系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用?

王 波范 敏

（1.海軍裝備部重大專項(xiàng)管理中心 北京100071）（2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 430064）

1 引言

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)是由監(jiān)視系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器火控系統(tǒng)等構(gòu)成的集合系統(tǒng)［1］，其狀態(tài)監(jiān)控主要依靠單機(jī)或下級(jí)系統(tǒng)的自檢信息和狀態(tài)反饋信息。存在的主要問題是：由于一些對(duì)任務(wù)有嚴(yán)重影響的故障模式無法通過單機(jī)或下級(jí)系統(tǒng)自檢來發(fā)現(xiàn)，即使呈現(xiàn)在作戰(zhàn)指揮人員面前的狀態(tài)顯示均為“正?！?，但作戰(zhàn)系統(tǒng)仍然存在不能正常使用的較大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隨著武器裝備系統(tǒng)呈現(xiàn)出多學(xué)科知識(shí)高度集成、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等特點(diǎn)，以及任務(wù)需求的多樣性，現(xiàn)有的測(cè)試性理論在系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)方面已無法滿足現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的任務(wù)保障與維護(hù)效率要求［2］。艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)包含了多個(gè)具有不同類型、不同特點(diǎn)的功能系統(tǒng)，如何在多樣化的作戰(zhàn)方式以及高度復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境中，從系統(tǒng)級(jí)層面上完成對(duì)整個(gè)研究對(duì)象的測(cè)試性設(shè)計(jì)［3］，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的測(cè)試性能力與狀態(tài)監(jiān)控的評(píng)估分析，已成為海軍艦船裝備能力發(fā)展亟待解決的問題。

2 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)

測(cè)試性作為確定設(shè)備狀態(tài)并對(duì)內(nèi)部故障進(jìn)行檢測(cè)與隔離的一種設(shè)計(jì)特性，已成為提高裝備狀態(tài)監(jiān)控能力和維修保障效率的有效手段之一［4］?；谀Ｐ偷臏y(cè)試性設(shè)計(jì)、分析因?yàn)槟苡行У貙⑾到y(tǒng)研制階段中與測(cè)試性相關(guān)的知識(shí)抽象出來，同時(shí)其便于開發(fā)測(cè)試性軟件工具的特性，使得通過計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助測(cè)試性設(shè)計(jì)成為可能，這使其成為測(cè)試性研究工作不可缺少的一部分［5］。本文通過在系統(tǒng)級(jí)層面上完成對(duì)整個(gè)研究對(duì)象的規(guī)范化測(cè)試性設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的狀態(tài)與測(cè)試性能力的評(píng)估、分析。下面主要介紹系統(tǒng)級(jí)測(cè)試設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

2.1 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性要求

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)要求主要體現(xiàn)在三個(gè)方面［6］。

1）以艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的任務(wù)需求為導(dǎo)向，通過結(jié)構(gòu)功能分析、可靠性需求分析、維修保障條件分析、性能需求分析、可利用/可達(dá)性相關(guān)技術(shù)分析來獲得整個(gè)研究對(duì)象的測(cè)試需求信息，對(duì)系統(tǒng)提出初步的測(cè)試要求。這些測(cè)試信息主要包括在何時(shí)何地采用何種測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方案對(duì)哪些系統(tǒng)功能以及結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行測(cè)試、測(cè)試方案的實(shí)現(xiàn)存在哪些約束條件、測(cè)試結(jié)果應(yīng)該達(dá)到何種程度。

2）分析系統(tǒng)級(jí)故障模式及故障對(duì)頂層任務(wù)的影響，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定相關(guān)故障特征的提取方式及故障或異常的數(shù)據(jù)判定閾值。預(yù)計(jì)各系統(tǒng)級(jí)故障模式的故障率信息，并合理設(shè)計(jì)測(cè)試方案，完成對(duì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性信息的需求分析并確定測(cè)試點(diǎn)。建立測(cè)試性模型，完成對(duì)艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的測(cè)試性水平分析。

