基于多信號模型的現(xiàn)場可更換模塊測試性建模與分析

楊其國

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036）

基于多信號模型的現(xiàn)場可更換模塊測試性建模與分析

楊其國

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

基于多信號模型的測試性建模與分析為測試性設(shè)計提供了一條嶄新的思路，但測試性建模過程所需的測試性信息卻難以準(zhǔn)確、完備地獲取，進(jìn)而使測試性建模過程變得非常困難，指出正確獲取測試性信息的關(guān)鍵是要消除產(chǎn)品設(shè)計人員和建模人員之間存在的知識隔層；分析了多信號模型的8個要素，結(jié)合工程實踐給出了測試性信息的獲取方法和測試性建模的工程化操作流程，工程化操作流程包括：確定結(jié)構(gòu)層次、故障模式影響分析、信號流分析、測試分析共4個步驟；以某現(xiàn)場可更換模塊為例，完成了測試性建模與分析；結(jié)果表明，給出的測試性信息獲取方法和工程化操作流程在實際工作中是可行的、有效的；測試性建模、分析的結(jié)果能夠在設(shè)計階段較準(zhǔn)確的評估測試性設(shè)計是否滿足既定的指標(biāo)，并為測試性設(shè)計的進(jìn)一步改進(jìn)指明方向。

多信號模型；測試性信息；現(xiàn)場可更換模塊

0　引言

測試性這一術(shù)語最早于1975年由Liour F等人提出。目前，這一術(shù)語已被廣泛應(yīng)用于裝備設(shè)計制造的各個領(lǐng)域。GJB2547 A-2012《裝備測試性工作通用要求》給出的具體定義為：產(chǎn)品能及時、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作，性能下降程度），并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。

目前，測試性設(shè)計性能的優(yōu)劣對先進(jìn)復(fù)雜武器裝備的影響越來越顯著，對其可靠性、維修性、可用性和壽命周期費用等產(chǎn)生直接或間接的影響。良好的測試性設(shè)計能及時檢測并隔離故障，減少維修時間，降低裝備的全壽命周期費用［1］。但目前很多武器裝備故障檢測能力差，嚴(yán)重影響裝備的使用可用度，使得后勤保障成為作戰(zhàn)部隊效率提升的短板［2］。造成這種局面的原因很多，比如，測試性設(shè)計缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，主要以研發(fā)人員憑經(jīng)驗進(jìn)行，測試性的可觀測性和可控性均不足?；诙嘈盘柲Ｐ偷臏y試性建模與分析為測試性設(shè)計提供了一條嶄新的思路，但是測試性建模過程所需的測試性信息卻難以準(zhǔn)確、完備地獲得，進(jìn)而使測試性建模過程非常困難。本文以某LRM（line replaceable module，現(xiàn)場可更換模塊）為例結(jié)合工程實際，提出了解決方法。

1　多信號模型

為了能更好地理解基于多信號模型測試性建模過程所需的測試性信息，下面簡要介紹多信號模型并給出多信號模型的形式化定義。

多信號模型［3］是由Somnath Deb等人于1994年提出，它是在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析基礎(chǔ)上，以分層有向圖表示信號流導(dǎo)向和各組成單元（故障模式）的構(gòu)成及相互連接關(guān)系，并通過定義信號（功能）以及組成單元（故障模式）、測試與信號之間的關(guān)聯(lián)性，來表征它們之間相關(guān)性的一種模型表示方法。其中，信號（功能）是指表征系統(tǒng)或其組成單元特性的特征、狀態(tài)、屬性及參量，既可以為定量的參數(shù)值，又可以為定性的特征描述，并能夠區(qū)分為可工作、不可工作，性能下降等3種狀態(tài)，相應(yīng)測試結(jié)論為通過（狀態(tài)為“可工作”）或不通過 （狀態(tài)為 “不可工作”和 “性能下降”）。

多信號流圖模型的建模思想在參考文獻(xiàn)［4］中有詳細(xì)描述。后文將要對多信號模型的組成元素進(jìn)行詳細(xì)的討論，在此先給出多信號模型的形式化定義：

