陸士強

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從某系統(tǒng)運行故障談裝備測試性設計的應用

陸士強

華東計算技術研究所，上海 200233

測試性作為裝備的一種設計特性，具有同可靠性、維修性、保障性同等重要的位置，是構成武器裝備質量特性的重要部分。從設計源頭系統(tǒng)考慮測試性設計方案，可以有效提升設計質量水平，減少裝備交付用戶后暴露問題的幾率。

測試性技術；測試性設計

引言

隨著國防科技工業(yè)的快速發(fā)展，軍工科研單位交付部隊的裝備數量持續(xù)增長，研制單位交付的產品時常出現在使用現場暴露問題的情況。究其原因，未在設計源頭系統(tǒng)思考測試方案，測試性設計不足占較高比例。我們從一個真實的系統(tǒng)運行故障著手分析，看測試性設計如何應用到裝備設計中。

1 某系統(tǒng)運行故障實例

1.1故障描述

2013年8月，某軍工單位接到用戶緊電，反映某軍工項目的電站控制加固計算機接收到了錯誤數據，引發(fā)系統(tǒng)出現報警并停止工作的問題，要求研制生產單位立即派員到現場進行故障排查。[1]

1.2 原因與措施

經現場分析發(fā)現，報警問題是由于控制臺計算機接收到的數據發(fā)生了串幀引起的。系統(tǒng)的網絡連接關系如圖1所示。

4臺加固計算機組成一個電站，其中包括3臺機組加固計算機和1臺區(qū)管服務器。加固計算機n與WAGO之間、區(qū)管服務器與加固計算機n之間、區(qū)管服務器與控制臺n之間的信息均通過CAN總線交互。

圖1 系統(tǒng)組成圖

經FTA分析，分別排除了通信線路故障導致數據串幀、硬件板卡故障導致數據串幀和CAN總線在信息傳遞過程中因總線競爭導致數據串幀的三種可能。經數據發(fā)現，多個控制臺加固機會同時出現串幀現象且錯誤數據一致，因此將問題聚焦于區(qū)管加固服務器的FPGA發(fā)送管理軟件上。

詳細計算加固計算機n與區(qū)管服務器之間定時通訊的數據流量：

（1）加固計算機n向區(qū)管服務器發(fā)送數據：45幀×10bit/幀，間隔500ms；

（2）區(qū)管服務器向加固計算機n發(fā)送心跳：1幀×10bit/幀，間隔500ms；

（3）加固計算機n向區(qū)管服務器發(fā)送心跳回復：1幀*10bit/幀，間隔500ms。

根據以上數據，加固計算機n占用的帶寬為7.36k bit/s，機組加固機與區(qū)管加固機占用的帶寬共約為23kbit/s，小于CAN總線帶寬為125kbit/s，不會造成發(fā)送數據緩沖區(qū)溢出。

而區(qū)管服務器與控制臺加固機之間、控制臺加固機與控制臺加固機之間均存在數據通信，即存在10臺計算機（9臺控制臺加固機、1臺區(qū)管服務器）之間相互競爭帶寬。經計算，區(qū)管服務器與控制臺加固機占用的帶寬為：23+12×9=131 kbit/s，大于CAN總線的125 kbit/s帶寬。因此，區(qū)管服務器不能及時發(fā)送當前數據，加固計算機周期性向區(qū)管服務器發(fā)送的下一批數據將覆蓋前一批數據。[2]

根據技術協議要求，在通訊流量高峰時，允許區(qū)管服務器以新數據覆蓋老數據后發(fā)送，但必須以幀為單位進行，不得發(fā)生前半幀老數據、后半幀新數據的“串幀”問題。經查，恰恰是底層FPGA程序設計錯誤，FIFO讀取設計存在必然的“串幀”問題，至此故障源已水落石出。隨后采取了完善設計的技術措施，問題得以解決。整個過程投入大量人力物力，歷時三周實施分析排查，最終通過歸零評審。

1.3 故障類型

根據質量問題分類原則，此問題的第一層次原因是設計缺陷，第二層次原因是測試覆蓋性不全。

在相關標準中，對“測試覆蓋性不全”的解釋是“指由于設計或技術、經費等因素的限制，產品測試工作沒能覆蓋所有工況，無法驗證產品在各種條件下的性能，而最終引發(fā)的質量問題”。

