（机械工程专业论文）测试性虚拟验证中的故障建模技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 测试性虚拟验证是测试性验证领域的一个重要发展趋势，故障模型是进行测 试性虚拟验证的基础。针对测试性虚拟验证的需求，开展故障建模技术研究，对 于提高测试性虚拟验证结果可信性具有重要作用。 本文在“装备可测性机内测试分析、设计与评估技术”项目支持下，从测试 性虚拟验证的原理分析入手，以适应虚拟验证中的故障注入为出发点，建立了故 障属性描述模型，并对其中的故障传播特性以及环境因素与故障的关联关系开展 了深入研究。论文主要研究内容包括： ( 1 ) 故障属性描述模型分析与建立。 阐述了测试性虚拟验证原理，分析了虚拟验证中故障注入对故障模型的需求。 在此基础上，从系统故障特性中提取故障的基本属性和相关特性，并基于关系数 据模型理论建立了故障属性描述模型。 ( 2 ) 故障传播特性分析与建模。 总结、分析了故障传播过程，针对故障传播中的复杂性和不确定性，提出并 建立了模糊概率多信号流图模型。应用该模型对故障传播过程进行描述并进行相 关推理，得出故障传播的后继故障模式集和等效故障模式。并以某稳定跟踪平台 中主控单元的控制电路板为对象，开展了实例应用研究。 ( 3 ) 环境因素与故障的关联关系分析 分别从定性和定量角度对环境因素与故障的关联关系进行了研究。首先从环 境因素诱发故障的机理分析入手，对环境因素与故障的定性关联关系进行了分析， 得出影响故障的主要环境因素。然后，收集环境因素与系统故障的相关数据，运 用灰色关联分析( g r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s ，g r a ) 理论，定量分析了环境因素在 不同等级下与故障的关联程度。相关技术在某直升机航姿系统关键部件的故障分 析中进行了应用。 ( 4 ) 技术验证与应用 以某惯性组合为对象，针对其典型故障模式，深入分析了其故障传播关系和 环境因素与故障的关联关系。在此基础上，建立了该惯性组合的故障模型，构建 了惯性组合故障模型数据库。 分析 主题词：测试性虚拟验证故障属性描述模型故障传播环境与故障关联 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t t e s t a b i l i t yv i r t u a le v a l u a t i o ni s a ni m p o r t a n td e v e l o p i n gt r e n di nt h ef i l e do f t e s t a b i l i t ye v a l u a t i o n f a i l u r em o d e li st h eb a s eo ft e s t a b i l i t ye v a l u a t i o n f o c u s i n go nt h e r e q u i r e m e n to ft e s t a b i l i t y v i r t u a le v a l u a t i o n , r e s e a r c h i n gt h ef a i l u r em o d e l i n gi s i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ec r e d i t a b i l i t yo ft e s t a b i l i t yv i r t u a le v a l u a t i o n s u p p o r t e db yt h ea d v a n c e dp r o j e c t ”e q u i p m e n t st e s t a b i l i t y b i ta n a l y s i s ，d e s i g n a n de v a l u a t i o nt e c h n o l o g y ”，t h i sd i s s e r t a t i o ns e t su paf a i l u r ea t t r i b u t ed e s c r i p t i o n m o d e l t h e n , t h ef a i l u r ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n da s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nf a i l u r ea n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r es t u d i e d 。