載人航天產(chǎn)品可測試性設(shè)計方法初步研究

熊曉英 王九龍 趙巖松

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部）

1 引言

可測試性又稱測試性，是指系統(tǒng)和設(shè)備能及時、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性[1]。因此，可測試性是系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計時所賦予的固有屬性，是為系統(tǒng)故障診斷提供方便的特性。可測試性設(shè)計的概念最早于1975年由F.Liour等人在《設(shè)備自動測試性設(shè)計》一文中提出，首先在航空領(lǐng)域中得到應(yīng)用[2]。1985年，美國頒布的MIL-STD-2165《電子系統(tǒng)和設(shè)備測試性大綱》規(guī)定了可測試性管理、分析、設(shè)計與驗證的要求和實施方法，是可測試性從維修性中分離出來，成為一門獨立新學(xué)科的確立標(biāo)志[3]。目前，我國航空和各種武器裝備等復(fù)雜系統(tǒng)執(zhí)行的可測試性標(biāo)準(zhǔn)，主要是1995年頒布的GJB 2547—裝備測試性大綱》。我國航天產(chǎn)品執(zhí)行的可測試性標(biāo)準(zhǔn)主要是1998年頒布的QJ 3501—《航天產(chǎn)品測試性設(shè)計準(zhǔn)則》。

按照載人航天工程“三步走”的戰(zhàn)略規(guī)劃，我國將建立空間站?？臻g站長期的運行需求，將導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、可靠性要求提高，僅靠功能冗余設(shè)計、系統(tǒng)安全模式設(shè)計、實施故障情況下系統(tǒng)重構(gòu)等手段已不能滿足長壽命需求，還必須采取相應(yīng)的保障和維修措施，以延長系統(tǒng)功能正常運行的時間。而維修工作實現(xiàn)的基礎(chǔ)就是通過測試將故障準(zhǔn)確定位和隔離，由此可見，載人航天領(lǐng)域迫切需要開展可測試性設(shè)計研究，只有及時、有效地檢測、定位和隔離故障，才能減少系統(tǒng)的維修時間、提高系統(tǒng)可用性、保障系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的可靠與安全，才能為長壽命空間站的在軌健康管理提供技術(shù)支持。

2 載人航天產(chǎn)品可測試性設(shè)計現(xiàn)狀分析

目前，載人航天領(lǐng)域重視的主要是“系統(tǒng)地面測試保障”而非“系統(tǒng)可測試性設(shè)計”。在地面測試發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)時，往往借助專家經(jīng)驗、查找歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，或接入轉(zhuǎn)接盒連接外部測試設(shè)備、拆除設(shè)備進(jìn)行單檢測試等多種便利手段來進(jìn)行故障和排除定位。這種利用地面綜合測試覆蓋來確保任務(wù)可靠和安全的工作模式，使得總體對產(chǎn)品在固有可測試性上的設(shè)計缺陷缺少關(guān)注，同時，運行中，由于缺少有效的測試資源和測試手段，出現(xiàn)故障時也很難直接檢測并定位至具體設(shè)備。

現(xiàn)行可測試性設(shè)計的不足主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）缺少可測試性指標(biāo)的量化

雖然在《航天產(chǎn)品測試性設(shè)計準(zhǔn)則》中，提出了部分電路設(shè)計的測試性設(shè)計準(zhǔn)則，可以指導(dǎo)一些單機(jī)產(chǎn)品的底層設(shè)計工作，但對具體的可測試性設(shè)計要求缺乏較明確的技術(shù)途徑。除一些概念性設(shè)計要求外，很少能對單機(jī)產(chǎn)品提出定量的可測試性指標(biāo)，以致于在設(shè)計評審中不能具體審查和考核產(chǎn)品可測試性設(shè)計要求的落實情況。

（2）缺乏有效的可測試性分析工具

缺乏科學(xué)的設(shè)計軟件對可測試性設(shè)計進(jìn)行分析和評估，往往依賴于設(shè)計師對可測試性設(shè)計的重視程度、設(shè)計水平和經(jīng)驗。在國外開展的可測試性設(shè)計中，除了采用試驗手段進(jìn)行測試性設(shè)計驗證外，在產(chǎn)品原理設(shè)計完成后，還利用軟件工具進(jìn)行可測試性建模、分析和評估，以驗證系統(tǒng)故障檢測與隔離能力、檢驗可測試性指標(biāo)落實情況，從而給出改進(jìn)建議。

