劉大川

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009）

基于故障注入的電路測試性仿真（也稱測試性虛擬仿真、故障注入仿真）分析最初是在故障診斷中提出的概念，是在產(chǎn)品性能、可靠性、維修性等領(lǐng)域取得成功的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。故障仿真分析在測試性設(shè)計的改進(jìn)與優(yōu)化、測試性水平的評估與驗證等方面有著其他工作無法替代的優(yōu)勢，可隨產(chǎn)品的功能、性能設(shè)計仿真同步開展，在產(chǎn)品模擬平臺上進(jìn)行故障仿真注入，進(jìn)而評價產(chǎn)品測試性水平，及時暴露產(chǎn)品測試性設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品測試性水平的持續(xù)增長有著至關(guān)重要的作用。從理論上講，可根據(jù)需要進(jìn)行多次的故障模擬、注入與測試虛擬試驗，因此故障仿真技術(shù)具有成本低、效率高、過程可控、試驗輸出信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，是產(chǎn)品研制過程中最有效的測試性增長手段之一［1-2］。

1 基于故障注入的測試性仿真思路

故障注入仿真技術(shù)是基于對系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理分析，將系統(tǒng)進(jìn)行分解，分析各個組成單元之間及其與系統(tǒng)間的故障耦合關(guān)系，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)建模與仿真軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)正常功能與可能存在故障的模擬。

1.1 系統(tǒng)劃分

測試性故障注入仿真一般采用分層、分塊的方式進(jìn)行建模和分析，模型結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)類似，這種建模方法便于模型檢驗、校核、綜合集成等，本文提出的測試性系統(tǒng)仿真模型也采用這種建模方法，建模前對系統(tǒng)的層級進(jìn)行劃分，可分為系統(tǒng)級（System）、子系統(tǒng)級（Subsystem）、功能單元級（Component）等，分別建立測試性分析約定層級中各功能模塊單元的故障仿真模型，低層級仿真模型通過輸出參數(shù)及其相互約束和連接關(guān)系集成為上一層級的仿真模型，上一層級的模型是對下一層級各仿真模型的封裝。

系統(tǒng)的分層故障仿真模型關(guān)系示例如圖1所示，功能單元的故障仿真模型構(gòu)建形式需要依據(jù)具體仿真環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行，各模型的具體實現(xiàn)在表達(dá)形式上可能會有所差別。

圖1 系統(tǒng)的分層故障仿真模型關(guān)系

1.2 故障建模仿真流程

一次完整的故障注入試驗包括由試驗者收集整理數(shù)據(jù)、建立試驗電路仿真模型、確定故障樣本、執(zhí)行故障注入、運(yùn)行帶工作負(fù)載的目標(biāo)系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)行為和分析試驗結(jié)果的整個循環(huán)過程［3］，電路故障仿真流程圖，如圖2所示，本文將分別對一些關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析。從圖2中可以看出，該方法的特點(diǎn)是在進(jìn)行電路性能設(shè)計的同時同步進(jìn)行故障注入及分析，過程是一個反復(fù)迭代的過程，這樣在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以獲得較多的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)，可以為故障的影響分析做充分的準(zhǔn)備；同時故障注入采用基于軟件的故障注入方式，這種方式效率較高，在產(chǎn)品設(shè)計不斷更改時也可以隨時進(jìn)行故障注入，隨時反饋給設(shè)計人員產(chǎn)品的測試薄弱環(huán)節(jié)，便于電路的修改。

圖2 電路故障仿真實現(xiàn)原理流程圖

1.3 故障注入

電路的故障模型是指電路中各種故障因素的仿真模型。故障建模首先考慮的是，能否模擬真實的故障發(fā)生情況，易于注入與易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗證分析也是重點(diǎn)考慮的因素之一。

建立故障模型，按照故障出現(xiàn)的次數(shù)劃分，可分為單故障和多故障，按照持續(xù)時間可劃分為暫時性故障或永久故障，為了減輕故障仿真的開銷，有時需要把故障模型建立在較高層次，可以把一個集合的故障模型利用某個故障模式代替，這樣可以使故障仿真得到簡化但又不影響結(jié)果的判定。

故障注入也就是把建立的故障模型加入到正常仿真模型中進(jìn)行仿真，把故障模式庫電路中某個元器件的某個失效信息，在仿真環(huán)境下對正常元器件信息進(jìn)行修改重組，就可以得到故障仿真模型。

1.4 選擇測試點(diǎn)監(jiān)視系統(tǒng)行為

測試點(diǎn)越多能夠得到的觀測信息就會越大，但是測試點(diǎn)越多造成的計算量和存儲量就會越大，現(xiàn)實電路設(shè)計也越困難，而且由于測試性設(shè)計完成后，會降低系統(tǒng)可靠性，增加測試設(shè)備的研制費(fèi)用開支，所以選擇測試點(diǎn)最好考慮到實際電路的布局，首先選擇電路板上容易實現(xiàn)的地方，還要考慮到節(jié)省電路開支，盡量選取電路中現(xiàn)有的輸出節(jié)點(diǎn)，在現(xiàn)有測試點(diǎn)不能夠滿足系統(tǒng)測試需求時，可以考慮增加必要的電路進(jìn)行測試［4］。

一般來說，經(jīng)過復(fù)雜的計算能夠選出最好的測試點(diǎn)，但是工程上沒有這個必要，多數(shù)情況下，把測試點(diǎn)設(shè)置在故障的多發(fā)部位，再結(jié)合數(shù)字、模擬電路的特點(diǎn)，通過適當(dāng)計算就可以了。