砀em a i nc o n t e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 n l ef a i l u r ea t t r i b m ed e s c r i p t i o nm o d e l i sa n a l y z e da n ds e tu p n l ep r i n c i p l eo ft e s t a b i l i t yv i r t u a le v a l u a t i o ni sd e s c r i b e da n dt l l er e q u i r e m e n to f f a i l u r em o d e li n t e s t a b i l i t yv i r t u a le v a l u a t i o ni sa n a l y z e d n e n t h eb a s a lf a i l u r e a t t r i b u t e sa n do t h e ra t t r i b u t e sa r ee x t r a c t e d af a i l u r ea t t r i b u t ed e s c r i p t i o nm o d e li ss e t u pb yu s i n gr e l a t i o nd a t am o d e l 2 t h ef a i l u r ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e da n dm o d e l e d 。 t h ef a i l u r ep r o p a g a t i o np r o c e s si ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d a i m i n ga tt h e c o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yo ff a i l u r ep r o p a g a t i o n ，af u z z yp r o b a b i l i t ym u l t i - s i g n a lf l o w g r a p hm o d e li sb u i l tu p i tc a l ld e s c r i b et h ep r o c e s so ff a i l u r ep r o p a g a t i o na n dr e a s o no u t t h es u b s e q u e n c es e to ff a i l u r ep r o p a g a t i o na n dt h ee q u i v a l e n tf a i l u r em o d e i ti sa p p l i e d i no n ec o n t r o lc i r c u i tb o a r d 3 t h ee n v i r o n m e n t f a i l u r ea s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i pi sa n a l y z e d t h ea s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n df a i l u r e si ss t u d i e d f r o m q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v ea s p e c t sr e s p e c t i v e l y f i r s t l y , t h ea s s o c i a t i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n df a i l u r e si sa n a l y z e db a s e do nt h e m e c h a n i s mt h a te n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n d u c ef a i l u r e s t h ec 1 1 i e fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t h a ti n d u c ef a i l u r ea r ee l i c i t e d s e c o n d l y ，a f t e rc o l l e c t i n gt h er e l e v a n td a t ab e t w e e n e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n df a i l u r e s t h e i ra s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i pi nd i f f e r e n tl e v e l si s a n a l y z e db yu s i n gg r a yr