（3）缺乏對長期在軌健康管理的支持

以往的載人航天系統(tǒng)沒有以在軌診斷和故障定位為目標(biāo)來設(shè)計方案，可測試性設(shè)計劃分主要根據(jù)功能劃分，很少考慮結(jié)構(gòu)劃分，往往多個功能集成在一個緊湊的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，不能滿足空間站故障隔離到在軌可維修級別的要求，且基本沒有考慮空間站環(huán)境下由航天員利用外部檢測設(shè)備參與測試的需求。

3 載人航天產(chǎn)品可測試性設(shè)計方法初步探討

基于載人航天產(chǎn)品可測試性設(shè)計現(xiàn)狀分析，針對空間站在軌維修需求，當(dāng)前載人航天開展可測試性設(shè)計所急需解決的主要問題是：總體如何對各單機(jī)產(chǎn)品提出合理的可測試性設(shè)計要求及定量化指標(biāo)？總體如何設(shè)計一套既適應(yīng)載人航天產(chǎn)品特點又具有一定先進(jìn)性的可測試性設(shè)計方法去指導(dǎo)各個單機(jī)產(chǎn)品可測試性工作的開展？

面臨挑戰(zhàn)，在參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及調(diào)研武器裝備可測試性設(shè)計工作基礎(chǔ)上，對載人航天產(chǎn)品提出了根據(jù)不同類型的航天產(chǎn)品特點，按照可測試性要求，運用可測試性建?！蓽y試性分析及評估→可測試性優(yōu)化及改進(jìn)→可測試性驗證的反復(fù)迭代方法，來推動可測試性工作的開展。具體描述如下：

首先，通過對當(dāng)前航天產(chǎn)品的可測試性建模，可以對航天產(chǎn)品可測試性現(xiàn)狀進(jìn)行分析及評估，獲取相關(guān)的可測試性數(shù)據(jù)，尋找產(chǎn)品可測試性設(shè)計缺陷；

然后，結(jié)合產(chǎn)品特點、壽命分析以及空間站提出的在軌維修等新需求，經(jīng)綜合評價后，在提高產(chǎn)品固有可測試性設(shè)計、增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)內(nèi)測試（BIT）設(shè)計以及利用外部測試設(shè)備（ATE）輔助故障定位等方面提出有效的改進(jìn)建議；

最后，將改進(jìn)設(shè)計反饋到產(chǎn)品可測試性模型中，重現(xiàn)分析及評估改進(jìn)后產(chǎn)品所能滿足的可測試性要求以及可達(dá)到的可測試性指標(biāo)。

應(yīng)用上述迭代分析、評估及驗證方法后，可以逐步提高產(chǎn)品所能達(dá)到的可測試性水平，并使總體有充分的分析依據(jù)作為參考，對單機(jī)設(shè)計提出明確的可測試性要求，分配合理的可測試性指標(biāo)。同時，此方法借助了先進(jìn)的分析工具，有利于提高分析效率，確保對復(fù)雜產(chǎn)品分析工作的準(zhǔn)確、有效?？傮w在經(jīng)過對此方法的成功應(yīng)用后，也可推廣于分系統(tǒng)產(chǎn)品研制過程中，在完成產(chǎn)品原理設(shè)計后，分系統(tǒng)可開展可測試性建模，通過迭代分析、評估及優(yōu)化改進(jìn)，驗證產(chǎn)品所具備的故障檢測與隔離能力、檢驗可測試性指標(biāo)落實情況。

3.1 開展可測試性設(shè)計要求分析

確定合理的可測試性設(shè)計要求，是使航天產(chǎn)品具有良好的測試性和診斷能力的基礎(chǔ)。在對產(chǎn)品的使用要求、相關(guān)設(shè)計信息、故障影響信息以及維修保障信息等進(jìn)行權(quán)衡分析的基礎(chǔ)上，可以獲取產(chǎn)品的可測試性要求[4]。可測試性要求包括定性要求和定量要求，定性要求主要是產(chǎn)品的可測試性設(shè)計準(zhǔn)則要求，定量要求主要是相關(guān)的可測試性參數(shù)指標(biāo)要求。

