裝備測試性驗證技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

楊金鵬，連光耀，邱文昊，陳然

(1.陸軍工程大學(xué),河北 石家莊 050003;2.特種勤務(wù)研究所，河北 石家莊 050003; 3.中國人民解放軍 75833 部隊,廣東 廣州 510080)

0 引言

在GJB3385-1998中，定義測試性驗證是為了檢驗裝備設(shè)計制造的測試性是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、合同規(guī)定的測試性要求而進(jìn)行的工作，即裝備測試性要求已經(jīng)確定后，采用一系列相關(guān)的技術(shù)方法對裝備的測試性進(jìn)行測試性分析，最后通過測試性驗證來檢查驗證和考核裝備的測試性設(shè)計是否符合相關(guān)規(guī)定的測試性標(biāo)準(zhǔn)[1]。測試性驗證是裝備設(shè)計階段、研制階段和使用階段的重要內(nèi)容，是考核裝備的測試性水平進(jìn)而提高裝備故障檢測能力與故障隔離能力的重要技術(shù)手段。

目前，指導(dǎo)測試性驗證開展的方法通常記錄為軍用標(biāo)準(zhǔn)[2]，國內(nèi)在借鑒相關(guān)國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立了國內(nèi)關(guān)于測試性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如：GJB1135-1991，GJB1298-1991，GJB368A-1994，GJB2072-1994，GJB3970-2000，GJB4260-2001和GJB2547A-2012。國外已經(jīng)對大量先進(jìn)武器裝備開展測試性驗證試驗工作方面并取得突出成果[3-4]。但我國裝備測試性驗證試驗工作開展較晚，上述標(biāo)準(zhǔn)的制定很多也是借鑒了國外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的普適性和針對性還有待工程化驗證。目前，國內(nèi)開展的測試性驗證試驗還十分有限，仍然存在驗證手段缺乏、很多定量指標(biāo)沒有辦法考核，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完備、很多考核難以統(tǒng)一、可信度難以保障等諸多問題。基于此，本文根據(jù)我軍新裝備測試性驗證需求，從測試性實(shí)物驗證和測試性非實(shí)物驗證2個方面，對國內(nèi)測試性驗證發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理總結(jié)，同時立足現(xiàn)有技術(shù)手段并結(jié)合裝備實(shí)際需求，對測試性驗證工作進(jìn)行了展望，以期對我軍裝備測試性工作提供支撐。

1 裝備測試性驗證概述

測試性驗證的內(nèi)容一般根據(jù)裝備的技術(shù)規(guī)范或者技術(shù)合同來確定，有定量要求和定性要求2個方面[2]。對某具體裝備來說，驗證的主要內(nèi)容如下：

(1) BIT檢測和隔離故障的能力；

(2) 被測裝備與所用外部測試設(shè)備的兼容性；

(3) 測試設(shè)備和有關(guān)測試程序及接口裝置的檢測并隔離故障的能力；

(4) 關(guān)于BIT虛警率要求的符合性；

(5) BIT測試時間以及故障隔離時間要求是否符合；

(6) BIT指示與脫機(jī)測試結(jié)果之間的相互關(guān)系；

(7) 有關(guān)故障字典、人工查找故障等技術(shù)文件的適用性和充分性；

(8) 其他測試性定性要求如BIT工作模式、ETE配置及自動化程度的符合性。

2 測試性驗證方法分析

按照驗證方式的不同測試性驗證方法可以分為測試性實(shí)物驗證與測試性非實(shí)物驗證。其中，測試性非實(shí)物驗證的主要方法有2種：測試性預(yù)估和測試性虛擬驗證。測試性實(shí)物驗證又可分為測試性實(shí)物試驗驗證和測試性實(shí)物使用驗證[1,5-7]。在GJB3385-1998《測試與診斷術(shù)語》和GJB2547-1995《裝備測試性大綱》中將測試性驗證稱之為“測試性驗證”(包括試驗工作以及評價工作)，而在GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》中，“測試性驗證”被稱為“測試性驗證試驗”。本文借鑒GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》中關(guān)于測試性驗證的定義，重點(diǎn)關(guān)注測試性驗證的過程和方法而不涉及評價工作。

