optimized design can greatly improve the testability of FCS.

information processing;multi-signal model;design for testability(DFT);TEAMS

TH165.3

A

1673-6524(2010)04-0095-04

2010-06-09;

2010-07-22

陈春良(1963―),男,教授,博士,主要从事装备综合保障研究。E-mail:8617143sj@163.com