何 洋， 葉曉慧， 趙建揚(yáng)

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

0 引言

機(jī)電設(shè)備是將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)總稱，具有復(fù)合功能且適用面廣，不僅廣泛應(yīng)用于民用(數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)制造等)，而且在艦艇、飛機(jī)等軍用領(lǐng)域中也開始大量應(yīng)用。但隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)自動控制技術(shù)在機(jī)電設(shè)備中的比重越來越重，其復(fù)雜程度越來越高，帶來了對機(jī)電設(shè)備故障診斷的困難。測試性是產(chǎn)品能及時、準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性，為了提高裝備故障檢測與隔離能力，必須開展測試性工作。目前對于機(jī)電設(shè)備的測試性工作開展較少，特別是對于如何評價機(jī)電設(shè)備的測試性設(shè)計是否達(dá)到規(guī)定的要求，沒有可操作性的驗證方法。

本文針對此種情況，提出了機(jī)電設(shè)備的測試性驗證指導(dǎo)流程，介紹了測試性驗證關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用故障注入試驗方法進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的測試性驗證。

1 驗證指導(dǎo)流程

測試性驗證方法可分為自然故障統(tǒng)計方法和故障注入試驗方法兩類［1］。自然故障統(tǒng)計方法是直接統(tǒng)計產(chǎn)品在試用過程中自然發(fā)生的故障，及其故障檢測與隔離信息，評估產(chǎn)品的測試性水平是否滿足規(guī)定要求。故障注入試驗方法是在研制的機(jī)電設(shè)備試驗樣機(jī)中注入一定數(shù)量的故障模式，用測試性設(shè)計規(guī)定的或其他輔助的測試方法進(jìn)行故障檢測與隔離，按其結(jié)果來估計產(chǎn)品的測試性水平并判斷是否達(dá)到了規(guī)定要求，決定接收或拒收，其主要有3個環(huán)節(jié):故障樣本分配和選取;注入故障演示試驗;接收/拒收判據(jù)。因自然故障統(tǒng)計方法不能及時對裝備進(jìn)行測試性驗證，具有滯后性，所以本文采用故障注入試驗方法。機(jī)電設(shè)備的測試性驗證指導(dǎo)流程如圖1所示。

圖1 機(jī)電設(shè)備的測試性驗證指導(dǎo)流程圖Fig.1 Flow chart for testability verification of electromechanical equipment

1)步驟1，根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品測試性設(shè)計、分析資料和規(guī)定指標(biāo)，得出產(chǎn)品測試性驗證要求，明確具體驗證項目。反映測試性水平的指標(biāo)參數(shù)主要有:虛警率(FAR)，故障檢測率(FDR)，故障隔離率(FIR)。FAR的驗證可以同可靠性驗證一起完成，所以測試性驗證主要確定FDR和FIR是否達(dá)到規(guī)定要求。其定義如下所述。

故障檢測率指在規(guī)定條件下用規(guī)定的測試設(shè)備和方法能夠正確檢測到的故障數(shù)與故障總數(shù)的比，用百分?jǐn)?shù)表示。其數(shù)學(xué)模型表示為

式中:ND為在規(guī)定條件下用規(guī)定方法正確檢測出的故障數(shù);N為產(chǎn)品發(fā)生的故障總數(shù)。

故障隔離率指用規(guī)定的方法將檢測到的故障正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)與正確檢測到的故障數(shù)的比，用百分?jǐn)?shù)表示。其數(shù)學(xué)模型表示為

式中:NL為在規(guī)定條件下，用規(guī)定的方法正確隔離到不大于L個可更換單元的故障數(shù);ND為在規(guī)定條件下，用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)。