2.1 非實(shí)物驗證技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

測試性非實(shí)物驗證的2種主要方法是測試性預(yù)估和測試性虛擬驗證。測試性預(yù)估主要通過圖解或建立定性模型的方式對裝備測試性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(估計)[8]，定性的描述了故障與系統(tǒng)裝備之間的關(guān)系。目前定性模型、關(guān)聯(lián)模型、多信號流圖模型、有向圖和相關(guān)矩陣等都在該領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用，但使用較為廣泛的是多信號流圖模型及混合診斷模型[9]。美國Connecticut大學(xué)的Somnath Deb[10]教授和Krishna R.Pattipati教授[11]在20世紀(jì)50年代共同提出了多信號流圖模型，并帶領(lǐng)研究小組在多信號流圖模型的基礎(chǔ)上開發(fā)出測試性工程與維護(hù)系統(tǒng)(testability engineering and maintenance system,TEAMS)。該軟件提供了直觀方便的圖形化建模環(huán)境，采用基于模型推理的技術(shù)，自動實(shí)現(xiàn)測試性分析評估，并給出裝備測試性缺點(diǎn)及改進(jìn)建議。歷經(jīng)幾十年發(fā)展，該軟件不斷改進(jìn)成熟，成為測試性建模領(lǐng)域一大經(jīng)典軟件系統(tǒng)。

在測試性建模領(lǐng)域另一種與TEAM同樣經(jīng)典的模型是由美國DSI公司提出的混合診斷模型(hybrid diagnostic model)?；旌显\斷模型把測試、功能模塊、故障模式集成于一個有向圖中表示。此外混合診斷模型將邏輯模型和信息流模型的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有效融合，做到既可以在研制階段初期對功能模塊與測試的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，又能夠在故障模式明確后分析出故障模式與測試之間的關(guān)系，并建立了較強(qiáng)大的診斷推理規(guī)則[12]。該公司在混合診斷模型的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了eXpress軟件，并在測試性設(shè)計領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)成功應(yīng)用。

上述2款軟件在我國現(xiàn)有裝備中進(jìn)行應(yīng)用后，取得了一定效果，但其并為做到對GJB2547-1995及GJB2547A-2012中的工作項目實(shí)現(xiàn)全覆蓋?；诖藝鴥?nèi)相關(guān)單位針對上述2款軟件定量分析功能不足的局限性，自主研發(fā)了測試性分析、設(shè)計與評估系統(tǒng)(testability analysis design and evluation system,TADES)，滿足了國內(nèi)裝備測試性設(shè)計的需要。無論多信號流圖模型還是混合診斷模型，其建模過程相對簡單, 模型簡單易懂, 有利于工程實(shí)現(xiàn),可快速對裝備的部分測試性指標(biāo)完成估計。然而這些模型都只是將故障與測試的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了定性分析， 是一種較粗糙的定性建模方法，無法滿足裝備對測試性指標(biāo)的定量要求[13]。此外這些模型都是在測試可靠度極高、故障率固定不變、修復(fù)及時等前提條件都滿足的情況下, 對裝備的測試性指標(biāo)進(jìn)行計算, 是一種簡單化、理想化的測試性指標(biāo)計算方法。由于并沒有對實(shí)際試驗條件、故障發(fā)生隨機(jī)性、測試不確定性、環(huán)境影響、維修條件等實(shí)際問題進(jìn)行充分考慮, 預(yù)計得到的測試性指標(biāo)值往往與實(shí)際值之間存在較大偏差, 其結(jié)果的置信度難以滿足裝備鑒定和驗收要求, 因而, 上述測試性模型難以應(yīng)用于測試性驗證領(lǐng)域。

