本發(fā)明涉及一種航天器測試資源優(yōu)化配置方法，用于航天器的測試性設(shè)計，屬于航天器測試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著航天器大型化及其結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜化，測試與診斷問題日益突出，測試手段也從早期的人工測試設(shè)備或簡單的專用測試設(shè)備逐漸發(fā)展為大型自動測試設(shè)備(Automated Test Equipment，ATE)，并可根據(jù)需求在航天器中設(shè)計機(jī)內(nèi)測試(Built-in Test，BIT)，實(shí)現(xiàn)航天器在線故障自測試與自診斷，有利于降低對測試人員技術(shù)水平的要求，對提高系統(tǒng)可用性、降低使用和保障費(fèi)用具有積極作用。但是BIT設(shè)備(Built-in Test Equipment，BITE)不但增加了系統(tǒng)設(shè)計工作量，其可靠性也會為系統(tǒng)帶來虛警問題。這就需要在航天器設(shè)計之初就考慮測試、診斷與保障等問題，將各種測試與診斷要素綜合起來，實(shí)現(xiàn)測試資源的合理應(yīng)用和有效配置，使航天器具有良好的“易測試”特性，盡量做到使用最少的測試資源，實(shí)現(xiàn)最大的故障監(jiān)測與診斷功能。目前大型航天器的測試方案雖然涉及到了理想情況下的測試選擇問題，可為航天器確定測試集，一定程度上解決了“測什么”的問題，但是關(guān)于測試資源分配存在以下問題：

1)對于航天器的測試資源配置與優(yōu)化，即“用什么測”和“怎么測”等問題，僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，沒有理論對測試資源的配置與優(yōu)化進(jìn)行指導(dǎo)；

2)由于測試資源配置僅靠以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致測試資源分配不合理，部分產(chǎn)品冗余測試，造成測試費(fèi)效比過高，部分產(chǎn)品因?yàn)闇y試資源不足從而造成有些內(nèi)容無法測試；

3)由于在設(shè)計階段缺少有效的理論指導(dǎo)和仿真驗(yàn)證方法，測試資源配置無法進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致產(chǎn)品在設(shè)計過程中造成返工，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種航天器測試資源優(yōu)化配置方法，解決了航天器產(chǎn)品設(shè)計過程中測試資源配置與優(yōu)化缺少有效的理論指導(dǎo)與驗(yàn)證的問題，實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo)的統(tǒng)一，避免在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)設(shè)計反復(fù)，避免測試資源的浪費(fèi)。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

一種航天器測試資源優(yōu)化配置方法，包括以下步驟：

步驟1、采用加權(quán)分配法初步確定產(chǎn)品的測試集：對產(chǎn)品的測試需求進(jìn)行分析，獲得產(chǎn)品組成單元對測試資源的需求，綜合考慮所述產(chǎn)品的影響因子，得出所述組成單元在所述產(chǎn)品的總加權(quán)值中的比例，然后根據(jù)所述比例計算出所述組成單元能夠分配的測試資源，每一個所述組成單元的所述測試資源所構(gòu)成的集合為測試集；

步驟2、設(shè)計所述產(chǎn)品的多信號流模型，確定所述產(chǎn)品不同級別所要達(dá)到的監(jiān)測與診斷性能，并生成所述產(chǎn)品的測試相關(guān)性矩陣；

步驟3、向所述多信號流模型中的測點(diǎn)加載激勵信號，對所述多信號流模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證使用加權(quán)分配法得到的所述測試集能否滿足故障監(jiān)測與診斷的需求；如果不能滿足需求，則調(diào)整加權(quán)分配法中所述影響因子的數(shù)值，調(diào)整所述產(chǎn)品的測試集，然后重復(fù)步驟2、3，直至能夠滿足故障監(jiān)測與診斷的需求；

步驟4、制定測試資源優(yōu)化目標(biāo)：在獲得所述產(chǎn)品的所述測試相關(guān)性矩陣和所述組成單元初步分配的所述測試資源的基礎(chǔ)上，結(jié)合所述產(chǎn)品各組成單元的故障先驗(yàn)概率和各個所述測試資源的測試時間、測試費(fèi)用，構(gòu)建以所述測試費(fèi)用和所述測試時間的目標(biāo)函數(shù)；

