系統級測試性設計在艦船作戰系統中的應用?

王 波范 敏

（1.海軍裝備部重大專項管理中心 北京100071）（2.中國艦船研究設計中心 430064）

1 引言

艦船作戰系統是由監視系統、指揮控制系統、武器火控系統等構成的集合系統［1］，其狀態監控主要依靠單機或下級系統的自檢信息和狀態反饋信息。存在的主要問題是：由于一些對任務有嚴重影響的故障模式無法通過單機或下級系統自檢來發現，即使呈現在作戰指揮人員面前的狀態顯示均為“正常”，但作戰系統仍然存在不能正常使用的較大風險。同時，隨著武器裝備系統呈現出多學科知識高度集成、數字化、網絡化和智能化等特點，以及任務需求的多樣性，現有的測試性理論在系統級的測試性設計與協調方面已無法滿足現代武器裝備系統的任務保障與維護效率要求［2］。艦船作戰系統包含了多個具有不同類型、不同特點的功能系統，如何在多樣化的作戰方式以及高度復雜的任務環境中，從系統級層面上完成對整個研究對象的測試性設計［3］，從而實現對艦船作戰系統的測試性能力與狀態監控的評估分析，已成為海軍艦船裝備能力發展亟待解決的問題。

2 系統級測試性設計

測試性作為確定設備狀態并對內部故障進行檢測與隔離的一種設計特性，已成為提高裝備狀態監控能力和維修保障效率的有效手段之一［4］。基于模型的測試性設計、分析因為能有效地將系統研制階段中與測試性相關的知識抽象出來，同時其便于開發測試性軟件工具的特性，使得通過計算機對系統進行輔助測試性設計成為可能，這使其成為測試性研究工作不可缺少的一部分［5］。本文通過在系統級層面上完成對整個研究對象的規范化測試性設計，來實現對艦船作戰系統的狀態與測試性能力的評估、分析。下面主要介紹系統級測試設計的相關內容。

2.1 系統級測試性要求

艦船作戰系統的系統級測試性設計要求主要體現在三個方面［6］。

1）以艦船作戰系統的任務需求為導向，通過結構功能分析、可靠性需求分析、維修保障條件分析、性能需求分析、可利用/可達性相關技術分析來獲得整個研究對象的測試需求信息，對系統提出初步的測試要求。這些測試信息主要包括在何時何地采用何種測試設備、測試方案對哪些系統功能以及結構模塊進行測試、測試方案的實現存在哪些約束條件、測試結果應該達到何種程度。

2）分析系統級故障模式及故障對頂層任務的影響，在此基礎上，進一步確定相關故障特征的提取方式及故障或異常的數據判定閾值。預計各系統級故障模式的故障率信息，并合理設計測試方案，完成對系統級測試性信息的需求分析并確定測試點。建立測試性模型，完成對艦船作戰系統的測試性水平分析。

3）選取能準確反映艦船作戰系統作戰進程的部分測試數據，構建相應的艦船作戰系統測試指標體系。通過準確檢測與采集與測試指標體系對應的測試信息，選用合適的計算模型，完成對相關數據的綜合處理與分析，對作戰進程實時監控，并為作戰人員的指揮決策提供支持。

艦船作戰系統的系統級測試性設計要求關系圖［7］如圖1所示。

2.2 系統級測試

艦艇作戰系統的系統級測試是針對作戰系統任務通道進行的測試［8］，目的是驗證作戰系統的功能與性能是否滿足技術規格的定義，為故障診斷以及評估作戰系統當前狀態提供信息。系統級測試分為被動測試和主動測試兩類。作戰系統被動測試主要對作戰網絡報文進行監聽，不進行測試過程的主動控制，不能保證測試的完備性。作戰系統主動測試則是以測試用例為中心，由測試程序生成測試序列，控制整個測試過程，觀察作戰系統在特定測試序列下的響應。相比被動測試，主動測試過程可控而且全面。在作戰模式下，不宜進行測試程序與被測單元間的直接通信，因而采取被動測試以避免產生干擾。

在系統級測試性設計過程中，需要重點考慮設備單機以及分系統自檢測試無法檢出的故障模式，并合理地設計系統級測試方案。通過戰前及戰中的系統級測試，及時發現下級系統設備自檢無法檢測覆蓋的故障，這對于裝備使用人員掌握真實的系統狀態具有十分重要的意義。系統級的測試需求分析是在艦船作戰系統FMECA（故障模式、影響及危害性分析）基礎上進行拓展的。表1中列出了艦船作戰系統的典型系統級故障模式及相關影響與測試信息分析。

3 系統級測試性設計在艦船作戰系統中的應用研究

3.1 基于任務需求的系統動態分層建模與診斷策略優化

艦船作戰系統作為包含多個分系統且具有較強適應性的研究對象，其自適應性主要包括兩個方面：1）適應任務環境的變化，即根據艦艇執行任務的不同，可以進行應用系統或模塊地變更；2）適應艦上可調用資源的變化，即根據作戰任務的變更或資源的變化，對可用資源進行動態分配［9］。因此，當艦船處于不同的任務環境時，所應用的系統和模塊必然不盡相同，對系統的層次劃分需跟隨實際任務動態改變。以往以單一分層有向圖形式建立的測試性模型顯然已無法滿足設計要求［10］，這就要求測試性設計工作者在系統研制之初便考慮研究對象的實際任務需求，在多環境、多層次的條件下完成系統級的測試性設計工作。

