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把可測試性、測試系統(tǒng)結(jié)合到武器系統(tǒng)的設(shè)計當中,形成有效的BIT系統(tǒng),覆蓋系統(tǒng)的所有測試部位,大大減少系統(tǒng)的測試發(fā)射控制時間,提高系統(tǒng)的快速響應能力,就成為今后武器系統(tǒng)設(shè)計的一個方向。
提高系統(tǒng)或設(shè)備測試性的zui基本途徑是進行固有測試性設(shè)計,在研制系統(tǒng)或設(shè)備同時設(shè)置系統(tǒng)的機內(nèi)測試裝置,結(jié)合采用ATE設(shè)備或ATS系統(tǒng)進行自動檢測與故障診斷。
1.測試性定義
測試性定義為系統(tǒng)或設(shè)備能夠及時并準確確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能降低),并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。這個定義強調(diào)測試性是一種設(shè)計特性,在系統(tǒng)研制的不同階段中應分別實施測試性分析、設(shè)計和驗證,以保證系統(tǒng)具有所要求的測試性。
測試性與可靠性密切相關(guān),任何不能被檢測出的故障狀態(tài)的存在對系統(tǒng)的可靠性都有直接的影響。通過采用測試性好的設(shè)備可以減少未被檢測出故障的發(fā)生,進而提高可靠性。一個復雜的武器系統(tǒng)在使用、維護和修理過程中都離不開功能測試和狀態(tài)監(jiān)控。可測試性對武器系統(tǒng)的維護性、可靠性、安全性、戰(zhàn)備性和壽命周期費用都有直接和間接的影響,且隨武器系統(tǒng)復雜程度的提高,這種影響變得更明顯。一個測試性差的產(chǎn)品必然會增加其平均修復時間,降低武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性和可用性,而修復時間的增加意味著增加維修人力和測試資源的支出,即增加使用和保障費用。一個具有測試性好的系統(tǒng),可提高系統(tǒng)的可靠性、可維修性。由于可通過測試性設(shè)計對影響系統(tǒng)安全的關(guān)鍵設(shè)備和部位進行監(jiān)控并測試關(guān)鍵參數(shù),一旦發(fā)現(xiàn)故障,可自動切斷故障源,因而可防止災難性故障發(fā)生,提高了安全性。同時可提高檢測、校驗等維修工作的自動化程度,增加系統(tǒng)的工作時間,從而提高系統(tǒng)的可用性等等。
我國在可測試性設(shè)計技術(shù)方面,還遠遠落后于美國等軍事發(fā)達國家,迎頭趕上,大力推進我國軍事現(xiàn)代化進程,我們別無選擇。
2.測試性及診斷對武器系統(tǒng)的影響
在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中,由于越來越多地采用了各種復雜的電子系統(tǒng),因此測試性及診斷對武器系統(tǒng)的效能及費用的影響越來越顯著。其主要影響包括武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性、任務成功性、維修人力及使用保障費用。
2.1 對戰(zhàn)備完好性的影響
戰(zhàn)備完好性通常用使用可用度Ac來度量,其表達式為
式中:MTBM——系統(tǒng)平均維修間隔時間。
MDT——系統(tǒng)平均不能工作時間。
MTBM是基本可靠性的度量,它定義為在規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)品的總土作時間與該產(chǎn)品的維修事件總數(shù)之比。為提高系統(tǒng)的測試性和診斷能力,采用BIT,將對系統(tǒng)的基本可靠性產(chǎn)生如下的影響:
(a) 增加了BITE硬件,進而增加系統(tǒng)的復雜性,降低系統(tǒng)的基本可靠性。
(b) BIT電路故障可能引起系統(tǒng)故障(BIT與系統(tǒng)共用某些硬件和軟件時,或BIT設(shè)計不當時);
(c) BIT電路故障可能增加虛警率,增加維修拆卸次數(shù),降低MTBM。
MDT為系統(tǒng)維修性度量,它包括如下4部分時間:
(a) 非計劃維修時間Mct,包括故障檢測和隔離的時間,以及將故障修復到正常工作狀態(tài)所需的時間;
(b) 計劃維修時間Mpt,包括定期檢查和修理的時間。
(c) 后勤延誤時間歷Mlt,包括等待備件時間;
(d) 等待維修時間Mat,包括等待維修人員、維修資料和測試設(shè)備的時間。
MDT=Mct+Mpt+Mlt+Mat
改進測試性設(shè)計和采用BIT.將改善武器系統(tǒng)的維修性,其主要影響如下:
(a) 采用BIT將實現(xiàn)快速故障檢測,減少故障檢測時間,進而減少Mct和Mpt;
(b) 維修后快速檢驗,縮短檢驗時間,進而減少Mct;
(c) 在飛行中和設(shè)備工作環(huán)境中進行診斷和故障隔離;減少故障查找和隔離時間,進而減少Mct。
(d) 減少人為誘發(fā)的故障,從而減少Mct;
(e) 減少維修人員的數(shù)量和降低技術(shù)等級的要求,從而減少Mat;
(f) 減少保障設(shè)備、通用測試設(shè)備等的要求,從而減少Mat;