2)步驟2，結(jié)合維修性、可靠性驗證試驗及性能試驗，選擇測試性驗證方法。

測試性的概念自從1975年由F.Liour等人在《設(shè)備自動測試性設(shè)計》中首次提出后，已從維修性脫離出來。而測試性驗證的一部分工作還仍然在維修性、可靠性驗證試驗中有所涉及。如樣本選取和分配，需對故障模式的影響和危害性進(jìn)行分析(FMECA)，這可在可靠性分析中得到。這樣做的目的是最大限度地利用維修性、可靠性驗證試驗中的可用數(shù)據(jù)，減少測試性驗證的工作量。測試性驗證方法［2］可用二項分布法、正態(tài)分布法、多項分布法、泊松分布法或超幾何分布法進(jìn)行制定。二項分布法在 GJBZ20045、GJBZ20045和GB5080.5都有所提到。其特點是獨(dú)立同分布;適合成敗型試驗;驗證前計算適中，驗證后無計算;判決無爭議;需要的樣本量適中;適用于故障檢測率，隔離率和虛警率的驗證。故障注入試驗是一種成敗型試驗，當(dāng)注入故障后能成功檢測或隔離出故障則試驗成功;否則試驗失敗。因此本文采用二項分布方法制定測試性驗證方法。

3)步驟3，制定機(jī)電設(shè)備測試性驗證計劃。其內(nèi)容主要包括:確定驗證工作小組;要完成哪些驗證工作項目;每個工作項目如何完成，什么時候完成;如何利用這些工作項目的結(jié)果完成產(chǎn)品測試性驗證報告。

4)步驟4，進(jìn)行測試性驗證技術(shù)準(zhǔn)備。其內(nèi)容包括:確定參試樣機(jī);確定樣本集和分配方法［3］;選取故障模式及注入方法;制定測試性驗證綜合數(shù)據(jù)表，來記錄故障注入后的試驗數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了一種比較好用的數(shù)據(jù)表，見表1;還有其他技術(shù)準(zhǔn)備工作。

5)步驟5，實施故障注入試驗，故障注入過程［4］如圖2。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，填寫好測試性驗證綜合數(shù)據(jù)表，評估試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)接收/拒收判據(jù)得出結(jié)論。在進(jìn)行故障注入試驗中，注入故障必須遵守如下原則:

①所注入的故障必須不能破壞任何設(shè)備;

②盡量提高故障的可注入性和注入準(zhǔn)確性;

③ 注入過程簡單、方便，注入可達(dá)性［5］好;

④研制開發(fā)方便、簡單，通用性強(qiáng)，可注入故障模式具有典型性;

⑤硬件開銷少，可注入故障類型多。

6)步驟6，審定驗證結(jié)果。

如果滿意則最終完成機(jī)電設(shè)備測試性驗證報告;如果不滿意則修正/改進(jìn)設(shè)計，(若修改程度較大則返回步驟4，若只是輕微修改則直接返回步驟5)重新進(jìn)行測試性驗證，直至滿意，最終完成機(jī)電設(shè)備測試性驗證報告。

圖2 故障注入過程Fig.2 The procedure of fault injection

2 測試性驗證關(guān)鍵技術(shù)

在上文測試性驗證技術(shù)準(zhǔn)備工作中，樣本分配和選取，故障注入方法，這兩項技術(shù)是機(jī)電設(shè)備測試性驗證方案的關(guān)鍵技術(shù)。下面對這兩項技術(shù)分別進(jìn)行介紹。

2.1 樣本分配與選取

首先對故障樣本集進(jìn)行如下定義:從被測對象的故障模式集合中，抽取一定數(shù)量的在一定程度上可以代表被測對象的故障模式集合。

目前所進(jìn)行的測試性驗證，其樣本的分配和選取方法大都是從可靠性、維修性驗證的理論直接引申過來，應(yīng)用在測試性驗證中存在以下缺陷［6］。

首先，樣本分配?？煽啃则炞C中的樣本量分配是基于故障率進(jìn)行的，但在測試性驗證中，更加關(guān)注的是產(chǎn)品的測試覆蓋率，基于故障率的樣本量分配方案將會造成試驗結(jié)果的失真和不可信。

其次，樣本選取。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7－8］中都是基于故障率分配后采用隨機(jī)抽樣的方法獲得的。根據(jù)統(tǒng)計抽樣理論，樣本集應(yīng)能較好地反映總體的特性，文獻(xiàn)［9］提出了樣本集的充分性準(zhǔn)則，滿足一定充分性準(zhǔn)則的樣本集將具有很好的代表性。

