一種氣象雷達測試性試驗方法

林冠，陸錫江

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510610； 3. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣州 510610）

引言

測試性指產(chǎn)品能及時準確確定其工作狀態(tài)，并有效隔離其內(nèi)部故障的能力。良好的測試性設(shè)計對于提高裝備的維修保障水平和戰(zhàn)備完好性、降低全壽命周期費用等具有重要意義[1,2]。近年來，通過測試性試驗工作的推進，裝備測試性水平的摸底、增長、驗證得到了技術(shù)實踐。

氣象雷達由天線單元、掃描單元、收發(fā)處理單元構(gòu)成，通過探測飛行航線內(nèi)的降雨量、鳳速等信息，為飛行員提供有用信息，試驗安全飛行。氣象雷達的機內(nèi)測試（Built-in Test，BIT）分為上電BIT、周期BIT、維護BIT三種，對雷達系統(tǒng)的功能進行測試，用于故障檢測和隔離定位，是飛行員或地面維修人員了解雷達工作狀態(tài)及故障情況的有效手段。在研制階段，對氣象雷達進行測試性試驗可以發(fā)現(xiàn)其測試性設(shè)計的不足，指導測試性改進和增長，對氣象雷達的測試性指標是否符合合同規(guī)定的定性和定量要求進行摸底，為氣象雷達定型、鑒定或驗收提供依據(jù)。

本文以氣象雷達為研究對象，給出了一種氣象雷達測試性試驗方法。通過這種方法，在產(chǎn)品研制階段，不僅對氣象雷達測試性設(shè)計進行實際驗證，還降低了試驗的成本和風險，縮短了試驗周期，提高了試驗結(jié)果的可信度。

1 總體思路

氣象雷達測試性試驗方案總體流程如圖1。首先，根據(jù)氣象雷達的結(jié)構(gòu)和功能進行故障模式影響與危害性（Failure Modes，Effect and criticality Analysis，F(xiàn)MEcA）分析，梳理氣象雷達的各層級的劃分以及對應(yīng)的功能，分析各層級的故障模式及其對產(chǎn)品的影響、檢測方式、嚴酷度、故障率等，作為測試性試驗的輸入。其次，設(shè)計試驗方案。采用最低可接受值試驗方案確定初步樣本量，結(jié)合基于最小舍入誤差排序補充的按比例分層抽樣的分配法進行樣本量分配，并建立備選故障樣本庫，選取試驗樣本。在試驗過程中，根據(jù)備選樣本庫中每個試驗樣本的故障注入方式、注入成功判據(jù)、故障上報內(nèi)容，來逐一進行驗證，判定故障注入有效性。最后，對試驗數(shù)據(jù)進行整理，得出故障檢測率（Fault Detect Rate，F(xiàn)DR）和故障隔離率（Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR），對氣象雷達的測試性設(shè)計進行定性和定量評估，為測試性設(shè)計提出建議。

圖1 氣象雷達測試性試驗方法總體框圖

1.1 FMECA分析

FMEcA分析在整個測試性試驗中擔任的是測試性輸入的角色，通過分析產(chǎn)品的組成、結(jié)構(gòu)，從不同層級分析產(chǎn)品的故障模式及其對產(chǎn)品的影響、檢測方式、嚴酷度、故障率等，對測試性試驗最終能否真實有效地反應(yīng)產(chǎn)品測試性水平起到關(guān)鍵作用。目前FMEcA分析主要有兩種方法，分別是硬件FMEcA分析方法和功能FMEcA分析方法，兩種分析方法最大的區(qū)別在于分析順序，前者是按照器件級、功能電路級、內(nèi)場可更換單元（Shop Replaceable Unit，SRU）級、外場可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU）級、子系統(tǒng)級自下而上的逐級分析；后者是從子系統(tǒng)級、LRU級自上而下的進行分析。

目前裝備FMEcA分析一般采用的是硬件法，為確保氣象雷達測試性試驗更好地開展，本文采用了硬件法和功能法相結(jié)合的氣象雷達測試性試驗FMEcA方法。首先需要確定最低約定層級，元器件的故障是產(chǎn)品發(fā)生故障的最終原因，因此選擇器件級作為氣象雷達的最低約定層級。參考GJB&Z 299c-2006《電子設(shè)備可靠性預計手冊》中元器件的故障模式、故障原因、故障率等，分析氣象雷達中所有元器件。特別的，天線中機械類元件的故障也需要分析。接著，將器件級的故障模式作為功能電路級的故障原因，分析功能電路級的故障模式及其對產(chǎn)品的影響，并以此類推向SRU級、LRU級、氣象雷達逐級分析。為了確保各層級的故障模式盡可能涵蓋所有的失效形式，結(jié)合相似產(chǎn)品發(fā)生過的故障模式，根據(jù)氣象雷達的功能和輸出類別對子系統(tǒng)、LRU級故障模式進行補充。在整個分析過程中，需要注意：①確保故障模式描述清晰、準確；② 故障率數(shù)據(jù)來源可靠，計算精準。

