基于自然和模擬樣本的檢測(cè)率評(píng)估方法研究

焦 毅

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

基于自然和模擬樣本的檢測(cè)率評(píng)估方法研究

焦 毅

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

鑒于產(chǎn)品在試飛現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試性模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果均為成敗型數(shù)據(jù)，為了更加客觀(guān)全面的評(píng)估產(chǎn)品檢測(cè)率，提出了測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本選取及分配原則、自然樣本和模擬樣本融合方法、基于故障率的故障檢測(cè)率評(píng)估模型，解決了傳統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估方法中在實(shí)際應(yīng)用中的樣本覆蓋不全以及評(píng)估結(jié)果受限等技術(shù)問(wèn)題。

故障檢測(cè)率；模擬樣本；故障率；約定層次

測(cè)試性作為裝備的一種設(shè)計(jì)特性，是構(gòu)成武器裝備質(zhì)量特性的重要組成部分。通過(guò)良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)，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，降低壽命周期的費(fèi)用。故障檢測(cè)率作為測(cè)試性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是指檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)一個(gè)或多個(gè)故障的能力，也可作為是通過(guò)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，或向操作人員指示故障的能力。

國(guó)外自上世紀(jì)70年代以來(lái)，機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)已廣泛用于武器系統(tǒng)研制過(guò)程，國(guó)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(cè)試性的定性和定量要求。這同時(shí)也要求在產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)研制過(guò)程中需進(jìn)行一系列的測(cè)試性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作,并且要進(jìn)行測(cè)試性指標(biāo)的驗(yàn)證。故障檢測(cè)率作為測(cè)試性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如何實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)率的科學(xué)評(píng)估和客觀(guān)驗(yàn)證將成為測(cè)試性的一個(gè)重要研究方向。

故障檢測(cè)率的定義：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)與被測(cè)單元發(fā)生的故障總數(shù)之比。傳統(tǒng)的評(píng)估模型如下：

式中：

γFD—故障檢測(cè)率；NFD—在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，用規(guī)定的方法正確檢測(cè)到的故障數(shù)；N —規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被測(cè)單元發(fā)生的故障總數(shù)。

1 面臨的問(wèn)題

試飛階段的測(cè)試性指標(biāo)驗(yàn)證是產(chǎn)品定型或鑒定工作的重要組成部分。而目前在實(shí)際工作中，故障檢測(cè)率的評(píng)估主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

隨著高可靠性電子元器件的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的可靠性得到了極大的提高。而在試飛期間，由于周期較短，產(chǎn)品產(chǎn)生的自然樣本量較少，一般不能滿(mǎn)足GJB 2072-1994《維修性試驗(yàn)與評(píng)定》規(guī)定的30個(gè)樣本要求，現(xiàn)階段一般采用測(cè)試性模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行補(bǔ)充樣本。然而由于評(píng)估對(duì)象的不同，會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：

● 對(duì)于組成較為簡(jiǎn)單、故障模式較少的產(chǎn)品（如配電裝置等），選取所有的故障模式作仍不能滿(mǎn)足30個(gè)樣本量的要求；

● 對(duì)組成較為復(fù)雜、故障模式較多的產(chǎn)品（如任務(wù)電子系統(tǒng)等），30個(gè)樣本量無(wú)法覆蓋所有的現(xiàn)場(chǎng)可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU），無(wú)法準(zhǔn)確反映產(chǎn)品測(cè)試性的真實(shí)水平。

產(chǎn)品測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的選取是根據(jù)產(chǎn)品的故障模式及影響分析（FMEA）報(bào)告中對(duì)應(yīng)約定層次的故障模式，然而在試飛現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的自然樣本中會(huì)存在無(wú)法與FMEA報(bào)告中的故障模式對(duì)應(yīng)的情況，最后導(dǎo)致無(wú)法直接對(duì)模擬樣本和自然樣本進(jìn)行融合。

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(cè)程序，其結(jié)果只有兩種可能：檢測(cè)到故障或未檢測(cè)到故障，屬于成敗型試驗(yàn)，每個(gè)樣本只需模擬一次便可以反映產(chǎn)品的測(cè)試性水平。然而每個(gè)樣本發(fā)生的概率不同，因此利用傳統(tǒng)的計(jì)算模型無(wú)法考慮各產(chǎn)品各組成部件故障率的影響。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合試飛現(xiàn)場(chǎng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度等情況，本文通過(guò)建立測(cè)試性模擬試驗(yàn)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(cè)率評(píng)估模型，解決了傳統(tǒng)測(cè)試性評(píng)估方法中在實(shí)際應(yīng)用中的樣本覆蓋不全以及評(píng)估結(jié)果受限等技術(shù)問(wèn)題。

2 解決方案

2.1 測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本選取及分配原則

對(duì)于試飛期間產(chǎn)品自然樣本量無(wú)法滿(mǎn)足要求的問(wèn)題，現(xiàn)階段一般均采用測(cè)試性模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行補(bǔ)充樣本，在GJB 2072-1994中規(guī)定測(cè)試性模擬樣本量和樣本的分配均參照維修性模擬試驗(yàn)。而這種方法的缺陷在于：