測試性虛擬驗證(又稱基于虛擬試驗的測試性驗證)，以虛擬試驗的方式進(jìn)行，即通過將故障進(jìn)行仿真后注入到虛擬樣機(jī)、進(jìn)而在虛擬樣機(jī)上完成測試、故障檢測/隔離、指標(biāo)評價等工作從而虛擬完成整個驗證過程。隨著建模仿真技術(shù)快速發(fā)展,計算機(jī)運(yùn)算能力飛速提升，目前對實(shí)物樣機(jī)的數(shù)學(xué)化、模型化、數(shù)字化已經(jīng)可以通過虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn),從而虛擬樣機(jī)可以在計算機(jī)上進(jìn)行處理,通過計算機(jī)自身強(qiáng)大的計算能力以及可視化技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對測試性功能指標(biāo)和性能指標(biāo)的仿真分析。由于虛擬驗證的試驗分析過程在計算機(jī)上進(jìn)行,因而該方法具有低成本、高效率、可重復(fù)、過程可控、風(fēng)險小等優(yōu)點(diǎn)。

2007年邱靜[14]和連光耀[15]分別在理論層面提出了基于虛擬樣機(jī)的虛擬驗證技術(shù)的框架，并就開展測試性虛擬驗證的關(guān)鍵技術(shù)和進(jìn)行測試性虛擬驗證試驗的流程進(jìn)行了說明。文獻(xiàn)[15]中明確指出該技術(shù)研究正處于起步階段，測試性虛擬驗證的方法是未來測試性驗證試驗發(fā)展的重要方向，為后續(xù)的學(xué)術(shù)研究和工程實(shí)踐打下了良好基礎(chǔ)。張勇[16]突破了傳統(tǒng)的定性測試性模型的局限性在模型向定量化發(fā)展方面做出了進(jìn)一步探索，提出了一種功能-故障-行為-測試-環(huán)境一體化模型(function-fault-behavior-test-environment model，F(xiàn)FBTEM)。在文獻(xiàn)[16]中以某型導(dǎo)彈控制系統(tǒng)及其測試系統(tǒng)為對象，搭建了虛擬技術(shù)和實(shí)物結(jié)合的半實(shí)物仿真平臺，并成功構(gòu)建FFBTEM模型，對測試性虛擬驗證試驗的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用和驗證研究。但其搭建的半實(shí)物仿真平臺中存在實(shí)物驗證部分，因而其構(gòu)建的并不是嚴(yán)格意義上的測試性虛擬驗證體系。在此基礎(chǔ)上趙晨旭[17]于2011年使用Multisim 10與Matlab構(gòu)建了測試性虛擬驗證系統(tǒng)，在直升機(jī)航向姿態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用研究，建立了真正意義上的測試性虛擬驗證模型，形成了真正的測試性虛擬驗證體系。但其使用的Multisim 10搭建的測試性虛擬驗證系統(tǒng)針對性過強(qiáng)，無法形成對多學(xué)科領(lǐng)域的裝備測試性虛擬驗證的能力。

2.2 實(shí)物驗證技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

測試性實(shí)物驗證可分為測試性實(shí)物試驗驗證和測試性實(shí)物使用驗證。測試性實(shí)物試驗驗證多基于故障注入的方式進(jìn)行，又稱基于故障注入的測試性試驗驗證試驗。試驗驗證一般在實(shí)驗室或車間內(nèi)進(jìn)行，通過將一定數(shù)量的樣本故障注入到真實(shí)的系統(tǒng)裝備或裝備某特定系統(tǒng)中，用規(guī)定的測試方法進(jìn)行故障檢測與故障隔離，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)裝備或裝備特定系統(tǒng)的測試性水平評估[18]。該方法能夠在實(shí)驗室或車間環(huán)境下最大限度的地反映裝備的測試性水平，較虛擬驗證的方法真實(shí)可靠，驗證更加充分，是目前驗證電子裝備測試性水平最有效的手段。

