基于仿真分析的復(fù)雜電子裝備測試性預(yù)計技術(shù)研究

馬曉艷

（ 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

基于仿真分析的復(fù)雜電子裝備測試性預(yù)計技術(shù)研究

馬曉艷

（ 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

測試性是產(chǎn)品的一種設(shè)計特性，是伴隨功能原理設(shè)計時賦予產(chǎn)品的一種固有屬性。隨著電子產(chǎn)品及設(shè)備的復(fù)雜和多樣化，導(dǎo)致其故障診斷越來越困難，產(chǎn)品的測試性也逐漸得到生產(chǎn)和使用單位的重視。為盡早在研制階段對產(chǎn)品的測試性水平進行評估，發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，首先對測試性仿真技術(shù)進行了簡單介紹，之后詳細闡述了基于TEAMS的測試性仿真方法，最后以某型柴油機系統(tǒng)為例，對其測試性指標進行預(yù)計，同時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測試性設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的設(shè)計改進提供建議。

測試性仿真；測試性預(yù)計；TEAMS

引言

測試性是產(chǎn)品的一種設(shè)計特性，是伴隨功能原理設(shè)計時賦予產(chǎn)品的一種固有屬性，GJB 2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》對測試性的定義為：產(chǎn)品能及時準確地確定其狀態(tài)（可工作，不可工作，性能下降）和隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性[1]。隨著新一代武器系統(tǒng)電子裝備高度集成化、一體化、復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展趨勢，測試、診斷和維修保障問題日益突出，已無法滿足武器系統(tǒng)快速診斷隔離的需求。問題主要體現(xiàn)在：①各類測試信息獲取困難，無法進行測試或測試過程復(fù)雜；②測試設(shè)備眾多，測試方法與測試設(shè)備不統(tǒng)一、不兼容；③測試時間長，效率低，維修保障資源浪費嚴重；④故障檢測與隔離差，虛警率高，據(jù)使用方反饋，現(xiàn)役的某型殲擊機的故障檢測率和隔離率水平僅為60 %左右，甚至虛警率也達到了60 %，遠遠達不到設(shè)計時的指標要求，給后期產(chǎn)品的維修保障帶來了巨大困難，大大降低了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。究其根本原因首要是在產(chǎn)品設(shè)計階段出現(xiàn)了功能設(shè)計與測試性設(shè)計不同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致其固有測試性水平低。測試性仿真分析正是通過建立產(chǎn)品數(shù)字模型的方式，進行測試性預(yù)計，確保其測試性要求得到全面落實，同時發(fā)現(xiàn)測試性設(shè)計缺陷，為改進產(chǎn)品測試性設(shè)計分析工作，提供其測試性設(shè)計水平提供依據(jù)。

1 測試性技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

1975年美國便出現(xiàn)了關(guān)于測試性的概念，并很快就有專家制定了一系列有關(guān)測試性的標準，如MIL-STD-415D《測試性設(shè)計準則》、MIL-STD-2165《電子系統(tǒng)及設(shè)備的測試性大綱》等。標準的實施推進了測試性設(shè)計在工程中的廣泛應(yīng)用。同時計算機輔助工具為測試性設(shè)計增加了更加便利的條件。如美國的WSTA、TEAMS軟件，已經(jīng)成為電子設(shè)備測試性設(shè)計重要工具，它們可以實現(xiàn)測試性的分析、驗證等功能[2]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

相比較國外，國內(nèi)關(guān)于測試性的起步較晚。在20世紀90年代，國家制定并頒布了GJB 2547-95《裝備測試性大綱》和GJB 3385《測試與診斷術(shù)語》，這是我國最早的關(guān)于測試性的標準，也是我國武器裝備進行測試性設(shè)計工作的頂層設(shè)計規(guī)范。2012年，對GJB 2547-1995進行了修訂，更名為《裝備測試性工作通用要求》，規(guī)定了裝備全壽命階段測試性工作要求。

在測試性輔助工具方面，國內(nèi)與國外的差距較大。雖然國內(nèi)測試性專家對測試性預(yù)計及優(yōu)化技術(shù)的相關(guān)理論進行了研究，取得了一定效果，具有一定的指導(dǎo)作用，但是無論在測試性輔助工具的研發(fā)方面，還是在測試性軟件的工程應(yīng)用水平上，還是存在一定的差距。在國內(nèi)裝備測試性的工程應(yīng)用中，還存在以下問題：