針對以上問題，可以采取基于故障影響相對比值的樣本分配方案，下面給出故障影響相對比值的定義。故障影響相對比值(Kej):模塊單元j的故障相對發(fā)生頻率(Kpj)，故障擴(kuò)散強(qiáng)度(KIj)，故障危害度相對比值(Krj)，故障模式數(shù)相對比值(Kmj)的綜合加權(quán)值［10］。其數(shù)學(xué)模型為

注意:ap、aI、ar、am分別為 Kpj、KIj、Krj、Kmj的加權(quán)系數(shù)。

式(3)中:Kpj為第j個模塊單元中所有故障模式的故障率總和，與全體模塊單元中所有故障模式的故障率總和的比值;KIj為第j個模塊單元中所有故障模式的故障擴(kuò)散強(qiáng)度總和，與全體模塊單元中所有故障模式的故障擴(kuò)散強(qiáng)度總和的比值;Krj為第j個模塊單元中所有故障模式的危害度總和，與全體模塊單元中所有故障模式的危害度總和的比值;Kmj為第j個模塊單元中所有故障模式數(shù)量的總和，與全體模塊單元中所有故障模式數(shù)量的總和的比值。

2.2 故障注入方法

故障注入的方法可分為兩類:

1)軟件模擬，這類方法依賴于有關(guān)系統(tǒng)級的數(shù)學(xué)模型，且實時性差，可信度低;

2)物理模擬，即對實際的系統(tǒng)施加故障激勵。它又可分成軟件注入和物理注入:軟件注入是指通過仿真裝置對有關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)修改達(dá)到故障注入的目的;物理注入可分為重離子擊穿法、電源擾動法及管腳級注入法。實際采納的方法多為管腳級故障注入。其理論依據(jù)是，器件內(nèi)部的故障模式都可等效于器件管腳的故障狀態(tài)。

對于串聯(lián)型組合機(jī)構(gòu)的機(jī)電設(shè)備，如果不宜直接對所要進(jìn)行故障注入的目標(biāo)實施故障注入，可以采用后驅(qū)動技術(shù)［11］進(jìn)行物理模擬故障注入。因為串聯(lián)式組合機(jī)構(gòu)由一個或兩個以上的基本機(jī)構(gòu)經(jīng)過串聯(lián)使從動件達(dá)到某種特定的運(yùn)動規(guī)律或完成復(fù)雜的運(yùn)動軌跡，其前一機(jī)構(gòu)的從動件電路輸出級往往又是后一機(jī)構(gòu)的主動件電路輸入級。并且后驅(qū)動技術(shù)用于故障注入，實質(zhì)是從器件的管腳注入，在被測器件的輸入級(前級驅(qū)動器件的輸出級)灌入或拉出瞬態(tài)大電流，迫使其電位按要求變高或者變低，達(dá)到對被測器件施加測試激勵的目的。所以可以改變前一機(jī)構(gòu)的從動件輸出級電位，達(dá)到對后一機(jī)構(gòu)主動件電路故障注入的目的。

3 實例驗證

應(yīng)用上述方案指導(dǎo)流程和關(guān)鍵技術(shù)，對某串聯(lián)型機(jī)電裝備進(jìn)行測試性驗證。驗證中，采取基于故障影響相對比值的樣本分配方案;對不宜直接進(jìn)行故障注入的目標(biāo)，采取后驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行故障注入。每進(jìn)行一次故障注入試驗，記錄一組試驗數(shù)據(jù)，填寫好本文設(shè)計的測試性驗證綜合數(shù)據(jù)表，如表1所示。

因為篇幅所限，只給出3個故障模式注入后的試驗數(shù)據(jù)，所用到的測試點是(t1，t2，t3，t4，t5，t6)。

表1 測試性驗證綜合數(shù)據(jù)表Table 1 The synthetical data table of testability verification

4 結(jié)束語

本文給出了機(jī)電設(shè)備測試性驗證方法與步驟，并進(jìn)行了分析。介紹了測試性驗證關(guān)鍵技術(shù)。對某串聯(lián)型機(jī)電裝備進(jìn)行了測試性驗證，給出其測試性驗證綜合數(shù)據(jù)表的填寫示例。上述探討的方法，對機(jī)電設(shè)備測試性驗證工作具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)國內(nèi)外研究情況，制約測試性驗證工作發(fā)展的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題是:樣本的分配與選取和故障注入。這在今后的研究中應(yīng)主要予以解決。

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