A novel approach of testability modeling and analysis for PHM systems based on failure evolution mechanism

Prognostics and health management (PHM) significantly improves system availability and reliability, and reduces the cost of system operations. Design for testability (DFT) developed concurrently with system design is an important way to improve PHM capability. Testability modeling and analysis are the foundation of DFT. This paper proposes a novel approach of testability modeling and analysis based on failure evolution mechanisms. At the component level, the fault progression-related information of each unit under test (UUT) in a system is obtained by means of failure modes, evolution mechanisms, effects and criticality analysis (FMEMECA), and then the failure-symptom dependency can be generated. At the system level, the dynamic attributes of UUTs are assigned by using the bond graph methodology, and then the symptom-test dependency can be obtained by means of the functional flow method. Based on the failure-symptom and symptom-test dependencies, testability analysis for PHM systems can be realized. A shunt motor is used to verify the application of the approach proposed in this paper. Experimental results show that this approach is able to be applied to testability modeling and analysis for PHM systems very well, and the analysis results can provide a guide for engineers to design for testability in order to improve PHM performance.     

START: System Testability Analysis and Research Tool

START, a software package for automatic test sequencing and testability analysis of complex, hierarchically described modular systems, is described, and its use in modeling systems is examined. START uses algorithms based on information theory, heuristic search, and graph theory to solve various faces of the test sequencing and testability analysis problems. A system is modeled in the failure space as a hierarchical directed graph with nodes denoting modules and testpoints and with AND nodes denoting redundancy. Interconnections among the nodes denote their immediate functional dependencies. START supports hierarchical testing in accordance with the maintenance strategy; a failure source may be isolated to a component or a module at any level. Other practical features include options to integrate diagnosis with repair (after partial diagnosis) in order to optimize test time, test cost, or test and repair cost. An interactive menu-mouse graphical interface serves as a high-level front end to these algorithms and enables the user to graphically enter and modify hierarchical functional models of systems. START presents the gist of the outputs of the testability analysis algorithms as a concise testability report consisting of important figures of merit     

航空电子的故障预测与健康管理技术

分析了引发航空电子设备故障的各种因素;详细讨论了航空电子设备全寿命周期内的故障预测与健康管理（PHM）技术,包括故障检测与健康监测、健康信息处理、故障预测和余寿评估;还介绍了基于健康信息综合管理的航空电子PHM系统的设计。     

Testability integrated evaluation method based on testability virtual test data

Testability virtual test is a new test method for testability verification, which has the advantages such as low cost, few restrictions and large sample of test data. It can be used to make up the deficiency of testability physical test. In order to take the advantage of testability virtual test data effectively and to improve the accuracy of testability evaluation, a testability integrated eval- uation method is proposed in this paper based on testability virtual test data. Considering the char- acteristic of testability virtual test data, the credibility analysis method for testability virtual test data is studied firstly. Then the integrated calculation method is proposed fusing the testability vir- tual and physical test data. Finally, certain helicopter heading and attitude system is presented to demonstrate the proposed method. The results show that the testability integrated evaluation method is feasible and effective.     

引气系统建模及传感器集优化分析

MADe(维修感知设计环境)是基于功能流模型、系统失效知识和测试信息的系统测试性与健康感知综合仿真分析工具。给出了功能流模型定义及其建模流程,详细分析了飞机引气系统的工作模式、层次结构、功能流及典型部件的物理失效过程,并实现了引气系统典型工况的建模。基于引气系统功能流模型和功能流传播表对传感器集进行了优化,包括传感器集的选择和诊断规则分析。仿真结果表明,该方法能有效地实现引气系统的建模,实现引气系统故障诊断与健康监控方案的优化。     

Sensor Optimization Selection Model Based on Testability Constraint

Sensor selection and optimization is one of the important parts in design for testability. To address the problems that the traditional sensor optimization selection model does not take the requirements of prognostics and health management especially fault prognostics for testability into account and does not consider the impacts of sensor actual attributes on fault detectability, a novel sensor optimization selection model is proposed. Firstly, a universal architecture for sensor selection and optimization is provided. Secondly, a new testability index named fault predictable rate is defined to describe fault prognostics requirements for testability. Thirdly, a sensor selection and optimization model for prognostics and health management is constructed, which takes sensor cost as objective function and the defined testability indexes as constraint conditions. Due to NP-hard property of the model, a generic algorithm is designed to obtain the optimal solution. At last, a case study is presented to demonstrate the sensor selection approach for a stable tracking servo platform. The application results and comparison analysis show the proposed model and algorithm are effective and feasible. This approach can be used to select sensors for prognostics and health management of any system.     

