裝備測試性驗證技術(shù)綜述

向蔭，江豐

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東　廣州　510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東　廣州　510610）

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裝備測試性驗證技術(shù)綜述

向蔭1，2，3，江豐1，2，3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東廣州510610）

摘要：裝備測試性驗證是指為檢驗設(shè)計和制造所賦予裝備的測試性是否滿足規(guī)定的測試性要求而進(jìn)行的試驗與評價工作，是裝備故障預(yù)測與健康管理設(shè)計的重要依據(jù)，也是裝備采辦管理和科學(xué)決策的基礎(chǔ)。如何有效地開展測試性驗證試驗，是理論和工程實踐中亟待解決的問題，具有重要的理論和工程應(yīng)用價值。綜述了裝備測試性驗證技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了測試性驗證的技術(shù)體系，分析了測試性驗證的關(guān)鍵技術(shù)，指出了目前亟待解決的關(guān)鍵問題和難點問題，最后，在對當(dāng)前測試性實物驗證和非實物驗證技術(shù)方案進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，對測試性驗證技術(shù)方案進(jìn)一步的研究發(fā)展給出了建議。

關(guān)鍵詞：測試性驗證；故障預(yù)測；健康管理；實物驗證；非實物驗證

0　引言

測試性是系統(tǒng)或設(shè)備能夠及時、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性，是裝備故障預(yù)測與健康管理設(shè)計的重要基礎(chǔ)。測試性驗證是為了確定產(chǎn)品是否達(dá)到了規(guī)定的測試性要求而進(jìn)行的試驗與評價工作。開展裝備測試性驗證技術(shù)研究，理清其技術(shù)體系，突破測試性驗證關(guān)鍵技術(shù)，將為裝備的研制、試驗和維修保障提供強(qiáng)有力的測試技術(shù)支持。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著對新型裝備測試性指標(biāo)要求的不斷提高，裝備測試性驗證是保證和檢驗裝備測試性水平的重要環(huán)節(jié)，其水平的高低對裝備的研制進(jìn)度和質(zhì)量有著直接的影響。測試性驗證已經(jīng)成為了裝備測試性工程領(lǐng)域需重點解決的熱點和難點問題。

國外在武器裝備測試性驗證試驗工作方面已有大量的成功案例[4]。我國開展裝備測試性驗證試驗的起步較晚，雖然部分單位較為系統(tǒng)、深入地開展了裝備的測試性驗證試驗技術(shù)的研究和應(yīng)用[3，5]，但目前國內(nèi)尚未建立起可覆蓋各類裝備的完備的數(shù)據(jù)庫以作判據(jù)。

2　測試性驗證技術(shù)體系

2.1技術(shù)框架

測試性驗證主要包括驗證要求、驗證程序、關(guān)鍵技術(shù)和驗證組織4個部分，其技術(shù)框架可歸納如圖1所示，其中重點內(nèi)容說明如下。

圖1　測試性驗證技術(shù)框架

2.1.1驗證要求

驗證要求包括驗證產(chǎn)品狀態(tài)、驗證試驗時機(jī)、驗證內(nèi)容、試驗大綱和組織管理。

2.1.2驗證程序

驗證程序的主要步驟如下所述。

在幼兒園區(qū)域活動開展中，幼兒園教師可以打破原本的大中小班的界限，嘗試著采取混齡教育的方式開展活動。一些國外混齡教育實踐證明，這種教育模式能對孩子參與區(qū)域活動的積極性和主動性起到較好的激發(fā)作用，能對幼兒良好的責(zé)任心以及愛心的培養(yǎng)起到較好的促進(jìn)作用。

a）依據(jù)型號大綱和計劃制定產(chǎn)品的測試性驗證方案。一般是先制定測試性驗證總體方案，然后在總體方案的指導(dǎo)下，設(shè)計具體的測試性驗證方案，包括確定故障樣本量、抽取故障模式和確定接收/拒收判定標(biāo)準(zhǔn)。目前主流的幾大測試性驗證試驗方案有：基于故障注入的驗證方案、基于數(shù)據(jù)評估的驗證方案和基于虛擬仿真的驗證方案。

b）依據(jù)試驗方案實施測試性驗證試驗。

c）收集試驗中的各種數(shù)據(jù)信息，包括故障及其檢測、隔離數(shù)據(jù)和虛警數(shù)據(jù)等。

d）對收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析，統(tǒng)計樣本數(shù)量，根據(jù)試驗方案進(jìn)行判決。

e）編寫產(chǎn)品測試性驗證報告。

f）組織驗證評審，確認(rèn)產(chǎn)品測試性驗證結(jié)論。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1故障樣本選取和接收/拒收判據(jù)

