基于仿真模型的測試性試驗(yàn)信息提取技術(shù)研究

胡 泊，吳 棟，趙 靖，謝麗梅

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610）

引言

對武器裝備而言，通過良好的測試性設(shè)計，可以提高裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和安全性，減少維修人力及其他保障資源，降低壽命周期費(fèi)用[1]。隨著新一代武器系統(tǒng)電子裝備高度集成化、一體化、復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展趨勢，測試、診斷和維修保障問題日益突出，已無法滿足武器系統(tǒng)快速診斷隔離的需求。究其根本原因有兩點(diǎn)：一是在產(chǎn)品設(shè)計階段出現(xiàn)了功能設(shè)計與測試性設(shè)計“兩張皮”的現(xiàn)象，導(dǎo)致其固有測試性水平低；二是在產(chǎn)品研制階段沒有有效的手段來開展測試研制試驗(yàn)，在定型階段未開展合理的測試性試驗(yàn)，從而導(dǎo)致交付部隊使用的電子裝備測試性水平得不到保證。

為了解決產(chǎn)品固有測試性水平低的問題，目前在型號工程中已經(jīng)推廣使用測試性仿真分析的方法，該方法可以在研制階段及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計缺陷并進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到輔助產(chǎn)品測試性設(shè)計的目的，但由于只停留在軟件仿真階段，未與相關(guān)的試驗(yàn)相結(jié)合，對實(shí)際的改進(jìn)提升指導(dǎo)作用非常有限；而針對產(chǎn)品的測試性指標(biāo)合理驗(yàn)證問題，也可開展基于故障注入的測試性試驗(yàn)，但由于前期信息利用不充分，測試性試驗(yàn)大綱的編制存在信息收集困難、周期長、效率低等問題。因此亟需開展測試性仿真與測試性試驗(yàn)內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系等相關(guān)技術(shù)研究。

1 測試性試驗(yàn)信息需求分析

1.1 測試性試驗(yàn)概述

GJB 2547A《裝備測試性工作通用要求》中，規(guī)定了測試性試驗(yàn)與評價的六個工作項(xiàng)目，其中就包括了“測試性驗(yàn)證試驗(yàn)”。測試性驗(yàn)證試驗(yàn)是在產(chǎn)品的設(shè)計定型階段，由指定的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)按事先設(shè)計好的試驗(yàn)方案，在受試產(chǎn)品上實(shí)施故障注入，并通過規(guī)定的方法進(jìn)行實(shí)際測試，對產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行判斷是否符合預(yù)期，以評估產(chǎn)品的測試性相關(guān)指標(biāo)值是否滿足要求的過程[2]。同時，也可將該方法用于產(chǎn)品的研制階段，通過試驗(yàn)的方式發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的測試性設(shè)計缺陷，采取改進(jìn)措施，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制階段的測試性增長。

1.2 測試性試驗(yàn)實(shí)施流程

測試性試驗(yàn)工作實(shí)施流程如圖1所示。主要步驟如下[1]。

1）制定產(chǎn)品的測試性試驗(yàn)大綱，建立驗(yàn)證試驗(yàn)組織，組織試驗(yàn)大綱評審；

2）根據(jù)產(chǎn)品的測試性試驗(yàn)大綱的規(guī)定，完成受試產(chǎn)品、測試設(shè)備、故障注入設(shè)備的準(zhǔn)備工作，編制試驗(yàn)程序，確定故障注入手段及具體操作步驟；

3）根據(jù)試驗(yàn)程序中規(guī)定的故障注入手段和操作步驟實(shí)施故障注入操作；

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：故障注入實(shí)施完成后，根據(jù)大綱中的故障檢測和隔離指示，判斷故障是否可被正確檢測和隔離，并將結(jié)果進(jìn)行記錄；

5）參數(shù)評估及合格判定：通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估產(chǎn)品的故障檢測率和隔離率，并與要求進(jìn)行對比，給出是否滿足要求的結(jié)論；

6）將試驗(yàn)過程、原始記錄、評估結(jié)果進(jìn)行匯總，編寫試驗(yàn)報告；

7）組織試驗(yàn)驗(yàn)收評審。

1.3 測試性試驗(yàn)信息需求分析

根據(jù)上述測試性試驗(yàn)的方案確定及實(shí)施流程，對開展試驗(yàn)所需的信息進(jìn)行分析，主要包括以下內(nèi)容：

1）產(chǎn)品基本信息

一般情況下，測試性試驗(yàn)均需在第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行，這就需開展試驗(yàn)工作的人員對產(chǎn)品有一定的了解，包含以下基本信息：

