裝備測試性驗證技術研究現狀及發展趨勢*

楊金鵬，連光耀，邱文昊，陳然

(1.陸軍工程大學,河北 石家莊 050003;2.特種勤務研究所，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計制造的測試性是否符合相關標準、合同規定的測試性要求而進行的工作，即裝備測試性要求已經確定后，采用一系列相關的技術方法對裝備的測試性進行測試性分析，最后通過測試性驗證來檢查驗證和考核裝備的測試性設計是否符合相關規定的測試性標準[1]。測試性驗證是裝備設計階段、研制階段和使用階段的重要內容，是考核裝備的測試性水平進而提高裝備故障檢測能力與故障隔離能力的重要技術手段。

目前，指導測試性驗證開展的方法通常記錄為軍用標準[2]，國內在借鑒相關國外標準的基礎上，建立了國內關于測試性的相關標準，比如：GJB1135-1991，GJB1298-1991，GJB368A-1994，GJB2072-1994，GJB3970-2000，GJB4260-2001和GJB2547A-2012。國外已經對大量先進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，上述標準的制定很多也是借鑒了國外技術標準，相關標準的普適性和針對性還有待工程化驗證。目前，國內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、很多定量指標沒有辦法考核，技術標準規范不完備、很多考核難以統一、可信度難以保障等諸多問題。基于此，本文根據我軍新裝備測試性驗證需求，從測試性實物驗證和測試性非實物驗證2個方面，對國內測試性驗證發展現狀進行了梳理總結，同時立足現有技術手段并結合裝備實際需求，對測試性驗證工作進行了展望，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

測試性驗證的內容一般根據裝備的技術規范或者技術合同來確定，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備的兼容性；

(3) 測試設備和有關測試程序及接口裝置的檢測并隔離故障的能力；

(4) 關于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指示與脫機測試結果之間的相互關系；

(7) 有關故障字典、人工查找故障等技術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物驗證與測試性非實物驗證。其中，測試性非實物驗證的主要方法有2種：測試性預估和測試性虛擬驗證。測試性實物驗證又可分為測試性實物試驗驗證和測試性實物使用驗證[1,5-7]。在GJB3385-1998《測試與診斷術語》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》中關于測試性驗證的定義，重點關注測試性驗證的過程和方法而不涉及評價工作。

2.1 非實物驗證技術的發展現狀

測試性非實物驗證的2種主要方法是測試性預估和測試性虛擬驗證。測試性預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進行預計(估計)[8]，定性的描述了故障與系統裝備之間的關系。目前定性模型、關聯模型、多信號流圖模型、有向圖和相關矩陣等都在該領域開發應用，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大學的Somnath Deb[10]教授和Krishna R.Pattipati教授[11]在20世紀50年代共同提出了多信號流圖模型，并帶領研究小組在多信號流圖模型的基礎上開發出測試性工程與維護系統(testability engineering and maintenance system,TEAMS)。該軟件提供了直觀方便的圖形化建模環境，采用基于模型推理的技術，自動實現測試性分析評估，并給出裝備測試性缺點及改進建議。歷經幾十年發展，該軟件不斷改進成熟，成為測試性建模領域一大經典軟件系統。

在測試性建模領域另一種與TEAM同樣經典的模型是由美國DSI公司提出的混合診斷模型(hybrid diagnostic model)。混合診斷模型把測試、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點進行有效融合，做到既可以在研制階段初期對功能模塊與測試的關聯關系進行分析，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系，并建立了較強大的診斷推理規則[12]。該公司在混合診斷模型的基礎上，研制開發了eXpress軟件，并在測試性設計領域實現成功應用。

