基于故障確認的一體化測試性試驗驗證平臺

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

測試性是指產品能夠及時、準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降),并隔離其內部故障的一種設計特性，測試性水平的高低直接影響著裝備的維修保障能力和作戰效能的發揮，也制約著武器裝備全壽命周期的維護成本。[1]

測試性指標在方案設計階段通過測試性建模、故障模式分析、故障樹分析等手段進行設計保證；在研制階段通過測試性試驗，分析其測試性設計的正確性、合理性并識別設計缺陷、檢測裝備是否已經完全實現了測試性設計要求，并通過設計改進使其滿足測試性設計要求，實現測試性的增長；而在設計定型階段則需開展測試性驗證試驗，對裝備的測試性指標進行定量考核[2-3]。

美國等發達國家在武器裝備的測試性指標的試驗驗證上研究較深，如今已廣泛應用于航天、航空、航海、導彈等復雜系統中。我國由于測試性驗證評價體系構建的不完善，測試性驗證平臺研究成果非常少，往往只是結合定型和試用階段的試驗數據，間接性地獲取部分測試性相關數據，對測試性指標進行定性的考核和評價，結果往往不能客觀的評估裝備的測試性指標。

1 測試性指標試驗構架及原理

1.1 測試性指標

根據GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》，測試性要求包括定性要求和定量要求。

測試性定性要求一般包括：a)合理劃分功能和結構的要求；b)測試點要求；c)嵌入式診斷要求；d)故障信息要求；e)外部診斷測試要求。測試性定量要求一般包括：a)故障檢測率FDR；b)嚴重故障檢測率(CFDR)；c)故障隔離率(FIR)；d)虛警率(FAR)；e)故障檢測時間(FDT)；f)故障隔離時間(FIT)。[2]

1.2 試驗驗證方法

文獻[2]對測試性試驗評估的故障模式集的確定、故障樣本量的確認分配與補充、測試性指標的點估計等方法進行了充分論述。

通常測試性試驗驗證方式包括直接試驗驗證和間接試驗試驗。

直接試驗驗證通過在裝備上通過物理手段進行現場注入故障，而且由于自然故障的信息量受限，不足以支撐測試性試驗驗證的樣本數，因此大量的測試性驗證試驗樣本都通過故障注入的方式，通過人為制造的故障進行。這種故障注入方式也是目前國內外普遍采用的測試性試驗手段，評估方法和流程也比較成熟。如美軍在機載火控雷達APG-66上進行測試性試驗時，即通過故障注入的方式驗證了1 398個故障樣本，以驗證評估雷達的測試性水平[4]。

間接試驗是在裝備設計方案基礎上，通過建立各類電路特性模型，通過分立元器件、電路、組件、功能模塊、設備和系統的典型故障模式，故障傳遞路徑，評價系統的測試性指標，目前尚處于起步階段。

因此在裝備的測試性試驗中，主要采用直接試驗方法，同時檢查軍標要求的定性要求和定量指標。故障模式集的確定、故障樣本數量的確認分配與補充、測試性指標的點估計與置信下限等需根據裝備的實際情況進行分析和確定[3]。

然而隨著武器裝備的集成度越來越高,高速數字電路的大量應用，實際注入故障越來越難，風險越來越大。以數字相控陣雷達的數字T/R組件為例，其原理框圖如圖1所示，組件集成了射頻信號產生、放大、接收、高速信號A/D、多通道接收數據合成、光電轉換、定時和控制等功能，電路模塊功能非常復雜，集成度高，包含射頻電路和高速數字電路。其典型的故障模式包括：輸出信號小、通道之間幅度和相位不一致故障、高速串行數據時鐘失效、控制信息幀不連續、光傳輸鏈路不一致等。這些故障模式采用傳統的故障方式注入的后果是故障可能不能被恢復。為解決實際故障注入的難題，需采用非破壞性的等效注入故障方法[5]。

圖1 數字TR組件原理

1.3 測試性試驗驗證流程

測試性試驗驗證流程如圖2所示。

圖2 測試性試驗驗證流程

1)根據裝備的測試性建模分析和FMECA分析報告,確定用于測試性試驗驗證的故障模式集(包括每個故障模式的故障率、嚴酷度、故障發生頻率、故障影響等因素)；

2)依據測試性指標分配和預計值，結合樣本分配的數學模型、單元裝機數、故障率、嚴酷度等因素，進行故障樣本抽樣；

3)可注入性分析：對于抽樣后的故障樣本進行可注入性分析，決定是采用直接故障注入、等效故障注入或無法注入；

4)直接故障注入：對可直接故障注入的故障模式，通過故障注入設備直接進行故障注入，并依據對功能、性能指標的測試進行故障確認；

5)等效故障注入：對無法采用直接故障注入的故障模式，依據對故障模式的影響度和故障傳遞模型分析，采用等效故障注入和故障確認；

6)對不可物理注入的故障模式，對聯試、試驗、試用過程中實際發生過的故障，采用統計、分析的方法記錄，對從未發生過的故障，通過測試性仿真分析的方法模擬故障注入分析和記錄；

