測試性技術分析與試驗驗證芻議

房燦新

(解放軍91404部隊,　河北 秦皇島 066001)

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測試性技術分析與試驗驗證芻議

房燦新

(解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

測試性質量特性是武器裝備試驗考核內容之一，攸關武器裝備能否快速地檢測故障并隔離故障。文中闡述了裝備測試技術設計、測試性試驗需求和靶場驗證方法，著重研究了測試性定性檢查、定量檢查的基本準則和實施途徑。并指出故障特征的分析提取和樣本集的有效生成是測試驗證的關鍵，旨在為提升武器裝備測試性試驗能力提供參考。

測試性；機內測試；故障注入；試驗驗證

0　引　言

武器裝備的質量特性約束，早期多以“五性”方式提出，即可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性(RMTSS)。由于軍兵種管理部門、行業領域等因素的不同，武器裝備質量要求又分別有“六性”“七性”的不同提法。例如：關于海軍武器裝備建設要求，主管部門提出了“體系中、邊界上、六性通”的考核和評估約束。“六性”其實是在"五性"基礎上，增加了環境適應性；“七性”是在“六性”基礎上，又增加了電磁兼容性。GJB9001B 2009《質量管理體系要求》指出，組織應建立和保持產品的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性；“六性”作為武器裝備的固有質量特性，與裝備的可用度緊密相關，對武器裝備作戰能力影響深遠，也制約著武器裝備全壽命周期的維護成本。

1　測試性技術分析

在武器裝備設計研制期間，必須同步考慮哪些信號參數、工作環節要進行事先檢查或在運行過程中實時檢測，以確保武器裝備安全、可信和經濟地運行[1]。例如：靶場研制的X-X型導彈指揮儀，定時基于模擬電氣信號，解算射擊諸元，并與標準答案比對，以確保火控系統不會出現“飛車”。

測試技術實現手段主要有機內測試(BIT)和自動測試設備(ATE)。BIT測試包括：上電測試、信號回饋測試、周期性監控測試、邊緣掃描測試和健康管理(PHM)等。BIT的要求是將故障隔離到艦艇級的可更換單元(LRU)或可更換模塊(LRM)。武器裝備往往針對空間、成本等因素考慮，BIT設備規模一般不超過10%的限額。

ATE測試包括總線信號檢測、BIT特征量檢測、JTAG口綜合檢測和專用測試系統等。ATE是把艦艇級的現場可更換單元(LRU)或現場可更換模塊(LRM)，提高到維護基地級的內場可更換單元(SRU)。IEEE 1149.5定義了測試維修總線標準，涵蓋數字/模擬電路的板級、模塊級、設備級及系統級的BIT測試技術規范，為診斷平臺、技術及應用提供了總體要求框架。

國內外ATE主流的測試總線標準是基于VXI、PXI(擴展PCI)，測試性能高、邏輯復雜的測試系統宜采用VXI，對空間受限、要求一般的測試系統宜采用PXI/PCI。

2　測試性試驗需求

實踐表明，故障的定位時間與故障的排除時間基本等同。測試性設計水平，決定了裝備維修的可達性，以及保障資源的復雜程度[2]。作戰體系中，各作戰單元的技術性能緊密相關，一個裝備的技術狀態不可信，會引起一連串的技術反應，進而導致作戰流程的紊亂；快速而有效的測試，是完成作戰使命任務的必要前提。

在武器裝備研制總要求中，典型的測試性技術要求有：

(1) 系統要具有完善的自檢(BIT)能力。

(2) 穩定故障檢測率為98%，虛警率為≤5%；

(3) 故障隔離率：隔離到1個現場可更換單元(LRU)為85%；隔離到2個現場可更換單元(LRU)為90%；隔離到3個現場可更換單元(LRU)為95%。

(4) 故障檢測時間<0.5 h。

(5) 離線測試過程簡單實用，覆蓋部件范圍廣，并壓縮輔助設備資源。

更進一步細化，測試性還涉及到可控制性和可觀察性兩個要素。可控制性主要是指能將電路板、軟件單元、固件模塊或系統設備限定為一瞬時可控的技術狀態，其復雜性來源于數據通路中的時序組合邏輯、信號的環路交叉以及模糊狀態基等等。可觀察性主要是指將一個復雜系統(黑盒)，逐步打開使其變化為一個透明體(白盒)，并能將單一或系列參變量、因變量以數據或圖形的方式來同步表示。