1）有限的元件集C=｛C1，C2，……，CL｝；

2）獨立信號集合S=｛s1，s2，……，sk｝；

3）n維可行測試集合T=｛t1，t2，……，tn｝；

4）np維測試點集TP=｛TP1，TP2，……，TPnp｝；

5）測試點TPp對應(yīng)的測試集SP（TPp）；

6）元件Ci影響的一組功能集VC（Ci）；

7）測試tj檢測的一組功能ST（tj）；

8）有向圖DG=｛C，TP，E｝中，有向圖的邊表示系統(tǒng)的物理連接。

2　測試性信息的獲取

從多信號模型的形式化定義可知，無論是對一個大的系統(tǒng)還是一個小的LRM進(jìn)行測試性建模，所需的測試性信息的量都是非常大的，一旦準(zhǔn)確獲取了這些測試性信息，建模過程就會變得非常簡單。但目前存在的現(xiàn)象是產(chǎn)品研發(fā)由設(shè)計工程師完成，測試性建模由從事測試性設(shè)計的工程師完成，兩者之間的工作基本相互獨立，設(shè)計工程師不了解測試性建模過程所需要的信息，而測試性建模人員對建模對象的了解程度又遠(yuǎn)不及設(shè)計工程師，這種客觀存在的知識隔層成為開展測試性設(shè)計首先要克服的障礙。文獻(xiàn)［5］提出了一種測試性設(shè)計知識獲取方法，該方法通過把與裝備測試性相關(guān)的知識劃分為裝備、診斷和測試3個域分別收集測試性信息。其中，在診斷域里要求將系統(tǒng)功能指標(biāo)由上至下分解到UUT（unit under test，被測單元），這其實是很困難的。以一個系統(tǒng)為例，系統(tǒng)總體只會對下屬設(shè)備提出具體的功能和指標(biāo)，至于設(shè)備實現(xiàn)細(xì)節(jié)，系統(tǒng)總體不一定非要了解。同樣，設(shè)備設(shè)計人員對下屬模塊提出進(jìn)一步的功能指標(biāo)要求時，模塊的設(shè)計細(xì)節(jié)，設(shè)備設(shè)計人員也不一定能很了解。所以如果需要把系統(tǒng)指標(biāo)由上至下分解到UUT，那么系統(tǒng)總體、設(shè)備、模塊甚至部件等各級設(shè)計人員之間縱向溝通的工作量就很大。另外，一方面現(xiàn)在大型系統(tǒng)都在開展綜合化設(shè)計，系統(tǒng)不再按組成層次分為傳統(tǒng)意義上的LRU（line replaceable unit現(xiàn)場可更換單元）、SRU（shop replaceable unit，內(nèi)場可更換單元），而是直接由LRM組成，并針對LRM提出非常高的故障檢測率和故障隔離率，基本上每個LRM都應(yīng)該被檢測和隔離到。另一方面，用戶在實際使用中也只關(guān)心哪個LRM出現(xiàn)了故障，立即用備件更換即可，并不會去深究故障的LRM和系統(tǒng)某個功能、指標(biāo)之間是否存在對應(yīng)關(guān)系。所以在建模過程中不要求一定要將系統(tǒng)的某一個功能、指標(biāo)和具體的LRM聯(lián)系起來，而只關(guān)注單個LRM是怎樣建模即可。本文結(jié)合工程實踐將LRM的測試性建模過程中所需測試性信息進(jìn)行歸納整理，設(shè)計出3張表格作為設(shè)計工程師和測試性建模人員之間溝通的橋梁。至于各個LRM之間橫向關(guān)系，可以通過系統(tǒng)的組成框圖或LRM之間信號流向來確定，這些測試性信息［6］對容易獲取，在此不再贅述。

2.1LRM的組成及功能描述

從多信號模型形式化定義中可知，測試性建模首先需要明確LRM的有限元件集（即具有特定功能的單元或部件）及其相關(guān)的信號。所以第一張表的內(nèi)容專門針對多信號模型里的第1項“有限的元件集C=｛C1，C2，……，CL｝”、第2項“系統(tǒng)獨立信號集合S=｛s1，s2，……，sk｝”以及第8項“有向圖DG=｛C，TP，E｝”中的E（信號流向），有了這3個元素，就能得到功能單元層面的有向圖DG（測試點TP的信息后表給出）。

可以給涉及到的功能單元和信號都編號，并確定輸入、輸出信號在功能單元上對應(yīng)的端口，這里的“端口”不一定是實際存在的物理端口，也可以是表明故障影響傳播途徑的邏輯端口。具體內(nèi)容如表1所示。