對(duì)于維修性模擬試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，由于人和環(huán)境的因素影響，同一個(gè)樣本每次所產(chǎn)生的維修作業(yè)時(shí)間是不一樣的，所以按照故障率進(jìn)行分配時(shí)，對(duì)于一個(gè)樣本可以分配大于1的樣本量。而對(duì)于測(cè)試性模擬試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，同一個(gè)測(cè)試樣本的結(jié)果，無(wú)論分配的次數(shù)是多少，其結(jié)果僅有兩種可能：檢測(cè)到故障或未檢測(cè)到故障。所以對(duì)于測(cè)試性模擬試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，同一測(cè)試樣本的樣本量分配應(yīng)均為1。

隨著航空產(chǎn)品的不斷發(fā)展，測(cè)試性設(shè)計(jì)也隨之融入到更多的設(shè)備或系統(tǒng)中，因此測(cè)試性指標(biāo)驗(yàn)證的對(duì)象也變的越來(lái)越復(fù)雜。如果按30個(gè)樣本量的要求選取樣本，會(huì)出現(xiàn)：對(duì)于組成較為簡(jiǎn)單、故障模式較少的產(chǎn)品（如配電裝置等），選取所有的故障模式作仍不能滿(mǎn)足30個(gè)樣本量的要求；對(duì)于組成較為復(fù)雜、故障模式較多的產(chǎn)品（如任務(wù)電子系統(tǒng)等），30個(gè)樣本量不能覆蓋所有的LRU，無(wú)法反映產(chǎn)品測(cè)試性的真實(shí)水平。

依據(jù)GJB 2072-1994及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的選取及分配應(yīng)遵循以下原則：

● 測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的選取應(yīng)依據(jù)產(chǎn)品FMEA報(bào)告中相應(yīng)約定層次的所有故障模式（試飛期間外場(chǎng)測(cè)試性驗(yàn)證為L(zhǎng)RU級(jí)）；

● 剔除由于經(jīng)費(fèi)原因、產(chǎn)品破壞后無(wú)法修復(fù)和安全性等因素而不能進(jìn)行注入的故障模式，篩選出試驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)行模擬的故障模式；

● 選定作為測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的所有故障模式需覆蓋所有需驗(yàn)證的約定層次（試飛期間外場(chǎng)測(cè)試性驗(yàn)證的約定層次為L(zhǎng)RU）；

● 對(duì)選定的測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本應(yīng)明確注入的方式，且每一個(gè)測(cè)試樣本的樣本量分配均為1。

2.2 自然樣本和模擬樣本融合方法

測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本選取及分配原則的建立解決了樣本不足的問(wèn)題。但在試飛中，大部分產(chǎn)品會(huì)發(fā)生故障，產(chǎn)生自然樣本。由于產(chǎn)品測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的選取是根據(jù)產(chǎn)品的故障模式及影響分析(FMEA)報(bào)告中對(duì)應(yīng)約定層次（外場(chǎng)測(cè)試性驗(yàn)證的約定層次為L(zhǎng)RU級(jí)）的故障模式，然而在試飛現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的自然樣本中會(huì)存在無(wú)法與FMEA報(bào)告中的故障模式對(duì)應(yīng)的情況，如圖1。

圖1 中A部分為自然樣本，且FMEA報(bào)告中未涉及；B部分為模擬樣本，且在試飛中未發(fā)生；C部分為即在試飛中出現(xiàn)，又包含于模擬樣本中。產(chǎn)生此類(lèi)現(xiàn)象的原因主要有以下兩點(diǎn)：

a）在測(cè)試性的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行FMEA分析時(shí)，由于對(duì)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(wú)法羅列全面；

b）由于軍方對(duì)新型裝備的迫切需求，導(dǎo)致產(chǎn)品的研制進(jìn)度非常緊張。往往設(shè)計(jì)定型試飛會(huì)和軟件測(cè)評(píng)、環(huán)境鑒定試驗(yàn)等同步進(jìn)行，這樣會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)（含硬件及軟件狀態(tài)）和最后定型的狀態(tài)存在偏差。

因此在測(cè)試性模擬試驗(yàn)實(shí)施之前，需分析外場(chǎng)發(fā)生故障的原因，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(bǔ)充到測(cè)試性模擬試驗(yàn)中，既可以對(duì)模擬樣本進(jìn)行補(bǔ)充，也可以對(duì)FMEA報(bào)告進(jìn)行完善。