(g) 由于減少備件補給庫存量,使Mlt減少;
(h) 由于BIT虛警及外場不能復現(xiàn)等問題而增加了必要的維修活動,進而增加Mct、Mlt和Mat。
因此,采用BIT的系統(tǒng);其平均不能工作時間MDT可用下式表示:
式中M'ct采用BIT后的Mct,<M'ctMct,因為自動化故障檢測和隔離減少故障查我的時間;
Kp——由于虛警等原因使MDT增大的系數(shù),Kp≥1。
對于電子設(shè)備來說,預防性維修時間可忽略不計。
M'ct取決于BIT的FDR與FIR和系統(tǒng)的設(shè)計特性。
Kp表示由于虛警、不能復現(xiàn)及故障隔離模糊度等造成MDT增大的系數(shù),它取決于BIT的設(shè)計特性。
綜上所述,測試性及BIT對系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性的影響可歸納如下幾點:
(a) 采用BIT和改善系統(tǒng)的測試性將增加系統(tǒng)的復雜性。即增加系統(tǒng)的故障率,使基本可靠性略有下降(一般為l%~10%),進而將降低系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性,但影響較小。
(b) 采用BIT和改善測試性將大大減少系統(tǒng)的故障查找和隔離時間(特別是采用*微型電路的系統(tǒng)),進而減少Mct和Mdt,導致系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性大幅度提高。
(c) 由于BIT的虛警、不能復現(xiàn)和故障隔離的模糊度會造成誤拆好設(shè)備,進而增加系統(tǒng)的平均不能工作時間MDT,嚴重者將導致系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性顯著下降。
(d) 設(shè)計良好的BIT及改善測試性將會大幅度提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性,因此,BIT及測試性是改善現(xiàn)代武器系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性的一條重要途徑。
(e) 設(shè)計不良的BIT會使戰(zhàn)備完好性下降,因此,發(fā)展人工智能和綜合診斷技術(shù)是目前改進BIT降低虛警率的重要途徑;也是國外的重點研究領(lǐng)域。
2.2 對任務成功性的影響
任務成功性通常用任務可靠度(Rm)和任務成功概率(MCSP)及致命性故障間的任務時間(MTBCF)等參數(shù)來度量。通過改善系統(tǒng)的測試性和診斷能力,采用BIT可顯著提高系統(tǒng)的任務可靠度。同時,由于BIT的虛警及漏檢故障也會降低系統(tǒng)的任務可靠度。
BIT對任務成功性的影響分析如下。
(a) 通過BIT檢測故障,實施余度(冗余)功能管理,將顯著提高系統(tǒng)的任務可靠度;
(b) BIT能檢測隱蔽故障、提高系統(tǒng)的任務可靠度;
(c) 對于*的航空電子系統(tǒng),通過BIT檢測和隔離故障,有助于系統(tǒng)的重構(gòu)和自修理.顯著地提高系統(tǒng)的任務可靠度和安全性;
(d) BIT的虛警可能誤報故障、貽誤戰(zhàn)機而降低系統(tǒng)的任務成功性。
(e) BIT漏檢故障或可能掩蓋系統(tǒng)的故障而降低系統(tǒng)的任務可靠度。
總之,改善測試性,采用BIT技術(shù)將提高系統(tǒng)的任務可靠度, 系統(tǒng)任務可靠度提高的程度主要取決于BIT的故障檢測和故障隔離能力以及虛警率。
2.3 對壽命周期費用及維修人力的影響
壽命周期費用通常包括研究與研制費用、采辦費用以及使用和保障費用等3部分。
BIT的研究與研制費用包括采用新的測試技術(shù)所需的研究、研制、試驗和評價的費用。一般根據(jù)工程經(jīng)驗進行估算。
BIT的采辦費用包括BIT的生產(chǎn)費用和初始保障費用.生產(chǎn)費用又包括BIT的硬件和軟件的費用。
BIT的使用和保障費用一般包括在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)(15~20年)為使用和維持系統(tǒng)工作所需的人員和器材費用。包括外場級維修、野戰(zhàn)級維修和后方級維修的人力和器材費用。
測試性及BIT的改進對壽命周期費用的影響包括如下幾方面:
(a) 提高系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性及任務成功性,可減少系統(tǒng)的采辦數(shù)量,進而減少系統(tǒng)的采辦費用;
(b) 完善的測試性和診斷能力將顯著減少系統(tǒng)的維修人力和器材,進而減少系統(tǒng)的使用和保障費用,特別是對于復雜的航空武器系統(tǒng),如果在系統(tǒng)研制的初期,充分開展測試性設(shè)計,采用*診斷技術(shù);其壽命周的費用可降低10%~20%。
(c) BIT的采用將增加系統(tǒng)的采辦費用,對航空電子設(shè)備而言.平均將增加 8%左右;
(d) BIT的虛警、不能復現(xiàn)及故障隔離的模糊度將會產(chǎn)生無效的維修活動,增加維修人力和器材,進而增加使用和保障功用。