1）測試性設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計緊密性不夠。測試性作為裝備質(zhì)量特性之一，應(yīng)與裝備性能和其他質(zhì)量特性設(shè)計同步開展。但實際上，國內(nèi)裝備設(shè)計還是把重點放在性能指標或功能要求的實現(xiàn)上，測試性和其他質(zhì)量特性設(shè)計出現(xiàn)不足或者表象化問題。

2）測試性設(shè)計缺乏有效的計算機輔助工具及設(shè)計優(yōu)化方法。由于研制單位對裝備測試性的重視程度不夠，因此也缺乏對測試性設(shè)計方法及手段的更高需求。計算機輔助設(shè)計工具及設(shè)計優(yōu)化方法的工程應(yīng)用少之又少。

國外在武器裝備測試性工作方面已有大量成功的案例[3]。我國開展裝備測試性分析及試驗起步較晚，部分單位較為系統(tǒng)深入地開展了裝備的測試性仿真分析驗證試驗技術(shù)研究和應(yīng)用[4,5]，但目前尚未建立起可覆蓋各類裝備的完備的數(shù)據(jù)判據(jù)。

2 測試性仿真概述

2.1 測試性預(yù)計技術(shù)現(xiàn)狀

在測試性仿真中，測試性預(yù)計是重要的一項工作。通常測試性預(yù)計指預(yù)計產(chǎn)品測試難易程度和充分程度[4]。通常在應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)測試性預(yù)計方法包括：繪制功能框圖、結(jié)構(gòu)層次圖、測試流程圖。另外分析對象的可靠性信息、測試性信息也很重要，通過計算得到測試性預(yù)計情況[2]。這個過程繁瑣，工作量大，因此普及測試性預(yù)計工作急需計算機輔助工具的出現(xiàn)。

美國某公司的TEAMS軟件在航天、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它是基于多信號模型的測試性建模與預(yù)計系統(tǒng)[6]，這是一種基于模型的計算機輔助測試性預(yù)計方法和軟件。

2.2 測試性仿真工具

隨著用戶對電子裝備測試性要求的不斷提高，研制單位不得不越來越重視電子裝備測試性的設(shè)計。信息時代計算機技術(shù)的飛速發(fā)展給電子裝備的輔 助計算機設(shè)計提供了很好的基礎(chǔ)。最具代表性的美國的eXpress和TEAMS在工程應(yīng)用方面得到了廣泛應(yīng)用。

從工作原理和實現(xiàn)手段上，以上兩個軟件都有點差異。eXpress軟件通過綜合利用系統(tǒng) 各種數(shù)據(jù)源，建立分析對象的數(shù)學(xué)模型，將產(chǎn)品質(zhì)量特性有關(guān)的工作關(guān)聯(lián)在一起開展分析。而TEAMS軟件有所不同，它通過模擬分析對象的測試時序，按照時序的規(guī)律對測試性設(shè)計開展分析。TEAMS的分析工作需要對分析對象的結(jié)構(gòu)架構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、測試點分布等。測試性仿真工具近年來在國內(nèi)也有一定的發(fā)展，如某公司推出的TADS，某高校的TMAS等。

相比較來說，國外測試性軟件起步較早，軟件工程應(yīng)用也更加完善。其中TEAMS軟件相對于eXpress軟件來說更加直觀。因此本文主要以TEAMS軟件為例，介紹計算機輔助設(shè)計在測試性設(shè)計中的應(yīng)用。

3 TEAMS工作原理

TEAMS的用戶界面非常友好便利，它將所有功能集成在一個圖形界面里，能夠很方便地建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型，并完成相關(guān)的分析工作。該軟件可以集成工具包如TEAM-RT、TEAMATE、TEAM-KB和TEAM-RDS等，主要功能有：測試性設(shè)計分析、故障診斷、性能指標評估、診斷分析推理等，為電子裝備設(shè)計提供更綜合的輔助設(shè)計分析[7]。用戶建立模型后，軟件平臺對模型和數(shù)據(jù)進行分析，得出測試性相關(guān)的數(shù)據(jù)：如故障隔離度、故障率等信息。TEAMS還可提供可靠性預(yù)計、FMECA等可靠性分析數(shù)據(jù)[7]。通過TEAMS軟件平臺進行測試性建模仿真分析的流程如圖 1所示。