以軟件模塊為例[3]，觀察性包括：(1)GUI觀察性，是否提供跨平臺、跨操作系統、跨編程語言的顯示支持；(2)功能觀察性，以基本黑盒的簡單I/O，判定主體功能是否具備；(3)信息流觀察性，以透明白盒的角度，能觀察到信息的傳遞策略和基本路徑；(4)交互協同觀察性，在同一控制系統內，觀察本模塊與外部模塊交互協同的能力。控制性包括：(1)配置控制，對模塊的初始狀態和工作模式的定制能力；(2)內嵌控制，對標準組件、專用構件的容納能力；(3)邏輯控制，對復雜邏輯(同步、互斥、解鎖)的管理能力；(4)行為控制，指調用主件對本工作模塊的行為駕馭能力。

軟件觀察性-控制性模型雷達圖，如圖1所示。

圖1　軟件模塊觀察性-控制性模型

當前，靶場測試性試驗驗證方法研究剛剛起步，測試性試驗的基本手段和方法缺乏科學性和有效性，靶場基于不同型號的武器裝備測試性試驗方法和評估標準亟待建立。

3　測試性試驗驗證

測試性試驗方式包括直接試驗和間接試驗。直接試驗采用在實際裝備上進行現場注入故障點(自然故障、人為制造的故障)的方式進行，是目前國內外普遍采用的試驗手段，評估方法也日臻成熟。如美軍在機載火控雷達APG-66上進行測試性試驗時，即注入了1 398個故障，以驗證評估其測試性水平是否滿足作戰使用的規定要求。而間接試驗是在裝備設計方案基礎上，依據先驗試驗工程信息和領域理論知識，建立系列化的電路特性EDA模型、熱傳導與輻射CFD模型、振動力學FEA模型，通過分立元器件、ASIC電路、單元組件、功能模塊、設備和系統的自動注入典型故障，分析研究故障傳遞路徑，評價系統的BIT故障診斷有效性等測試性相關指標的方法。由于仿真模型的建立、校驗與驗證技術復雜并有較大的不確定性，此項試驗技術尚處于起步發展階段。

在裝備測試性試驗中，主要基于直接試驗方法，以定性檢查和定量考核兩種手段進行。故障樣本一般要求在32個以上，考慮到系統規模大和組成復雜的情況，模擬了200個故障樣本。受限于試驗時間和故障發生概率，采用了自然發生和人工模擬故障兩種方式獲取試驗數據。其中人工模擬方式是在試驗中人為設置穩定故障，主要途徑有[4]用故障部件代替正常部件，增加或去除電路部件，設置安全范圍之內的開路、短路、高阻和低阻狀態，增加感性、容性支路，超門限設置，違反接口協議等。

3.1測試性定性檢查

啟動設備自檢，檢查是否能將故障隔離到分機(LRU)；檢查系統分機是否設計有方便分機、模塊故障定位的測試口；測試接口是否滿足中低頻模擬信號、高速數字信號和RF接口等。

針對具體檢查的內容詳細列出檢查表格，根據現場檢查，確定是否滿足，若滿足則填入“√”、不滿足填入“×”，不涉及填入“-”。

3.2測試性定量檢查

測試性檢查原則上是通過足額自然發生和人工模擬故障獲取試驗數據，采用數據統計分析方法得出檢查結論。故障檢測率、故障隔離率、故障檢測時間、故障隔離時間和虛警率是典型的定量測試要求，檢查內容應針對型號裝備研制總要求的具體規定而確立。樣本量選取，與檢測率的置信區間相關，宜根據測試復雜性、試驗資源可獲取性、使用環境和保障要求而權衡選取。在定量檢查中，確立了以下準則：