7)測試性綜合評估，根據步驟4)～6)中的試驗進行記錄，綜合評估出測試性指標的點估計和置信下限。

2 硬件平臺

一體化測試性試驗驗證平臺從測試性設計數據、指標要求入手，分析系統、分系統、模塊的各類故障模式，通過故障傳遞機理和故障注入的可行性研究，針對不同的故障模式，分別選擇直接故障注入、或等效故障注入等方式進行故障注入[6]。試驗平臺將故障注入功能和故障確認功能采用一體化設計，平臺集成了故障注入設備、BIT信息采集設備、故障診斷系統以及其它測試儀器，平臺通過故障注入設備對雷達實物進行故障注入，并通過故障確認設備對故障注入的有效性進行驗證，同時啟動雷達的各種BIT方式，查看測試性對故障判定和隔離的結果，給出測試性指標的評估結論和改進建議。平臺能確認故障注入是否成功，并包括試驗策略生成、自動收集和分析試驗數據、自動生成測試報告等功能。[7]

一體化平臺采用基于標準模塊的通用化架構，軟件采用構件化動態加載技術，實現試驗驗證平臺的通用化和可擴展性，通過接口適配器的擴展和軟件構件的動態加載，可以滿足多型裝備的測試性指標驗證和評估。

2.1 硬件平臺框架

驗證平臺滿足裝備裝機環境的全仿真、工作總線與測試總線的融合，通過一體化設計，平臺具備功能測試、性能指標測試、接口測試、故障注入測試、故障確認測試、測試性評估等項目的自動化、數字化和信息化。平臺滿足裝備功能性能指標測試的全覆蓋，用于故障注入后對裝備功能性能指標偏離的故障確認測試，平臺集成總線故障注入器、直接故障注入設備、等效故障注入設備、故障注入適配器等，通過輔助試驗策略生成、雷達BIT信息采集、故障診斷與隔離等智能流程，實現測試性指標的智能化驗證與評估。

圖3 測試性試驗驗證平臺硬件框圖

2.2 故障注入設備

故障注入是測試性驗證試驗的關鍵步驟,故障是否成功注入到裝備中直接影響到測試性驗證指標的樣本數和置信值。本文中采用的故障注入設備包括高速數字電路故障注入設備、總線故障注入設備、嵌入式故障注入設備等。

高速數字電路故障注入設備，給予邊界掃描鏈路，通過掃描鏈中的測試訪問端口進行訪問和控制，并注入控制指令。在不改變被驗證對象硬件狀態和軟件狀態的情況下，將故障注入到電路中，實現大規模集成數字電路FPGA等器件的管腳或者管腳組合的電平狀態(固高、固低、懸空)的故障模擬和注入。高速數字電路故障注入設備采用“CPU+FPGA”架構實現，CPU作為核心控制器和通信中心，根據指令選擇相應的邊界掃描測試策略，FPGA實現主要邏輯功能，測試結果通過LAN接口送到上位機。

總線故障注入設備，具有總線狀態及數據的實時監測功能，使用中將該設備串接到被測裝備中，可以準確地發現、隔離、定位總線中出現的故障，并能實時分析記錄所有的總線數據，分析故障是否成功注入，支持USB、1553B、ARINC429、RS232/422/485、CAN等總線。

嵌入式故障注入設備，用于高速數字串行總線的故障模擬和故障注入，采用高性能FPGA芯片，實現高速數字串行總線的轉接，在裝備正常工作時，不影響其工作狀態，確保高速串行總線的正常通訊和數據傳輸。故障注入時，利用FPGA可編程的特點，根據不同的故障模式，通過軟件編程的方法，對嵌入式注入設備的FPGA芯片進行重新編程，以等效式預置故障，完成故障注入。

2.3 故障確認設備

故障確認設備是測試性驗證試驗成敗的關鍵步驟，是故障是否成功注入的判據，也是反映裝備故障模式及影響分析結果正確性的依據。本文中的故障確認設備包括工作環境仿真系統、自動測試系統、故障確認與評估系統。