1.2 試驗方案

考慮到試驗風險、費用及時間，國內(nèi)測試性試驗樣本量分配一般采用按比例簡單隨機抽樣的方法，該方法樣本量選取隨機性大，無法根據(jù)產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)特點分配樣本，使樣本缺乏代表性，降低樣本量的可信度。因此本文采用的是結(jié)合基于最小舍入誤差排序補充的按比例分層抽樣的分配法，不但保證了樣本結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品總體一致，提高了樣本的代表性，而且可信度高。

1.2.1 樣本量確定

樣本量的確定是確定試驗所需要注入的故障模式樣本總數(shù)，即確定試驗的總規(guī)模。在現(xiàn)行的國家軍用標準中，對樣本量確定有詳細規(guī)定的標準有限，根據(jù)GJB 2027-1994《維修性試驗與評定》的“附錄c測試性一般試驗方法”中規(guī)定，樣本量不應(yīng)小于30。對于測試性試驗，樣本量若過少將無法覆蓋所有故障模式。因此在工程應(yīng)用中，會根據(jù)不同產(chǎn)品的特點確定樣本量確定方法。常用的基于二項分布的樣本量確定方法有基于抽樣檢驗理論的樣本量確定方法、考慮雙方風險的樣本量確定方法、考慮最低可接受值的樣本量確定方法、基于截尾序貫法的樣本量確定方法。

本文的氣象雷達是一個復雜的系統(tǒng)，若選取功能電路級或SRU級故障模式，樣本量將達到幾千或幾萬，超出工程的承受能力，因此選取其LRU級故障模式，既滿足樣本量不小于30的要求，又能保證故障模式的覆蓋性要求。通過統(tǒng)計，LRU級故障模式總數(shù)為M。依據(jù)氣象雷達的功能性能設(shè)計，采用最低可接受值試驗方案確定初步樣本量：

式中：

N—故障模式初步樣本量；

c—合格判定數(shù)；

R1—接受概率為β時的故障檢測率；

β—訂購方風險。

根據(jù)式（1）進行計算得到滿足條件的多組樣本量（N，c），在多組樣本量中選取大于M的最小值作為初步樣本量N。

1.2.2 樣本量分配

樣本量分配是將初步樣本量分配到氣象雷達的故障模式中，確定每個故障模式需要注入的次數(shù)。樣本量的分配直接影響到試驗結(jié)果的準確性。

現(xiàn)行的國家軍用標準中，對裝備測試性試驗樣本分配方法有詳細規(guī)定的只有GJB 2072-1994《維修性試驗與評定》，在其“附錄B維修作業(yè)樣本的選擇與分配方法（補充件）”中提供了兩種維修作業(yè)樣本的分配方法，分別是按比例分層抽樣的分配法和按比例簡單隨機抽樣的分配法。按比例分層抽樣的分配方法更能充分保證樣本結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品總體一致，提高樣本的代表性。氣象雷達系統(tǒng)復雜，具有多個LRU，樣本量最好具有代表性，因此采用按比例分層抽樣的分配方法。

設(shè)第i個故障模式的相對發(fā)生頻率cpi為：

式中：

Qi—第i個故障模式對應(yīng)的LRU數(shù)量；

Ti—第i個故障模式對應(yīng)LRU的工作時間系數(shù)；

λi—第i個故障模式的故障率。

一般設(shè)總的預選樣本量n為初步樣本量N的4倍，則第i個故障模式的預選樣本量ni為：

對其進行四舍五入后取整數(shù)，則|ni|為第i個故障模式分配的樣本量。

但在使用該方法時，常會出現(xiàn)分配完的樣本總數(shù)不等于初步樣本量的情況，因此還需進行樣本量的補充。GJB 2072-1994中給出了使用手動補充分配的方法，但氣象雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜、故障模式多，具有較大的樣本量，為了提高工程效率，因此本文采用基于最小舍入誤差排序的補充方法[3]。

設(shè)分配后樣本總數(shù)與初步樣本量之差nΔ為：

記第i個故障模式的舍入誤差為：

當 Δn＜ 0時，將舍入誤差σi為正的故障模式自大到小進行排序，將最大的前個故障模式的樣本量補充1；若舍入誤差σi為正的故障模式數(shù)少于，則將所有ni加0.5，記新的樣本差為 Δn′，新的舍入誤差為σi′，重新排序，將舍入誤差最大的前個故障模式的樣本量補充1。

當 Δn＞ 0時，將舍入誤差σi為負的故障模式自小到大進行排序，將最小的前個故障模式的樣本量減少1；若舍入誤差σi為負的故障模式數(shù)少于，則將所有ni減0.5，記新的樣本差為 Δn′，新的舍入誤差為σi′，重新排序，將舍入誤差最小的前個故障模式的樣本量減少1。

