基于試驗的試飛階段檢測率驗證模型研究

馮 康

(中國飛行試驗研究院 飛行部，陜西 西安710089)

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來，國外機內(nèi)測試技術(shù)已廣泛用于武器系統(tǒng)的研制過程，國內(nèi)新研制的重要系統(tǒng)或設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)中也都包括測試性的定性和定量要求。這就要求在產(chǎn)品整個設(shè)計研制過程中需進行一系列的測試性設(shè)計與驗證工作。故障檢測率作為測試性的一項重要指標(biāo)，如何實現(xiàn)故障檢測率的科學(xué)評估和客觀驗證將成為測試性的一個重要研究方向［1］。

故障檢測率是指在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)與被測單元發(fā)生的故障總數(shù)之比。故障檢測的能力是指發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)一個或多個故障、采用規(guī)定的方法和步驟直接或間接地確定系統(tǒng)或單元故障、向操作人員指示故障的能力。

1 面臨的問題

試飛階段的測試性指標(biāo)驗證是產(chǎn)品定型或鑒定工作的重要組成部分。而在目前的實際工作中，故障檢測率的評估主要存在以下幾個方面的問題:

(1)試飛期間產(chǎn)品產(chǎn)生的自然樣本量較少，一般不能滿足GJB2072規(guī)定的30個樣本的要求，現(xiàn)采用測試性模擬試驗的方式進行補充樣本。然而由于評估對象的不同，會出現(xiàn)兩種情況:對于組成較為簡單、故障模式較少的產(chǎn)品，選取所有的故障模式仍不能滿足樣本量的要求;對組成較為復(fù)雜、故障模式較多的產(chǎn)品，30個樣本量無法覆蓋所有的外場可更換單元(LRU);

(2)產(chǎn)品測試性試驗樣本的選取是根據(jù)產(chǎn)品的故障模式及影響分析(FMEA)報告中對應(yīng)約定層次的故障模式，然而在試飛現(xiàn)場發(fā)生的自然樣本中會存在無法與FMEA報告中的故障模式對應(yīng)的情況，最后導(dǎo)致無法直接對模擬樣本和自然樣本進行融合;

(3)產(chǎn)品模擬注入故障或自然發(fā)生故障，使用規(guī)定的故障檢測程序，其結(jié)果只有兩種可能:檢測或未檢測，屬成敗型試驗，每個樣本只需模擬一次便可以反映產(chǎn)品的測試性水平。然而每個樣本發(fā)生的概率不同，因此利用傳統(tǒng)的計算模型無法考慮各產(chǎn)品、各組成部件故障率的影響。

針對以上問題，并結(jié)合試飛現(xiàn)場和產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜程度等實際情況，本文通過建立測試性模擬試驗樣本選取及分配原則、自然樣本和模擬樣本融合方法，并在此基礎(chǔ)上建立基于故障率的故障檢測率評估模型，解決了傳統(tǒng)測試性評估方法在實際應(yīng)用中樣本覆蓋不全以及評估結(jié)果受限等技術(shù)問題。

2 解決方案

2.1 樣本選取及分配原則

在所有試驗條件具備后，試驗中最重要的內(nèi)容就是樣本量的確認(rèn)和樣本的選取。對于測試性模擬試驗來說，同一測試樣本的樣本量分配應(yīng)均為1。目前對于樣本量的確認(rèn)主要采用二項分布法:采用定數(shù)截尾試驗，從樣本總體N中抽取n個試驗樣本，每次抽樣為0-1分布，即不是成功(可檢測)就是失敗(不可檢測)，近似認(rèn)為成功的頻率等于成功的概率，記為q，那么失敗的概率為1－q。在n次抽樣中，成功i次的概率由二項分布來表達(dá):

二項分布法的判別準(zhǔn)則規(guī)定:n次抽樣中允許失敗不超過r次，如果試驗中實際失敗的次數(shù)r'≤r，則判為合格，否則判為不合格。試驗方案中n和r的確定，采用如下的方程組確定:

式中:α為承制方風(fēng)險;β為使用方風(fēng)險;q0為檢測率目標(biāo)值;q1為檢測率最低可接受值［2］。

依據(jù)實際驗證總結(jié)，測試性模擬試驗樣本的選取應(yīng)遵循以下原則:

(1)依據(jù)產(chǎn)品FMEA報告中相應(yīng)約定層次的所有故障模式;

(2)剔除由于安全性等因素而不能進行注入的故障模式，篩選出試驗?zāi)苓M行模擬的故障模式;

(3)選定作為測試性模擬試驗樣本的所有故障模式需覆蓋所有需驗證的約定層次;

(4)選定的測試性模擬試驗樣本應(yīng)明確注入的方式，且每一個測試樣本的樣本量分配至少為1。

2.2 自然樣本和模擬樣本融合方法

測試性模擬試驗樣本選取及分配原則的建立解決了樣本不足的問題。但由于產(chǎn)品測試性模擬試驗樣本的選取是根據(jù)產(chǎn)品的故障模式及FMEA報告中對應(yīng)約定層次的故障模式，而在試飛現(xiàn)場發(fā)生的自然樣本中會存在無法與FMEA報告中的故障模式對應(yīng)的情況［3］。產(chǎn)生此類現(xiàn)象原因主要有以下兩點:

(1)在測試性的設(shè)計階段，設(shè)計單位對產(chǎn)品進行FMEA分析時，由于對產(chǎn)品工作環(huán)境等因素考慮不充分等原因，產(chǎn)品的故障模式無法羅列全面;

(2)由于軍方對新型裝備的迫切需求，導(dǎo)致產(chǎn)品的研制進度非常緊張。往往設(shè)計定型試飛會和環(huán)境鑒定試驗等同步進行，這樣會出現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)生故障時的狀態(tài)和最后定型的狀態(tài)存在偏差。

