孔令偉

摘 要：測試性試驗可以客觀評價產(chǎn)品測試性水平，驗證產(chǎn)品的測試性設計是否滿足規(guī)定的要求，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在測試性設計方面的各種缺陷，并促進測試性設計水平提升。FMECA作為測試性試驗的重要基礎，其詳細程度決定了測試性試驗能否更好地開展。然而目前FEMCA存在一些問題，不能有效滿足測試性試驗的需求。針對這些問題，本文從測試性試驗對FMECA的需求出發(fā)，提出一種面向測試性試驗的FMECA方法，并將其應用于產(chǎn)品的研制過程中。研究表明，該方法能夠滿足測試性試驗的要求。

關鍵詞：測試性試驗;FMECA;故障模式;故障影響

中圖分類號：V416文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0009-04

Abstract： The testability test can objectively evaluate the testability level of the product， verify whether the testability design of the product meets the specified requirements， discover various defects in the testability design of the product in time， and promote the growth of the testability design level. FMECA is an important foundation of testability tests， and its level of detail determines whether testability tests can be carried out better， however， the current FMECA has some problems and cannot effectively meet the needs of testability tests. In response to this problem， this paper started from the testability test's demand for FMECA， proposed a testability test-oriented FMECA method， and applied it in the product development process. Research shows that this method can meet the requirements of testability tests.

Keywords： testability test;FMECA;failure mode;failure cause

測試性試驗是指在研制的裝備中注入一定數(shù)量的故障，用規(guī)定的測試方法進行故障檢測與隔離，并根據(jù)結果來估計裝備的測試性設計水平，判斷是否達到規(guī)定要求[1-4]。故障注入試驗是有損性甚至破壞性試驗，考慮到試驗風險、試驗費用及試驗時間，國內現(xiàn)有測試性試驗的故障樣本一般都是規(guī)定一定數(shù)量，有限的試驗故障注入樣本代表性差，無法保證對裝備主要功能、關鍵故障的覆蓋，影響了抽樣模擬故障的隨機性和遍歷性，進而降低了驗證結論的置信度，同時抽取的有限故障注入樣本也無法實現(xiàn)充分暴露產(chǎn)品潛在故障的目的[5-7]。因此，通過分析裝備本身功能/結構組成及性能特點，提出符合裝備本身特點的測試性試驗方案，以充分暴露產(chǎn)品設計缺陷、客觀評價產(chǎn)品測試性。

1 FMECA的作用

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode， Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并根據(jù)每一個故障模式的嚴重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法[8-11]。FMECA是測試性工作的重要設計輸入，其分析的內容包括產(chǎn)品的組成、結構、故障模式、失效率和測試手段等，是開展測試性預計、測試性分配、測試性試驗等測試性相關工作的重要依據(jù)[12-15]。FMECA中，故障模式分析是否全面、失效率分析是否準確、故障模式的檢測方式是否正確等在很大程度上決定了能否真實有效地反映產(chǎn)品的測試性水平。

2 FMECA存在的主要問題

FMECA作為產(chǎn)品研制過程中的有效分析手段，已成為裝備的必要工作項目，但是由于認識及重視程度的不足，F(xiàn)MECA工作普遍存在分析顆粒度粗、層次模糊、迭代關系混亂等問題，導致工作結果無法促進產(chǎn)品質量的提升，也無法支持測試性試驗等工作的切實有效開展[16-18]。目前，其主要存在如下問題。

2.1 FMECA實施的時機滯后，存在湊報告問題

根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》（GJB/Z 1391—2006）要求，在論證與方案階段就應該開展FMECA工作。由于該階段產(chǎn)品的相關資料不夠完整和詳細，因此可采用功能FMECA法由上而下進行分析。進入工程研制階段后，隨著產(chǎn)品設計的不斷明確，應該采用硬件FMECA法由下至上進行分析，并不斷跟蹤設計情況，反復開展FMECA工作。然而，目前大多數(shù)的FMECA工作并沒有隨設計的開展而協(xié)調迭代開展，導致FMECA工作失去了真正的價值和意義，無法為產(chǎn)品的設計改進提供參考。

