通斷式多態(tài)系統(tǒng)的擴展測試性建模方法

試驗?zāi)Ｐ褪腔谙到y(tǒng)單元故障、故障傳遞率和試驗分析而建立的故障與測試相關(guān)的圖形模型。模型可以得到相關(guān)矩陣（d矩陣）和優(yōu)化診斷樹，從而提前預(yù)測故障檢測率、故障隔離率和其他測試參數(shù)。近年來，對測試性建模方法的研究越來越受到重視，它是機內(nèi)測試設(shè)計和外部診斷測試設(shè)計中最重要的設(shè)計和分析工作之一。目前，一些商業(yè)軟件（如psi商業(yè)軟件團隊）支持對測試建模和分析的支持。它在航空、航空航天、地面設(shè)備等工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用和普及。通斷式多態(tài)系統(tǒng)是由多個非線性通斷子系統(tǒng)組成的特殊系統(tǒng),具有明顯的狀態(tài)差異性.對這種系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的測試性建模方法進行建模分析時,存在以下難以解決的問題:①不同狀態(tài)下,系統(tǒng)內(nèi)單元故障的含義不同;②不同狀態(tài)下,系統(tǒng)內(nèi)單元故障的傳遞關(guān)系不同;③不同狀態(tài)下,系統(tǒng)內(nèi)各測試的邏輯值判據(jù)不同.針對這些問題,本文提出了可用于通斷式多態(tài)系統(tǒng)的一種擴展測試性建模方法,在引入狀態(tài)集合的基礎(chǔ)上,對故障、測試、D矩陣和診斷樹進行了擴展定義,并給出了擴展測試性建模分析算法,最后通過典型通斷式多態(tài)系統(tǒng)案例應(yīng)用,驗證了擴展測試性建模方法的可用性和效果.1問題分析1.1現(xiàn)有實驗建模方法的限制在現(xiàn)有的測試性建模方法中,存在如下的約束條件.1錯誤評估的一致性在測試性建模時,需要確定系統(tǒng)內(nèi)的各底層單元故障.這些單元故障的含義在系統(tǒng)的工作過程中必須是不變的,即故障的判據(jù)具有一致性.2障.線.障對于測試性模型,沿著信號流的方向,故障是可以穿越底層單元向后傳遞的,即底層單元的工作狀態(tài)或故障狀態(tài)不會對故障的傳遞產(chǎn)生影響,故障傳遞關(guān)系具有一致性.3測試邏輯值的一致性見表1.測試性模型將測試結(jié)果處理為二值邏輯,邏輯0表示測試結(jié)果正常,邏輯1表示測試結(jié)果故障.這些測試邏輯值的含義在系統(tǒng)的工作過程中必須是不變的,即測試的邏輯值判據(jù)具有一致性.1.2多態(tài)同源系統(tǒng)的特征和問題在通斷式多態(tài)系統(tǒng)內(nèi),通常具有一個或多個通斷控制單元,利用這些單元的通或斷,實現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制.通斷式多態(tài)系統(tǒng)具有如下特點.1通斷控制單元在不同工作模式下的故障判據(jù)在系統(tǒng)工作過程中,為了實現(xiàn)工作狀態(tài)的切換,需要改變通斷控制單元的工作模式.例如,從接通模式轉(zhuǎn)換到阻斷模式,或者從阻斷模式轉(zhuǎn)換到接通模式.在接通模式下,其主要的功能故障是阻斷,而在阻斷模式下,其主要的功能故障是接通.因此,通斷控制單元在不同工作模式下的功能故障判據(jù)不同,在系統(tǒng)工作過程中隨著工作模式的轉(zhuǎn)換,其故障判據(jù)會發(fā)生改變.2單元故障診斷在通斷控制單元處于接通模式時,該單元的輸入信號可以傳遞到單元的輸出,信號流前端的單元故障可以穿越通斷控制單元向后傳遞.