準則一：優先選用故障率高的故障模式作為試驗樣本；

準則二：以影響系統主要功能和戰術性能指標，設定系統層的穩定故障模式；

準則三：穩定故障設置盡量全面覆蓋系統各組成單元，并根據各組成單元的故障率進行故障樣本量分配，對于可靠性很高且在設置故障時會造成現場不可修復故障的單元可不設置故障；

準則四：對于同一類別分機原則上不重復設置故障；

準則五：人工模擬故障設定，并保證設定和試驗后可馬上恢復，不可造成模塊實際故障。

依據以上原則確定的故障試驗樣本庫，部分示例見表1。

表1　模擬故障試驗樣本示例表

3.3測試性實施過程

試驗實施過程中，每個試驗用例執行前、后都應保證受試產品處于完好狀態。試驗時，每次注入一個故障，進行故障檢測、故障隔離、修復后再注入下一個故障，直到達到規定樣本量為止。具體步驟如圖2所示。

圖2　測試性驗證試驗過程

3.4測試性改進策略

在裝備基地設計定型試驗中，艦艇BIT測試診斷能力差，且難以滿足超大規模集成電路的測試需求；在液位檢測、機械傳輸、沖擊振動等諸多方面，因為物理傳感器、時間應力與濾波處理等因素，致使診斷定位模糊，虛警率、漏警率過高，影響到BIT測試的實際工作效果。平臺管理分系統，故障模式樹過于死板僵硬，僅僅對歷史故障信息作被動式的簡單總結，無法處理意外故障。

故障注入受電路封裝、設備安全等因素限制，希望以足量的故障樣本來確定產品對測試序列的響應困難重重[5]，故障注入位置訪問的盲區將降低故障檢測覆蓋率。故障特征的分析提取、故障樣本集的生成是測試驗證的關鍵。在試驗小結時，若發現故障檢測率不能令人滿意時，應繼續尋求增加測試手段，如測試信號端口。測試端口的增加，主要考慮以下因素：能夠改善全局信號的可控制性和可觀察性，能夠提高測試的基本性能度量(故障覆蓋率、故障檢測率、故障隔離率等)，能夠在限定的物理空間、顯示布局、內存空間和計算資源內，以一種合理的分布策略，將測試信息引入到顯示表頁、外部面板或板上接插件。

以ATE作為激勵支撐，結合診斷專家系統一并進行是很好的選擇，此法的實用性取決于模型反映實際故障模式的深度和準確性。在模擬故障之前，必須獲取無故障時裝備特征的先驗知識；基于裝備基地設計定型試驗實踐，經過充分調研和理論研究，提出了復合推理測試系統改進方案(如圖3所示)，將BIT設備、通用儀表和ATE系統結合起來，并增加了信號估計、故障特征提取與推理機制[6]。

圖3　復合推理測試系統方案

4　結束語

本文在分析武器裝備測試技術實現手段的基礎上，結合已經展開的型號裝備測試試驗實踐，闡述了靶場開展武器裝備測試性驗證的試驗需求和典型驗證方法；著重研究了測試性定性檢查、定量檢查的基本準則和試驗實施過程，指出故障特征的分析提取和樣本集的有效生成是測試驗證的關鍵。測試性試驗技術研究方面，國內尚處于發展階段，基于不同型號的武器裝備測試性試驗方法和評估標準亟待建立，以促進武器裝備質量的系統性提升。

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房燦新男，1968年生，碩士，高級工程師。研究方向為作戰系統試驗。

Analysis of Testability Technology and Test Verification

FANG Canxin

(The Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001, China)

Testability quality characteristic is one aspect of the weapon equipment test evaluation. It determines whether the weapon equipment can quickly detect and isolate the fault. Equipment testing technology design, testability experimental requirement and target range verification method are described, focusing on the study of the basic criteria and implementation approaches of the qualitative examination and quantitative examination. Then it points out that fault feature extraction and effective emergence of sample collection are the keys to test verification. This thesis provides a reference to improve testability test capacity of weapon equipment.

testability; built-in test; fault injection; test verification

房燦新Email：fang_new@163.com

2016-03-10

2016-05-18

TN407

A

1004-7859(2016)07-0014-03

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.004