①產(chǎn)品型號、名稱；

②產(chǎn)品功能；

③產(chǎn)品組成，LRU-SRU；

④產(chǎn)品功能模塊的劃分；

⑤產(chǎn)品工作原理及工作模式；

⑥產(chǎn)品的BIT/測試性設(shè)計；

⑦產(chǎn)品的測試性指標(biāo)要求。

2）產(chǎn)品故障模式

產(chǎn)品的FMEA報告是開展測試性試驗(yàn)的基礎(chǔ)，其功能模塊級故障模式是進(jìn)行方案制定的基礎(chǔ)，元器件級故障模式是開展故障注入的基礎(chǔ)，因此，要求產(chǎn)品的故障模式必須全面、準(zhǔn)確，試驗(yàn)前需確定的故障模式信息如下：

①功能模塊級的故障模式；

②功能模塊故障模式的故障率和頻數(shù)比；

③功能模塊故障模式對產(chǎn)品的影響（故障現(xiàn)象）；

④功能模塊故障模式的檢測方法；

⑤功能模塊故障模式的故障原因（器件級）。

3）故障注入方法

故障注入是開展測試性試驗(yàn)的手段，每個故障模式能否實(shí)施故障注入，或用何種方式來實(shí)施故障注入，對整個試驗(yàn)來說都是至關(guān)重要的，開展試驗(yàn)前需掌握以下信息：

①各功能模塊故障模式的故障注入方法；

②實(shí)施故障注入所需的試驗(yàn)設(shè)備；

③ 不可注入故障模式的原因及檢測方法。

2 測試性建模仿真分析

2.1 測試性仿真概述

圖1 測試性試驗(yàn)工作實(shí)施程序

測試性仿真是在產(chǎn)品研制初期，通過建立測試性模型，并針對模型進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計中存在的問題，為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計改進(jìn)提供依據(jù)，同時也可初步評估其測試性指標(biāo)，優(yōu)選設(shè)計方案或確定方案的可行性。其優(yōu)點(diǎn)是：周期短，效率高，所需軟硬件資源少，可以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，及時實(shí)施改進(jìn)以提高產(chǎn)品測試性水平。

目前最具代表性的測試性建模仿真分析軟件是TEAMS。該軟件是美國Qualtech公司開發(fā)的用于測試性設(shè)計分析和指標(biāo)評估的工具系統(tǒng)，它也是基于多信號流模型的測試性分析與評估軟件平臺[3]。該軟件可通過靜態(tài)分析和測試性分析，得出產(chǎn)品的測試性指標(biāo)（包括FDR和FIR）、診斷流程，以及不可檢測故障、測試點(diǎn)使用情況等信息[4]。目前，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)也根據(jù)TEAMS的建模思想開發(fā)了相應(yīng)的軟件工具，如北京聯(lián)合信標(biāo)測試技術(shù)有限公司的TADS、北京航空航天大學(xué)的TMAS、工信部電子五所的TestMADS等。無論是TEAMS還是國內(nèi)的相關(guān)軟件工具，其所需的建模信息基本是一致的，因此本文僅以TEAMS為例進(jìn)行論述。

2.2 測試性仿真流程

測試性建模仿真工作流程如圖2所示，將整個過程分為3個階段：建模準(zhǔn)備階段，建模過程階段和審查階段。

2.3 測試性仿真模型包含信息

1）產(chǎn)品基本信息

產(chǎn)品的基本信息并不一定均含在測試性模型中，但卻是在開展測試性建模前必須了解的信息，主要包括以下幾點(diǎn)：

①產(chǎn)品型號、名稱；

②產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能以及基本工作原理；

③產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)->子系統(tǒng)->LRU->SRU->SSRU；

④產(chǎn)品功能模塊的劃分；

⑤產(chǎn)品的工作模式；

⑥產(chǎn)品的BIT/測試性設(shè)計；

⑦產(chǎn)品的測試性指標(biāo)要求。

2）產(chǎn)品故障模式

測試性模型的底層單元即基本單元是模塊的故障模式，故障模式的信息影響整個測試性模型的合理性以及可信性，故障模式包含的信息如下：

圖2 測試性建模仿真工作流程

①功能模塊級的故障模式；

②功能模塊故障模式的故障率；

③功能模塊故障模式對產(chǎn)品的影響（對產(chǎn)品功能的影響）；

④功能模塊故障模式的檢測方法；

⑤故障修復(fù)時間、修復(fù)費(fèi)用等信息。

3）產(chǎn)品的測試與測試點(diǎn)

