基于TEAMS的電子系統(tǒng)測試性仿真技術(shù)與應(yīng)用研究

王忠，胡泊

（1.海軍駐廣州七五○廠軍事代表室，廣東 廣州 510656；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究，廣東 廣州 510610）

0 引言

測試性是產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)特性，是伴隨功能原理設(shè)計(jì)時賦予產(chǎn)品的一種固有屬性。GJB 2547-95《裝備測試性大綱》對測試性的定義為：產(chǎn)品能及時、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài) （可工作，不可工作，性能下降），和隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[1]。測試性設(shè)計(jì)的目的是為了提高產(chǎn)品自診斷和外部診斷能力，能方便、有效地確定產(chǎn)品狀態(tài)和隔離故障。

對裝備而言，通過良好的測試性設(shè)計(jì)，可以提高裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和安全性，減少維修人力及其它保障資源，降低壽命周期費(fèi)用[2]。隨著裝備可靠性水平的提高，研制單位也開始逐漸重視產(chǎn)品的測試性水平。

1 概述

1.1 測試性仿真技術(shù)簡介

測試性仿真的目標(biāo)是為了促進(jìn)裝備在研制階段的測試性設(shè)計(jì)工作深入、有效地開展，確保其測試性要求得到全面落實(shí)。同時發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計(jì)分析工作中存在的問題，為改進(jìn)產(chǎn)品測試性設(shè)計(jì)分析工作，提高其測試性設(shè)計(jì)水平提供依據(jù)。

當(dāng)前開展測試性評價的方法還有測試性驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)評估方法[3]。對比這3種方法可知，測試性驗(yàn)證試驗(yàn)需要在有產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)的情況下對其實(shí)施故障注入，不僅對產(chǎn)品本身有損傷，而且實(shí)施困難、經(jīng)費(fèi)高；測試性數(shù)據(jù)評估方法雖然節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，但其周期長，不能及時、有效地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測試性設(shè)計(jì)缺陷；測試性仿真技術(shù)可以在產(chǎn)品研制初期就開展實(shí)施，時效性好，所需的軟硬件資源少，而且可以在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)測試性薄弱環(huán)節(jié)，及時實(shí)施改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品測試性水平。因此，根據(jù)當(dāng)前復(fù)雜裝備電子系統(tǒng)測試性的需求，測試性仿真技術(shù)越來越得到廣泛的應(yīng)用，本文也針對該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1.2 測試性仿真工具

隨著裝備測試與診斷要求的提高以及計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，目前測試性輔助設(shè)計(jì)和仿真評價軟件工具不僅可以用于系統(tǒng)的測試和診斷設(shè)計(jì)，而且可以生成相應(yīng)的測試程序和故障診斷引擎，并進(jìn)一步支持維修性、可靠性及健康診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析。最具代表性的測試性輔助設(shè)計(jì)及仿真評價工具是美國DSI公司的故障診斷軟件 （eXpress）和QSI公司的測試性工程和維護(hù)系統(tǒng) （TEAMS）。

eXpress是DSI公司的標(biāo)志性產(chǎn)品，它包括診斷、可測試性、預(yù)報(bào)和系統(tǒng)工程等。eXpress建立在模型的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)觀點(diǎn)來獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過綜合利用不同的數(shù)據(jù)源，將系統(tǒng)工程、可靠性、可測試性、可維護(hù)性和診斷等學(xué)科關(guān)聯(lián)在一起。

TEAMS是一個軟件工具集，主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的測試時序生成和測試性設(shè)計(jì)分析。TEAMS最初為航天工業(yè)和NASA研制，后逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到汽車、化工、醫(yī)療等行業(yè)。TEAMS也是基于模型的分析工具，這些模型涵蓋了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、測試布局、測試步驟以及故障等信息。該測試性模型將各種故障和系統(tǒng)的BIT、維護(hù)步驟和修理過程聯(lián)系起來，產(chǎn)品經(jīng)過TEAMS進(jìn)行仿真分析后，其測試性缺陷和測試性建議可以直接在模型上標(biāo)注出來。