因此,BIT和診斷的有效控對系統(tǒng)維修負擔(維修人力和格材)進而對使用和保障費用、壽命周期費用的影響起過關(guān)鍵的作用。
3.BIT測試體系結(jié)構(gòu)
隨著武器系統(tǒng)復雜性的提高,BIT已成為改善武器系統(tǒng)診斷能力的一種重要途徑,為了提高武器系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性,BIT必須得到充分的重視。BIT類型主要有以下幾種類型:
(a) 主動BIT——通過將測試激勵引入系統(tǒng)而暫時中斷主系統(tǒng)工作的一種BIT形式;
(b) 被動BIT-- 既不中斷也不影響主系統(tǒng)工作的一種BIT形式;
(c) 連續(xù)BIT一一連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)的一種BIT形式;
(d) 周期BIT——以某一頻率執(zhí)行檢測的一種BIT形式;
(e) 啟動BIT——在外部事件(如操作人員的動作)發(fā)生后才執(zhí)行的一種BIT形式;
(f) 通電BIT——啟動BIT的一種特定形式,當系統(tǒng)或設(shè)備通電時便執(zhí)行檢測。
而其中可以劃分出兩種主要結(jié)構(gòu)類型:一種是以被動連續(xù)BIT為主要運行形式的BIT系統(tǒng),另外一種是以主動、啟動BIT為主要運行形式的BIT系統(tǒng)。
自動連續(xù)BIT系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),它可在武器系統(tǒng)飛行或航行過程中自動運行,不斷監(jiān)控出現(xiàn)的信號、數(shù)值和邏輯,給出系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置,采取自動或手動隔離故障,啟動備份設(shè)備等措施。
啟動BIT必須由駕駛員或地面維修人員在地面維修時啟動,在測試期間使系統(tǒng)工作中斷,地面的測試設(shè)備和激勵信號要加到被測系統(tǒng)中,模擬仿真武器系統(tǒng)在實際飛行或航行過程中姿態(tài)控制,從而驗證出系統(tǒng)的可靠性和故障指標等參數(shù)。
通過BIT自動檢測和隔離故障,使系統(tǒng)或設(shè)備的MTTR顯著減小,提高系統(tǒng)的可用性。通過BIT減少維修人員的數(shù)量、降低對維修人員技術(shù)水平的要求,進而降低使用及保障費用。然而,BIT 并不能解決全部的維修問題、它增加了系統(tǒng)的重量(尺寸、復雜性及費用。因此,在系統(tǒng)設(shè)計初期必須對采用BIT進行權(quán)衡分析,對采用BIT和外部測試設(shè)備,以及BIT的形式作出決策。
4.某型BIT組成原理
航天測控中心多年來跟蹤研究BIT技術(shù),研制了BIT系統(tǒng)并應用到具體的型號上,取得良好的效果。
某型內(nèi)裝自測試與自診斷系統(tǒng)由BIT信號采編器、地面計算機和故障診斷分析平臺組成。其中信號采編器負責彈上信號的調(diào)理、采集和處理,并進行數(shù)據(jù)的存儲、打包和編碼發(fā)送。地面主控計算機主要負責數(shù)據(jù)的顯示、分析和故障診斷。
信號采編器軟件由設(shè)備自檢模塊、通訊管理模塊、A/D采集模塊、指令檢測模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成。設(shè)備自檢模塊負責信號采集器內(nèi)各部分硬件的自檢功能;通訊管理模塊負責將串口的管理工作;A/D采集模塊負責彈上各路信號的采集工作;指令檢測模塊負責對地面計算機發(fā)送的指令進行檢測和比較;數(shù)據(jù)管理模塊負責將采集的數(shù)據(jù)進行打包和存儲的工作。
地面監(jiān)控系統(tǒng)軟件由主平臺模塊、通訊線程模塊、數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和故障診斷模塊。主平臺模塊主要維護全幀顯示、字符顯示和曲線顯示等功能;通訊線程模塊主要負責信號采集器和地面計算機的通訊功能;數(shù)據(jù)模塊主要完成公共數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)維護工作;數(shù)據(jù)庫模塊主要完成各顯示參數(shù)維護工作;故障診斷模塊主要完成系統(tǒng)的故障診斷和故障定位工作。
系統(tǒng)的故障診斷分為兩部分:*部分是實時診斷,即系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)的正常范圍判斷數(shù)據(jù)是否不合格,并將不合格參數(shù)計入故障庫;第二部分是事后診斷,即系統(tǒng)調(diào)出故障庫中的故障,通過推理機構(gòu)進行故障推理,判斷出故障點。系統(tǒng)本身還具有故障自維護功能,可以由專家手動輸入新的故障知識,也可以系統(tǒng)判別當新的知識產(chǎn)生時,自動記入故障知識庫。
實踐證明,內(nèi)裝自測試與自診斷系統(tǒng)平臺在武器裝備*時達到很好的測試性。故障診斷部分功能完備,能夠準確定位型號上故障點。
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