2.3 基于故障率的故障檢測(cè)率評(píng)估模型

依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的FMEA報(bào)告和外場(chǎng)發(fā)生的自然樣本，按上述原則和方法進(jìn)行測(cè)試性模擬樣本的選取。組織開(kāi)展測(cè)試性模擬試驗(yàn)，采用規(guī)定的方法進(jìn)行故障的注入，統(tǒng)計(jì)模擬樣本的檢測(cè)情況，產(chǎn)生測(cè)試性模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由于測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本不是按照各個(gè)產(chǎn)品的故障率進(jìn)行分配，而是采用等比例分配的方法，因此在評(píng)估中需加權(quán)故障率。然而由于FMEA報(bào)告中對(duì)產(chǎn)品的故障模式分析不全面，如圖1中的A部分，會(huì)存在外場(chǎng)發(fā)生，而FMEA報(bào)告未涉及的情況。因此本文在故障檢測(cè)率傳統(tǒng)評(píng)估模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合和外場(chǎng)故障和測(cè)試性模擬試驗(yàn)的特點(diǎn)，建立基于LRU級(jí)故障率的故障檢測(cè)率評(píng)估模型：

首先通過(guò)公式（2）計(jì)算第i個(gè)LRU的故障檢測(cè)率：

式中：

NZD—正確檢測(cè)出的自然故障（因無(wú)法注入而未模擬的樣本）數(shù)；NMD—正確檢測(cè)出的模擬故障數(shù)；NZ—自然故障（未列入模擬清單的樣本）總數(shù)；NM—模擬故障總數(shù)。

然后通過(guò)加權(quán)產(chǎn)品各個(gè)LRU故障率的方式，計(jì)算產(chǎn)品的故障檢測(cè)率：

式中：

rFD—系統(tǒng)的故障檢出率（Fault Detecting Relay，F(xiàn)DR）評(píng)估值；NL—系統(tǒng)包含的LRU個(gè)數(shù)；λLRUi—第i個(gè)LRU故障率；rLRUi—第i個(gè)LRU的故障正確檢出率。

3 應(yīng)用與意義

上述方法是在考慮測(cè)試性評(píng)估樣本全面性的基礎(chǔ)上，結(jié)合外面試飛的特點(diǎn)，建立基于LRU故障率的故障檢測(cè)率評(píng)估模型。目前，基于自然和模擬樣本的故障檢測(cè)率評(píng)估方法已應(yīng)用到某型飛機(jī)各分系統(tǒng)或設(shè)備的故障檢測(cè)率評(píng)估工作中，并在后續(xù)型號(hào)的技術(shù)準(zhǔn)備階段得到了推廣和應(yīng)用。

通過(guò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)鑒定及定型等工作結(jié)果表明：此方法有效的解決了測(cè)試性模擬試驗(yàn)樣本的選取和分配、自然樣本和模擬試驗(yàn)樣本無(wú)法融合等技術(shù)問(wèn)題，提高了故障檢測(cè)率評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確度和可信度；并通過(guò)對(duì)試飛階段的測(cè)試性模擬試驗(yàn)和外場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和處理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在測(cè)試性設(shè)計(jì)問(wèn)題，為其測(cè)試性水平的提高提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。

融合了試飛期間外場(chǎng)和FMEA的綜合樣本庫(kù)，相對(duì)于單純的內(nèi)場(chǎng)測(cè)試性試驗(yàn)，能夠更加全面、真實(shí)的反應(yīng)產(chǎn)品測(cè)試性水平，其作用和意義如下：

● 除了完成測(cè)試性評(píng)估所需的產(chǎn)品部件類(lèi)故障外，還可以對(duì)功能性故障的測(cè)試性水平進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于維護(hù)人員用來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品功能的檢測(cè)更能夠?yàn)楹娇昭b備的使用提供支撐和幫助；

● 通過(guò)對(duì)外場(chǎng)樣本和FMEA中故障樣本的復(fù)現(xiàn)，能夠有針對(duì)性的發(fā)現(xiàn)測(cè)試性水平的不足；

● 完成試驗(yàn)后結(jié)合外場(chǎng)使用和測(cè)試性評(píng)估，針對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試性問(wèn)題，提出產(chǎn)品測(cè)試性水平的改進(jìn)建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高裝備的測(cè)試性，在裝備試驗(yàn)過(guò)程中依據(jù)了大量的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。但由于裝備在試飛使用期間會(huì)受到外部環(huán)境、數(shù)據(jù)激勵(lì)以及響應(yīng)等因素的影響，導(dǎo)致無(wú)法預(yù)知的故障發(fā)生；同時(shí)，隨著軍事裝備的多元化發(fā)展，也帶來(lái)了標(biāo)準(zhǔn)的適用性降低。因此在試飛階段的故障檢測(cè)率的驗(yàn)證工作中，現(xiàn)有的方法存在較多的使用限制，操作性較差。

試飛階段的測(cè)試性評(píng)估工作具有其自身的特點(diǎn)，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不健全的情況下，為了更加全面客觀(guān)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)型號(hào)課題中的多次測(cè)試性模擬試驗(yàn)和外場(chǎng)發(fā)生故障等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，并對(duì)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)階段的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行解讀，建立了基于自然樣本和模擬樣本的故障檢測(cè)率評(píng)估方法。本文通過(guò)對(duì)故障檢測(cè)率評(píng)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的，在注重工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)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(hào)可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2] 康銳. 測(cè)試性性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

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T-65

C

1003-6660（2017）03-0054-03

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.013

2016-11-02

（編輯：勞邊）