4 測試性仿真分析流程

通過TEAMS軟件平臺可以實現(xiàn)電子裝備測試性的仿真分析，建模仿真的實施流程如圖2所示，可將整個仿真分析過程分為三個階段：條件準備階段、建模階段和結(jié)果審查階段。

4.1 條件準備階段

測試性仿真分析過程中的條件準備階段，主要為建立模型進行準備，這個階段的主要工作內(nèi)容包括：

1）產(chǎn)品設(shè)計信息分析：設(shè)計信息的收集和分析是進行產(chǎn)品測試性詳細分析的基礎(chǔ)，這些信息主要包括設(shè)計輸入的要求、設(shè)計輸出形式，例如：結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計圖紙、與測試性相關(guān)的設(shè)計分析信息等。

2）產(chǎn)品測試性要求分析：對產(chǎn)品測試性的輸入要求進行分解和傳遞，再次對測試性需求進行確認，進一步確定實現(xiàn)途徑和采用的測試性設(shè)計方法。

3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次分析：根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次，按照故障隔離要求的層次級別要求，明確各層次的具體結(jié)構(gòu)單元清單組成。

圖1 TEAMS測試性建模仿真分析流程

圖2 測試性建模仿真工程化操作流程

4）產(chǎn)品可靠性分析：根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，分析確定產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)單元的可靠性指標，至少需要確定故障隔離層次對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元的可靠性指標。同時還需要對產(chǎn)品的故障模式進行分析，這些可靠性數(shù)據(jù)都是后續(xù)測試性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5）信號流向分析：根據(jù)產(chǎn)品的工作原理，分析其內(nèi)部信號流向，同時結(jié)合模型單元，梳理出模型單元在信號流向中的上下游關(guān)系。再根據(jù)產(chǎn)品故障模式，在信號流向的基礎(chǔ)上確定出故障在不同結(jié)構(gòu)單元之間的傳遞關(guān)系。

6）測試性綜合分析：結(jié)合產(chǎn)品組成、工作原理以及故障模式，確定測試性設(shè)計中各測試點的結(jié)果是否正常的判定標準。分析測試對象的測試位置、測試時間和故障隔離定位花費時間，綜合分析測試性。

4.2 建模階段

1）建立信號模型：根據(jù)前面準備階段確定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成、故障模式、傳遞關(guān)系、測試信息，建立產(chǎn)品的信號模型。在建模過程中要遵循自頂而下、先局部到整體的原則和步驟，逐漸建立模型。

利用軟件工具進行測試性建模過程具體又分為如下四個步驟。

第一步：根據(jù)系統(tǒng)的原理圖、功能框圖構(gòu)建測試性框圖。

第二步：建立模塊和測試點的功能關(guān)系。

第三步：根據(jù)模型建立情況與具體環(huán)境的反饋信息，不 斷調(diào)整模型。

第四步：驗證模型的有效性。

2）靜態(tài)分析與測試性分析：完成測試點優(yōu)選，得到診斷策略以及相應(yīng)的測試性 參數(shù)預(yù)計值（故障檢測率和故障隔離率）。

① 故障檢測率的計算

故障檢測率的計算公式為：

由于裝備的各組成部分故障率不同，故障率高的單元發(fā)生故障的幾率也較高，因此故障檢測率的概念與產(chǎn)品各組成部分的故障率息息相關(guān)。因此可以將故障檢測率的預(yù)計公式等價為如下形式：

式中，Dλ為被檢測出的故障模式的總故障率；λ為產(chǎn)品總的故障率；Diλ 為第i個被檢測出的故障模式的故障率；iλ為第i個故障模式的故障率。

②故障隔離率的計算

故障隔離率的計算公式為：

式中，LN為在規(guī)定條件下用規(guī)定方法正確隔離到不大于L個可更換單元數(shù)的故障數(shù)。

跟故障檢測率類似，考慮裝備各部分的失效率不同，可以將故障隔離率的預(yù)計公式等價為如下形式：

其中L為模糊度，即隔離組內(nèi)的允許的LRU（可更換單元）數(shù)；Lλ為可隔離到小于等于L個LRU的所有故障模式的故障率和；Diλ為第i個故障模式的故障率；Liλ為可隔離到小于等于L個LRU的第i個故障模式的故障率。