對于外場出現(xiàn)的故障，需分析發(fā)生的原因，如果注入方式不具有破壞性且故障成因可復(fù)現(xiàn)，可將自然樣本補充到測試性模擬試驗中，既可以對模擬樣本進行補充，也可以對FMEA報告進行完善。

2.3 基于故障率的故障檢測率評估模型

依據(jù)設(shè)計單位提供的FMEA報告和外場發(fā)生的自然樣本，按上述原則和方法進行測試性模擬樣本的選取。組織開展測試性模擬試驗，采用規(guī)定的方法進行故障的注入，統(tǒng)計模擬樣本的檢測情況，產(chǎn)生測試性模擬試驗數(shù)據(jù)。故障檢測率(FDR)傳統(tǒng)的評估模型如下:

式中:γFD為故障檢測率;NFD為正確檢測到的故障數(shù);N為被測單元發(fā)生的故障總數(shù)。

由于測試性模擬試驗樣本不是按照各個產(chǎn)品的故障率進行分配，而是采用等比例分配的方法，因此在評估中需加權(quán)故障率。然而由于FMEA報告中對產(chǎn)品的故障模式分析不全面，會存在外場發(fā)生、而FMEA報告未涉及的情況。因此本文在故障檢測率傳統(tǒng)評估模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合外場故障和測試性模擬試驗的特點，建立基于LRU級故障率的故障檢測率評估模型。

首先計算第i個LRU的故障檢測率:

式中:NZD為正確檢測出的自然故障數(shù);NMD為正確檢測出的模擬故障數(shù);NZ為自然故障(未列入模擬清單的樣本)總數(shù);NM為模擬故障總數(shù)。

然后通過加權(quán)產(chǎn)品各個LRU故障率的方式，計算產(chǎn)品的故障檢測率:

式中:rFD為系統(tǒng)的FDR評估值;NL為系統(tǒng)包含的LRU個數(shù);λLRUi為第i個LRU故障率;rLRUi為第i個LRU的故障正確檢出率。

3 應(yīng)用分析

上述方法是在全面考慮測試性評估樣本的基礎(chǔ)上，結(jié)合外場試飛的特點，建立基于LRU故障率的故障檢測率評估模型。目前，基于自然和內(nèi)場試驗樣本的故障檢測率評估方法已應(yīng)用到某型飛機各分系統(tǒng)或設(shè)備的故障檢測率評估工作中，并在后續(xù)型號的技術(shù)準(zhǔn)備階段得到了推廣和應(yīng)用。下面以某型號的集中告警系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))檢測率驗證為例，對方法的可行性進行驗證。

系統(tǒng)由6個LRU組成，分別為集中告警計算機、中央信號燈盒、左危險燈盒、右危險燈盒、機架、電源盒。在外場發(fā)生了3起故障，均為集中告警計算機問題，其中2條正確檢測出，1條未檢測出。由于樣本量無法滿足檢測率的要求，因此需開展測試性模擬試驗。具體步驟如下:

(1)分析系統(tǒng)的FEMA報告，并依據(jù)測試性樣本的分配原則，確定了系統(tǒng)的測試性模擬試驗樣本庫(共33個樣本)。由于故障注入方式的限制，確定試驗在設(shè)計單位進行;

(2)按照測試性試驗環(huán)境選取與建立的方法完成了試驗平臺的搭建;

(3)根據(jù)測試性試驗程序及一般要求，進行各測試性樣本注入方式的確認(rèn)，并依次對各個測試性用例進行一一驗證。

觀察測試結(jié)果(見表1)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)類故障以及電源類故障是無法檢測的，這與系統(tǒng)的測試性設(shè)計分析報告一致。

表1 系統(tǒng)測試性模擬試驗分配樣本及測試結(jié)果Table 1 Distribution samples and results of system test simulation

系統(tǒng)的測試性評估工作如下:(1)按照自然樣本和模擬樣本融合方法對外場的自然樣本和試驗中的模擬樣本進行融合，結(jié)果為:自然樣本和模擬樣本沒有相同的用例，因此需完善產(chǎn)品的FEMA報告;(2)根據(jù)基于故障率的故障檢測率評估模型，首先綜合試驗和外場的樣本，分別計算6個LRU的檢測率，然后分別加權(quán)各自的故障率，最后可得系統(tǒng)的故障檢測率為85.91%。

設(shè)計單位的測試性分析結(jié)果為86.926%，而如果根據(jù)傳統(tǒng)的點估計方法計算結(jié)果為77.78%。傳統(tǒng)的方法是簡單地通過對各個樣本的均值處理，無法考慮產(chǎn)品的故障產(chǎn)生的真實概率，通過評估結(jié)果的分析，基于故障率的故障件的評估模型計算出的結(jié)果更加接近產(chǎn)品的測試性水平。

4 結(jié)束語

通過系統(tǒng)檢測率驗證結(jié)果表明:本文方法有效地解決了測試性模擬試驗樣本選取和分配、自然樣本和內(nèi)場試驗樣本融合等技術(shù)問題，提高了故障檢測率評估結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度。通過對試飛階段的測試性模擬試驗和外場數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的測試性問題，為其測試性水平的提高提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，具有工程應(yīng)用價值。本文通過對故障檢測率評估方法的研究，反映了“依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、充分考慮試飛和裝備、在注重工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)上進行理論方法的應(yīng)用性創(chuàng)新”的思路。

［1］ 康銳，石榮德，肖波平，等.型號可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2010.

［2］ 康銳.測試性設(shè)計分析與驗證［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.

［3］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GJB/Z1391-2006 故障模式、影響及危害性分析指南［S］.北京:中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2006.