e l a t i o n a la n a l y s i st h e o r y f i n a l l y ，t h et e c h n o l o g yi sa p p l i e d t o t h ef a i l u r ea n a l y s i si nt h ek e yp a r to fh e l i c o p t e r sh o r i z o n 4 1 1 l et e c h n o l o g i e si sa p p l i e da n dv a l i d a t e d 1 1 他t e c h n o l o g i e si sa p p l i e da n dv a l i d a t e di nai n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m a i m i n ga t i t st y p i c a lf a i l u r em o d e s ，t h ef a i l u r ep r o p a g a t i o na n da s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e n e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n df a i l u r e sa r ea n a l y z e d n l e n t h ef a i l u r em o d e l i sb u i l ta n dt h e m o d e ld a t a b a s ei sd e s i g n e d 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 k e yw o r d s - t e s t a b i l i t yv i r t u a ld e m o n s t r a t i o n f a i l u r ea t t r i b u t ed e s c r i p t i o n m o d e l f a i l u r ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t - f a i l u r ea s s o c i a t i n gr e l a t i o n s h i p a n a l y s i s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 用关系模型表示的学员信息表1 2 表2 2 故障属性描述模型数据表1 5 表2 3 故障关系模型中属性的域1 5 表3 1 控制电路板各部件的名称及相应的故障信息。：2 9 表4 1 地平仪系统故障与其工作环境关联定性分析结果3 9 表4 2 环境因素关键指标选取4 0 表4 3 温度因素( 1 2 ) 的综合等级划分4 1 表4 4 温度因素( ) 的等级划分4 5 表4 5 不同温度等级的部分故障实验数据4 5 表4 6 合并处理后的部分数据序列4 6 表5 1 惯性组合的故障信息数据5 2 表5 2 惯性组合故障间的影响度系数5 4 表5 3 惯性组合中故障模式及其后继故障模式集5 4 表5 4 影响惯性组合故障的主要环境因素5 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 测试性外场试验验证的实施流程。3 图1 2 本文研究思路一7 图2 1 测试性虚拟验证的原理框图9 图3 1 故障传播的发散形式1 8 图3 2 故障传播的汇聚形式l8 图3 3 故障传播的冗余形式1 8 图3 4 故障传播不确定性的表现形式1 9 图3 5 系统层次划分示意图2 1 图3 6 多信号流图建模实例2 2 图3 7 模糊概率多信号流图模型示意图2 3 图3 8 故障状态模糊集及其隶属函数示意图2 4 图3 9 故障传播的推理流程图2 6 图3 1 0 控制电路板的网络拓扑结构2 9 图3 1 1 控制电路板的模糊概率多信号流图模型3 0 图4 1 环境因素与故障关联分析的总体流程3 3 图4 2 地平仪的结构图3 8 图4 3 环境因素和故障数据处理示意图4 4 图5 1 使用s s m s 创建故障模型数据库4 8 图5 2 创建故障属性数据表4 9 图5 3 故障模型数据管理系统的主要操作界面5 0 图5 4 故障模型数据管理系统的数据查询界面5 0 图5 5 惯性组合的功能结构框图5 1 图5 6 惯性组合的模糊概率多信号流图5 3 图5 7 惯性组合故障模型数据库的管理界面5 6 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 型达性虐拯坠适生鲍邀睦建搓量盔盈窥 学位论文作者签名：毒羁址 日期：咖哆年，月d 6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：趔达! 