2.2 約定層次不深入，迭代關系不明確

FMECA約定層次一般分為初始約定層次、中間約定層次與最低約定層次。初始約定層次是進行FMECA的最高層次，是FMECA最終影響的對象;中間約定層次是相繼的約定層次（第二、第三、第四等），這些層次表明了由復雜直至較簡單的組成部分有序的排列;最低約定層次是分析對象的最低層產(chǎn)品所在層次，該層次決定了FMECA工作的深入和細致程度。當采用硬件法自下而上進行分析時，應按約定層次從低開始，逐層進行分析。而在實施中，分析人員因對產(chǎn)品原理及故障傳遞理解不夠，存在跳躍式分析，時而按最低約定層次分析，時而又跳到其他層次。這無法提供約定層次的可能的故障全集。另外，迭代關系的不完整會導致分析不到位或分析錯誤，影響嚴酷度的判定。例如，將嚴酷度等級高的故障模式誤判為低嚴酷度等級或將嚴酷度低的故障模式誤判為高等級，從而帶來巨大的損失，甚至引發(fā)災難性故障。

2.3 給出的故障顆粒度粗，沒有覆蓋主要故障

故障模式是FMECA工作的基本元素，F(xiàn)MECA給出的故障模式是否充分、全面、準確直接影響著FMECA的效果[19-21]。目前，F(xiàn)MECA中對故障的分析主要是依據(jù)《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z 299C—2006）。一方面，該手冊給出的典型故障已落后于電子技術的發(fā)展，例如，缺乏數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等目前常用復雜邏輯器件的具體可用內容;另一方面，由于分析人員的認識及理解不足，給出的故障模式宏觀，不具備實用性，例如，F(xiàn)MECA報告中常見“×××電路板故障”“×××電路數(shù)據(jù)錯誤”“×××模塊工作異常”等故障模式，這些都無法給故障在上一級的影響分析提供支撐，也無法對產(chǎn)品各級主要故障的分析提供有效依據(jù)，更無法為測試性試驗提供輸入。

2.4 設計改進與使用補償措施沒有針對性

FMECA的目的之一是為產(chǎn)品的設計改進與使用補償措施提供依據(jù)，其提出的相應措施需要直接反映到設計中，從而達到控制故障影響、降低故障發(fā)生率甚至消除故障的目的，這就要求提出的設計改進與使用補償措施具體、可操作且對該故障模式有針對性。實際分析中，設計改進與使用補償措施一欄經(jīng)常出現(xiàn)“采取冗余設計”“進行降額設計”等內容，或者給出的措施與分析出的問題不對應，不符合實際需求，不能真正指導設計修改，也就起不到FMECA應有的作用。

3 測試性試驗對FMECA的需求

測試性試驗定義為在產(chǎn)品半實物模型/樣機/實物/試驗件上，通過注入或者模擬故障，客觀評價產(chǎn)品的測試性水平，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的測試性設計缺陷，以便采取設計改進措施，實現(xiàn)測試性能力的提升。開展測試性試驗時，產(chǎn)品的樣機應已完成功能/性能的全面測試與驗證，產(chǎn)品的功能/性能應已在具體的結構單元上實現(xiàn)，即功能/性能與產(chǎn)品硬件能夠一一對應。

面向測試性試驗的FMECA須采用硬件法分析，即對產(chǎn)品的實物硬件設計的缺陷及薄弱環(huán)節(jié)進行詳細分析，而非僅僅分析其功能，硬件FMECA的步驟如圖1所示。硬件法的FMECA需要提供硬件故障模式及發(fā)生率，故障模式要求描述清晰、準確，并嚴格進行各產(chǎn)品層次間故障模式、原因、影響的迭代分析，確保準確分析故障影響，為測試性試驗打下良好基礎。故障模式發(fā)生率需要可靠性預計的故障率數(shù)據(jù)支持，人們要結合故障模式的頻數(shù)比數(shù)據(jù)，得出各故障模式在某任務階段內的發(fā)生率，供測試性試驗故障注入樣本選取參考。

3.1 約定層次需求

在策劃實施測試性試驗時，人們應根據(jù)試驗對象的級別，確定需要開展FMECA的最低約定層次，不合理的約定層次劃分可能會帶來額外的工作負擔。不同層次上的FMECA可以得到相應層次上的故障模式、故障率和故障影響等信息。在分析過程中，應根據(jù)約定層次，對初始約定層次和最低約定層次進行相應調整，同時要明確各個約定層次的故障模式、故障影響、檢測方法以及各級影響等，并自下而上地按照層次的級別進行分析，也就是按照元器件、功能電路、電路板、分組件、組件和導彈等逐級往上分析，進而構成產(chǎn)品完整的FMECA[22-24]。

