舰船电气装备测试性标准初探_蒋超利.pdf

：舰船电气装备测试性标准初探收稿日期：；修回日期：。基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（）；海军工程大学自主立项基金资助项目（）。作者简介：蒋超利（），男，实验师，硕士，主要研究方向为电力系统测试性设计技术。通信作者：冯国利（），男，讲师，博士，。蒋超利，冯国利，方子轩，常路宾，汪成义（海军工程大学 电气工程学院，武汉 ；中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 ）摘要：舰船电气装备的功能结构日益复杂，对其维修保障性能提出了更高的要求。为了减少舰船电气装备故障维修时间、降低全寿命周期费用，开展舰船电气装备的测试性标准研究至关重要。针对现有测试性标准可操作性不强、不配套、不明确等问题，在对国内外相关文献的研究基础上，结合舰船电气装备测试性设计研究现状，提出了制定舰船电气装备测试性标准的可行性建议，强调了故障诊断理论及测试性建模的重要性，为后续测试性标准化研究提供参考。关键词：舰船电气装备；测试性；标准；故障诊断；测试性建模中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；随着电气技术的发展，舰船电气装备的功能越来越强大，其结构组成也相对越来越复杂，这也对舰员电工维修技能提出了更高的要求。为了保障舰船的战备巡航，掌握其工作状态，对舰船电气装备进行实时的状态监测及诊断隔离成为了一项重要的工作内容。在过去很长一段时间，人们追求尽可能多地对装备系统追加故障诊断模块，然而，这样在增加保障费用的同时并没有达到有效诊断的预期效果。因此，越来越多的专家学者开始对舰船电气装备开展测试性标准研究，从根本上解决装备系统的技术保障问题，减少故障诊断及维修时间，降低全寿命周期费用。本文针对第 卷第期 年月 海军工程大学学报 现有测试性标准可操作性不强、不配套、不明确等问题，在对国内外相关文献的研究基础上，结合舰船电气装备测试性设计研究现状，提出了制定舰船电气装备测试性标准的可行性建议，强调了故障诊断理论及测试性建模的重要性。测试性标准简介根据 年我国颁布的 装备测试性大纲，测试性是指装备或系统能够及时准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种设计特性。测试性的起源和发展主要集中在美国。世纪 年代，美国开始有意识地对电子技术设备进行测试性技术研究，在电路测试性设计领域投入了大量的人力物力；世纪 年代至 年代中期，测试性概念逐渐形成，测试性设计开始以国军标、研究报告、设计指南等方式体现，例如美军在这期间颁布了 设 备 及 系 统 维 修 性 管 理 大纲、电子系统和设备测试性大纲 设计指南 等；世纪 年代中后期是机内测试（，）技术的发展时期，智能 技术的研究开始兴起，科学家通过引入 技术提高 的故障诊断能力，解决了常规 虚警率高的问题。与此同时，综合故障诊断系统的研究计划开始实施，测试性设计研究对象逐渐从电子类产品开始向非电子类产品进行延伸；世纪 年代是测试性设计内容的丰富期和深化期，在这期间，测试性设计理论不断发展完善，相关标 准 也 在 不 断 更 新，美 军 于 年 颁 布 了 的升级版本 系统和设备测试性大纲，年又将 改编为 系统和设备测试性手册。这一系列标准的颁布标志着测试性作为一门独立系统工程学科的形成。测试性设计理论在这期间也得到广泛的应用，开始应用于各种测试性工程中。例如，美国研制的波音 机型，以及后来的波音 机型，都在研制之初进行了测试性顶层设计，对飞机各现场可更换单元（，）供应商提出了测试接口、报文格式、待检参数等机内测试要求。