可測試性定量化指標(biāo)用于衡量產(chǎn)品可測試性設(shè)計的好壞程度，主要包括：故障診斷效能指標(biāo)、故障診斷效率指標(biāo)。由于載人航天器的特點，在地面測試、無人自主飛行、有航天員參與的飛行這三種不同運行環(huán)境中測試條件和測試手段有較大差別，可測試性指標(biāo)要求也存在差異。主要分析原則如下：

在地面測試階段，原則上要求可以執(zhí)行的測試應(yīng)全部執(zhí)行，由于地面測試手段全面，測試條件和人員技術(shù)水平較高，因此，一般要求故障檢測率等指標(biāo)能夠達(dá)到100%。

無人自主飛行期間，為確保系統(tǒng)的可靠，各種功能和設(shè)備都有備份乃至多重備份手段，因此，要求無人自主飛行期間，具備故障定位到冗余備份單元的能力，對于平均檢測時間也需要提出一定的要求，以確保系統(tǒng)能夠及時切換到備份。而對于故障檢測率的指標(biāo)要求則可以根據(jù)故障危害度和安全性要求，結(jié)合測試代價，適當(dāng)放寬。

有航天員參與飛行期間，故障隔離率要求較高，除了能夠利用機(jī)內(nèi)測試設(shè)備進(jìn)行故障檢測外，還可以由航天員利用外部測試設(shè)備提高故障定位、隔離能力，具體指標(biāo)可根據(jù)自主診斷及外部診斷難易程度加以確定。同時，由于載人航天器上下行運輸能力的限制，以及航天員在軌維修、更換水平的約束，航天產(chǎn)品的維修方法只能是進(jìn)行設(shè)備整機(jī)或功能模塊的更換。因此，只需根據(jù)功能單元的故障診斷要求將故障隔離到可更換單元（ORU）即可，不用進(jìn)一步定位到元器件級別。對平均隔離時間的指標(biāo)要求也需要結(jié)合維修方案的維修時間來考慮。

因此，載人航天需要結(jié)合每類產(chǎn)品在不同運行環(huán)境下的測試需求和測試手段，尤其是在軌維修工作對產(chǎn)品故障定位級別、維修工作的限制條件等需求，確定每類產(chǎn)品的可測試性要求及需要重點關(guān)注的可測試性指標(biāo)，并從可行性和需要付出的代價等方面綜合確定相應(yīng)指標(biāo)的取值范圍[5]。

3.2 開展可測試性建模、分析及評估

可測試性建模是進(jìn)行航天產(chǎn)品測試性分析、評估與優(yōu)化的基礎(chǔ)。借鑒國外及國內(nèi)武器系統(tǒng)在可測試性分析工具上的成功運用，提出了運用TEAMS軟件，采用多信號流圖模型的建模方法。該方法提供了層次化的建模機(jī)制，能夠清晰地描述系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機(jī)、功能模塊、元器件等不同層次之間的可測試性信息，可以把專家對系統(tǒng)的理解和測試診斷經(jīng)驗簡單直觀地轉(zhuǎn)換成專家知識并以模型化的文檔形式保存，同時，方便系統(tǒng)模型和測試性設(shè)計的修改和優(yōu)化。

TEAMS軟件是Qualtech公司可測試性分析與設(shè)計環(huán)境的模型支撐，是一個針對大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行測試次序和測試性分析設(shè)計的軟件工具[6]。TEAMS軟件通過依賴度建模的方法，僅需輸入系統(tǒng)部件的模型，就能夠定量描述故障的傳播關(guān)系、故障與測試之間的依賴關(guān)系、測試與測試的相關(guān)性關(guān)系，評估系統(tǒng)或設(shè)備所能達(dá)到的可測試性指標(biāo)。同時，在診斷推理過程中，不用定性推理，直接根據(jù)系統(tǒng)的依賴矩陣，利用傳感器的信號，不斷排除正常元件，就能最后得到發(fā)生故障的元件集合。利用多信號流圖模型進(jìn)行建模和分析，一般需要如下四個步驟[7]：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能層次劃分，包括：系統(tǒng)的基本構(gòu)成模塊、模塊的功能、模塊之間的輸入輸出關(guān)系；