眭虐拯坠适圭鲍敛睦建搓垫盔盟塞 位论文作者签名：齑叁宝 日期：幽d 7 年，| 月么日 作者指导教师签名：j 到j 址 日期： 口7 年 7 月二日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 本论文的研究工作来源于部委级预研项目“装备可测性机内测试分析、设计 与评估技术 。针对测试性虚拟验证中的故障注入对故障模型的需求，分析故障 属性，建立故障属性描述模型，并对其中的故障传播特性及故障与系统工作环境 的关联关系进行了深入研究。 1 1 研究背景及意义 测试性也称可测性，是指“装备能及时准确地确定其状态( 可工作、不可工 作或性能下降) ，并有效隔离其内部故障的一种设计特性，【。它是装备的一种重 要设计特性，具有良好测试性的系统和设备可以及时、快速地检测和隔离故障， 减少维修时间，提高系统的可用性。测试性验证是指“在研制的装备中注入一定 数量的故障，用测试性设计规定的测试方法进行故障检测与隔离，按其结果来估 计装备的测试性设计水平，并判断是否达到了规定要求，决定接收和拒收 2 1 。装 备测试性验证是装备概念设计阶段、方案论证研制、设计定型阶段和生产定型阶 段的重要内容，是检验装备的测试性水平是否达到要求、发现测试性设计不足、 指导测试性改进设计以提高装备测试性水平的重要技术手段1 3 j 。 当前的测试性验证一般采用基于故障注入的测试性验证和外场统计验证等方 式进行。这两种验证方法以装备实物试验方式真实考核测试性水平，同时也存在 一定的不足，主要表现在：( 1 ) 风险性较高、试验周期长；( 2 ) 多数情况下， 被验证装备难以注入故障，难以通过真实的、大量的故障注入或构造真实的作战 环境对其测试性设计效果做出判断；( 3 ) 这两种试验方式试验成本高，不可能多 次进行，一般收集到的试验样本较少、故障样本空间有限，影响了测试性验证结 果的可信性；( 4 ) 在方案论证和设计研制阶段难以开展1 3 】。 随着建模技术、仿真技术的发展，装备测试性虚拟验证成为测试性验证领域 的一个发展方向，日渐成为测试性实物试验验证的重要补充。测试性虚拟验证是 指，建立包含测试性设计内容的对象系统虚拟样机模型和故障模型，对虚拟样机 注入故障模型，同时加载相应环境模型，通过仿真测试等手段，获取测试性虚拟 试验的数据，并结合现场统计数据对装备的测试性水平进行综合评估1 4 , 2 1 j 。 从测试性虚拟验证的内涵可以看出，故障模型对测试性虚拟验证有着基础性 的支撑作用。故障模型的准确性及传播特性是影响故障有效注入以及虚拟验证结 果可信性的关键因素，故障模型与环境因素的关联关系对测试性虚拟验证结论的 可信度也将产生重要影响。目前，测试性虚拟验证领域的故障模型还少有研究。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 现有故障模型多是针对状态监控、故障诊断、容错等的需要而建立，对故障传播 特性等测试性虚拟验证中的故障属性研究较少，不适于直接用于测试性虚拟验证。 因此，本文针对测试性虚拟验证对故障建模技术的需求，分析、建立了适于 测试性虚拟验证的故障属性描述模型，并重点研究其中的故障传播特性和环境因 素与故障的关联特性。本文的研究成果对于实现故障的有效注入、提高测试性虚 拟验证结果可信性具有重要作用。 1 2 文献综述 1 2 1 测试性验证技术研究综述 测试性验证主要分为三种类型：( 1 ) 基于故障注入的测试性验证；( 2 ) 基 于外场使用数据的测试性外场统计验证； ( 3 ) 测试性虚拟验证。基于故障注入的 测试性验证和基于外场使用数据的测试性外场统计验证有时统称为测试性试验验 证。本节首先介绍基于故障注入的测试性验证和基于外场使用数据的测试性外场 统计验证的内涵及研究现状，然后着重分析测试性虚拟验证的内涵及关键技术。 1 2 1 1 基于故障注入的测试性验证 基于故障注入的测试性验证是指“在装备设计定型、生产定型或有重大设计 更改时，在实验室或实际使用环境下，对装备注入一定数量的故障，用测试性设 计规定的方法进行故障检测与隔离，按其结果来估计装备的测试性水平，判断是 否达到了规定的测试性要求，决定接收或者拒收 【3 】。基于故障注入的测试性验证 可以用于检验装备实现测试性设计要求的程度。目前，国内外针对基于故障注入 的测试性验证理论已经开展了较为广泛的研究，特别是对其中的故障样本选取、 故障注入系统设计、验证数据评估等关键技术已有了相当的突破 6 6 6 8 1 。 故障样本选取技术主要包括确定故障样本量和故障模式抽取两个环节，其基 本思想是获得较高的测试性指标评估的精度和置信度，使承制方、使用方风险均 可接受 6 , 7 1 。 故障注入系统设计方面，从实现机制上来讲，目前国内外普遍采用的方法可 分为：模拟故障注入、硬件故障注入和软件故障注入。国内外研究人员针对这些 故障注入方法展开了大量研究，并开发了相应的故障注入设备和软件系统。但这 些故障注入方法针对的对象多是实物样机或半实物样机，注入的是真实故障，与 测试性虚拟验证中的面向虚拟样机的故障注入是完全不同的 2 2 , 2 3 】。 