在通斷控制單元處于阻斷模式時,該單元的輸入信號不能傳遞到單元的輸出,信號流前端的單元故障無法穿越通斷控制單元向后傳遞.因此,在系統(tǒng)工作過程中,在不同工作狀態(tài)下故障的傳遞關(guān)系會發(fā)生改變.3通斷控制單元測試邏輯值據(jù)在系統(tǒng)設(shè)計中,通常采用容易獲取的信號進行測試,將信號量值和測試門限進行比較,判斷測試結(jié)果為正?；蚬收?當(dāng)信號通路中存在通斷控制單元時,通斷控制單元工作模式的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致其后面的信號量值發(fā)生明顯的改變,采用單一的測試門限會導(dǎo)致誤判.因此在系統(tǒng)工作過程中,應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置不同的測試邏輯值判據(jù).由于通斷式多態(tài)系統(tǒng)具有上述的特點,采用現(xiàn)有的測試性建模方法,不能給出統(tǒng)一綜合的測試性模型及模型結(jié)果,不便于模型結(jié)果的工程應(yīng)用.2擴展測試性模型定義1狀態(tài)集合.狀態(tài)集合定義為S={sk|k=1,2,?,Κ}(1)S={sk|k=1,2,?,K}(1)式中,S為狀態(tài)集合;sk為系統(tǒng)的第k個狀態(tài);K為狀態(tài)的總數(shù).定義2擴展故障.擴展故障定義為如下的二元組EF=(F,FC)(2)EF=(F,FC)(2)式中,EF為擴展故障;F為故障集合,F={fi|i=1,2,…,I},fi為約定層次的第i個單元故障,I為單元的總數(shù);FC為故障判據(jù)集合,FC={fcik|i=1,2,…,I;k=1,2,…,K},fcik為第i個單元故障在第k個狀態(tài)下的故障判據(jù).定義3擴展測試.擴展測試定義為如下的二元組EΤ=(Τ,ΤC)(3)式中,ET為擴展測試;T為測試集合,T={tj|j=1,2,…,J},tj為第j個測試,J為測試的總數(shù);TC為測試的邏輯值判據(jù)集合,TC={tcjk|j=1,2,…,J;k=1,2,…,K},tcjk為第j個測試在第k個狀態(tài)下的邏輯值判據(jù).定義4特殊傳遞關(guān)系集合.特殊傳遞關(guān)系集合定義為SΤ={stk|k=1,2,?,Κ}(4)式中,ST為特殊傳遞關(guān)系集合;stk為第k個狀態(tài)下的特殊傳遞關(guān)系,stk=(stfk,sttk),stfk為第k個特殊傳遞關(guān)系涉及的故障子集,sttk代表第k個特殊傳遞關(guān)系涉及的測試子集.定義5擴展測試性模型.擴展測試性模型定義為如下的七元組EΜ=(S,F,FC,Τ,ΤC,L,SΤ)(5)式中,EM為擴展測試性模型;F為故障集合;FC為故障判據(jù)集合;T為測試集合;TC為測試的邏輯值判據(jù)集合;L為有向邊集合,L={Lm|m=1,2,…,M},Lm為擴展測試性模型的第m個有向邊,M為有向邊的總數(shù);ST為特殊傳遞關(guān)系集合.在此模型中,故障集合F、測試集合T、有向邊集合L由直觀表達的圖形進行描述;狀態(tài)集合S、故障判據(jù)集合FC、測試的邏輯值判據(jù)集合TC、特殊傳遞關(guān)系集合ST由隱含的屬性進行描述.定義6擴展D矩陣.擴展D矩陣定義為如下的三維矩陣DΙ×J×Κ=[dijk]Ι×J×Κ(6)該三維矩陣是由I×J×K個dijk(1≤i≤I,1≤j≤J,1≤k≤K)構(gòu)成的立方體形數(shù)據(jù)排列,表明了故障與測試在不同狀態(tài)下的相關(guān)性關(guān)系.其中dijk為該三維矩陣的元素,其意義如下式所述:dijk={1系統(tǒng)在狀態(tài)sk下?