表1　LRM的元件集及相關(guān)信號

2.2故障模式及其影響

第2張表的內(nèi)容是表1的延續(xù)，對應(yīng)于多信號模型中多信號模型中的第6項“元件Ci影響的一組功能集VC（Ci）”，深入功能單元內(nèi)部了解該功能單元存在多少故障模式，這些故障模式的影響是怎樣從功能單元內(nèi)部傳播到功能單元的端口上，進(jìn)而向其他功能單元傳播。如果在測試性建模前已經(jīng)完成了可靠性預(yù)計值，還可以給出每個故障模式的故障率，以便能得到更準(zhǔn)確的故障檢測率和隔離率等定量分析結(jié)果。2

表2　功能單元故障模式及其影響

.3測試信息

在1節(jié)介紹多信號模型時提到，建模過程是“元件相關(guān)的信號屬性和測試檢測到的信號屬性，并在兩者之間建立因果關(guān)系”，現(xiàn)在需要明確的就只剩下針對哪些信號（或信號屬性）進(jìn)行了測試。表3的內(nèi)容主要對應(yīng)多信號模型第3項 “n維可行測試集合T”，第4項“np 維測試點集TP”，第7項“測試tj檢測的一組功能ST（tj）”，也可在上表中增加一列給出第5項“測試點TPp對應(yīng)的測試集SP（TPp）”。

3　測試性建模的工程化操作流程

下面以某LRM為例，利用國內(nèi)某研究所開發(fā)的測試性建模與分析工具簡述測試性建模的工程化操作流程。

3.1確定結(jié)構(gòu)層次

根據(jù)LRM的設(shè)計方案，確定該LRM具體的功能結(jié)構(gòu)單元組成。一般地，結(jié)構(gòu)層次劃分應(yīng)該細(xì)化到故障隔離所要求的層次級別。在本例中，由LRM的設(shè)計方案，可知該LRM由9個功能單元組成，它們分別是C1_電源模塊、C2_主控單元、C3_時鐘單元、C4_信號處理單元、C5_數(shù)據(jù)傳輸與處理單元、C6_控制與驅(qū)動單元、C7_數(shù)據(jù)采集模塊1、C8_數(shù)據(jù)采集模塊2、C9_數(shù)據(jù)采集模塊3，逐一分析每一個功能單元的輸入、輸出端口，并添加到功能單元中，如圖1所示。3

表3　測試信息

圖1　LRM測試性模型

.2故障模式影響分析

根據(jù)LRM故障模式影響分析報告，確定各功能結(jié)構(gòu)單元的故障模式。以C6_控制與驅(qū)動單元為例，該單元的故障模式有“驅(qū)動上位機(jī)數(shù)據(jù)信號失敗”、“驅(qū)動主控模塊狀態(tài)信息信號失敗”、“驅(qū)動圖像信號失敗”、“驅(qū)動狀態(tài)信號失敗”、“驅(qū)動控制命令失敗”。將這些故障模式添加到結(jié)構(gòu)功能單元C6_控制與驅(qū)動單元中，如圖2所示。

圖2　功能單元（C6_控制與驅(qū)動單元）測試性模型

3.3信號流分析

根據(jù)LRM的設(shè)計方案進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)單元之間的信號流向分析。正如第1節(jié)所述，建模過程的實質(zhì)就是在分析獲取建模對象故障模式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析故障模式的影響及其傳播路徑，一般情況下傳播路徑會和信號流向保持一致。這里的信號流包括兩個層面的內(nèi)容。第一，結(jié)構(gòu)功能單元層面，根據(jù)設(shè)計方案確定每個功能結(jié)構(gòu)單元之間的信號流向。在圖1中，一個功能單元輸出端口和另一個功能單元輸入端口之間的有向線即表示信號流向。第二，故模式層面，在功能單元內(nèi)部，分析某一特定故障模式會對該功能單元哪些輸入信號和輸出信號產(chǎn)生影響，并將受影響的輸入、輸出信號的端口和故障模式用有向線連接起來。比如，C6_控制與驅(qū)動單元的故障模式“驅(qū)動上位機(jī)數(shù)據(jù)信號失敗”影響的輸入信號有“s9_16 M時鐘”、“s23_上位機(jī)數(shù)據(jù)”和“s5_+3.3 V”，受影響的輸出信號有“s23_上位機(jī)數(shù)據(jù)”。信號對應(yīng)的端口分別為IP1（input port）、IP2、IP7和OP1（output port），如圖2所示，將這4個端口用有向線和故障模式的端口連接起來（一般將故障模式視作一種特殊的功能單元，分別有1個輸入、輸出端口）。至此，故障模式的傳播路徑就建立起來了。