故障诊断策略的优化方法

 以相关性模型为基础,综合可靠性和测试费用等因素提出了一种系统级优选测试点方法和故障诊断策略。首先根据系统的相关性矩阵,将测试性度量、故障概率和测试费用统一考虑,推导出测试点的故障诊断信息量计算公式;然后根据信息量的大小依次选择测试点,并确定出优化的故障诊断策略。所得到的故障诊断策略确保了在较低的测试费用下,使用尽可能少的测试步骤快速完成系统的故障检测和隔离。     

基于TMSDG的民用飞机故障诊断隔离策略

 针对民用飞机排故时交互式故障诊断与隔离需求,在符号有向图(SDG)中补充状态节点的故障概率信息和未测状态表达,引入对测试节点的描述,提出了一种附带测试维修信息的SDG(TMSDG),给出了基于此模型的交互诊断流程。首先根据初始征兆获取可疑集,然后综合可靠性和测试代价等因素生成一种基于最小测试代价的诊断二叉树对初始可疑集进一步隔离。该模型能描述复杂系统中存在的状态关联和故障测试依赖关系,对其中故障进行交互式诊断和隔离指导。利用该方法建立了某飞机发动机高压引气的诊断模型,实验结果表明提出的方法有效。该方法适用于飞机的外场故障诊断与隔离。     

基于仿真数据的测试性验证序贯设计方案

针对当前测试性验证试验设计方案均存在确定的故障样本量较大以及验证周期长的问题,提出了一种基于仿真数据的测试性验证序贯设计方案。首先,基于二项分布模型确定序贯设计的判决阈值;然后,在序贯试验下基于给定的样本量分配和故障模式选取方法,采用仿真的方式生成相应的故障模式并进行验证试验。同时,以序贯方式计算相应的概率比,通过其取值动态判定接受/拒收。结果表明,与传统方法相比,该方法与经典验证方法具备几乎相同的抽样特性,能达到有效减少测试性验证试验所需故障样本量的目的。     

基于故障物理的电路板可靠性分析

在装备生命周期的各阶段,其承受的环境载荷都可能对装备造成累积损伤,进而引发故障。从装备设计特性和寿命期环境应力分布及其相互作用角度来分析装备的故障更符合其未来实际使用情况。介绍了电路板常用的故障物理模型,阐述了基于故障物理的电路板可靠性分析流程,明确了潜在故障仿真思路,为装备早期可靠性设计、测试性设计与评价提供了方法依据。     

航空机电系统测试性建模与分析新方法

针对航空机电系统测试性设计(DFT)需求,提出基于面向对象的贝叶斯网络(OOBN)与状态-测试关联灵敏度指标的系统测试性建模与分析的新方法。该建模方法能清晰地刻画系统故障与测试间的关联程度,反映复杂系统的层次结构关系。基于信息论的交叉熵原理提出状态-测试关联灵敏度指标,并给出计算方法。该指标反映复杂机电系统测试中的不确定性影响,克服了基于香农熵的测点评判分析方法的缺点,结合测试性建模获得的模型信息进行推理计算,可用于测试性的定量分析。运用该综合分析方法对飞机燃油系统进行测试性建模与分析,结果表明所提出的方法与指标在航空机电系统DFT中具有实用性。     

基于Simscape模型的航空发动机系统安全性分析方法

针对航空发动机系统安全性分析中的耦合情况,研究基于Simscape模型的航空发动机耦合故障建模和安全性分析问题。在基于模型的安全性分析(MBSA)故障拓展一般特点的基础上,分析了Simscape环境下进行故障外部拓展和建模语言内部故障拓展两种方式,以建立耦合故障模型。以全权限数字式发动机控制(FADEC)主燃油控制子系统为研究示例,进行独立和耦合故障形式化系统安全性分析。结果表明:航空发动机系统安全分析Simscape模型基于系统设计环境,可直接成为系统设计和安全性分析共同的工具,便于保证设计和安全性分析的一致性;该模型拓展方法和建模语言,从故障数学原理出发,对实际系统不同物理域的组件独立和耦合故障特性具有灵活和定量描述能力;由此拓展的故障模型下的安全性分析具有形式化、直观性和客观性的优势。      

多工况过程动态SDG故障诊断

通过分析多工况过程的故障动态特性,在符号有向图(SDG)中引入工况条件,补充对未测节点的表达,提出了一种新的定性描述模型——过程动态有向图,给出了建模方法和基于故障依赖性关系 D 矩阵的诊断流程.该模型满足了随工况变化调整结构和参数的需求,诊断算法解决了实际系统部分状态常常因未测量而造成信息缺失的问题.同时综合不同过程的SDG诊断能改善静态SDG模型定性推理分辨率.利用提出的方法建立了某民用飞机发动机引气系统的诊断模型并进行了诊断,结果表明该模型有效且实用.      