测试性验证数据评估方面，它是根据与装备测试性有关的所有信息，包括试 验数据和先验信息，利用概率统计方法确定装备的测试性指标( 如故障检出率、 故障隔离率等) 量值，评估结果的形式可以为点估计、置信下限估计、置信区间 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 估计等1 3 , 2 8 】。目前，国内外广泛采用的评估方法是基于概率信息的测试性评估方法 和基于试验数据的测试性评估方法l m 7 。 1 212 基于外场使用数据的测试性外场统计验证 外场统计验证是“在指定试验单位( 包括试验基地、靶场、飞行试验中心、 部队适应性试验、部队试用等) 按照批准的试验大纲，在实际使用环境或接近实 际使用环境下，通过装备进行的各种试验( 如定型试验、航行试验、飞行试验、 专项试验等) ，获取足够的装备自然发生的故障及其检n 隔离数据，用规定的统 计分析方法评估装备的测试性水平，判断是否满足规定的测试性要求 【3 j 。 测试性外场使用数据是装备在真实环境下对故障检n 隔离情况的综合反映， 一方面它比故障注入试验环境更为真实；另一方面它可对某些无法在实验室进行 试验的大型装备进行测试性评估和验证。测试性外场统计验证统计的是装备在外 场使用中自然发生的故障及其检测、隔离信息，适用于所有的装备类型。如图1 1 所示为测试性外场统计验证实施流程，包含的主要技术步骤有：( 1 ) 制定测试性 外场验证大纲和验证计划；( 2 ) 测试性外场试验验证的技术准备：( 3 ) 实施验 证；( 4 ) 数据评定；( 5 ) 验证报告和评审【副。 制定测试性外场验证大 纲( 确定验证要求、方 案、工作项目) 测试性外场验证评审 制定测试性外场验证计划h 叫测试性外场验证技术准备 测试性外场验证报告 专确定受试产品 专确定样本量 夸数据收集出来方法 专其他准备工作 实施测试性外场验证 睁进行外场试验验证 夸数据收集记录 图1 1 测试性外场试验验证的实施流程 1 2 1 3 测试性虚拟验证 目前，对装备进行测试性虚拟验证与评估成为测试性验证领域的一个重要发 展方向。测试性虚拟验证与评估的核心是“模型一试验一模型 的试验模式，一 方面进行基于仿真技术的虚拟试验系统开发，并随着装备虚拟模型研究的深入， 不断地进行测试性虚拟验证试验，通过试验结果对模型进行修正，使虚拟模型对 装备真实测试能力描述的可信度不断增加，模型预测真实对象行为和性能的能力 也不断增强；另一方面是利用少量装备使用中积累的或专项实物试验所获得的现 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 场测试诊断数据，结合大量的仿真试验数据，对试验结果进行统计分析，以评估 装备整体的测试性水平是否达到了规定的定性、定量要求【4 】。 在国外，虚拟试验验证早己成为武器系统试验与评价工作的重要组成部分， 可以部分地取代实物试验，成为武器系统试验与评价的新途径。美国国防部很早 就提出了“基于仿真的采办( s i m u l a t i o nb a s e da c q u i s i t i o n ，s b a ) 的概念，它 将先进的建模仿真方法和虚拟样机技术应用到装备采办的全寿命周期中，形成高 效的仿真采办体系，可以完成武器系统概念设计、仿真演练、虚拟试验与评估、 虚拟制造、武器系统综合设计、后勤保障分析等功能，其中虚拟试验验证是其核 心应用技术之一【2 9 】。在国内，研究人员近年来才逐步认识到虚拟试验验证技术在 辅助实物试验、降低研制风险和成本等方面的重要作用，并初步展开了虚拟试验 验证的技术研究。在相关部门指导下，以“构建平台、突出重点、强化应用、提 升水平 为指导思想，在航空、船舶、兵器等领域中选取典型型号开展虚拟试验 验证支撑平台技术研究，加快了虚拟试验验证技术的应用 3 0 1 。但在测试性虚拟验 证方面，国内外还少见研究。 测试性虚拟验证技术是测试性试验验证技术的进一步拓展和重要补充。测试 性领域的虚拟试验需要首先建立装备的测试性虚拟样机，同时通过对装备故障及 其传播特性进行深入分析，建立各故障的仿真模型。在此基础上，在加载试验环 境数据的前提下，对虚拟样机进行故障注入，也就是通过改变模型参数等方法来 模拟装备在故障中的各种状态和响应，最后采用虚拟测试等手段获取测试和诊断 的结果。其关键技术可总结如下【4 j ： ( 1 ) 测试性虚拟样机技术。用于测试性虚拟验证的虚拟样机模型，除了具备 描述装备的功能、结构、行为模型外，还应该具备描述测试性设计的内部结构、 b i t 模型、测试总线结构的功能、故障测试相关模型等。 ( 2 ) 环境建模技术。测试性虚拟验证的基本要求是实现与现场实物试验等同 的效果，对试验对象所处的自然、力学、振动、电磁等环境因素进行建模，从而 为虚拟试验过程提供外部环境的输入，以提高装备测试性虚拟试验的逼真程度。 ( 3 ) 故障建模技术。故障建模是对系统中各种器件失效模式建立故障模型的 过程。另外，为了描述测试性虚拟试验过程中所加载环境因素与各故障的耦合作 用，还需要在故障建模的同时，开展故障一环境关联关系的深入研究。 ( 4 ) 虚拟测试技术。