（2）向模塊添加故障模式和測試點，并對測試點進(jìn)行定義，在模塊之間添加鏈接關(guān)系，以表述依賴關(guān)系流；

（3）當(dāng)在建模過程中出現(xiàn)冗余結(jié)構(gòu)、冗余備份電路部件等，需要修正模型；

（4）為模型執(zhí)行多種測試性分析，根據(jù)評估結(jié)果策略和測試報告對模型進(jìn)行檢驗。

運用TEAMS軟件輔助可測試性設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 可測試性設(shè)計流程

3.3 可測試性改進(jìn)

可測試性改進(jìn)工作主要是以評估分析結(jié)果為基礎(chǔ)，針對發(fā)現(xiàn)的不足，研究并提出提高設(shè)備固有可測試性設(shè)計、增強(qiáng)BIT設(shè)計以及利用外部測試設(shè)備輔助故障定位的可測試性改進(jìn)方法及措施。

為方便功能測試和故障隔離，固有可測試性設(shè)計中一項主要工作是把復(fù)雜設(shè)備合理地劃分為可獨立測試的單元[8]。針對空間站系統(tǒng)在軌維修需求，每一個ORU的功能劃分和結(jié)構(gòu)集成需要采取模塊化設(shè)計思想，應(yīng)盡量將每一個ORU功能封裝在一個結(jié)構(gòu)單元模塊內(nèi)，實現(xiàn)對每個ORU的獨立測試和更換，提高其故障檢測和故障隔離能力。

BIT技術(shù)是改善系統(tǒng)可測試性的重要手段，可以為系統(tǒng)提供在線性能監(jiān)控和故障隔離能力。載人航天集中了分布式BIT設(shè)計和集中式BIT設(shè)計優(yōu)勢，提出了分層集中BIT設(shè)計的方法，并盡量將BIT測試擴(kuò)展到各個可更換的維修級別內(nèi)[9]。整個系統(tǒng)由ORU級BIT、分系統(tǒng)級BIT和系統(tǒng)級BIT自下而上，遞階組成。三層BIT之間分別通過分系統(tǒng)級內(nèi)部測試總線、分系統(tǒng)級1553B總線、系統(tǒng)級1553B總線進(jìn)行連接。對于簡單的分系統(tǒng)，選用集中式BIT設(shè)計，整個分系統(tǒng)的控制、診斷和決策功能都集中在一個微處理器來實現(xiàn)；對于復(fù)雜的分系統(tǒng)，可以在ORU級選用分散式BIT設(shè)計，在分系統(tǒng)級再綜合集中各下級BIT的信息。此分層集中式BIT設(shè)計結(jié)構(gòu)，有效利用了下級BIT較強(qiáng)的信息獲取能力，并綜合了上級BIT強(qiáng)大的信息處理能力，有利于實現(xiàn)橫向各BIT的并行測試，又便于實現(xiàn)縱向?qū)哟蔚臏y試復(fù)用。分層集中式BIT結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 BIT結(jié)構(gòu)示意圖

借助外部自動測試診斷設(shè)備（ATE）來輔助故障定位和隔離，是提高系統(tǒng)外部診斷能力的有效手段。在載人航天器運行期間，航天員的駐留是一個相對其它航天器所不具備的特殊有利條件，因此，在機(jī)內(nèi)測試不能滿足故障定位要求時，可以為航天員配備操作便利、功能完善的外部自動測試設(shè)備，實現(xiàn)與故障設(shè)備的在線交互。ATE可以通過產(chǎn)品上預(yù)留的測試接口以及與產(chǎn)品BIT的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對產(chǎn)品測試信息的詳細(xì)判讀，確定產(chǎn)品的故障狀態(tài)；通過運行相應(yīng)的測試診斷程序，定位并隔離產(chǎn)品故障到ORU；通過實施相應(yīng)的測試激勵加載、維修輔助決策程序并獲取遠(yuǎn)程技術(shù)支持等，指導(dǎo)航天員在空間應(yīng)用現(xiàn)場逐步完成測試、維修以及修復(fù)后的確認(rèn)檢查工作，提高系統(tǒng)可用性。

3.4 可測試性驗證

可測試性驗證是為了確認(rèn)可測試性分析及設(shè)計的正確性，檢查是否滿足可測試性要求而開展的工作[10]。載人航天產(chǎn)品所采取的可測試驗證方法主要是選取BIT設(shè)計不合理的典型產(chǎn)品，通過可測試性分析改進(jìn)BIT設(shè)計，修正可測試性模型，輔助ATE的運用，并與維修性試驗相結(jié)合，共同集成來驗證BIT檢測及隔離故障的能力、產(chǎn)品與ATE的兼容性、可測試性模型的有效性等。