測試性驗證工作一般采用離線方式在試驗室環境中開展，工作環境仿真系統用于仿真裝備工作所需的控制、總線、射頻、模擬、電源等信號的仿真，并可在上位機的控制下實時地將裝備置于不同的工作方式，滿足測試性試驗驗證的需求；自動測試系統由具備程控功能的測試儀表組成，采用基于LAN總線的架構，在故障成功注入后自動完成裝備功能和性能指標參數的自動測試、故障檢測、診斷與隔離，同時讀取裝備BIT自檢的故障代碼和故障信息，通過故障確認與評估子系統自動地將隔離結果與BIT自檢結果進行比對，在大量故障注入樣本的基礎上自動完成測試性指標的評估。

3 軟件平臺

一體化試驗驗證平臺軟件采用層次化結構，包括以核心層的故障可注入性分析、測試性評估、故障傳遞模型、核心數據庫為基礎，通過以測試性建模和FMECA分析結果作為測試性輸入，在可注入性分析的基礎上進行故障注入，通過故障傳遞和功能性能測試進行故障確認，依據故障樣本抽樣方法、測試性指標估計等開展測試性試驗，并通過優化策略和優化方法提出測試性優化方案。軟件拓撲結構如圖4所示。

圖4 測試性試驗驗證平臺軟件拓撲圖

3.1 軟件功能

軟件的主要的功能包括：

1)功能和性能測試：基于工作環境仿真，自動完成雷達功能、性能指標的自動測試；

2)故障注入：根據故障模式及傳遞模型，進行直接注入、注入設備注入或等效注入；

3)故障確認：故障注入后，通過功能性能測試判定雷達功能性能的指標偏離，用于確認故障已正確注入，同時啟動雷達BIT，查看測試性對故障判定和隔離的結果；

4)測試性評估與優化：根據測試性的結果，對測試性指標進行評估或優化。

5)系統與數據管理：包括對操作員的賬號、登錄密碼、權限、描述信息等方面的管理，保障系統的安全性和可管理性。

6)系統狀態監控：對系統中的測試資源進行監控，隔離故障儀器/模塊，并記錄故障信息；查詢歷次測試數據等用戶可按編號、試驗日期等關鍵字方式顯示或打印測試結果、數據表格等。

3.2 軟件構架

一體化試驗驗證軟件采用層次化的架構，分別包括基礎服務層、核心層和應用層，平臺基于TCP/IP通訊協議構建，基礎服務層中的數據庫系統存儲了裝備的故障模式，包括故障原因、故障影響、嚴酷度、故障頻度、故障注入端口、故障注入方法等信息；儀器控制組件是基于面向信號的測試方法，根據裝備功能性能指標參數測試時的信號特征實現測試通道的自動分配、儀表參數的自動控制、測試指標的自動讀??；核心層主要完成對數據庫中的各故障模式進行可注入性分析，對可注入的故障模式自動選擇相應的故障注入設備進行故障注入，故障傳遞模塊自動分析故障注入后對裝備功能性能指標的影響、故障檢測和隔離結果；應用層完成測試性試驗過程的配置、故障確認中的功能性能測試和接口測試、測試性評估等任務。

4 工程應用

在某相控陣雷達的測試性驗證試驗中，以測試性指標為驗證對象，利用一體化試驗驗證平臺驗證雷達的測試性水平。該雷達裝備由24個品種的模塊組成，測試級別為模塊級。根據FMECA分析和測試性建模，該雷達共有477種故障模式，通過對故障模式的可注入性分析，可直接注入的故障模式249種，可等效注入的故障模式168種，不可注入的故障模式60種。

根據測試性試驗和故障注入的需求，研制開發了總線故障注入器、高速數字電路故障注入設備、嵌入式射頻故障注入設備、TR組件等效故障注入設備、故障注入適配器等，并集成到該雷達的數字化驗收測試系統中，構成了集功能性能測試、故障確認、測試性評估一體化的測試平臺。平臺中所有的故障樣本抽樣、故障注入、故障確認、測試記錄保存、測試性指標平臺等全由程序自動執行，大大地提高了雷達測試評估的效率。

5 結束語

本文依據軍標中對測試性指標的定性和定量指標要求，提出了一種集裝備功能性能測試、故障確認、測試性評估于一體的測試性試驗驗證平臺,通過直接故障注入、等效故障注入、實際故障統計、測試性仿真分析等實現測試性綜合評估，并將平臺應用于某型相控陣雷達的測試性評估試驗，具有工程指導意義。作為通用的一體化測試平臺，還可以向其他裝備的測試性驗證評估試驗中推廣，這也是今后工作的一個方向。