故障樣本選取和接收/拒收的判定都是基于同一理論進(jìn)行的。一種是基于二項分布確定的抽樣方案進(jìn)行接收/拒收判定。另一種是通過將試驗評估結(jié)果給出的故障檢測率、故障隔離率的置信下限值與規(guī)定的最低可接收值進(jìn)行比較來進(jìn)行接收/拒收判定。近幾年國內(nèi)外相關(guān)理論研究較少，主要有以下幾種：經(jīng)驗值方法[6]、基于正態(tài)分布的故障樣本選取方法、基于二項分布的故障樣本選取方法[7]、基于信息充分覆蓋準(zhǔn)則的故障樣本量確定方法[8]、基于多元組故障特征模型的故障樣本選取方法[9]和基于先驗信息的故障樣本優(yōu)化選取方法[10]。

經(jīng)驗值法使用簡單、方便，但主觀性和隨意性較強(qiáng)，不利于客觀地指導(dǎo)測試性驗證?；谡龖B(tài)分布的方法是近似方法，誤差比較大，特別是對于FDR/FIR的指標(biāo)大于0.9的情況?；诙椃植嫉姆椒ㄒ卜Q標(biāo)準(zhǔn)抽樣方案，在試驗結(jié)束后以故障檢測/隔離失敗次數(shù)作為接收/拒收判據(jù)?；谛畔⒊浞指采w準(zhǔn)則的故障樣本量確定方法考慮了裝備的結(jié)構(gòu)、功能和測試的復(fù)雜度等實際因素，改進(jìn)了樣本的結(jié)構(gòu)，但未給出接收/拒收的判據(jù)?；诙嘣M故障特征模型的故障樣本選取方法在確定樣本量和樣本機(jī)構(gòu)時，既考慮了指標(biāo)要求值，又考慮了裝備的實際復(fù)雜程度，努力使故障樣本更符合實際情況，但是該方法只考慮了裝備自身的功能和結(jié)構(gòu)等，沒有考慮實際的使用條件對故障樣本的影響。

在對裝備的測試性指標(biāo)要求較高，承制方、使用方風(fēng)險承受能力低，或者要求的評估結(jié)論精度、置信度較高等情況下，以上幾種方法需確定的故障樣本量都較大。這對故障注入、試驗周期和試驗成本提出了很高的要求，導(dǎo)致試驗難以實施。基于先驗信息的故障樣本優(yōu)化選取方法，它可以利用裝備研制階段測試性先驗信息來優(yōu)化選取故障樣本，在承制方、使用方風(fēng)險基本不變的情況下，能夠在一定程度上減少樣本的數(shù)量。

2.2.2故障注入

故障注入是測試性驗證試驗的核心內(nèi)容，是測試性驗證工作得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。故障注入一般通過人工的方法，將模擬的故障施加于被測對象中，觀測和收集測試診斷系統(tǒng)的故障檢測、隔離成敗數(shù)據(jù)，并基于試驗數(shù)據(jù)評價測試性指標(biāo)。目前的故障注入方法主要有硬件故障注入[11]、模擬故障注入[12]和軟件故障注入[13]等。

硬件故障注入是在系統(tǒng)中注入帶故障的硬件設(shè)備，該方法在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性不斷提高和故障注入應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的情況下，具有易對硬件造成損壞、可控性差和許多硬件故障注入無法進(jìn)行等缺陷。國外為電子系統(tǒng)開發(fā)了一些故障注入器，例如：瑞典Chalmers技術(shù)大學(xué)開發(fā)的FIST[14]、法國LASS-CNRS大學(xué)開發(fā)的管腳級故障注入工具M(jìn)essaline[15]和奧地利Vienna技術(shù)大學(xué)開發(fā)的MARS等。

模擬故障注入法是指通過在系統(tǒng)的仿真模型中植入故障單元來實現(xiàn)故障注入的方法。該方法具有費用低廉、不需要任何特殊的硬件、可精確地監(jiān)控注入的故障和注入故障模式多等優(yōu)點。但是，應(yīng)用此方法的前提條件是有一個有效的仿真模型。

軟件故障注入通過修改目標(biāo)軟件程序來實現(xiàn)故障注入，不需要特定的硬件或仿真器，而且可以重復(fù)地注入，是一種廉價且易以控制的故障注入方法。但是，該方法屬于侵入性故障注入，會嚴(yán)重地影響內(nèi)存資源緊張的系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，并且只能限制在和軟件有關(guān)的部分。研究表明，車間可更換單元連線/接口故障和外場可更換單元連線/接口故障中，有2/3的故障是不能通過軟件故障注入完成的[16-17]。