表1 系統級故障模式影響分析及故障特征提取

同時，艦船作戰系統的系統級故障具有傳播性和層次性的特點，以多信號流圖模型為例，傳統的多信號流圖模型采用自頂向下的方式進行建模，生成最底層的故障－測試矩陣［11］。在構建較高層級的診斷策略時，也需要對最底層的故障模式進行診斷推理。根據故障與高層級可更換單元的映射關系，推理出高層級的診斷結論。這對于不同作戰任務條件下的系統級的測試性分析而言，推理過程將變得尤為復雜，診斷策略優化方式也不符合實際。因此，針對系統級的測試性分析，應考慮實際任務的不同，按照系統功能進行層次劃分，對每個層級的可更換單元分別構建故障—測試相關性矩陣。針對系統級的測試性分析方案，以戰時環境為例，只需要考慮子系統級別的故障模式和測試，然后生成系統的故障—測試相關性矩陣，按照測試性設計方案，完成對故障診斷策略的優化［12］。

3.2 基于數據驅動的測試性設計

作為反映故障演化方式與傳播規律的模型，傳統的單純依靠測試性模型所設計的測試性分析方案存在著模型數據利用率低下、診斷精度不高等缺點。隨著測試技術智能化、集成化水平的提升，越來越多的測試單元和高速計算部件投入到武器裝備的使用過程，艦船武器系統在監測、運行、維護過程中將產生大量的數據信息。需要通過合適的數據分析手段來進行數據處理。例如，可以采用機器學習方法，通過對故障特征量的選取以及對診斷參量數據的預處理，來建立艦船武器系統外場數據、實驗數據、BIT數據、ATE數據和人工巡視數據與各典型故障模式的對應關系，完成對故障的初步定位，以此縮小診斷策略優化設計過程中的測試范圍并降低測試代價。針對故障特征不明顯的問題，通過研究失效預兆參數識別與故障檢測技術，對隱含在系統數據中的失效預兆參數進行實時提取與識別，將能夠快速確定異常情況，并可縮小故障搜索范圍，降低測試代價，為進一步的故障定位做好初步的檢測工作。同時，依托艦船作戰系統數據管理平臺，通過實現對各系統級典型故障模式診斷參量的采集與分解，在測試性模型的建立過程中，對各組成單元以及各功能單元輸入、輸出的端口信號類型進行統一規定，規范測試性模型的建立方法。由此，避免在進行不同層級的測試性建模過程中，由于不同層級模型的輸入、輸出信息設置標準不一致，造成診斷優化策略效率低下、模型無法兼容等問題。

3.3 基于測試數據的作戰進程監測

作戰進程是作戰系統一個作戰程序的一次動態執行過程。它是關于某個數據集合的一次運行活動，是作戰系統進行資源分配和調度運行的基本單位。作戰進程由程序、數據和進程控制塊組成。作戰進程監測是實現作戰過程可視化監控的基礎。艦船作戰系統作戰進程的描述示意圖如圖2所示。

以艦船海上對空自防御作戰過程為例，說明系統級測試性設計與分析在艦船作戰系統中的應用。想定作戰過程如下：當敵方飛機或反艦導彈攻擊我艦時，我艦A波段雷達搜索發現來襲敵機或導彈，指控系統首先向遠程對空導彈武器系統下達攔截的目標指示，并根據攔擊效果評估，指揮進程反導武器再次對漏網的來襲目標進行攔截。

圖2 艦船作戰系統作戰進程示意圖

在此過程中，作戰指揮人員不僅需要掌握任務通道的瞬時可用性，還需要掌握作戰進程的執行狀況，例如：目標指示是否正常、導彈發射裝置是否備便、火控跟蹤解算是否正常、武器是否處于可發射狀態、發射后的遠程導彈制導交班是否正常，等等。

通過上述想定作戰過程可以發現，僅僅利用各二級系統設備的自檢BIT結果，給出任務通道各節點的可用信息，不能滿足作戰指揮人員掌握作戰過程的需求。還需要通過系統級測試信息來驅動顯示作戰進程的執行狀態。通過綜合利用真實視頻和測試數據驅動的作戰進程圖形顯示，使作戰指揮人員融入作戰過程可視化監控及交互環境之中，有利于作戰指揮人員及時采取相應的戰術對策［13］。

作為戰時條件下的測試性設計，由于受到被動測試的限制，無法充分獲取故障定位所需信息。因此設計重點是要考慮如何在戰時環境中對實時檢出故障模式或異常信息并報警，為戰時的戰術決策提供及時、有力的支撐。而在非戰時條件下，系統級測試性設計將以任務通道的功能和性能狀態驗證為目的，采取主動測試的手段，充分獲得故障定位所需信息。上述兩種不同的測試條件，要求設計人員在測試性設計之初便要區分對待。

4 結語

本文以艦船作戰系統的系統級測試性設計為例，闡述了現有的測試性設計方案的不足，以任務需求為導向，從系統動態分層與診斷策略優化、提高模型數據利用率和基于測試數據的作戰進程監測三個方面對系統級測試性設計與分析給出了改進建議。

未來艦船作戰系統的發展將始終以作戰需求為牽引，作為系統級多平臺的測試性設計研究也必須體現出任務要求的特殊性，與武器裝備的發展特點緊密結合起來。通用的測試性模型或者通用的測試性設計方案將不能滿足未來數字化環境對艦船作戰系統的軍事需求，這就要求測試性設計人員結合研究對象的特點對現有的系統級測試性理論的應用進行不斷地探索與創新。