在產(chǎn)品的測試性設(shè)計中，需要獲得內(nèi)部某些特定參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)確定產(chǎn)品的工作狀態(tài)。在測試性模型中，測試點(diǎn)指的是系統(tǒng)中執(zhí)行測試的抽象位置（不是實(shí)際的測試點(diǎn)，每個測試點(diǎn)對應(yīng)一個或多個物理端口），每個測試點(diǎn)可能包括一個或多個測試，每個測試可同時判定多個診斷功能。模型中包含的測試與測試點(diǎn)的具體信息如下：

①測試點(diǎn)名稱，包含的測試名稱、模型中包含的測試點(diǎn)列表等；

②測試類型、測試的優(yōu)先級、測試所需時間費(fèi)用、測試標(biāo)識分類等；

③傳播到測試點(diǎn)的所有功能、測試可確定的功能名稱等。

4）其它信息

①信號傳遞方向；

②產(chǎn)品不可檢測故障模式；

③產(chǎn)品不可隔離故障模式。

3 測試性仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)信息對比分析

針對測試性仿真所包含的信息與開展測試性試驗(yàn)所需的信息進(jìn)行對比分析，為有效信息的提取提供依據(jù)。詳見表1。

4 測試性仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

如前所述，測試性仿真主要是在設(shè)計階段通過建立產(chǎn)品測試性模型的方式進(jìn)行測試性指標(biāo)評估；而測試性試驗(yàn)則是在定型階段，通過實(shí)施故障注入的方式驗(yàn)證產(chǎn)品的測試性指標(biāo)是否滿足要求。

表1 測試性仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)信息對比分析

1）相同點(diǎn)

測試性仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)的相同點(diǎn)如下：

①都以FMECA為基本輸入；

②都需對產(chǎn)品進(jìn)行功能模塊的劃分，并分析功能模塊的故障模式；

③都以故障模式為基礎(chǔ)對指標(biāo)進(jìn)行評估；

④都可對產(chǎn)品的測試性指標(biāo)進(jìn)行定量評估；

表2 測試性仿真模型有效信息提取結(jié)果

⑤測試性仿真的定量評估與驗(yàn)證試驗(yàn)樣本量的分配都以可靠性預(yù)計結(jié)果為基礎(chǔ)。

2）不同點(diǎn)

測試性仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)的不同點(diǎn)如下：

①測試性仿真在產(chǎn)品設(shè)計階段初期開展，驗(yàn)證試驗(yàn)在定型階段開展；

②測試性仿真以發(fā)現(xiàn)問題為目的，驗(yàn)證試驗(yàn)以考核指標(biāo)為目的；

③測試性仿真以研制單位為主開展，驗(yàn)證試驗(yàn)以試驗(yàn)單位為主開展；

④測試性仿真需知道產(chǎn)品的BIT /測試點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計，驗(yàn)證試驗(yàn)則不需此信息；

⑤測試性仿真在數(shù)字模型上開展，驗(yàn)證試驗(yàn)在實(shí)物上開展；

⑥測試性仿真利用點(diǎn)估計進(jìn)行指標(biāo)評估，而驗(yàn)證試驗(yàn)可采用點(diǎn)估計、區(qū)間估計等多種方法進(jìn)行評估；

⑦測試性仿真可對產(chǎn)品進(jìn)行定性評價，給出模糊組、不可檢測故障、冗余測試點(diǎn)等信息，驗(yàn)證試驗(yàn)則無法給出。

5 結(jié)論

在測試性仿真模型的基礎(chǔ)上，提取有效信息，為開展測試性試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，信息提取結(jié)果詳見表2。

測試性模型中包含的信息基本都為開展測試性試驗(yàn)所需的信息，合理提取并運(yùn)用這些信息可避免重復(fù)勞動，大大提高編制試驗(yàn)大綱、實(shí)施故障注入的工作效率，可為試驗(yàn)的順利開展奠定基礎(chǔ)。

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

[2]GJB 2547A-2012 ,裝備測試性工作通用要求[S].

[3]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, 2006,20(6):763-766.

[4]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, 2010,24(2):105-110.