虚拟测试是指借助计算机仿真软件来模拟装备的现场测 试过程，获得各种所需的测试数据。其结果可用于评估装备的测试性水平和指导 装备的测试性设计工作。 ( 5 ) 虚拟验证结果置信度检验技术。测试性虚拟验证结果可以在一定的可信 度前提下应用于装备的测试性评估，以克服装备实际系统在试验样本较少的情况 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 下，难以对其测试性设计水平进行有效评估的缺陷。这个应用的前提就是必须对 整个虚拟验证过程中所涉及的模型进行充分的检验，以保证测试性虚拟验证结果 的可信性。 测试性虚拟验证技术在国内才刚刚起步，而这些关键技术也基本还处于探索 阶段。本文主要针对其中的故障建模技术以及故障一环境的关联关系展开调研和 进一步研究。 1 2 2 故障建模技术研究现状 故障模型是在一定层次和角度对真实故障的抽象和描述。当前的故障建模技 术研究一般是针对故障诊断、容错系统等需求建立相应的硬件和软件故障模型。 如： 在容错系统领域，哈尔滨工业大学的杨孝宗、孙峻朝、王建莹等人在研究容 错计算机时将故障模型分为两部分组成：故障属性和故障分布。其中的故障属性 用故障参数表示，采用故障属性的笛卡尔积表示故障模型，如f = 故障位置x 故障 类型x 故障时刻x 故障持续时间【3 6 】。故障分布则指各故障属性取某一固定值的概率 分布。 在故障注入领域，哈尔滨工业大学的仉俊峰等人开发了基于软件方法的故障 注入系统，建立了用故障触发、故障位置、故障类型和故障持续时间等属性来描 述的故障模型【3 引。南京航空航天大学的蒋支运等人针对无人机控制系统的典型故 障也建立了一个四元组故障模型，并利用该模型进行了无人机系统的故障注入试 验【3 9 】。 当前的故障模型主要描述了故障的某些基本属性，若用于测试性虚拟验证则 存在一些不足，具体如下： ( 1 ) 现有故障模型主要针对实物样机故障注入的特点，提取的故障属性不能 充分体现测试性虚拟验证故障注入中所要关注的故障特性，特别是不能反映对测 试性虚拟验证有着重要意义的故障传播特性； ( 2 ) 从前面的分析可知，在测试性虚拟试验中加载环境模型后，故障一环境 的关联关系会对测试性虚拟验证结论的置信度产生不可忽视的影响，但现有的故 障模型并没有对故障一环境的关联关系进行建模分析； ( 3 ) 在测试性虚拟验证中需要对虚拟样机模型注入大量故障，这就需要建立 一个故障模型数据库来对虚拟试验的故障注入过程提供后台的数据支撑，而现有 故障模型采用笛卡尔乘积的形式表示，不便于利用数据库软件建立故障模型数据 库。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 3 故障环境关联关系分析技术研究现状 故障环境的关联关系是对真实系统中故障与环境耦合作用的抽象。在测试性 虚拟验证中，故障环境的关联关系可以用来刻划所加载的环境模型对故障率、故 障表现形式等故障属性的影响。 目前，关于故障环境关联关系的研究还较少，在可靠性领域对环境因素诱发 故障进行了一定研究 4 1 , 6 2 6 5 】。文献【4 l 】开展了可靠性试验中环境因素与产品故障机 理间的关系研究，从机理上详细分析了典型环境因素( 包括温度、振动、湿度等) 对诱发产品故障的影响。文献 6 3 1 q b 给出了产品进行可靠性环境试验的流程，通过 开展环境试验来评估产品在环境因素影响下的可靠性指标。文献 6 5 】研究了电子产 品中的环境应力筛选问题，着重分析了温度、振动等典型环境因素对电子产品寿 命的影响情况。 尽管可靠性领域对环境因素诱发产品故障、影响产品寿命等方面展开了相关 研究，但是还不能较好地描述故障与环境的关联关系，更不能适用于测试性虚拟 验证。本文拟借鉴文献 4 0 】中研究时间应力与虚警关联关系的方法，从故障环境 关联的机理分析入手，定性分析故障环境的关联关系。在此基础上，利用可靠性 领域的环境试验数据对故障环境的定量关联关系开展进一步研究。 1 3 论文研究思路及内容安排 1 3 1 论文研究的主要问题及思路 综合上述分析可知，故障建模技术是进行测试性虚拟验证的关键技术之一， 而现有的故障模型不适合用于测试性虚拟验证。为此，本文针对测试性虚拟验证 对故障模型的要求，开展面向测试性虚拟验证的故障建模技术研究，建立适用于 测试性虚拟验证的故障属性描述模型。 针对这个问题，本文在测试性虚拟验证的原理分析基础上，结合系统故障模 式影响及危害性分析( f a i l u r em o d e ，e f i e c t sa n dc r i t i c a l i t ya n a l y s i s ，f m e c a ) 提 取系统故障的典型故障属性和相关特性形成故障属性描述模型，并对其中的故障 传播特性和故障一环境关联关系进行深入的研究。最后，基于理论研究成果建立 故障模型数据库，并以某惯性组合为对象进行了应用研究。本文的研究思路具体 可如图1 2 所示。