國內(nèi)也開發(fā)了一些故障注入設(shè)備和軟件系統(tǒng)[18-20]。針對故障注入對系統(tǒng)的損壞或者故障不能注入的問題，有些學(xué)者研究了故障等效注入方法[21]，但該方法也只能解決一部分故障的注入問題，原始故障被其他故障等效后，故障隔離時一般只能隔離到等效故障或一個較大的模糊組，很難隔離到原始故障，故障難以準(zhǔn)確地隔離，可能會影響到測試性驗證結(jié)論的準(zhǔn)確性。

2.2.3指標(biāo)評估

測試性指標(biāo)評估是依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用概率統(tǒng)計方法來確定裝備的測試性指標(biāo)（例如：FDR、FIR）量值，并給出判定結(jié)論。評估結(jié)果的形式可以為點估計、置信下限估計和置信區(qū)間估計等。測試性指標(biāo)評估方法主要有基于概率信息的指標(biāo)評估方法、基于試驗數(shù)據(jù)的指標(biāo)評估方法和測試性綜合評估方法等。

基于概率信息的指標(biāo)評估方法簡化了故障與測試之間的邏輯關(guān)系，僅通過假設(shè)和經(jīng)驗來確定概率信息，未考慮測試不確定性和環(huán)境因素等，因而預(yù)計結(jié)果可能與真值出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。最典型的基于概率信息的指標(biāo)評估方法即為測試性預(yù)計[22]。

經(jīng)典的、基于試驗數(shù)據(jù)的指標(biāo)評估方法一般需要在大樣本或較大樣本的前提下進(jìn)行。目前常用的基于試驗數(shù)據(jù)的指標(biāo)評估方法主要有：點估計、二項分布或正態(tài)分布下的置信區(qū)間估計和置信下限估計等[23-24]。但因故障注入試驗具有損壞性甚至破壞性，同時受封裝造成的物理位置的限制和試驗費用的限制，工程上進(jìn)行裝備故障注入困難，并且因無法獲取大量的新研制裝備的故障檢測/隔離數(shù)據(jù)，導(dǎo)致評估結(jié)論精度和置信度較低。

測試性綜合評估方法是要給出裝備或系統(tǒng)盡量地接近真實值的、反映研制水平的統(tǒng)計指標(biāo)。該方法融合了小子樣實物試驗數(shù)據(jù)、大樣本虛擬驗證試驗數(shù)據(jù)和研制階段先驗信息，建立綜合評估模型，然后評估裝備測試性指標(biāo)[25-27]。

3　測試性驗證方案

表1　測試性驗證方案

3.1驗證方案分析

測試性驗證方法的驗證方式有測試性實物驗證與測試性非實物驗證[28-29]兩種，如表1所示。測試性實物驗證又可分為測試性實物試驗驗證和測試性實物使用驗證兩種。測試性實物試驗驗證是指對真實的系統(tǒng)裝備進(jìn)行故障注入試驗，然后采集測試數(shù)據(jù)并評估系統(tǒng)裝備的測試性水平。因故障注入的局限性，該方法存在故障注入不易、故障注入不完全、危險系數(shù)高和驗證費用高等諸多缺點。測試性實物使用驗證指的是采集裝備系統(tǒng)在整個使用生命周期中的維修保障信息，并據(jù)此統(tǒng)計系統(tǒng)裝備的測試性指標(biāo)。系統(tǒng)裝備的使用生命周期一般以年甚至十年為單位，因此在短時間內(nèi)，在系統(tǒng)裝備使用用例不充分的情況下，該方法獲取的測試信息會不足，因而難以準(zhǔn)確地獲得統(tǒng)計裝備的測試性指標(biāo)。以往測試性非實物驗證主要是測試性預(yù)計，主要通過定性模型或圖解的方式來預(yù)計（估計）系統(tǒng)裝備的測試性指標(biāo)[7]，一般使用定性模型、關(guān)聯(lián)模型、多信號流模型、有向圖和相關(guān)矩陣等定性的方式來描述系統(tǒng)裝備的故障與測試等，且其對系統(tǒng)裝備的測試性指標(biāo)的預(yù)計亦是定性分析，忽略丟失了很多定量的信息，因而導(dǎo)致了測試性指標(biāo)預(yù)計不準(zhǔn)確、置信度不高等問題。