上述2款軟件在我國現有裝備中進行應用后，取得了一定效果，但其并為做到對GJB2547-1995及GJB2547A-2012中的工作項目實現全覆蓋。基于此國內相關單位針對上述2款軟件定量分析功能不足的局限性，自主研發了測試性分析、設計與評估系統(testability analysis design and evluation system,TADES)，滿足了國內裝備測試性設計的需要。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, 有利于工程實現,可快速對裝備的部分測試性指標完成估計。然而這些模型都只是將故障與測試的關聯關系進行了定性分析， 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、修復及時等前提條件都滿足的情況下, 對裝備的測試性指標進行計算, 是一種簡單化、理想化的測試性指標計算方法。由于并沒有對實際試驗條件、故障發生隨機性、測試不確定性、環境影響、維修條件等實際問題進行充分考慮, 預計得到的測試性指標值往往與實際值之間存在較大偏差, 其結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用于測試性驗證領域。

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行，即通過將故障進行仿真后注入到虛擬樣機、進而在虛擬樣機上完成測試、故障檢測/隔離、指標評價等工作從而虛擬完成整個驗證過程。隨著建模仿真技術快速發展,計算機運算能力飛速提升，目前對實物樣機的數學化、模型化、數字化已經可以通過虛擬樣機技術實現,從而虛擬樣機可以在計算機上進行處理,通過計算機自身強大的計算能力以及可視化技術,可以實現對測試性功能指標和性能指標的仿真分析。由于虛擬驗證的試驗分析過程在計算機上進行,因而該方法具有低成本、高效率、可重復、過程可控、風險小等優點。

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的虛擬驗證技術的框架，并就開展測試性虛擬驗證的關鍵技術和進行測試性虛擬驗證試驗的流程進行了說明。文獻[15]中明確指出該技術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展的重要方向，為后續的學術研究和工程實踐打下了良好基礎。張勇[16]突破了傳統的定性測試性模型的局限性在模型向定量化發展方面做出了進一步探索，提出了一種功能-故障-行為-測試-環境一體化模型(function-fault-behavior-test-environment model，FFBTEM)。在文獻[16]中以某型導彈控制系統及其測試系統為對象，搭建了虛擬技術和實物結合的半實物仿真平臺，并成功構建FFBTEM模型，對測試性虛擬驗證試驗的關鍵技術進行了應用和驗證研究。但其搭建的半實物仿真平臺中存在實物驗證部分，因而其構建的并不是嚴格意義上的測試性虛擬驗證體系。在此基礎上趙晨旭[17]于2011年使用Multisim 10與Matlab構建了測試性虛擬驗證系統，在直升機航向姿態系統中進行了應用研究，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針對性過強，無法形成對多學科領域的裝備測試性虛擬驗證的能力。

2.2 實物驗證技術的發展現狀

測試性實物驗證可分為測試性實物試驗驗證和測試性實物使用驗證。測試性實物試驗驗證多基于故障注入的方式進行，又稱基于故障注入的測試性試驗驗證試驗。試驗驗證一般在實驗室或車間內進行，通過將一定數量的樣本故障注入到真實的系統裝備或裝備某特定系統中，用規定的測試方法進行故障檢測與故障隔離，然后對數據進行采集從而實現對系統裝備或裝備特定系統的測試性水平評估[18]。該方法能夠在實驗室或車間環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框架進行了研究，建立了完整的故障注入系統框架，該技術框架將硬件注入和軟件注入2種方式進行了有效融合、兼顧總線注入和等電勢處注入的優點，并順利完成了對國產某型設備的測試性驗證工作[19]。在此基礎上張曉杰、張天宏、秦海波等分別針對機內測試故障注入以及系統BIT驗證綜合故障注入器進行了探索研究。針對某些不宜采用實際裝備驗證的系統，李志宇等于2013年提出并設計了基于半實物仿真的故障注入軟件系統和硬件系統，該方法以半實物仿真為基礎，結合測試分析技術，實現了故障注入系統的設計，成功應用于某型號雷達自檢設備并解決了當時雷達裝備設計領域存在的測試性驗證的問題[20]。與此同時景博，吳喆等將半實物仿真設計在飛機燃油測量系統中成功實現應用。2016年陳然[21]以LRM體系下某型防空導彈為對象，對FMECA方法，試驗樣本空間優化技術，故障注入技術等關鍵技術進行了研究，并對相關成果進行了實踐應用。目前國內某研究所已建成裝備測試性試驗評估系統，并對有關設備成功進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和標準化的試驗驗證方法。