再比如，美国的、战机，“福特”级核动力航母等，都大量应用了测试性设计技术。国内从 世纪 年代后期开始对测试性技术进行研究，经过 多年的发展，形成了一系列专著、论文、标准等研究成果。在专著方面，北京航空航天大学的石君友教授编写了 系统测试性设计分析与验证，国防科学技术大学的邱静教授编写了 装备测试性试验与评价技术 等；在标准方面，年颁布了 电子系统和设备的可测试性大纲，年颁布了 装备测试性大纲，年颁布了 测试新预计程序，年颁布了 测试与诊断术语，这些标准的制定对我国测试性概念的普及和发展起到了很大的推动作用。年，国内多家单位联合对 装备测试性大纲 进行了升级，推出了 。年，有关单位组织对 开展了宣贯工作。这些标准从设计、论证、方案、实施、验证等各个方面，为我国广大科研工作者开展测试性研究提供了指导和帮助，使大家有了共同遵循的标准，对于促进我国测试性技术发展起到了至关重要的作用。目前，我国一系列测试性标准正在制定与重编当中，主要包括：测试与诊断术语；被测单元与自动测试设备兼容性通用要求；测试性建模方法指南；测 试 性 设 计 准 则 制 定 与 评 价 指 南；航空电子与电气设备测试要求文件编制要求等等。电气装备领域测试性标准存在的不足结合自身从事舰船电气装备测试性设计研究的经历，包括对舰船主变流机组、十二相混合励磁中压整流发电机系统进行测试性技术研究的经历，本文在大量查阅国内外相关论文、标准、著作的基础上，归纳总结出当前电气装备领域测试性标准主要存在两个方面的不足：一是标准体系方面的问题，主要与测试性的可操作性、完整性及配套性相关；二是可测试性技术方面的问题，主要包括技术路线、与 技术划分等。标准体系方面的不足缺乏可操作性总体来说，我国目前的测试性设计水平大致相当于国外 世纪 年代的水平，还有较大的进步空间。为了提高舰船电气装备的可测试性水平，需要对舰船电气装备进行一系列的设计、研制第期蒋超利 等：舰船电气装备测试性标准初探生产和试验验证工作，这些工作统称为测试性工程。根据国军标 ，测试性工程可分为项工作，其中测试性方案设计与分析、测试性需求分析、测试性详细设计与分析、测试性验证属于工程设计与分析类项目，其他项属于管理类项目 。目前，测试性工程工作主要根据可靠性设计、维修性设计的经验开展。国内测试性标准中提出的大多是原则性的、定性的概念、原则和要求，并没有给出具体可行的操作流程，可操作性较差。例如，在众多标准、大纲、文献中，测试性工程的首要步骤是制定测试性工作计划，即明确并合理地安排要求的工作项目，以达到规定的测试性要求。然而，要求的工作项目，规定的测试性要求却没有给出相应的具体内容和具体实现方法。而这恰恰是测试性工程工作的出发点和落脚点。针对舰船电气装备的测试性工程项目，没有明确可以引用的标准规范和可以采用的测试性设计工具，使得科研工作者仅凭自己的理解开展相关研究，可操作性较差。体系不完整、不配套我国现有的测试性标准基本上是借鉴美国相关测试性标准的转化，没有形成适合我国各类装备研制的技术标准体系。最初的测试性标准体系主要是针对电子系统，后随着数据采集技术、传感器技术、计算机技术等的发展逐渐向机电设备进行拓展延伸，但没有形成针对性的标准体系。目前，我国在编或者待修订的测试性标准，大多是针对测试性设计流程编写的，比如 测试与诊断术语、故障预测与健康管理系统设计指南、测试性分配与预计方法指南、测试性建模方法指南等。针对特定装备或者系统开展测试性工作的标准体系还没有形成，有待编写，对于舰船电气装备而言，比如变压器、变流器、变频器、电机、电力系统等这些特定的电气设备，如何开展测试性工程研究，需要按照哪些步骤进行，如何进行指标论证、层次划分、指标分配、建模、分析、评估等，相关的标准亟待编写。