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 提出问题 分析问题融 解决问题 应用研究 陵 1 3 2 论文内容安排 专故障模型在测试性虚拟验证中的基础性作用 专现有的故障模型不符合测试性虚拟验证的需 求实际 夺测试性虚拟验证对故障模型的需求分析 争系统故障分析 专基于s q l 建立故障模型数据库 专以某惯导系统为对象进行技术应用 图1 2 本文研究思路 本论文分六章对相关研究工作进行论述，各章节内容和组织结构安排如下： 第一章，绪论。首先，阐述本论文研究的背景和意义；然后，综述国内外测 试性验证和故障建模技术的研究现状，分析现有故障模型存在的不足，提出需要 研究的主要问题及解决问题的思路。 第二章，建立故障属性描述模型。首先从原理上分析测试性虚拟验证对故障 模型的需求，其次在系统f m e c a 分析的基础上进行故障属性分析，最后利用关 系数据模型对故障属性进行描述与建模。 第三章，故障传播特性分析。首先进行故障传播过程分析，在此基础上，综 合考虑故障传播的不确定性，建立故障传播的模糊概率多信号流图模型，然后对 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 故障传播模型进行深入的推理分析。 第四章，环境因素与故障的关联分析。首先分析环境因素影响故障的机理， 进行环境因素与故障关联关系的定性分析。在此基础上，运用灰色关联分析理论 对环境因素与故障的关联关系进行定量分析。 第五章，故障建模技术的应用研究。首先建立装备系统的故障模型数据库， 在此基础上构建故障模型数据的管理系统。然后以某型导弹惯性组合为对象，对 本文所研究的故障建模技术进行应用研究，并建立惯性组合的典型故障模型数据 库。 第六章，总结与展望。总结全文的主要研究工作，并对测试性虚拟验证中故 障建模技术的需要进一步研究的工作进行展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章建立故障属性描述模型 故障模型是进行测试性虚拟验证的基础。故障模型应尽可能地等同于真实故 障，这样才能为测试性虚拟验证提供一个相对合理的输入，进而确保验证结果的 可信性。本章从测试性虚拟验证的原理分析入手，结合故障模式分析和测试性虚 拟验证对故障模型的需求，选取并构建故障的公共属性及相关特性，并用关系数 据模型加以描述，进而建立适用于测试性虚拟验证的故障属性描述模型。 2 1 测试性虚拟验证原理分析 测试性虚拟验证是测试性验证领域的一个重要发展方向，其原理如图2 1 所 示。首先，建立装备对象系统的测试性虚拟样机模型和故障模型；然后利用软件 或软硬件建立虚拟验证仿真软件环境，加载试验环境数据；在此虚拟环境下，利 用f m e c a 、f t a 等分析、仿真的方法建立故障模型库，以此作为对测试性虚拟样 机模型进行故障注入的源头；在此基础上，基于程序变异技术，通过改变模型参 数等方法来模拟武器装备在故障中的各种状态和响应实现故障注入；最后利用虚 拟测试设备对所需数据进行仿真测试，将其结果作为对系统测试性设计的评价依 据；在整个测试性虚拟试验验证过程完成后，还需要利用实际故障测试数据对虚 拟试验结果的置信度进行检验1 4 1 。 图2 1 测试性虚拟验证的原理框图 从图2 1 中可以看出，开展测试性虚拟验证的基础性工作可分为三部分：一是 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 根据对象系统的设计资料( 包括系统的原理、结构、功能等等) 和对象系统的测 试性设计资料( 包括测点分布、测试设备等等) 建立对象系统的测试性虚拟样机 模型；二是根据系统的f m e c a 分析建立系统的故障模型数据库，三是根据系统 工作环境分析建立环境因素数据库。而开展测试性虚拟验证的主要工作又可分为 四个部分：故障注入、加载系统工作环境数据、仿真测试以及虚拟试验结果评估。 由此可知，在测试性虚拟验证过程中，故障注入是一个关键的技术环节，有效的 故障注入是保证虚拟验证结果可靠、可信的关键因素。 测试性虚拟验证中的故障注入是按照选定的故障模型数据，通过对对象系统 虚拟样机相应的模型参数进行修改，以加速或导致虚拟样机出现相应的故障，同 时检测和回收虚拟样机对所注入故障的反应信息。故障注入的有效性是指对测试 性虚拟样机注入故障后，虚拟样机的故障响应要等同于或接近于现实对象系统发 生故障后的系统响应。因此，能否达到故障的有效注入主要取决于两个方面的因 素：一是所建立的对象系统测试性虚拟样机模型的准确性；二是所选取待注入故 障的故障模型的准确性。毫无疑问的是，进行虚拟验证的对象系统测试性虚拟样 机模型和所选取待注入故障的故障模型越准确，故障注入的有效性就越好；反之， 则故障注入的有效性就差。 本文重点关注的是故障模型如何准确建立的问题。对于测试性虚拟验证而言， 所关心的是系统故障的特性以及相应的故障属性能否在所建立的故障模型中有所 体现，并能够通过故障注入试验在虚拟样机模型中反映出来。因此，对虚拟样机 进行故障注入，首先必须明确在虚拟样机的什么位置、修改哪种模型参数以达到 注入故障的目的，这就需要在故障模型中对故障的基本属性( 包括故障位置、故 障的表现形式等等) 进行准确地描述。