測試性仿真工具近年來在國內(nèi)也有一定的發(fā)展，如TADS就是北京聯(lián)合信標(biāo)測試技術(shù)有限公司推出的集測試性設(shè)計(jì)、故障診斷效果分析和測試策略生成于一體的，用于系統(tǒng)測試性工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化的軟件。

由于TEAMS相對于eXpress更直觀，相對于國內(nèi)軟件功能更完善，在行業(yè)內(nèi)使用較為廣泛，因此本文主要介紹基于TEAMS的測試性仿真及應(yīng)用技術(shù)。

2 TEAMS工作原理

TEAMS（Testability Engineering And Maintenance System）是美國Qualtech公司開發(fā)的用于測試性設(shè)計(jì)分析、診斷指標(biāo)評估、診斷知識推理和可靠性維修性數(shù)據(jù)綜合的、基于多信號流模型的測試性分析與評估軟件平臺，與TEAM-RT，TEAMATE，TEAM-KB和TEAM-RDS一起組合，提供一種系統(tǒng)的、綜合診斷的全面解決方案[4]。

TEAMS將建模方法和故障隔離算法集成在一個圖形用戶界面里，能夠方便地建立大型復(fù)雜、可重構(gòu)、帶有故障容錯的多重系統(tǒng)模型，并完成驗(yàn)證、分析和修改工作。用戶可以直接在TEAMS中由頂至下建立模型，也可由多種信息源導(dǎo)入。通過靜態(tài)分析和測試性分析，得出故障檢測和故障隔離指標(biāo)、故障模糊組情況以及不可檢測故障、冗余測試等指標(biāo)信息。另外，TEAMS還可提供FMECA、可靠性預(yù)計(jì)、測試策略等維修報(bào)告或數(shù)據(jù)[5]。

3 測試性建模

3.1 多信號模型

TEAMS軟件所采用的多信號模型是以有向圖來表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、測試構(gòu)成以及故障傳播特性的一種模型方法。因?yàn)槎嘈盘栆蕾嚹Ｐ褪菍⒁唤M單信號的依賴模型附加到結(jié)構(gòu)模型上，所以模型與系統(tǒng)原理圖密切相關(guān)。多信號模型只捕獲對系統(tǒng)故障診斷有用的必要信息，不管那些不必要的細(xì)節(jié)。這種建模技術(shù)不需要我們掌握系統(tǒng)各種故障模式的詳細(xì)信息。這意味著它可以檢測、隔離一些意想不到的故障模式。故障模式與影響分析 （FMEA）可以通過指定元件相關(guān)的信號故障模式來實(shí)現(xiàn)。因此這種方法能夠模擬由依賴模型捕獲到的所有信息，而且可以避免那些復(fù)雜的故障模式和結(jié)構(gòu)扭曲。

多信號建模實(shí)現(xiàn)分等級建模，建模方向可以是從上至下、從下而上或者從中間開始。這個特征適用于設(shè)計(jì)的所有階段。當(dāng)僅有設(shè)計(jì)概念時，用戶可以先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最頂級模型，等到子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以得到時，再按照由上而下的建模方式完善較低等級的模型。同樣，也可以將子系統(tǒng)整合到系統(tǒng)中，使用從中間開始的建模方法。

3.2 模型的表現(xiàn)方式

利用TEAMS建立的測試性模型是用一個特定的有向圖來表示的，具體的表示方法如下：

a）模塊，用方框表示。每個方框代表實(shí)際系統(tǒng)的一個功能模塊或故障模式。

b）測試點(diǎn)，用圓圈表示。一個測試點(diǎn)可以包含多個測試。

c）與節(jié)點(diǎn)，用電路中與門的符號表示。引入與節(jié)點(diǎn)的目的在于有效地表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)中的冗余結(jié)構(gòu)。與節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是，只有其故障輸入數(shù)目與總輸入數(shù)目之比不小于給定的M:N時，輸出才為故障。

d）開關(guān)節(jié)點(diǎn)，用電路中開關(guān)的符號表示。由于實(shí)際系統(tǒng)可能具有多種工作模式，各工作模式的故障傳遞關(guān)系各不相同，開關(guān)節(jié)點(diǎn)可以有效地進(jìn)行表達(dá)。