當(dāng)tj可測得fi的故障時0系統(tǒng)在狀態(tài)sk下?當(dāng)tj不能測得fi的故障時定義7擴展診斷樹.擴展診斷樹定義為如下三元組構(gòu)成的二叉樹結(jié)構(gòu)ΤR=(Ν?ΝR?ΝC)(7)式中,TR為擴展診斷樹;N為診斷樹節(jié)點集合,N={np|p=1,2,…,P},np為第p個診斷樹節(jié)點,P為診斷樹節(jié)點的總數(shù);NR為診斷樹節(jié)點父子關(guān)系集合,NR={nrq|q=1,2,…,Q},nrq為第q個診斷樹節(jié)點父子關(guān)系,nrq=(na,nb),其中na為父診斷樹節(jié)點,nb為子診斷樹節(jié)點,Q為診斷樹節(jié)點父子關(guān)系的總數(shù);NC為分支集合,NC={ncq|q=1,2,…,Q},ncq為第q個診斷樹節(jié)點父子關(guān)系對應(yīng)的分支.診斷樹節(jié)點分為三類:根節(jié)點、中間節(jié)點、葉節(jié)點,根節(jié)點用于區(qū)分狀態(tài),中間節(jié)點表示測試,葉節(jié)點表示診斷結(jié)論;當(dāng)父診斷樹節(jié)點為根節(jié)點時,父子關(guān)系對應(yīng)的分支為狀態(tài),其它情況下的分支為測試的邏輯值判據(jù).3擴展試驗建模分析算法3.1基于模型的算法擴展測試性模型的建模算法如圖1所示.1s狀態(tài)集的定義根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計方案,分析產(chǎn)品工作原理,確定產(chǎn)品的各工作狀態(tài),構(gòu)成狀態(tài)集合S.2定建模定建模時單元故障分析方法根據(jù)建模需求和產(chǎn)品的可靠性設(shè)計資料,確定建模的約定層次單元組成,這些單元的故障構(gòu)成故障集合F.分析每個單元故障在各狀態(tài)下的故障判據(jù),構(gòu)成故障判據(jù)集合FC.3邏輯值判據(jù)集合根據(jù)產(chǎn)品的測試性設(shè)計方案,確定系統(tǒng)的測試點、機內(nèi)測試、機外測試等,構(gòu)成測試集合T.分析每個測試在每個狀態(tài)下的GO(通過)、NOGO(不通過)判據(jù),構(gòu)成測試的邏輯值判據(jù)集合TC.4l-建立根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計方案,分析約定層次單元之間、以及與各類測試之間的信號流向關(guān)系,確定有向邊集合.5狀態(tài)k/nogo確定stfk.在有向邊分析基礎(chǔ)上,分析各個狀態(tài)下的特殊傳遞關(guān)系stk,建立特殊傳遞關(guān)系集合ST,具體如下.①確定stfk.在狀態(tài)sk下,根據(jù)故障判據(jù)FC確定故障集合F中各故障的具體含義,分析各單元故障的向后傳遞關(guān)系,并判斷與有向邊表示的信號向后傳遞關(guān)系是否一致.由不一致的故障組成stfk.②確定sttk.在狀態(tài)sk下,根據(jù)測試的邏輯值判據(jù)TC確定測試集合T中各測試的GO/NOGO基準(zhǔn).對每個測試,分析各單元故障的檢測情況,并判斷與有向邊表示的檢測情況是否一致.