步驟5、采用優(yōu)化分配法對所述測試資源進(jìn)行優(yōu)化配置：根據(jù)具體的實(shí)際情況，選擇一種算法進(jìn)行所述目標(biāo)函數(shù)的求解，最終得到一組最優(yōu)解，所述最優(yōu)解即為最優(yōu)測試集；

步驟6、根據(jù)所述最優(yōu)測試集，調(diào)整所述產(chǎn)品的多信號流模型，并通過仿真，驗(yàn)證優(yōu)化后的測試資源能否滿足故障監(jiān)測與診斷的需求，如果能夠滿足需求，則所述最優(yōu)測試集即為所述產(chǎn)品的完備測試集，否則重復(fù)步驟5、6，直至得到完備的測試集為止。

作為本發(fā)明上述航天器測試資源優(yōu)化配置方法的改進(jìn)，所述影響因子包括故障率因子、故障影響因子、MTTR(平均修復(fù)時間)影響因子、實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離的難易因子、故障檢測與隔離成本因子。

作為本發(fā)明上述航天器測試資源優(yōu)化配置方法的改進(jìn)，所述組成單元的加權(quán)系數(shù)由下式計算：

K_i＝K_i1+K_i2+K_i3+K_i4+K_i5 (1)

式中：K_i為產(chǎn)品的第i個組成單元的加權(quán)系數(shù)；K_i1為故障率因子，故障率高的項(xiàng)目K_i1取較大的值；K_i2為故障影響因子，故障影響較大的項(xiàng)目K_i2取較大的值；K_i3為MTTR影響因子，對于要求的MTTR值小的項(xiàng)目K_i3取較大的值；K_i4為實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離的難易因子，容易實(shí)現(xiàn)的，K_i4取較大值；K_i5為故障檢測與隔離成本因子，實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離成本低的，K_i5取較大值；

所述組成單元分配的測試資源由下式計算：

式中：R_i為第i個組成單元所分配的測試資源數(shù)量；R為總測試資源數(shù)量。

作為本發(fā)明上述航天器測試資源優(yōu)化配置方法的改進(jìn)，所述目標(biāo)函數(shù)為：

式中，C為測試費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)，p為系統(tǒng)狀態(tài)的先驗(yàn)概率矢量，c為測試費(fèi)用，A＝(a_ij)是(m+1)乘n的二值矩陣，a_ij是測試-故障關(guān)系標(biāo)志，如果在識別系統(tǒng)狀態(tài)過程中測試T_j能夠測試到故障狀態(tài)s_i，則a_ij＝1，否則a_ij＝0，P(s_i)為產(chǎn)品組成單元的故障先驗(yàn)概率，c_rj為測試資源r_j的測試費(fèi)用；T為測試時間的目標(biāo)函數(shù)，t為測試時間；t_rj為測試資源r_j的測試時間。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明將設(shè)計師的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與加權(quán)分配算法、優(yōu)化分配算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)驗(yàn)與理論指導(dǎo)的統(tǒng)一，解決了傳統(tǒng)的設(shè)計方法中沒有理論指導(dǎo)的問題，可以在設(shè)計階段得到更加合理的測試集；

2)采用的建模工具與上述得到的測試集相結(jié)合，在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠采取有效的手段對測試資源的配置與優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，避免在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)設(shè)計反復(fù)，從而保證產(chǎn)品按照既定計劃開展工作；

3)采用的優(yōu)化分配法，既保證了測試資源的分配能夠滿足產(chǎn)品故障監(jiān)測與診斷的需求，又能實(shí)現(xiàn)測試費(fèi)效比的最優(yōu)化，避免了測試資源的浪費(fèi)。

附圖說明

圖1是基于多信號流的航天器測試資源配置及優(yōu)化流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