e）連線。帶單向箭頭的連線由A指向B，表示故障由A向B傳遞。

3.3 建模流程

利用TEAMS進(jìn)行測試性建模的主要流程如下：

a）資料收集 （包括與測試性相關(guān)的所有有用的系統(tǒng)文件）

進(jìn)行測試性建模前，首先要進(jìn)行相關(guān)信息的收集，主要包括所建模型系統(tǒng)的、分系統(tǒng)的、其它各個層次的可用信息，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖、功能原理圖、操作說明、維護(hù)信息、可靠性預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)以及FMECA分析結(jié)果等。

b）層次化模型 （層次化地表述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型）

在TEAMS軟件中，系統(tǒng)的層次化模型支持System、 Subsystem、 LRU、 SRU、 Module、 Submodule、Componet和Failure 8個層次，用戶可以根據(jù)需求，對同一個模型的不同層次進(jìn)行靈活的分析和評估。

對于復(fù)雜電子系統(tǒng)，可以通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行逐級分解的方法來構(gòu)建系統(tǒng)的層次化模型，系統(tǒng)模型的最低一級可以根據(jù)實(shí)際需要劃分到不同的層次。一般為保證模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在技術(shù)可行的情況下，所建立的模型層次應(yīng)低于所需分析的級別，如需要分析系統(tǒng)在外場情況下對LRU的檢測隔離能力，則所建立的層次化模型應(yīng)到其下一級別SRU級。

c）添加模塊 （故障模式）

TEAMS中的模塊既可以表示為功能模塊，也可以表示故障模式。通過分析層次化模型中的系統(tǒng)級功能，并關(guān)聯(lián)到多信號模型中的最底層模塊，建立完整的信號走向圖，這是多信號模型建立成功與否的關(guān)鍵[6]。

模塊屬性主要包括Basic、Port Lable、Reliability、Function、Tech Data和Advanced等，詳見表 1、 圖 1。

表1 TEAMS中模塊屬性

圖1 TEAMS中模塊的相關(guān)屬性

d）添加連線

在完成模塊的添加后，需要在模塊之間添加連線，使各個模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。此連線表示模塊之間的依賴關(guān)系，系統(tǒng)/模塊的功能可以通過連線進(jìn)行傳播，而且多種功能可以通過同一連線進(jìn)行傳播。TEAMS支持的連線方式僅為從模塊的輸出端到輸入端，不可逆向連接。

e）添加測試點(diǎn)

在確立了模塊間的故障傳遞關(guān)系之后，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置測試點(diǎn)。測試點(diǎn)指的是系統(tǒng)中執(zhí)行測試的位置，在同一個測試點(diǎn)可以執(zhí)行多步測試。

測試點(diǎn)的屬性主要包括 Basic、Properties、Function、 Tech Data和 Setup and Resources， 詳見表 2、 圖 2。

圖2 TEAMS中測試點(diǎn)的相關(guān)屬性

f）模型修正

建立復(fù)雜電子系統(tǒng)的測試性模型通常需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正。下面列出幾種經(jīng)常遇到的情況及修正方法：

1）如果一個系統(tǒng)存在冗余結(jié)構(gòu)，則應(yīng)使用與節(jié)點(diǎn)對冗余部分進(jìn)行建模；

2）如果一個系統(tǒng)有不同的運(yùn)行模式，則使用開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模；

3）如果一個系統(tǒng)的某些模塊/組件包含有機(jī)內(nèi)測試，則應(yīng)該設(shè)置BIT的相關(guān)屬性；

4）如果一個系統(tǒng)有一些模塊的功能可以映射成一個或多個信號到另一個信號子集，則需定義相應(yīng)的映射關(guān)系。

表2 TEAMS中測試點(diǎn)的屬性

4 測試性分析

根據(jù)所建立的多信號模型，TEAMS可以針對系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析和測試性分析。其中，靜態(tài)分析可以確定模型中的模糊組、不可檢測故障、隱藏故障、冗余測試、反饋回路等；測試性分析可以得到相關(guān)性矩陣、模糊組動態(tài)分析結(jié)果、故障診斷樹、故障檢測率和故障隔離率等測試性參數(shù)預(yù)計(jì)值[7]。