3）選取能準(zhǔn)確反映艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)進(jìn)程的部分測(cè)試數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)體系。通過準(zhǔn)確檢測(cè)與采集與測(cè)試指標(biāo)體系對(duì)應(yīng)的測(cè)試信息，選用合適的計(jì)算模型，完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合處理與分析，對(duì)作戰(zhàn)進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并為作戰(zhàn)人員的指揮決策提供支持。

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)要求關(guān)系圖［7］如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試是針對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)通道進(jìn)行的測(cè)試［8］，目的是驗(yàn)證作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能與性能是否滿足技術(shù)規(guī)格的定義，為故障診斷以及評(píng)估作戰(zhàn)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)提供信息。系統(tǒng)級(jí)測(cè)試分為被動(dòng)測(cè)試和主動(dòng)測(cè)試兩類。作戰(zhàn)系統(tǒng)被動(dòng)測(cè)試主要對(duì)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行監(jiān)聽，不進(jìn)行測(cè)試過程的主動(dòng)控制，不能保證測(cè)試的完備性。作戰(zhàn)系統(tǒng)主動(dòng)測(cè)試則是以測(cè)試用例為中心，由測(cè)試程序生成測(cè)試序列，控制整個(gè)測(cè)試過程，觀察作戰(zhàn)系統(tǒng)在特定測(cè)試序列下的響應(yīng)。相比被動(dòng)測(cè)試，主動(dòng)測(cè)試過程可控而且全面。在作戰(zhàn)模式下，不宜進(jìn)行測(cè)試程序與被測(cè)單元間的直接通信，因而采取被動(dòng)測(cè)試以避免產(chǎn)生干擾。

在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)考慮設(shè)備單機(jī)以及分系統(tǒng)自檢測(cè)試無法檢出的故障模式，并合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方案。通過戰(zhàn)前及戰(zhàn)中的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)下級(jí)系統(tǒng)設(shè)備自檢無法檢測(cè)覆蓋的故障，這對(duì)于裝備使用人員掌握真實(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)具有十分重要的意義。系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試需求分析是在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)FMECA（故障模式、影響及危害性分析）基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展的。表1中列出了艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的典型系統(tǒng)級(jí)故障模式及相關(guān)影響與測(cè)試信息分析。

3 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

3.1 基于任務(wù)需求的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分層建模與診斷策略優(yōu)化

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)作為包含多個(gè)分系統(tǒng)且具有較強(qiáng)適應(yīng)性的研究對(duì)象，其自適應(yīng)性主要包括兩個(gè)方面：1）適應(yīng)任務(wù)環(huán)境的變化，即根據(jù)艦艇執(zhí)行任務(wù)的不同，可以進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)或模塊地變更；2）適應(yīng)艦上可調(diào)用資源的變化，即根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的變更或資源的變化，對(duì)可用資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配［9］。因此，當(dāng)艦船處于不同的任務(wù)環(huán)境時(shí)，所應(yīng)用的系統(tǒng)和模塊必然不盡相同，對(duì)系統(tǒng)的層次劃分需跟隨實(shí)際任務(wù)動(dòng)態(tài)改變。以往以單一分層有向圖形式建立的測(cè)試性模型顯然已無法滿足設(shè)計(jì)要求［10］，這就要求測(cè)試性設(shè)計(jì)工作者在系統(tǒng)研制之初便考慮研究對(duì)象的實(shí)際任務(wù)需求，在多環(huán)境、多層次的條件下完成系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性設(shè)計(jì)工作。