4.3 審查階段

最后可組織審查活動，以確認產(chǎn)品模型與條件準備階段的分析結(jié)果是否一致，并對其測試性是否滿足要求給出評價。如果發(fā)現(xiàn)問題，則需要對問題給出解決建議。

5 實例分析

我們使用TEAMS軟件對某型產(chǎn)品進行測試分析，通過軟件平臺中的工具包進行仿真分析和評價其測試性水平。在獲取該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成等信息后，可建立模型如圖 3所示。

通過軟件分析后，得到結(jié)果為該型產(chǎn)品的測試點已經(jīng)足夠檢測已知的故障模式，如圖 4所示。

圖3 某型產(chǎn)品的測試性模型

圖4 某型產(chǎn)品模型所包含的模糊組

圖5 某型產(chǎn)品測試性分析結(jié)果

該產(chǎn)品測試性仿真的定量評價結(jié)果：故障檢測率為94 %，故障隔離率為69 % (可隔離到1個單元)。通過對測試性水平的定量評價，可以判斷產(chǎn)品測試性水平是否與用戶需求存在差距，可依據(jù)差距采取相應(yīng)的改進設(shè)計，最終滿足用戶要求。

6 結(jié)論

本文首先對電子裝備的測試性仿真和分析技術(shù)進行了簡單介紹，并羅列出了當前測試性仿真的主要應(yīng)用軟件；其次本文對TEAMS軟件的工作原理做了說明，并以TEAMS軟件為工具詳細介紹了測試性建模仿真方法和具體的分析步驟；最后以某型產(chǎn)品為實例，進行了測試性建模仿真分析，對其測試性指標進行預(yù)計，同時指出該系統(tǒng)測試性設(shè)計上的不足。可以看出，輔助性計算機軟件工具為電子裝備的測試性設(shè)計提供了便利。不僅方法簡單操作性強，而且在產(chǎn)品的設(shè)計早期便能給出測試性的定量評價，同時還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測試性設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品測試性的設(shè)計改進提供建議。

[1] GJB 2547A-2012,裝備測試性工作通用要求[S].2012.

[2]曾天翔.電子設(shè)備測試性及診斷技術(shù)[M]．北京：航空工業(yè)出版社, 1996.

[3]李天梅.裝備測試性驗證試驗優(yōu)化設(shè)計與綜合評估方法研究[M].長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010: 1-131.

[4]田仲,石君友等．系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2004.

[5]王旭,劉發(fā)金.空空導(dǎo)彈測試性驗證方法探討[J].國防技術(shù)基礎(chǔ), 2007.4.

[6]曲東才.系統(tǒng)可測試性與航空武器系統(tǒng)[J].測控技術(shù), 1997, i(62)：8-10.

[7]韓樂,胡政,劉海明.可測試性分析工具TEAMS及其應(yīng)用[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2006,20(6):763-766.

馬曉艷，女，（1975-），籍貫甘肅。成都電子科技大學(xué)信息工程系，畢業(yè)后從事雷達電訊總體設(shè)計，期間獲得南京理工大學(xué)工程碩士學(xué)位。目前研究方向為電子設(shè)備可靠性工程技術(shù)和質(zhì)量管理。

Research on Testability Prediction Technique for Complex Electronic Equipments Based on Simulation Analysis

MA Xiao-yan
(Nanjing Research Institute for Electronics Technology, Nanjing 210039)

Testability is a kind of design characteristics of product and inherent attribute given by products with functional principle design.Fault diagnostic becomes more and more difficult with the complication and diversification of electronic equipment.The product’s testability is received much more attention of both producer and user.To solve the problem of evaluating the product’s testability at the design phase as soon as possible, firstly it introduces the testability simulation simply, then elaborates the testability modeling and simulation technology based on TEAMS in detail, finally applies this method on a diesel engine system to predict the testability values, and in the meantime to discover the weakness in the design, which gives help to improving product’s testability.

testability simulation; testability prediction; TEAMS

TN306

A

1004-7204（2016）05-0044-06