1）模糊組指一組具有相同、可觀測特征的故障模式集合；

2）不可檢測故障指利用可用測試不能檢測的故障模式；

3）隱藏故障是系統(tǒng)中的一種或多種故障集的表征，會被另一種故障所掩蓋；

4）冗余測試指具有相同特征 （即檢測同一個故障模式集）的測試；

5）反饋回路即電路中的閉環(huán)設(shè)計(jì)，它將導(dǎo)致不可解決的故障模式模糊集合；

6）相關(guān)性矩陣是表示各模塊之間相關(guān)性關(guān)系的數(shù)學(xué)矩陣，又被稱為D矩陣；

7）故障診斷樹是對被測設(shè)備進(jìn)行故障檢測和隔離的測試順序及診斷分支的組合表示，通常是以二叉樹的形式來表示。

測試性分析的結(jié)果 （主要包括故障檢測率和故障隔離率）如圖3所示。

圖3 TEAMS測試性分析結(jié)果

圖4 某型綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)測試性模型

5 實(shí)例分析

根據(jù)以上建模方法利用TEAMS軟件對某型綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行測試性建模，并通過仿真分析來評價其測試性水平。該模型主要由數(shù)字板、模擬板 （2個）、主控板、背板、電源板、接口板、指示板和AFDX板等9部分組成。其模型如圖4所示。

通過靜態(tài)分析可知，有3個故障模式不能被當(dāng)前已有的測試點(diǎn)所檢測到，同時沒有冗余測試點(diǎn)，具有1個模糊組，該模糊組的存在將給故障隔離帶來困難，如圖5所示。

圖6為該綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)的測試性仿真分析結(jié)果，可知其故障檢測率為98.35%，故障隔離率為93.81% （到1個SRU），從而對該系統(tǒng)的測試性水平進(jìn)行定量的評價。

如果需要對該綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)的測試性水平進(jìn)行改進(jìn)，則可根據(jù)仿真分析結(jié)果，得到哪些故障模式是無法檢測的，按照實(shí)際情況要增加某些測試點(diǎn)/測試；哪些故障模式是無法很好隔離的，可對已有的測試點(diǎn)/測試進(jìn)行優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的測試性水平。

圖5 測試性模型中包含的模糊組

圖6 綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)測試性分析結(jié)果

6 結(jié)束語

首先，本文對測試性仿真技術(shù)進(jìn)行了簡單的介紹，比較了測試性建模仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)評估等技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，列出了目前開展測試性仿真的主流軟件；其次，本文在給出了TEAMS軟件工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于TEAMS的測試性建模仿真方法，給出了具體的建模分析步驟；最后，以某型綜合數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)為實(shí)例，利用TEAMS進(jìn)行了測試性建模仿真分析，指出該系統(tǒng)在測試性設(shè)計(jì)上的不足，同時對其測試性指標(biāo)進(jìn)行了定性的評價?？梢钥闯?，基于TEAMS的測試性仿真技術(shù)，不僅建模簡單、便捷，而且可以在電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期定量地給出其測試性評價結(jié)果，并可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測試性設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供建議。

[1]GJB 2547-1995，裝備測試性大綱 [S].

[2]石君友.測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證 [M].北京:國防工業(yè)出版社，2011.

[3]李天梅.裝備測試性驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合評估方法研究 [D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[4]韓樂，胡政，劉海明.可測試性分析工具TEAMS及其應(yīng)用 [J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)， 2006，20（6）：763-766.

[5]高成金，王琳，王磊.基于TEAMS的ATS戰(zhàn)場損傷定位研究 [J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24（2）：105-110.

[6]田華明，孫華，趙宏家.復(fù)雜電子系統(tǒng)的TEAMS測試性研究 [J].測控技術(shù)，2009，28（9）：72-76.

[7]石君友，張鑫，鄒天剛.多信號建模與診斷策略設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用 [J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33（4）：811-815.