由于測試性實物試驗驗證受限于以下幾個方面因素，該方法得到的結果可能不準確[22]。①故障注入試驗具有明顯損害性甚至不可恢復；②對于已定型裝備，由于物理封裝導致有些故障無法注入；③由于故障模式眾多，出于經費條件考慮，一般只選擇典型樣本進行注入；④受試環境與實際環境的差異，也是導致置信度不高的因素。即便如此，該方法仍然是國內外測試性驗證領域最為重視、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物驗證試驗都是基于故障注入的方式進行，只是在某些特定環節有所不同。測試性實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。

測試性實物使用驗證技術指在指定試驗單位，按照規定的試驗大綱，在實際使用環境或接近實際使用環境下，通過對裝備進行的各種試驗，獲取裝備在自然使用狀態發生下的信息，從而對裝備的測試性水平實現評估，并判斷是否滿足規定的測試性要求[18,23-24]。測試性實物使用驗證體現了裝備在真實環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表現。它比實驗室或車間環境更為真實，且花費的費用較少；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行考核和驗證，因而適用于所有的裝備類型。國外有許多關于實物驗證的成功案例，如：美國空軍新研制的一種新型主力運輸機C-17，根據該機研制合同要求，美國空軍進行了一次為期30天的實物驗證試驗，共有12架飛機參與飛行，共飛行了近2 200個小時[25]。受限于國內采辦體系限制和國防和軍隊保密要求，國內尚未出現有關該驗證方法的報道。不同測試性驗證方案對比如表1所示。

3 發展趨勢分析

綜述所述，目前測試性驗證是測試性領域的一個熱點和難點問題，每種驗證方法都有其優點和不足。

(1) 對非實物驗證方面，測試性預估的方法建模過程簡單, 模型淺顯易懂,工程實現方便, 能夠對裝備的部分測試性指標較快做出預估[26]。但其只是對故障與測試的關聯關系進行定性分析,此外測試性指標在建模過程中被大量簡化,環境過于理想化， 忽略了試驗條件、故障發生隨機性、測試不確定性、環境影響、維修條件等實際問題, 預計得到的測試性指標值往往與實際值之間存在較大偏差, 其結果的置信度難以滿足裝備鑒定和驗收要求。因而, 測試性模型難以實現在測試性驗證領域的應用。該方法必須充分考慮客觀實際因素，模型建立要逐漸從定性建模發展到到半定性半定量建模, 最后做到全定量建模。

(2) 測試性虛擬驗證領域歷經10年發展已取得一定成果，該方法已經成為一種必然趨勢。但是目前該領域仍然存在概念不清晰，方法與技術流程不規范、不系統的問題，國內相關學者基于Multisim 10與Matlab或Modelica[27]建立的模型不具有局限性過強，無法在全部裝備中實現應用，不具有通用性。 面向測試性和測試性驗證的虛擬樣機技術可能會成為測試性模型建立領域的新發展方向。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一步探索。借助計算機以及虛擬樣機技術, 有望實現高效、低成本、較準確的裝備功能及測試性一體化設計、分析、仿真與評估等。

(3) 目前測試性實物試驗驗證應用最為廣泛，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；物理封裝導致的問題故障無法注入；典型故障的選取；受試環境與實際環境的差異。因而典型故障樣本的選取，故障信號的產生和故障注入策略仍然是進一步深入研究的方向。

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

4 結束語

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域起步較晚。本文對國內裝備測試性驗證技術的發展現狀進行了綜述。根據裝備測試性驗證需求，本文從實物驗證和非實物驗證2個方面分析了國內外現有技術標準規范，并對發展趨勢進行了展望，以期對我軍裝備測試性工作提供支撐。

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