表1 系統(tǒng)級(jí)故障模式影響分析及故障特征提取

同時(shí)，艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)故障具有傳播性和層次性的特點(diǎn)，以多信號(hào)流圖模型為例，傳統(tǒng)的多信號(hào)流圖模型采用自頂向下的方式進(jìn)行建模，生成最底層的故障－測(cè)試矩陣［11］。在構(gòu)建較高層級(jí)的診斷策略時(shí)，也需要對(duì)最底層的故障模式進(jìn)行診斷推理。根據(jù)故障與高層級(jí)可更換單元的映射關(guān)系，推理出高層級(jí)的診斷結(jié)論。這對(duì)于不同作戰(zhàn)任務(wù)條件下的系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性分析而言，推理過程將變得尤為復(fù)雜，診斷策略優(yōu)化方式也不符合實(shí)際。因此，針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性分析，應(yīng)考慮實(shí)際任務(wù)的不同，按照系統(tǒng)功能進(jìn)行層次劃分，對(duì)每個(gè)層級(jí)的可更換單元分別構(gòu)建故障—測(cè)試相關(guān)性矩陣。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試性分析方案，以戰(zhàn)時(shí)環(huán)境為例，只需要考慮子系統(tǒng)級(jí)別的故障模式和測(cè)試，然后生成系統(tǒng)的故障—測(cè)試相關(guān)性矩陣，按照測(cè)試性設(shè)計(jì)方案，完成對(duì)故障診斷策略的優(yōu)化［12］。

3.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)

作為反映故障演化方式與傳播規(guī)律的模型，傳統(tǒng)的單純依靠測(cè)試性模型所設(shè)計(jì)的測(cè)試性分析方案存在著模型數(shù)據(jù)利用率低下、診斷精度不高等缺點(diǎn)。隨著測(cè)試技術(shù)智能化、集成化水平的提升，越來越多的測(cè)試單元和高速計(jì)算部件投入到武器裝備的使用過程，艦船武器系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)、運(yùn)行、維護(hù)過程中將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息。需要通過合適的數(shù)據(jù)分析手段來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。例如，可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過對(duì)故障特征量的選取以及對(duì)診斷參量數(shù)據(jù)的預(yù)處理，來建立艦船武器系統(tǒng)外場(chǎng)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、BIT數(shù)據(jù)、ATE數(shù)據(jù)和人工巡視數(shù)據(jù)與各典型故障模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成對(duì)故障的初步定位，以此縮小診斷策略優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的測(cè)試范圍并降低測(cè)試代價(jià)。針對(duì)故障特征不明顯的問題，通過研究失效預(yù)兆參數(shù)識(shí)別與故障檢測(cè)技術(shù)，對(duì)隱含在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的失效預(yù)兆參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)提取與識(shí)別，將能夠快速確定異常情況，并可縮小故障搜索范圍，降低測(cè)試代價(jià)，為進(jìn)一步的故障定位做好初步的檢測(cè)工作。同時(shí)，依托艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)級(jí)典型故障模式診斷參量的采集與分解，在測(cè)試性模型的建立過程中，對(duì)各組成單元以及各功能單元輸入、輸出的端口信號(hào)類型進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，規(guī)范測(cè)試性模型的建立方法。由此，避免在進(jìn)行不同層級(jí)的測(cè)試性建模過程中，由于不同層級(jí)模型的輸入、輸出信息設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)不一致，造成診斷優(yōu)化策略效率低下、模型無法兼容等問題。

3.3 基于測(cè)試數(shù)據(jù)的作戰(zhàn)進(jìn)程監(jiān)測(cè)

作戰(zhàn)進(jìn)程是作戰(zhàn)系統(tǒng)一個(gè)作戰(zhàn)程序的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行過程。它是關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合的一次運(yùn)行活動(dòng)，是作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度運(yùn)行的基本單位。作戰(zhàn)進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊組成。作戰(zhàn)進(jìn)程監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)過程可視化監(jiān)控的基礎(chǔ)。艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)進(jìn)程的描述示意圖如圖2所示。