机载系统测试性设计体系研究

军用飞机在外场表现出诊断能力不足的现象,严重影响飞机再次出动的效率。从军用飞机故障诊断 的实际使用需求出发,深入分析机载系统在设计、试验过程中存在的测试性设计问题;针对军用飞机整个研制 与使用过程,明确设计目标,提供设计、验证和评估方法,将原来相互孤立的设计工作进行整合,提出一套完整 的机载系统测试性设计体系,并对测试性设计过程中的诊断能力设计、测试性试验等关键环节进行深入剖析; 同时,在工作方法、专业定位和制度保障方面提出改进建议,能够有效促进测试性设计有机地融入机载系统的 设计过程,提升机载系统测试性水平,提高飞机综合诊断能力。     

航空发动机故障诊断方法及测试流程分析

阐述了某型航空发动机工程研制中应用的发动机故障诊断方法及测试流程。根据发动机型号的使用特点和发动机故障诊断方法对FMECA分析结果进行故障分类,指出了各类故障在现有的测试技术下是否能进行故障诊断,并对能诊断的故障类型进行了详细的故障诊断及测试流程分析,经验证,发动机故障诊断方法及测试性流程可满足航空发动机型号的测试性需求。     

基于有向图模型的民机航空电子系统故障诊断

结合民机航电系统外场可更换单元或模块（LRU/LRM）的故障模式及影响分析（FMEA）、故障树 分析和实时性要求,设计了基于时间故障传播图（TFPG）的系统故障诊断元模型和领域模型,研究了基于逻 辑和时间一致性检验的故障诊断算法,使用后向推理和可信度度量列出候选故障集。以飞行管理系统为例,构 造了其功能失效的TFPG 模型,并通过仿真验证了基于TFPG 的诊断在滤除级联效应和关联驾驶舱效应中的有 效性。     

基于模型驱动的HUD系统安全性分析方法研究

平视显示器能够有效提高飞行员的情景意识,从而提高飞行的安全性,现已成为新投入使用的民用客机必装的航电设备。本文结合项目实际,采用基于模型驱动的安全性分析工具---SIMFIA构建平视显示系统功能架构和失效状态(顶事件),自动生成引起失效状态因素的故障树,用于达到分析平视显示系统安全性的目的。结果表明,SIMFIA建模与系统设计相结合,能够实现系统设计与安全性评估工作的一致表示,从而有效支持系统和安全性分析的迭代过程。     

PHM技术在液压伺服系统中的应用

为了提高液压伺服系统的可靠性和可用性,将故障预测与健康管理（PHM）技术应用到该系统中,并对其核心技术进行研究。重点研究在液压伺服系统的性能发生退化时对该系统进行的故障检测、健康评估及预测。对液压伺服系统PHM技术研究可为系统故障检测、退化评估和寿命预测的工程实践提供有力的理论支撑,并且PHM技术研究是故障诊断技术新的发展方向。最终,实验结果证明了该PHM技术在液压伺服系统故障诊断上的有效性和适用性。     

一种基于ROM模型的测试性指标论证方法

针对实践中缺乏理论性、可实施性强的测试性指标论证方法的现状,提出了一种基于可靠度、战备完好率与可维修度（ROM）模型的测试性指标论证方法。从战备完好率（O）、可靠度（R）、可维修度（M）关系式入手,将关系式中的可靠度和可维修度分别用平均故障间隔时间（MTBF）和平均修复时间（MTTR）替换,再建立MTBF和MTTR与故障诊断率、虚警率和机内测试（BIT）故障率的关系式并代入"ROM"关系式,得到战备完好率与测试性指标之间的关系式,建立待解指标与BIT数量之间的关系式,通过代入和消减参数得到战备完好率随BIT数量变化曲线,通过找到曲线极值点得到最佳BIT数量,进而得到最佳的测试性指标。在模型构建和指标求解过程中进行了较为充分的仿真分析,得到了大量与经验相符的规律性结论,为不同对象应用该方法进行参数设置时提供了较为充分的参考。最后应用本文方法对某光电一体化设备进行了指标论证,演示并验证了本文方法的有效性。     

基于贝叶斯网络的分层系统可靠性分析

由于分层系统的系统结构复杂,且系统不同层次可靠性信息具有不均衡性的特点,使得分层系统的可靠性建模较为困难.考虑二态情况,通过引入贝叶斯网络描述分层系统元素间的失效关系,并考虑了系统元素间级联失效问题,结合贝叶斯多源信息融合方法,以贝叶斯网络模型为基础整合了系统各层元素的可靠性信息,构成了一种较为通用的二态分层系统可靠性分析方法.算例结果表明:该方法在贝叶斯网络模型计算过程中能够融合系统各层元素可靠性信息并有效处理级联失效问题,提高了系统可靠性后验均值估计的准确性,减小了系统可靠性结论的后验方差.