可测试性技术方面的不足缺乏系统级测试性技术路线许多大型武器装备系统级测试性设计已经得到许多专家学者的关注，舰船电气装备也不例外，比如三相电机系统的测试性设计、中压整流系统的测试性设计等。目前，系统级测试性设计主要存在以下问题：一是系统的故障机理及定位问题；二是系统级故障与单元级故障的相互影响问题；三是系统级测试性指标的科学分配及测试性建模等问题。现有测试性标准对系统级测试性设计有一般的工作流程规定，主要包括测试性指标论证、测试性指标分配、各单元测试性方案初步设计、各单元测试性方案详细设计、系统测试性设计、系统测试性验证与评价个步骤，但缺乏明确的技术路线，概括较为笼统，少有具体的设计步骤及要求。尤其是对于测试性指标分配和集成各单元测试性方案设计，具体如何获得系统级测试性方案，怎么分配、怎么集成没有讲清楚，主要依靠研发 人 员 自 行 设 计，难 以 开 展 相 关 具 体 工作 。对 技术和 技术划分不明确 是指能够自动完成装备性能参数、功能指标测试，并对被测装备进行性能评价或故障隔离的设备。对于能够构成系统的 设备，称为自动测试系统（，）。随着现场总线技术的进步，正朝着模块化、智能化、通用化、标准化的方向发展，并取得了显著的军事应用效应，仅美国空军目前就有 多套自动测试设备，多个测试程序集（，）。根据 标准的定义，是指系统或装备内部提供检测和隔离故障的自动测试能力。最初 在应用过程中存在故障检测隔离能力差、虚警率高、功能单一等问题，难以满足系统或装备的测试需要，通过引入人工智能技术及综合诊断技术，有效地弥补了常规 的不足，大大拓展了 的应用范围。美军早期使用 技术的装备仅占 左右，随着智能 技术的发展，此比例已上升到 以上。现有测试性标准认为 主要是将故障隔离到系 统 或 装 备 的 内 场 可 更 换 单 元（，），而 技术则主要将故障隔离至外场可更换单元（，），对 的使用范围则表述为初步的故障诊断及隔离。随着科技的发展，这种表述有欠妥当，智能 技术在故障隔离及检测能力方面，已经达到和 相当的水平，融合 技术及 技术是今后装备测试性技术的一个重要研究方向。相关文献的研究结果表明，适用于批量检测，可减少人工作业强度，但操作相对复杂，机动性较差；受体积和重量的限制，侧重海军工程大学学报第 卷于状态连续监测和故障隔离，需要在装备设计之初就开始考虑。现有标准对测试性工作哪些由 技术实现，哪些由 技术完成没有明确的指导和规范，使得设计者难以较好区分。舰船电气装备测试性标准制定可行性建议通过对国内外测试性标准的解析，结合国内舰船电气装备测试性设计研究现状及故障诊断技术的发展，笔者认为应将针对特定电气装备的测试性设计步骤及准则融入到标准中，切实提高标准的可操作性及指导性。根据我国舰船电气装备测试性发展的需要及当前不足，在新一代舰船电气装备测试性标准的制定和现有测试性相关标准的编修、完善中，可以从以下几个方面进行改进。针对标准体系不足的建议舰船电气装备，包括电机、电力系统、变压器、变频器、变换器等，虽然与常规电气设备在结构设计、材料使用上有所区别，但其工作原理与功能是基本一致的。建立开放式舰船电气装备测试性标准，可以集全国电气科研工作者的集体智慧来完成。先对一些常规电气设备进行测试性标准制定，这其中最重要的就是顶层设计及故障诊断理论研究。在顶层设计方面，现有测试性设计相关标准已经明确了测试性工程的项工作，可以借鉴参考。电气设备故障诊断理论研究是科研工作者一直以来的一个重点研究方向，包括对电机、变压器、变流器、电力系统等的诊断技术研究，多年来取得了一定的研究成果。电机结构复杂，对其故障诊断的研究成果理论偏多，还不能完全将理论应用到工程实践中，但是对整流器等电气设备的故障诊断技术研究，已经具备较成熟的理论基础并已广泛应用到设备故障诊断中。