以艦船海上對(duì)空自防御作戰(zhàn)過程為例，說明系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。想定作戰(zhàn)過程如下：當(dāng)敵方飛機(jī)或反艦導(dǎo)彈攻擊我艦時(shí)，我艦A波段雷達(dá)搜索發(fā)現(xiàn)來襲敵機(jī)或?qū)?，指控系統(tǒng)首先向遠(yuǎn)程對(duì)空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)下達(dá)攔截的目標(biāo)指示，并根據(jù)攔擊效果評(píng)估，指揮進(jìn)程反導(dǎo)武器再次對(duì)漏網(wǎng)的來襲目標(biāo)進(jìn)行攔截。

圖2 艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)進(jìn)程示意圖

在此過程中，作戰(zhàn)指揮人員不僅需要掌握任務(wù)通道的瞬時(shí)可用性，還需要掌握作戰(zhàn)進(jìn)程的執(zhí)行狀況，例如：目標(biāo)指示是否正常、導(dǎo)彈發(fā)射裝置是否備便、火控跟蹤解算是否正常、武器是否處于可發(fā)射狀態(tài)、發(fā)射后的遠(yuǎn)程導(dǎo)彈制導(dǎo)交班是否正常，等等。

通過上述想定作戰(zhàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，僅僅利用各二級(jí)系統(tǒng)設(shè)備的自檢BIT結(jié)果，給出任務(wù)通道各節(jié)點(diǎn)的可用信息，不能滿足作戰(zhàn)指揮人員掌握作戰(zhàn)過程的需求。還需要通過系統(tǒng)級(jí)測(cè)試信息來驅(qū)動(dòng)顯示作戰(zhàn)進(jìn)程的執(zhí)行狀態(tài)。通過綜合利用真實(shí)視頻和測(cè)試數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的作戰(zhàn)進(jìn)程圖形顯示，使作戰(zhàn)指揮人員融入作戰(zhàn)過程可視化監(jiān)控及交互環(huán)境之中，有利于作戰(zhàn)指揮人員及時(shí)采取相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)對(duì)策［13］。

作為戰(zhàn)時(shí)條件下的測(cè)試性設(shè)計(jì)，由于受到被動(dòng)測(cè)試的限制，無法充分獲取故障定位所需信息。因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)是要考慮如何在戰(zhàn)時(shí)環(huán)境中對(duì)實(shí)時(shí)檢出故障模式或異常信息并報(bào)警，為戰(zhàn)時(shí)的戰(zhàn)術(shù)決策提供及時(shí)、有力的支撐。而在非戰(zhàn)時(shí)條件下，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)將以任務(wù)通道的功能和性能狀態(tài)驗(yàn)證為目的，采取主動(dòng)測(cè)試的手段，充分獲得故障定位所需信息。上述兩種不同的測(cè)試條件，要求設(shè)計(jì)人員在測(cè)試性設(shè)計(jì)之初便要區(qū)分對(duì)待。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)為例，闡述了現(xiàn)有的測(cè)試性設(shè)計(jì)方案的不足，以任務(wù)需求為導(dǎo)向，從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分層與診斷策略優(yōu)化、提高模型數(shù)據(jù)利用率和基于測(cè)試數(shù)據(jù)的作戰(zhàn)進(jìn)程監(jiān)測(cè)三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析給出了改進(jìn)建議。

未來艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展將始終以作戰(zhàn)需求為牽引，作為系統(tǒng)級(jí)多平臺(tái)的測(cè)試性設(shè)計(jì)研究也必須體現(xiàn)出任務(wù)要求的特殊性，與武器裝備的發(fā)展特點(diǎn)緊密結(jié)合起來。通用的測(cè)試性模型或者通用的測(cè)試性設(shè)計(jì)方案將不能滿足未來數(shù)字化環(huán)境對(duì)艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的軍事需求，這就要求測(cè)試性設(shè)計(jì)人員結(jié)合研究對(duì)象的特點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試性理論的應(yīng)用進(jìn)行不斷地探索與創(chuàng)新。