4 可測試性設(shè)計方法應(yīng)用

以載人航天器一分系統(tǒng)控制器為例，運用TEAMS軟件建立多信號流圖測試性模型，分析、評估其測試性設(shè)計。

4.1 結(jié)構(gòu)組成及功能分析

該控制器為CPU控制類產(chǎn)品，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和顯示驅(qū)動任務(wù)，采用雙機(jī)（A、B機(jī)）熱備份的組成結(jié)構(gòu)，每個單機(jī)均能獨立完成設(shè)備功能。其功能框圖如圖3所示。

4.2 可測試性要求分析

由于該控制器在軌運行出現(xiàn)故障后會立刻造成顯示過程中斷，影響航天員的正常工作，因此，其故障檢測時間要求較高，需要控制在秒級范圍。同時，該控制器采用了插卡式結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)單塊電路板的維修更換需求，因此，故障隔離率應(yīng)盡可能高，故障隔離模糊組應(yīng)達(dá)到1，即定位至單獨的板卡。

4.3 可測試性建模及分析

按照單機(jī)、模塊、子模塊、部件以及各層次間故障模式的關(guān)系，建立產(chǎn)品“自上而下”的層次化模型，并設(shè)置各模塊輸入、輸出端口屬性，確保信息流傳遞的準(zhǔn)確。根據(jù)面向測試診斷的FMEA分析所提供的相關(guān)信息，為建立的模塊添加相應(yīng)的故障模式。如CPU模塊的故障模式包括：CPU故障和存儲器故障。根據(jù)能夠提供的測試手段，添加測試點，明確執(zhí)行測試的位置，如該控制器測試可添加兩個測試點：單機(jī)地面單檢測試、單機(jī)在軌測試。運用TEAMS軟件構(gòu)建的A機(jī)模塊級多信號流圖如圖4所示。

圖3 控制器功能示意圖

圖4 A機(jī)TEAMS多信號流圖模型示意圖

4.4 可測試性評估

通過可測試性分析結(jié)果，評估該控制器所達(dá)到的可測試性指標(biāo)。單機(jī)地面測試時，由于測試方法和手段較齊全，故障檢測率達(dá)到98.76%，隔離率達(dá)到82.03%，故障隔離模糊組滿足要求，整體測試性水平較高；單機(jī)在軌測試時，測試資源有限，自檢能力較差，此時故障檢測率為65%，故障隔離率45.96%，故障隔離模糊組不滿足要求，需要在增加BIT設(shè)計，航天員輔助ATE的運用等方面進(jìn)行測試優(yōu)化。

5 結(jié)論

面對載人航天可測試性設(shè)計需求的不斷增長，分析評價每類產(chǎn)品在不同環(huán)境中需要具備的可測試性指標(biāo)，開展適應(yīng)于航天產(chǎn)品特點的可測試性設(shè)計方法的研究，是載人航天領(lǐng)域在可測試技術(shù)研究上的初步嘗試，對未來建造和運營空間站的發(fā)展需求具有重要意義。只有具有良好可測試性的系統(tǒng)才能具備便于監(jiān)控其“健康”狀態(tài)的特性，才能及時、有效地檢測、定位和隔離故障，保障系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的可靠與安全。 ◇

［1］田仲，石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2003，4.

［2］ William R.Simpson，John W.Sheppard.System Test and Diagnosis[M].Kluwer Academic Publishers，1994.

［3］溫熙森，胡政，易曉山，等.可測試性技術(shù)的現(xiàn)狀與未來［J］.測控技術(shù)，2000，19（1）：9-12.

［4］陳光禹，潘中良.可測試性設(shè)計技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，1997.

［5］曾天翔.電子設(shè)備測試性及診斷技術(shù)［M］.航空工業(yè)出版社，1995.

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［8］孟亞峰，蔡金燕，曹宏炳.電子武器系統(tǒng)的可測試性設(shè)計［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2002年增刊.

［9］石山，劉勇智，童止戈，謝軍.飛機(jī)機(jī)電BIT技術(shù)［M］.國防工業(yè)出版社，2010.

［10］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 2547-95裝備測試性大綱［S］.國防科工委軍標(biāo)出版社，1995.