由不一致的測試組成sttk.6擴展測試性模型根據(jù)故障集合F、測試集合T、有向邊集合L,建立故障與測試相關(guān)關(guān)系的圖形描述,即得到擴展測試性模型的圖形表達;依據(jù)故障集合F和測試集合T,將狀態(tài)集合S、故障判據(jù)集合FC、測試的邏輯值判據(jù)集合TC、特殊傳遞關(guān)系集合ST等采用屬性表方式進行綜合描述,即得到擴展測試性模型的隱含屬性表達.3.2擴展d矩陣生成算法擴展D矩陣生成詳細方法如圖2所示.1確定三維矩陣的維數(shù)，初始擴展d矩陣根據(jù)故障集合、測試集合、狀態(tài)集合確定三維矩陣的維數(shù)I,J,K的值,初始化三維矩陣DI×J×K.2單元故障以及在stfk中的單元相關(guān)性測試①從狀態(tài)集合S中選定第一個狀態(tài)sk(k=1),作為待分析狀態(tài);②根據(jù)擴展測試性模型的圖形表達,采用高階相關(guān)性分析算法,得到該狀態(tài)下的D矩陣;③根據(jù)特殊傳遞關(guān)系stk,確定包含在stfk中的單元故障以及包含在sttk中的測試;④在stfk中選擇一個單元故障;⑤在sttk中選擇一個測試;⑥在D矩陣中將該單元故障和該測試之間的相關(guān)性關(guān)系置為0;⑦若sttk中所有測試分析完畢,則繼續(xù)下一步;否則,轉(zhuǎn)到步驟⑤;⑧若stfk中所有單元故障分析完畢,則繼續(xù)下一步;否則,轉(zhuǎn)到步驟④;⑨選擇下一個狀態(tài)重復(fù)步驟②,直到所有狀態(tài)分析完畢.3.3診斷樹擴展生成算法擴展診斷樹生成詳細方法如圖3所示.1基于擴展測試的子診斷樹參數(shù)①從狀態(tài)集合S中選定第一個狀態(tài)sk(k=1),作為待分析狀態(tài);②根據(jù)擴展D矩陣,確定該狀態(tài)對應(yīng)的D矩陣,采用測試點優(yōu)選算法得到子診斷樹的分支結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集;③根據(jù)擴展測試,將子診斷樹的YES/NO分支替換為相應(yīng)測試的邏輯值判據(jù)tcjk;根據(jù)擴展故障,將診斷樹的葉節(jié)點替換為相應(yīng)的故障判據(jù)fcik或正常;④選擇下一個狀態(tài)重復(fù)步驟②,直到所有狀態(tài)分析完畢.2擴展診斷樹分支機構(gòu)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集①將“狀態(tài)”作為根節(jié)點;②將狀態(tài)集合中的各狀態(tài)轉(zhuǎn)換為根節(jié)點引出的分支;③將各狀態(tài)對應(yīng)的子診斷樹分支結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集連接到相應(yīng)的上述分支上,得到全狀態(tài)的擴展診斷樹分支結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集;④將擴展診斷樹轉(zhuǎn)換為圖形表達.4電磁閥的通斷控制單元某液壓操縱系統(tǒng)的組成如圖4所示,包括一個輸入回路與三個控制回路,每個控制回路控制一個作用閥,控制傳動齒輪的咬合,進而實現(xiàn)變速.系統(tǒng)中電磁閥為通斷控制單元,系統(tǒng)通過控制它的通/斷,控制液壓油源的流通,實現(xiàn)不同檔位的切換.系統(tǒng)的故障單元為:液壓油源、定壓閥、電磁閥1、緩沖閥1、電磁閥2、緩沖閥2、電磁閥3、緩沖閥3.系統(tǒng)的狀態(tài)以及各狀態(tài)下的電磁閥的通斷情況如表1所示.4.1展測試性模型系統(tǒng)擴展測試性模型的圖形表達見圖5.系統(tǒng)擴展測試性模型的隱含屬性包括:狀態(tài)集合、擴展測試(表2)、擴展故障(表3)、特殊傳遞關(guān)系(表4),其中狀態(tài)集合為{空檔,一檔,二檔}.4.2擴展d矩陣系統(tǒng)的擴展D矩陣如表5所示.4.3診斷樹的擴展系統(tǒng)的擴展診斷樹如圖6所示.5擴展d矩