而另一个需要考虑的方面是，由于对象系 统所建立的测试性虚拟样机模型目前还不能做到完全等同于真实的对象系统，故 障的一些特性不能通过虚拟样机模型自然地表现出来，例如故障的传播特性，这 就需要在故障建模过程中对故障传播特性进行建模仿真。另外，系统工作环境对 系统故障的影响也很难在虚拟样机中得到体现。因此，为了能够在虚拟试验过程 中有效注入系统故障，在建立故障模型的过程中，除了要充分考虑故障的基本属 性外，还需要考虑故障的传播以及环境因素对故障的影响等。 故障属性是对故障某一方面特性或内涵的一种抽象，从真实故障中提取故障 的相关属性就可建立故障的形式化描述模型。而根据上述对测试性虚拟验证中如 何有效进行故障注入的分析可知，建立故障属性描述模型必须满足以下条件【4 】： ( 1 ) 反映系统的真实故障，要具备系统故障的基本属性，包括故障位置、故 障模式、故障发生概率、故障严酷度等等。 ( 2 ) 对故障的相关特性进行建模分析，便于在故障注入时，将这些特性进行 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 模拟并在虚拟样机模型中体现出来。由前面的分析町知，这些相关特性主要包括 故障的传播特性和环境因素与故障的关联特性。 2 2 故障属性分析 为了建立适用于测试性虚拟验证的故障属性描述模型，下面对故障的基本属 性和特性展开深入分析，以获得合适的故障基本属性和相关特性。 ( 1 ) 故障位置，是指在系统中故障发生的部件或元器件。这里可以表示为故 障发生的功能模块，即根据系统功能层次划分中不同层级的模块( 例如l r u 、s r u 等等) 。故障位置指明了在虚拟样机上进行故障注入的位置或模块，便于在进行 故障注入时有针对性地对相应模型参数进行修改。故障位置的属性值可以通过装 备系统的f m e c a 分析得到。 ( 2 ) 故障模式，是指故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等等。 故障模式的属性值也可以通过装备系统f m e c a 分析得到，它可以对故障注入中 如何修改模型参数提供指导性意见。 ( 3 ) 故障严酷度，表示故障最终影响的严重程度等级，作为故障的一个本质 属性，故障严酷度反映了故障危害程度的大小，一般情况下可以分为i 类、i i 类、 类、类等四个等级。在进行系统测试性设计时，往往要求严酷度较高的故障 必须能够及时、快速地被检测和隔离，因此故障严酷度对故障注入也有着重要的 指导意义。故障严酷度可以通过系统f m e c a 分析得到。具体地，首先需要全面 分析故障的影响，并得出故障的最终影响，其次对照严酷度等级的定义分析出每 一故障模式的严酷度等级。 ( 4 ) 故障发生概率，表示故障发生的历史统计概率。故障率是系统故障的一 个重要属性，可以从系统的使用数据或现场试验数据中获取。 除了这些基本属性外，故障的传播特性和环境因素与故障的关联特性也对测 试性虚拟验证有着至关重要的影响。 故障的传播特性是指某一个故障发生后会激发或引起别的故障模式发生。现 实中故障传播的形式多样种多，而且具有不确定性，这使得故障传播特性很难在 测试性虚拟样机模型中体现出来。因此，需要在故障模型中对故障传播特性进行 建模分析，以便在故障注入过程中对故障传播进行仿真模拟。本文将在第三章中 重点针对故障的传播特性进行建模研究，并利用模糊概率多信号流图模型对故障 传播过程进行推理，进而得出其相关的故障属性：故障传播的后继故障模式集和 故障的等效故障模式。 环境与故障的关联特性是指在不同的工作环境中，系统故障的表现形式、故 障率等都会有所不同，这个特性对于在虚拟验证过程中环境因素的加载，以及故 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 障注入中模型参数值的修改都有着重要的指导意义。本文将在第四章中重点针对 环境因素诱发并影响故障的问题，分别从定性和定量两个方面分析环境因素与故 障的关联特性。 以上对故障的基本属性和特性进行了深入分析，对于其中的故障基本属性可 以通过系统f m e c a 分析和历史数据获得相应的故障属性值，而故障特性相对比 较复杂，需要在后续章节中进行详细建模分析。 2 3 基于关系数据模型的故障属性描述模型的生成 故障建模就是对系统中各种器件失效模式建立故障模型的过程，而故障模型 是在一定层次上对目标系统真实故障的抽象，可以用具有一定数据结构的故障属 性来加以表征，即故障属性描述模型。由于关系数据模型具有表征简洁、便于操 作等优点，本节将其引入，用来描述前文所提取的故障属性，进而形成故障属性 描述模型，在此基础上，利用故障属性描述模型建立系统的故障模型数据库。下 文首先给出关系数据模型的相关概念，并对基于关系数据模型理论建立故障属性 描述模型的过程进行详细分析。 2 3 1 关系数据模型 关系数据模型是一种重要的数据库数据模型。关系模型是由i b m 公司的研究 员e f c o d d 于1 9 7 0 年首次提出，它与别的数据模型不同，是建立在严格的数学概 念的基础上的 4 3 , 4 4 。在关系数