空空導彈的測試性研制試驗和驗證試驗對象一般為導彈、組件和分組件。根據(jù)分析的需求，最低約定層次一般可選取電路板、獨立功能單元和元器件，由此針對組件的測試性試驗，F(xiàn)MECA的最低約定層次可選取最小獨立功能單元電路。

3.2 故障模式分析需求

為滿足測試性試驗的需求，故障模式應分解到最低功能單元電路或元器件，同時要求盡可能地涵蓋所有失效形式，故障模式的定義應該清晰、準確。下面對不同級別的需求進行闡述。

3.2.1 器件級。器件級別的故障模式可參考《電子設備可靠性預計手冊》（GJB/Z 299C—2006），但要充分分析器件所在電路的功能及原理，然后對其中的故障模式進行適當?shù)募舨煤脱a充，例如，污染、漏電和腐蝕等故障模式可酌情地刪減，剪裁或補充后的故障模式頻數(shù)必須要重新進行歸一化處理。對于大規(guī)模集成電路（如DSP、FPGA），應首先按功能將其劃分成不同的功能（如時鐘、I/O等），然后分別對不同的功能進行分析;對于多通道器件，應對每一個通道分別進行分析;電連接器的故障模式應盡量細化到信號，無法細化的信號（如RS422總線等）可作為一整體進行分析[25-26]。

3.2.2 功能電路級/分組件級/組件級/導彈級。故障模式應根據(jù)實際情況來考慮整體失效和部分失效，應按各功能細化分析故障模式。

在各級故障模式分析中，產(chǎn)品或相似產(chǎn)品發(fā)生過的故障模式必須納入其中。

故障模式描述要盡可能地保證準確性，典型故障模式如表1所示。在進行故障細化分析時，人們可以根據(jù)實際情況進行選擇。例如，電壓模塊的故障模式可選擇對地短路、輸出斷路、電壓偏高、電壓偏低、帶載能力不足等。

3.3 故障影響的傳遞分析需求

分析故障原因時，應保證下級故障到上級故障的傳遞。眾所周知，各故障模式的故障原因為下一層次的故障模式，因此在填寫故障原因時應將所有導致本故障模式的下一層次的故障模式全部列清楚。如果導致該故障模式的原因有多個，必須羅列出所有原因，不能有遺漏。在分析功能電路級的故障模式時，應在故障原因中體現(xiàn)其所包含的電連接器管腳的故障模式。

分析器件級的故障模式時，要重點考慮以下兩種故障的影響：該器件的故障對于其直接互聯(lián)的相關器件的影響;對上一級的影響，即故障模式發(fā)生后會對器件所屬的功能電路的影響。

對于功能電路級/分組件級/組件級/導彈級故障影響，其分析方法與器件級的分析方法類似，采用提升層級、類推完成的方式進行。在FMECA中進行故障影響分析時，應采用故障原因—故障模式—故障影響的傳遞方式。一種故障模式發(fā)生的原因可能有多種，但是其對上一級產(chǎn)品的影響只有一種。在開展FMECA時，要嚴格按照故障模式的傳遞關系，即上一層次的故障原因為下一層次的故障影響，同時要保證故障模式的所有故障原因包含其中，沒有遺漏。

3.4 檢測方法分析需求

故障檢測能力是評價產(chǎn)品測試性設計水平高低的重要因素。在開展測試性試驗時，要驗證各種檢測方法對每個注入的故障模式的檢測能力，因此，在開展FMECA時，應將故障模式的檢測方法羅列清楚，為測試性試驗的實施提供參考。

在進行故障檢測方法分析時，應對每個檢測方法的級別、測試類型以及檢測的指示進行說明。具體方法如下：應說明該檢測方式的測試級別，如導彈級、組件級、分組件級等;應給出檢測方法的測試類型，一般測試類型是根據(jù)測試的工具類型確定的，如示波器、萬用表等，每個檢測方法可以是一種測試類型，也可以是多種測試類型的組合;應給出對每個故障的檢測指示，即該故障發(fā)生時某種測試方法下檢測點處對該故障的不正常參數(shù)或者異常的指示。

4 結論

本文結合測試性試驗對FMECA的需求，提出一種面向測試性試驗的FMECA方法，并將其應用于空空導彈研制過程中，該方法能夠滿足測試性試驗的需要。本研究列出的故障模式明確且具體，能夠解決復雜電路故障模式難以解決的問題，可以滿足測試性試驗的需要。

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