2000年左右，徐萍,康銳等對基于故障注入的測試性驗證體系中的故障注入系統(tǒng)框架進(jìn)行了研究，建立了完整的故障注入系統(tǒng)框架，該技術(shù)框架將硬件注入和軟件注入2種方式進(jìn)行了有效融合、兼顧總線注入和等電勢處注入的優(yōu)點(diǎn)，并順利完成了對國產(chǎn)某型設(shè)備的測試性驗證工作[19]。在此基礎(chǔ)上張曉杰、張?zhí)旌?、秦海波等分別針對機(jī)內(nèi)測試故障注入以及系統(tǒng)BIT驗證綜合故障注入器進(jìn)行了探索研究。針對某些不宜采用實(shí)際裝備驗證的系統(tǒng)，李志宇等于2013年提出并設(shè)計了基于半實(shí)物仿真的故障注入軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，該方法以半實(shí)物仿真為基礎(chǔ)，結(jié)合測試分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了故障注入系統(tǒng)的設(shè)計，成功應(yīng)用于某型號雷達(dá)自檢設(shè)備并解決了當(dāng)時雷達(dá)裝備設(shè)計領(lǐng)域存在的測試性驗證的問題[20]。與此同時景博，吳喆等將半實(shí)物仿真設(shè)計在飛機(jī)燃油測量系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。2016年陳然[21]以LRM體系下某型防空導(dǎo)彈為對象，對FMECA方法，試驗樣本空間優(yōu)化技術(shù)，故障注入技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對相關(guān)成果進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。目前國內(nèi)某研究所已建成裝備測試性試驗評估系統(tǒng)，并對有關(guān)設(shè)備成功進(jìn)行了測試性驗證試驗工作，為陸軍電子裝備測試性驗證與評估建立了完備的體系架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的試驗驗證方法。

由于測試性實(shí)物試驗驗證受限于以下幾個方面因素，該方法得到的結(jié)果可能不準(zhǔn)確[22]。①故障注入試驗具有明顯損害性甚至不可恢復(fù)；②對于已定型裝備，由于物理封裝導(dǎo)致有些故障無法注入；③由于故障模式眾多，出于經(jīng)費(fèi)條件考慮，一般只選擇典型樣本進(jìn)行注入；④受試環(huán)境與實(shí)際環(huán)境的差異，也是導(dǎo)致置信度不高的因素。即便如此，該方法仍然是國內(nèi)外測試性驗證領(lǐng)域最為重視、使用最廣泛的手段。從試驗手段上來看測試性虛擬驗證試驗和測試性實(shí)物驗證試驗都是基于故障注入的方式進(jìn)行，只是在某些特定環(huán)節(jié)有所不同。測試性實(shí)物試驗驗證與測試性虛擬驗證的主要工作對比情況如圖1所示。

測試性實(shí)物使用驗證技術(shù)指在指定試驗單位，按照規(guī)定的試驗大綱，在實(shí)際使用環(huán)境或接近實(shí)際使用環(huán)境下，通過對裝備進(jìn)行的各種試驗，獲取裝備在自然使用狀態(tài)發(fā)生下的信息，從而對裝備的測試性水平實(shí)現(xiàn)評估，并判斷是否滿足規(guī)定的測試性要求[18,23-24]。測試性實(shí)物使用驗證體現(xiàn)了裝備在真實(shí)環(huán)境下裝備故障檢測與故障隔離能力，是裝備測試性水平真實(shí)表現(xiàn)。它比實(shí)驗室或車間環(huán)境更為真實(shí)，且花費(fèi)的費(fèi)用較少；此外，可對某些測試性試驗驗證方式無法完成的大型裝備進(jìn)行考核和驗證，因而適用于所有的裝備類型。國外有許多關(guān)于實(shí)物驗證的成功案例，如：美國空軍新研制的一種新型主力運(yùn)輸機(jī)C-17，根據(jù)該機(jī)研制合同要求，美國空軍進(jìn)行了一次為期30天的實(shí)物驗證試驗，共有12架飛機(jī)參與飛行，共飛行了近2 200個小時[25]。受限于國內(nèi)采辦體系限制和國防和軍隊保密要求，國內(nèi)尚未出現(xiàn)有關(guān)該驗證方法的報道。不同測試性驗證方案對比如表1所示。