另一種非實物驗證方法是測試性虛擬驗證，該方法利用計算機(jī)技術(shù)及建模仿真技術(shù)建立系統(tǒng)裝備的數(shù)字化模型，對數(shù)字化模型進(jìn)行測試性驗證試驗，統(tǒng)計試驗結(jié)果并評估裝備的測試性指標(biāo)[6]。該方法在數(shù)字化模型上實現(xiàn)故障模擬與注入較為簡單，可以克服測試性實物驗證中故障注入不易、故障注入不完全、危險系數(shù)高和驗證費用高等缺點；又因為測試性虛擬驗證是在計算機(jī)上通過仿真的方式進(jìn)行測試性驗證的，驗證時間短，并且可以獲得豐富的測試數(shù)據(jù)，因而其可克服測試性實物使用驗證中驗證周期長、測試數(shù)據(jù)不足等缺點；在計算機(jī)上建立的數(shù)字化模型是通過定量的方式來描述系統(tǒng)裝備的功能、故障和測試等，在建立的測試性虛擬驗證模型準(zhǔn)確可靠的情況下，測試性虛擬驗證結(jié)果具有可靠、置信度高的優(yōu)點。但測試性虛擬驗證的概念是近些年才提出來的，其在具體的方法與技術(shù)流程方面仍有很大的改進(jìn)空間。

3.2發(fā)展趨勢分析

目前，承制方和訂購方都急需一種“快、好、準(zhǔn)、省”的測試性驗證技術(shù)，但當(dāng)前的技術(shù)還不能滿足我國目前對裝備測試性驗證試驗技術(shù)的需求。在減少測試性驗證成本、風(fēng)險和周期的同時，科學(xué)、準(zhǔn)確地對裝備的測試性指標(biāo)進(jìn)行驗證和評價是未來測試性驗證技術(shù)方案發(fā)展的目標(biāo)。單一的測試性驗證方案都有缺陷，采用融合的方法可以融合各方案技術(shù)的優(yōu)勢，互補(bǔ)不足，有望為我軍裝備的測試性驗證提供一條切實可行的技術(shù)途徑。在該方向進(jìn)行了探索的有文獻(xiàn)[32]和文獻(xiàn)[2]，文獻(xiàn)[32]提出了一種測試性綜合驗證方案，該方案綜合了小子樣理論與虛擬驗證試驗的優(yōu)勢，建立了虛實結(jié)合的測試性驗證總體方案；文獻(xiàn)[2]針對測試性驗證工作仍缺乏總體規(guī)劃與統(tǒng)籌安排的問題，構(gòu)建了一種基于全壽命周期數(shù)據(jù)的測試性驗證試驗優(yōu)化設(shè)計與綜合評估的技術(shù)框架。基于虛擬試驗的測試性驗證技術(shù)的優(yōu)點，深入研究裝備測試性虛擬驗證試驗中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對于提高我國的裝備測試性驗證試驗的技術(shù)水平具有非常重要的意義。

4　結(jié)束語

本文綜述了裝備測試性驗證技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了測試性驗證的技術(shù)體系，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，對比了當(dāng)前主流的測試性驗證技術(shù)方案，并針對我國目前對裝備測試性驗證試驗技術(shù)的需求，對測試性驗證技術(shù)方案的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和預(yù)測，對于促進(jìn)我國裝備測試性驗證試驗技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、提高我國裝備測試性驗證試驗技術(shù)水平具有重要的意義。

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A Review of Testability Verification Technology of Equipment

XIANG Yin1，JIANG Feng2
（1. CEPREI，Guangzhou 510610，China；2. Guangdong Provincial Ket Laboratort of Electronic Information Products Reliabilitt Technologt，Guangzhou 510610，China；3. Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliabilitt and Environment Engineering Technologt，Guangzhou 510610，China）

Abstract：Testabilitt verification refers to the test and evaluation conducted to verift whether the testabilitt endowed bt design and manufacture of equipment meets the specified testabilitt requirements or not. And it is an important evaluation for the failure prediction and health management，and is also the basis of acquisition management and scientific decision-making of equipment. How to effectivelt carrt out the testabilitt verification test is an urgent problem needs to be solved in theort and engineering practice，which has important theoretical and engineering application value. The development status of equipment testabilitt verification technologt at home and abroad is summarized，and the technical ststem of testabilitt verification is expounded. Besides，the ket technologies of testabilitt verification are analtzed. Furtnermore，the ket issues and difficulties urgentlt need to be solved are pointed out. At last，some suggestions about thebook=66,ebook=69further research and development of testability verification technical solution are given based on the comprehensive analysis of the current testability physical and non-physical verification technical solutions.

Key words：testabilitt verification；failure prediction；health management；phtsical verification；non-phtsical verification

作者簡介：向蔭（1988-），女，湖南邵陽人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心助理工程師，碩士，從事可靠性工程研究工作。

收稿日期：2015-11-04修回日期：2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.013

中圖分類號：

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）02-0065-06