針對目前航天器產(chǎn)品設(shè)計過程中，關(guān)于測試資源配置與優(yōu)化缺少有效的理論指導(dǎo)與驗(yàn)證的問題，本發(fā)明針對該問題尋求解決方案，提出了在航天器產(chǎn)品設(shè)計階段通過分析和專家經(jīng) 驗(yàn)，綜合考慮各種因素的影響，引入影響因素和加權(quán)值，采用加權(quán)分配法對測試資源進(jìn)行配置。同時采用優(yōu)化分配法對測試資源配置進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化分配法將某一項(xiàng)目(如任務(wù)成功概率、完好率、費(fèi)用最小)作為優(yōu)化目標(biāo)，在一定約束條件下求出其最優(yōu)解，給出測試資源優(yōu)化配置建議。同時本發(fā)明提出的基于多信號流模型的航天器測試資源配置方法，可以在航天器產(chǎn)品設(shè)計階段，對測試資源的優(yōu)化配置進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。

根據(jù)航天器測試性要求，測試資源配置與優(yōu)化所需要解決的問題是：

·判斷備選測試集的完備性，即利用該測試集是否可以檢測和隔離所有需要檢測、隔離的系統(tǒng)故障。

·若備選測試集不完備，則對測試進(jìn)行重新設(shè)計，利用歷史數(shù)據(jù)及設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?，使其完備，保證測試集合能夠滿足系統(tǒng)的測試性指標(biāo)要求。

·從完備的備選測試集中選擇子集，使得該子集可以以最小代價判斷系統(tǒng)是否存在故障并對其進(jìn)行隔離，即最優(yōu)完備集。

本發(fā)明采用的測試資源配置與優(yōu)化的基本思想是，在航天器產(chǎn)品設(shè)計階段，設(shè)計師根據(jù)以往產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各種因素影響，分別對每種影響因素賦予一定的權(quán)值，通過計測試性指標(biāo)的加權(quán)分配法算給出該航天器產(chǎn)品的測試集。接著根據(jù)初步設(shè)計的測試集進(jìn)行航天器產(chǎn)品的測試性模型設(shè)計，通過測試性模型來驗(yàn)證該測試集是否完備，能否滿足航天器產(chǎn)品的故障監(jiān)測與診斷需求。然后再根據(jù)測試性指標(biāo)的優(yōu)化分配法對該產(chǎn)品的測試集進(jìn)行優(yōu)化，從而得出最小代價的產(chǎn)品測試集，最后再根據(jù)優(yōu)化后的測試資源配置，修改產(chǎn)品的測試性設(shè)計模型，并進(jìn)行驗(yàn)證。以上過程可以迭代進(jìn)行。

1)加權(quán)分配法

加權(quán)分配法是比較適用的方法，系統(tǒng)測試性能參數(shù)受眾多因素影響，如故障發(fā)生頻率、故障影響、維修級別的劃分、MTTR(平均修復(fù)時間)要求、以前類似產(chǎn)品測試性經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)的構(gòu)成及特性等。將每個影響因素按一定規(guī)則量化，依據(jù)每個組成單元加權(quán)值占總加權(quán)值的比例為該組成單元分配測試資源。其中，第i個組成單元的加權(quán)系數(shù)：

K_i＝K_i1+K_i2+K_i3+K_i4+K_i5 (1)

式中：

K_i1——故障率因子，故障率高的項(xiàng)目K_i1應(yīng)取較大的值；

K_i2——故障影響因子，故障影響較大的項(xiàng)目K_i2應(yīng)取較大的值；

K_i3——MTTR影響因子，一般來說，對于要求的MTTR值小的項(xiàng)目K_i3應(yīng)取較大的值；

K_i4——實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離的難易因子，容易實(shí)現(xiàn)的，K_i4取較大值；

K_i5——故障檢測與隔離成本因子，實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離成本低的，K_i5取較大值；

R_i——根據(jù)第i個組成單元的加權(quán)系數(shù)在總加權(quán)值中的比例，所分配的測試資源數(shù)量；

R——總測試資源數(shù)量。

2)優(yōu)化分配方法

在獲得各組成單元初步測試資源的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品各組成單元的故障先驗(yàn)概率和各個測試資源的測試時間、費(fèi)用，構(gòu)建以測試費(fèi)用和時間的目標(biāo)函數(shù)。