目前，全国几乎所有理工类高校都设置了电气工程及自动化这个专业，各个科研院所都有自己的研究成果和数据资料，将这些数据汇总起来，就可以得到常规电气设备的故障模式发生概率及其影响分析表，将所有的故障诊断研究成果集中起来，就可以确定需要测试性的信号，从而在设备或装备研制之初就开始考虑其测试点布置、测试信号采集、测试接口标准化设计、测试结果输出显示存储等问题，为电气设备测试性设计工作的开展提供理论指导。针对可测试性不足的建议建立舰船电气装备需求分析及层次划分测试性标准大量国内外装备测试性标准为需求分析及层次划分提供了有力的指导，美军标给出了装备测试性需求分析及层次划分的具体研究内容和操作步骤，但这些内容和步骤主要是定性的，各步骤和内容之间缺乏相关性和系统性。我国 装备测试性大纲 明确了在装备论证阶段确定系统测试性要求的主要步骤：一是获取系统的战备完好性、维修保障性、系统可用性、可靠性等要求；二是根据上述要求确定测试性需求；三是提出系统的测试性要求，主要包括故障检测率，故障隔离率和虚警率等；四是进行测试性评审，确定最终的测试性定性定量要求。与美军标相比，上述步骤中缺少了将系统测试性要求分配至分系统这一环节，第二步根据系统的战备完好性、维修保障性、系统可用性、可靠性等需求确定测试性需求，没有具体说明这些数据对测试性需求的影响。在参考借鉴美军标的基础上，结合国内相关标准现状，有必要建立舰船电气装备测试性需求分析及层次划分标准。该标准应该明确常见电气装备的测试性需求分析及层次划分的具体操作步骤，比如电机、变压器、变流器等。如何科学地确定系统级测试性指标，如何科学地进行装备系统层次划分并将测试性指标分配至分系统，如何科学建立测试性需求分析模型等，这些都是新建标准需要具体考虑的问题。建立舰船电气装备测试性验证标准国内外大量测试性标准对装备测试性验证工作进行了规定和描述，其中美军标 系统和设备测试性手册 要求在装备测试性验证时拟定测试性参数验证计划并综合至维修性计划中，以实际装备进行故障注入演示试验以获得足够的评价数据，但该标准没有给出详细的演示试验方法，并且获取的评价数据有限。我国测试性验证标准可以分为两类：一类是专用标准，如 军用地面雷达测试性要求，主要规定了地面雷达装备的测试性定性评价内容及方法；另一类是通用标准，如 装备测试性大纲，从装备论证阶段到报废的整个全寿命周期，规定了测试性验证的主要工作内容。但在应用这些标准时存在以下问题：一是针对特定型号装备的专用标准不适合指导其他设备的测试第期蒋超利 等：舰船电气装备测试性标准初探性验证工作；二是通用标准测试性验证工作内容不够细致，难以操作；三是通用标准中的评估模型适用对象范围不够明确，易引起争议；四是标准没有包含故障注入技术、样本充分量分析等内容。对于制定舰船电气装备测试性验证专用标准，需要明确测试性评估模型的适用范围，增加故障注入技术，样本充分量分析等内容。同时，建议选取一个具体实例，比如电机、电力系统或变压器等，对其测试性验证演示试验进行一个完整的操作，广泛调研国内测试性验证工作现状，为舰船电气装备测试性验证标准制定奠定基础。建立舰船电气装备 及 测试性设计标准可测试性技术的内涵主要包括 和 两个方面，指导 和 的标准、指南和规范主要为美军标、规范和 标准。装备测试性大纲 中对 和 的定义、工作内容和步骤进行了规范，但没有对 和 的应用范围进行明确。在测试性设计早期，常规 因其功能简单、诊断能力差、虚警率高，装备测试性设计多采用。据统计，采用先进的 技术，可以使装备的维修效率提高 倍以上，故障隔离效率提高 以上，全寿命周期费用节省 以上。但随着智能 技术的发展，的诊断效率可以和 达到相当的水平，其应用在装备占比也越来越高。