1.2.3 備選故障樣本庫建立

備選樣本庫是指所有備選故障樣本的集合，試驗樣本都從該庫中進行選取。在測試性試驗驗證中，備選樣本庫的建立對于試驗驗證非常重要，備選樣本庫建立的合理性以及優(yōu)越性，對于產(chǎn)品的設(shè)計缺陷能否充分暴露出來有很大的影響。氣象雷達測試性樣本庫是基于各故障模式的樣本量建立的，根據(jù)FMEcA分析中該故障模式的故障原因選取合適的故障注入方式模擬該故障模式的發(fā)生，制定判定系統(tǒng)對故障的檢測、隔離成敗的依據(jù)。

故障注入方式的選取是測試性試驗的核心技術(shù)之一，是測試性試驗工作開展的基礎(chǔ)。目前故障注入方式大致分為模擬故障注入方式、硬件故障注入方式和軟件故障注入方式三種。模擬故障注入方式由于需要建立精準詳細的產(chǎn)品仿真模型，在工程中尚未應(yīng)用。硬件故障注入有總線故障注入、探針故障注入、插拔式故障注入和轉(zhuǎn)接板故障注入，這些故障注入方法特點各異，對產(chǎn)品的驗證影響也不同。軟件故障注入方式，主要是根據(jù)故障模型通過修改可編程芯片的代碼來模擬芯片的一些基本故障，從而模擬由其基本故障而產(chǎn)生的功能故障。硬件故障注入方式會對產(chǎn)品造成物理破壞，影響產(chǎn)品后續(xù)其他試驗的結(jié)果；軟件故障注入能減少對產(chǎn)品的破壞，節(jié)約試驗成本，但可模擬的故障模式有限。

針對氣象雷達樣機數(shù)量有限、造價昂貴等情況，在建立氣象雷達備選樣本庫時需注意以下幾點：1）優(yōu)先考慮軟件故障注入、外部總線故障注入、轉(zhuǎn)接板故障注入等對硬件不造成破壞的方式；2）在軟件注入時需要做好備份，便于注入完畢后恢復；3）對于無法注入的故障模式，為了確保試驗的覆蓋率，運用貝葉斯多樹網(wǎng)絡(luò)傳播算法來求解與該故障等效的其他注入點[4]，尋找等效的方式進行故障注入。摘取了氣象雷達的備選樣本庫如表1。

表1 氣象雷達備選樣本庫

2 測試性試驗實施流程

測試性試驗實施是根據(jù)試驗方案確定待注入的故障樣本，采用合適的故障注入方法與設(shè)備，注入受試裝備中，啟動裝備機內(nèi)測試、外部測試設(shè)備等對所注入的故障進行故障檢測與隔離，并記錄檢測與隔離結(jié)果的過程。在測試性試驗驗證中，試驗實施流程的制定是否合理和高效，影響著整個驗證試驗的周期和結(jié)果。不合理的試驗流程會造成產(chǎn)品的損壞，致使試驗結(jié)果的真實性和準確性受到影響，因此制定合理的試驗實施流程十分關(guān)鍵。

針對氣象雷達，本文制定了一套高效合理的試驗實施流程，如圖2所示。在整個試驗實施過程中，需要注意以下幾點：①試驗前，對氣象雷達系統(tǒng)進行連接和測試，檢查確認氣象雷達與試驗設(shè)備或交聯(lián)環(huán)境的交聯(lián)完備無誤，確認產(chǎn)品狀態(tài)的完好性；②試驗中，根據(jù)備選樣本庫中每個試驗樣本的故障注入方式、注入成功判據(jù)、故障上報內(nèi)容，來逐一進行驗證，判定故障注入有效性，如果注入故障方式失敗，依據(jù)試驗流程設(shè)計，修改注入方式；③每完成一次故障注入后都需對氣象雷達進行檢測，確保其工作狀態(tài)恢復正常，不會對下一次的故障注入試驗造成影響；④試驗后，依據(jù)試驗設(shè)計流程，進行產(chǎn)品的功能性能檢查。

圖2 氣象雷達測試性實施流程

3 結(jié)束語

本文結(jié)合氣象雷達結(jié)構(gòu)和功能特點，采用了硬件法和功能法相結(jié)合的FMEcA分析法對氣象雷達進行了準確分析，并利用最低可接受值試驗方案確定初步樣本量，結(jié)合基于最小舍入誤差排序補充的按比例分層抽樣的分配法進行樣本量分配，并建立備選故障樣本庫，選取試驗樣本。制定了一套高效合理的試驗實施流程，提高試驗工作效率。利用這種方法可以準確得到氣象雷達的故障檢測率和故障隔離率的定量指標，發(fā)現(xiàn)氣象雷達測試性設(shè)計缺陷，為氣象雷達測試性設(shè)計改進提供依據(jù)，從而使裝備技術(shù)水平得到提高。