3.4測試分析

從第1節(jié)對多信號模型的簡介中可知，建模的最后一項工作是建立“測試”與“信號”之間的關(guān)聯(lián)性，“關(guān)聯(lián)性”的含義可以這樣理解，當(dāng)一個故障模式發(fā)生后，它的影響（比如，故障模式使某信號的參數(shù)、屬性被改變甚至中斷）會隨著信號流向向外傳播，如果在傳播路徑上恰好可以設(shè)計一些測試點且能檢測得到這些參數(shù)、屬性的變化，那么就認(rèn)為“測試”和“信號”之間的關(guān)聯(lián)性就建立起來了，在測試性建模軟件中通常用帶箭頭的小圓圈表示，如圖1所示。

圖3　模糊組大小分析圖

4　測試性分析

測試性建模軟件在測試性建模工作結(jié)束后能進(jìn)行測試性設(shè)計分析，比如計算故障檢測率和隔離率等，其結(jié)果如表4所示。從表中可以看出該LRM共有45個故障模式，設(shè)置了17個測試，其中有5個故障模式?jīng)]有被檢測到，有1個測試未使用，檢測率為88.9%，模糊組為2.8，故障隔離率為30%。在后續(xù)的測試性改進(jìn)設(shè)計中可從3個方面入手：1）針對特定的未檢測出來的故障模式開展測試性設(shè)計，提高檢測率；2）增加測試點，減小模糊組，提高故障隔離率；3）優(yōu)化測試點，進(jìn)一步提高測試使用率。

圖4　測試使用率分析圖

表4　測試性分析結(jié)果

5　結(jié)束語

本文基于多信號模型，結(jié)合工程實踐給出了測試性知識獲取的方法，突破了測試性建模過程中的難點，進(jìn)一步給出了建模的工程化操作流程。實例表明測獲取試性知識的方法及內(nèi)容正確、有效，操作流程可行。測試性分析的結(jié)果能夠在設(shè)計階段較準(zhǔn)確的評估測試性設(shè)計是否滿足既定的指標(biāo)，并指出了進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

［1］連光耀，黃考利，呂小明，等.基于混合診斷的測試性建模與分析 ［J］.計算機(jī)測量與控制，2008，16（5）：601-603.

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［3］楊智勇.一種基于模型的FMECA自動化方法與實現(xiàn)［J］.微計算機(jī)信息，2009，25（7）：106108

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［5］林志文，賀喆，楊士元.基于多信號模型的雷達(dá)測試性設(shè)計分析［J］. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，11：2781-2784.

［6］石君友，張鑫，鄒天剛.多信號建模與診斷策略設(shè)計技術(shù)應(yīng)用［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，339 （4）：811-815.

Testability Modeling and Analysis Based on the Multi-signal Model for LRM

Yang Qiguo
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu610036，China）

Testability modeling and analysis based on the multi-signal model provides a new way for testability design，however，testability information needed in the process of testability modeling can't be obtained correctly and completely，which blocks the process of testability modeling seriously，points out that eliminating the obstacle between the product designer and modeling designer is critical for obtaining the testability information correctly.Analysis eight elements of multi-signal model，provides a new way for obtaining testability information and the engineering operation flow based on engineering practice，the flow includes 4 proceeds：identify the hierarchical structure，failure mode and effects analysis，signal-flow analysis，test analysis.Take a line replaceable unit as example，the testability modeling and analysis work finished，the result shows that the way obtaining the testability information and the engineering operation flow is feasible and effective. The result of testability modeling and analysis can estimate correctly whether the testability design is satisfied with the target in the design phase，and points out the direction for improvement.

multi-signal model；testability information；LRM

1671-4598（2016）05-0035-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.011

TP302

A

2015-11-17；

2016-01-04。

楊其國（1975-），男，四川射洪人，碩士，工程師，主要從事偵察總體及可靠性、維修性、測試性設(shè)計方向的研究。