笔者认为应该分别制定舰船电气装备 及 测试性设计标准，需要明确哪些电气装备采用 技术进行研究，哪些电气装备采用 技术，对于一些复杂装备，如何采用 与 相结合的测试技术，在制定标准时应该予以考虑，与时俱进。不管采用 还是，都要加强电气装备故障诊断理论的研究，包括故障检测、故障隔离以及故障辨识，突出基于数据驱动的故障诊断知识获取，采用综合诊断方法提高诊断正确率。要加强测试性建模的方法研究，理清装备功能、故障模式与测试之间的逻辑关系，促进 技术与 技术的进一步发展。随着科技的进步，正朝着智能 技术、综合诊断技术、与 相结合的方向发展，也在朝着小型化、通用化、模块化、系列化的方向发展，在制定相关标准规范和指南时，应注重这方面的研究。结束语为了满足现代化高性能舰船电气装备日益增长的维修保障需求、减少维修时间、降低全寿命周期费用，对舰船电气装备开展测试性技术研究至关重要。本文结合国内舰船电气装备测试性技术研究现状和技术难点等，在大量查阅国内外测试性标准、文献的基础上，指出了现有相关标准存在操作性差、不明确、不配套等问题。针对这些问题，提出了编写舰船电气装备测试性标准的几点建议，主要包括建立开放式舰船电气装备测试性标准、建立舰船电气装备需求分析及层次划分测试性标准、建立舰船电气装备测试性验证标准、建立舰船电气装备 及 测试性设计标准。在制定标准过程中，要注重加强故障诊断理论技术研究，突出基于数据驱动的故障诊断知识获取，加强测试性建模技术研究，理清装备功能、故障模式与测试之间的逻辑关系，标准内容要与时俱进。考虑智能 技术、综合诊断技术、与 相结合的技术应用发展，同时兼顾 小型化、模块化、标准化的发展方向列举实例，突出可操作性，明确应用范围，避免模棱两可，为舰船电气装备测试性标准编制及测试性研究提供参考。参考文献（）：美国国防部 ：华盛顿：美国国防部，：国防 科 学 技 术 工 业 委 员 会装 备 测 试 性 大 纲：北京：国防科学技术工业委员会，：航空工业总公司六二八所航空电子系统和设备测试性设计指南：北京：航空工业总公司六二八所，：国防科学 技 术 工 业 委 员 会装 备 维 修 性 通 用 大纲：北京：国防科学技术工业委员会，：石君友 测试性设计分析与验证 北京：国防工业出版社，：卞强，蒋超利，冯国利，等舰船主变流机组仿真研究及其验证 海军工程大学学报，（）：海军工程大学学报第 卷 ，（）：（）苗露 飞行器机内测试技术研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，：尹园威，尚朝轩，马彦恒，等 装备测试性设计的层次诊断方法 海军工程大学学报，（）：，（）：（）李玉洁，吴延军 武器装备的测试性设计方法研究舰船电子工程，（）：，（）：（）王志颖复杂装备智能机内测试技术研究 成都：电子科技大学，：高嵬，蒋超利，孙盼，等基于 的舰船主变流机组仿真研究 海军工程大学学报，（）：，（）：（）韩庆田，卢洪义，杨兴根，等军用装备测试性技术发展趋势分析 仪器仪表学报，（）：，（）：（）马云，刘东风面向综合诊断的电子装备测试性研究综述 中国修船，（）：，（）：（）蒋超利，吴旭升，孙军，等 舰船综合电力系统机内测试研究 计算机测量与控制，（）：，（）：（）蒋超利，吴旭升，高嵬，等机内测试技术与虚警抑制策略研究综述 计算机测量与控制，（）：，（）：（）苏永定 装备系统测试性需求分析技术研究 长沙：国防科技大学，：蒋超利，吴旭升，高嵬，等舰船主变流机组火花试验分析 西安交通大学学报，（）：，（）：（）谢皓宇系统级测试性设计关键问题研究 长沙：国防科技大学，：，：，：，：，：，（）：，：，：，：第期蒋超利 等：舰船电气装备测试性标准初探