定義為四元組(S，p，T，c)，式中S＝(s₀，s₁，s₂，...，s_m)系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的有限集，其中s₀表示“無故障”狀態(tài)，s_i(1≤i≤m)表示系統(tǒng)不同的故障狀態(tài)；p＝[p(s₀)，p(s₁)，p(s₂)，...，p(s_m)]是系統(tǒng)狀態(tài)的先驗(yàn)概率矢量；T＝{T₁，T₂，...，T_n}是n種可行測試點(diǎn)的測試；設(shè)每個測試T_i有n種備選的測試資源r＝{r₁，r₂，...，rn}來進(jìn)行測試，而每個測試資源r＝{r₁，r₂，...，r_n}相對應(yīng)所需要的測試費(fèi)用為c＝{c_r1，c_r2，...，c_m}，相對應(yīng)要用的測試時間為t＝{t_r1，t_r2，...，t_rn}。系統(tǒng)的相關(guān)矩陣是由(m+1)維的二值列矢量d_ij表示，如果測試T_j(1≤j≤m)可以檢測到故障源s_i則測試矢量的i行的元素，則d_ij是1，若測試T_j(1≤j≤m)不能檢測到故障狀態(tài)s_i，則d_ij為0。假定只有一個系統(tǒng)狀態(tài)s_i(1≤i≤m)發(fā)生，而且給定二值依賴矩陣D＝[d_ij]。對每個測試配置合適的測試資源使得測試T能夠確定地識別出S中的某系統(tǒng)狀態(tài)，其測試資源配置的總費(fèi)用和時間的目標(biāo)函數(shù)公式為：

式中，C為測試費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)，p為系統(tǒng)狀態(tài)的先驗(yàn)概率矢量，c為測試費(fèi)用，A＝(a_ij)是(m+1)乘n的二值矩陣，a_ij是測試-故障關(guān)系標(biāo)志，如果在識別系統(tǒng)狀態(tài)過程中測試T_j能夠測試到故障狀態(tài)s_i，則a_ij＝1，否則a_ij＝0，P(s_i)為產(chǎn)品組成單元的故障先驗(yàn)概率，c_rj為測試資源r_j的測試費(fèi)用；T為測試時間的目標(biāo)函數(shù)，t為測試時間；t_rj為測試資源r_j的測試時間。

3)基于多信號流模型的航天器測試資源配置與優(yōu)化

在對系統(tǒng)進(jìn)行多信號建模后能分析出系統(tǒng)的測試性指標(biāo)，但是多型號模型中的測試是理想的，即給定了測試資源的費(fèi)用和時間后，算出的最優(yōu)診斷策略。而實(shí)際情況中，對一個測試執(zhí)行的測試資源往往是有多種，這就存在如何對測試資源合理配置問題，結(jié)合航天飛行器 的使用過程，其測試和故障診斷能力不僅由局部的、先進(jìn)的測試診斷設(shè)備和技術(shù)決定，還需要把構(gòu)成飛行器系統(tǒng)診斷能力的所有因素進(jìn)行綜合集成，優(yōu)化配置各種診斷資源，才能使系統(tǒng)總體的檢測與診斷能力達(dá)到最佳。

基于多信號流模型的航天器測試資源配置與優(yōu)化方法，采用TEAMS工具，建立被測對象的多信號流模型，結(jié)合其系統(tǒng)的測試相關(guān)性矩陣、被測試單元發(fā)生故障的先驗(yàn)概率以及測試的費(fèi)用和時間，建立以測試費(fèi)用和時間的目標(biāo)函數(shù)，利用多目標(biāo)優(yōu)化理論實(shí)現(xiàn)測試資源的優(yōu)化配置，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種：

系統(tǒng)的測試相關(guān)性矩陣

系統(tǒng)的測試資源，以及各個測試資源的費(fèi)用和時間

結(jié)合系統(tǒng)各個模塊的故障先驗(yàn)概率與相關(guān)矩陣，構(gòu)建測試資源的費(fèi)用和時間函數(shù)