考慮到故障隔離的需要，測試點(diǎn)的選擇要考慮到可更換單元的分布情況，各可更換單元間的故障特性傳遞關(guān)系等因素，隨時根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，對于無法提供故障特征的測試點(diǎn)應(yīng)隨時取消。

1.5 仿真結(jié)果處理

從故障仿真中能夠得到大量的電路故障狀態(tài)信息，對比正常、故障狀態(tài)的電路特點(diǎn)，找到其中的不同，從而得出故障狀態(tài)是否能夠被觀測，這是一個極其復(fù)雜的過程。系統(tǒng)的故障處理一般由技術(shù)人員按照產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范來進(jìn)行，但這種方法并不完善，傳統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的信號量值都比較簡單，很多時候?qū)收系呐卸ê透綦x效果比較差，這里通過對正常仿真結(jié)果和故障結(jié)果的分析對比，可以得出相對精確的判定依據(jù)［5］。

結(jié)果判定按以下幾個步驟進(jìn)行：

1.5.1 根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)對故障進(jìn)行初步定義，剔除測試容差等干擾因素。

1.5.2 對故障的狀態(tài)進(jìn)行定量化處理，如模擬信號的信號極值、相位等以及波形特征參數(shù)如各種雜波、正弦波、三角波、方波等都是特征信息，數(shù)字量可能包括時間周期、信號強(qiáng)度等。

1.5.3 利用仿真得到的故障信號結(jié)果對電路故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，主要是判定是否屬于故障，分析是否能夠進(jìn)行故障隔離等因素。

2 故障注入仿真舉例

2.1 研究對象

本文選擇某信號處理電路的信號調(diào)理部分進(jìn)行建模，按照本文1.1所述劃分方式把電路劃分為信號采集調(diào)理電路和FPGA控制兩部分電路。以信號調(diào)理電路部分仿真為例，信號調(diào)理電路功能組成及電路仿真節(jié)點(diǎn)，見圖3。

圖3 信號調(diào)理電路原理圖

2.2 故障注入

通過分析，為便于研究的順利開展，對輸入變量進(jìn)行了簡化，選擇正弦波和方波作為故障仿真模型的輸入變量Up，如表1。

表1 輸入變量Up

調(diào)理電路實際的測試點(diǎn)為信號的最終輸出端OUT，為了監(jiān)測信號在電路中不同位置的變化及分析的需要，在電路中增加了COM和A1兩個測試點(diǎn)，測試模型如表2。

表2 調(diào)理電路的測試模型

2.3 仿真結(jié)果舉例

如輸入變量為方波時，電路仿真模型輸入0V～+5V、1KHz方波信號后，電路的狀態(tài)（3個測試點(diǎn)OUT、COM、A1輸出）如圖4。

通過修改電路，注入“U2A+輸入端開路”故障，電路仿真模型的狀態(tài)如圖5，與模型正常狀態(tài)對比，狀態(tài)變化明顯，但輸出狀態(tài)復(fù)雜，無法用簡單信息處理算法進(jìn)行狀態(tài)特征提取，需要調(diào)整測試模型中的信息處理算法以提取合適的特征信息提供給決策模型進(jìn)行故障與否的判斷。

圖4 模型正常狀態(tài)波形

圖5 “U2A+輸入端開路”故障波形

仿真的結(jié)果證明了測試點(diǎn)信號與輸入變量間的傳遞關(guān)系達(dá)到了設(shè)計目的，故障及其特征、系統(tǒng)狀態(tài)及其隨（故障）輸入的變化、測試點(diǎn)及測試的輸出特性都在模型中得到了很好的體現(xiàn)，初步證明了故障注入仿真分析方法在測試性仿真建模方面的可行性。

3 結(jié)語

故障模型產(chǎn)生的故障輸入對電路狀態(tài)的影響及在測試模型中的可測狀態(tài)基本都反映了電路的實際工作情況，需要注意的是部分故障產(chǎn)生的影響可能比較復(fù)雜，通過仿真可能無法準(zhǔn)確給出影響的結(jié)果，這時可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的測試性專項試驗對該類故障進(jìn)行試驗驗證。同時，驗證的結(jié)果也證明故障仿真模型的分析方法可以給電路的測試性分析工作提供有力的支持，可以推廣到其他電路測試性仿真中應(yīng)用。目前由于人員經(jīng)驗及費(fèi)用問題，對測試性故障仿真分析方法的驗證還不全面，僅進(jìn)行了電路級可仿真注入故障模型的仿真驗證，還沒有進(jìn)行仿真環(huán)境中仿真的故障統(tǒng)計模型驗證及實際的電路測試性故障注入試驗的驗證等。

［1］楊鵬，邱靜，劉冠軍.基于擴(kuò)展的關(guān)聯(lián)模型的測試性分析技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008，30（2）：371-374.

［2］石君友，龔晶晶，徐慶波.考慮多故障的測試性建模改進(jìn)方法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，36（3）：270-273.

［3］代京，張平，李行善，等.航空機(jī)電系統(tǒng)測試性建模與分析新方法［J］.航空學(xué)報，2010，31（2）：277-284.

［4］劉維罡，沈頌華.航空航天器配電變換器測試性設(shè)計及其仿真研究［J］.宇航學(xué)報，2007，28（6）：1747-1752.

［5］汪亞順.裝備壽命預(yù)測的仿真基加速試驗方案優(yōu)化設(shè)計方法研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，2008.