3 發(fā)展趨勢分析

綜述所述，目前測試性驗證是測試性領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，每種驗證方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足。

(1) 對非實(shí)物驗證方面，測試性預(yù)估的方法建模過程簡單, 模型淺顯易懂,工程實(shí)現(xiàn)方便, 能夠?qū)ρb備的部分測試性指標(biāo)較快做出預(yù)估[26]。但其只是對故障與測試的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行定性分析,此外測試性指標(biāo)在建模過程中被大量簡化,環(huán)境過于理想化， 忽略了試驗條件、故障發(fā)生隨機(jī)性、測試不確定性、環(huán)境影響、維修條件等實(shí)際問題, 預(yù)計得到的測試性指標(biāo)值往往與實(shí)際值之間存在較大偏差, 其結(jié)果的置信度難以滿足裝備鑒定和驗收要求。因而, 測試性模型難以實(shí)現(xiàn)在測試性驗證領(lǐng)域的應(yīng)用。該方法必須充分考慮客觀實(shí)際因素，模型建立要逐漸從定性建模發(fā)展到到半定性半定量建模, 最后做到全定量建模。

(2) 測試性虛擬驗證領(lǐng)域歷經(jīng)10年發(fā)展已取得一定成果，該方法已經(jīng)成為一種必然趨勢。但是目前該領(lǐng)域仍然存在概念不清晰，方法與技術(shù)流程不規(guī)范、不系統(tǒng)的問題，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者基于Multisim 10與Matlab或Modelica[27]建立的模型不具有局限性過強(qiáng)，無法在全部裝備中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，不具有通用性。 面向測試性和測試性驗證的虛擬樣機(jī)技術(shù)可能會成為測試性模型建立領(lǐng)域的新發(fā)展方向。故障模型的建立和仿真，裝備模型建立和分析等方面有待進(jìn)一步探索。借助計算機(jī)以及虛擬樣機(jī)技術(shù), 有望實(shí)現(xiàn)高效、低成本、較準(zhǔn)確的裝備功能及測試性一體化設(shè)計、分析、仿真與評估等。

(3) 目前測試性實(shí)物試驗驗證應(yīng)用最為廣泛，但其依然受限于以下幾個方面因素：故障注入試驗明顯的損害性甚至破壞性；物理封裝導(dǎo)致的問題故障無法注入；典型故障的選??；受試環(huán)境與實(shí)際環(huán)境的差異。因而典型故障樣本的選取，故障信號的產(chǎn)生和故障注入策略仍然是進(jìn)一步深入研究的方向。

(4) 測試性實(shí)物使用驗證技術(shù)方面，由于國內(nèi)采辦體制限制，我軍裝備無法完成類似美軍的測試性實(shí)物使用驗證試驗，隨著我國社會的不斷發(fā)展和體制機(jī)制的改革，未來有望實(shí)現(xiàn)實(shí)物使用驗證的可能。

4 結(jié)束語

表1 測試性驗證方案對比

相對于國外，我國在測試性驗證領(lǐng)域起步較晚。本文對國內(nèi)裝備測試性驗證技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。根據(jù)裝備測試性驗證需求，本文從實(shí)物驗證和非實(shí)物驗證2個方面分析了國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并對發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，以期對我軍裝備測試性工作提供支撐。

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