選擇合理算法實(shí)現(xiàn)測試資源費(fèi)用和時間多目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

圖1是基于多信號流的航天器測試資源配置及優(yōu)化流程圖。如圖1所示，本發(fā)明的航天器測試資源優(yōu)化配置方法，包括以下步驟：

步驟1、采用加權(quán)分配法初步確定產(chǎn)品的測試集

對產(chǎn)品的測試需求進(jìn)行分析，獲得產(chǎn)品組成單元對測試資源的需求，根據(jù)公式(1)綜合考慮產(chǎn)品的故障率因子、故障影響因子、MTTR(平均修復(fù)時間)影響因子、實(shí)現(xiàn)故障檢測與隔離的難易因子、故障檢測與隔離成本因子等，得出該組成單元在產(chǎn)品的總加權(quán)值中的比例，然后根據(jù)該比例，依據(jù)公式(2)計算出此組成單元能夠分配的測試資源，每一個組成單元的測試資源所構(gòu)成的集合稱為測試集，設(shè)計師根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，初步選定每個影響因子的值，從而計算出該組成單元的加權(quán)值在產(chǎn)品總加權(quán)值的比例，從而計算出該組成單元的測試資源，依次類推計算出每一個組成單元的測試資源，從而初步最終得到產(chǎn)品的測試集。

步驟2、設(shè)計產(chǎn)品的多信號流模型，確定產(chǎn)品不同級別所要達(dá)到的監(jiān)測與診斷性能，并生成產(chǎn)品的測試相關(guān)性矩陣；

根據(jù)產(chǎn)品的故障模式與影響分析，結(jié)合加權(quán)分析法得到的產(chǎn)品初步測試集，使用TEAMS軟件建立產(chǎn)品的多信號流模型，確定其系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、模塊級等不同級別所要達(dá)到的監(jiān)測與診斷性能，并生成產(chǎn)品的測試相關(guān)性矩陣。

步驟3、向多信號流模型中的測點(diǎn)加載激勵信號，對步驟2中得到的多信號流模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證使用加權(quán)分配法得到的測試集能否滿足故障監(jiān)測與診斷的需求。如果不能滿足需求，則調(diào)整加權(quán)分配法中影響因子的數(shù)值，調(diào)整產(chǎn)品的測試集，然后重復(fù)步驟2、3，直至能夠滿足故障監(jiān)測與診斷的需求。

步驟4、制定測試資源優(yōu)化目標(biāo)

在獲得產(chǎn)品的測試相關(guān)性矩陣和各組成單元初步分配的測試資源的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品各組成單元的故障先驗(yàn)概率和各個測試資源的測試時間、測試費(fèi)用，構(gòu)建以測試費(fèi)用和測試時間的目標(biāo)函數(shù)，如式(3)、(4)所示的測試費(fèi)用和測試時間的目標(biāo)函數(shù)。

步驟5、采用優(yōu)化分配法對測試資源進(jìn)行優(yōu)化配置

由于在給各組成單元分配測試資源的過程中，存在費(fèi)用高而時間少或時間多而費(fèi)用少的問題。使得在實(shí)現(xiàn)費(fèi)用和時間兩個目標(biāo)函數(shù)都最小的過程中，目標(biāo)之間存在沖突，根據(jù)具體的實(shí)際情況，選擇一種合理的算法對式(3)、(4)進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)的求解，最終得到一組最優(yōu)解，該最優(yōu)解即為最優(yōu)測試集。

步驟6、根據(jù)優(yōu)化分配法得到的最優(yōu)測試集，調(diào)整產(chǎn)品的多信號流模型，并通過仿真，驗(yàn)證優(yōu)化后的測試資源能否滿足故障監(jiān)測與診斷的需求，如果能夠滿足需求，則該最優(yōu)測試集即為產(chǎn)品的完備測試集，否則重復(fù)步驟5、6，直至得到完備的測試集為止。

本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。