1.4 故障引發(fā)的思考

上述故障已從技術角度采取了相應措施，裝備能夠在系統(tǒng)中正常運行。而測試性設計技術從系統(tǒng)設計的角度統(tǒng)籌考慮，學習好、使用好這項技術可以舉一反三地避免類似故障的發(fā)生，對我們裝備研制開發(fā)具有很強的指導意義。

2 測試性學科的起源

隨著軍民用系統(tǒng)和設備性能的提高和復雜性的增加，測試性越來越受到大家的重視，許多新技術、新方法都應用到了測試性之中。測試性經歷了由外部測試到嵌入式機內測試，由測試性/BIT到智能BIT、綜合性診斷再到預測與健康管理的發(fā)展過程。

測試性這一術語最早在1975年由F.Liour等人提出。1985年，美國國防部頒發(fā)了MIL-STD-2165《電子系統(tǒng)及設備的測試性大綱》，把測試性作為與可靠性、維修性同等的產品設計要求，規(guī)定了電子系統(tǒng)和設備應遵循的測試性設計、分析與驗證的要求及實施方法。該大綱的頒發(fā)標志著測試性已經成為與可靠性、維修性并列的獨立學科。

按照國軍標GJB 2547-1995和GJB 3385-1998的定義，測試性是指產品能及時準確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內部故障的一種設計特性。

圖2 測試性與其他設計特性的關系

從圖2可以看出，測試性是裝備可靠性設計與維修性設計之間的重要紐帶，是確保裝備戰(zhàn)備完好性、任務成功性和安全性要求得到滿足的重要中間環(huán)節(jié)。

3 測試性的技術特征和發(fā)展

測試性的設計目標是完成性能監(jiān)測、故障檢測、故障隔離、虛警抑制、故障預測等測試功能。測試性設計技術主要含固有測試性、機內測試、外部自動測試等技術與方法。

固有測試性：主要指合理劃分裝備功能和結構，在產品設計上保證方便測試的特性；

機內測試（BIT）：指裝備內部提供的檢測和隔離故障的自動測試能力，根據測試規(guī)模大小又可分類為機內測試設備（BITE）和機內測試系統(tǒng)（BITS）；

外部自動測試：通常是借助自動測試設備（ATE）或自動測試系統(tǒng)（ATS）完成的，用于完成對被測裝備進行故障診斷、功能參數分析及評價；

外部測試技術自1950年開始發(fā)展，現在已發(fā)展到綜合應用高速總線、虛擬儀表等技術提供能力更強的自動化測試階段。

機內測試技術自1960年開始發(fā)展，現在已發(fā)展到以改進測試診斷技術，提高診斷能力，形成成熟的中央測試系統(tǒng)并進一步成熟的階段。

在民用領域，波音787飛機建立了飛機信息與維護系統(tǒng)，可以執(zhí)行機上實時數據收集、處理和顯示，執(zhí)行原因分析以消除級聯故障。通過網絡轉送數據到地面維護系統(tǒng)，擴展診斷和預測分析等。

在軍用領域，F-35戰(zhàn)機上采用了PHM系統(tǒng)，包括BIT、系統(tǒng)PHM區(qū)域管理器、飛機PHM管理器等，提供數據采集、增強診斷、故障預測和維修決策等綜合的健康管理能力。

4 對標測試性技術上述問題的更佳解決之道

從技術角度分析上述系統(tǒng)運行的故障，結論是底層FPGA程序設計錯誤，FIFO讀取設計存在必然的“串幀”問題。從質量問題分類角度進行問題劃分，第一層次原因是設計缺陷，第二層次原因是測試覆蓋性不全。對標上述測試性的相關知識和技術的發(fā)展演變，如何更好地解決并避免上述問題的發(fā)生，至少有以下幾種方法可供參考。

方案1：搭建外部測試系統(tǒng)加強裝備系統(tǒng)外部測試

軍用裝備無論是模塊、單機或是系統(tǒng)，都對測試提出了相當高的要求。特別如航天產品更是明確為出廠（所）測試項目必須覆蓋用戶驗收的測試項目，單元測試項目必須覆蓋單機測試項目、單機測試項目必須覆蓋分系統(tǒng)測試項目、分系統(tǒng)測試項目必須覆蓋全系統(tǒng)測試項目。對于測試不能覆蓋的還專門提出了“四不到四到”的相關規(guī)定，即“測試不到要驗收到、驗收不到要工序檢驗到、工序檢驗不到要工藝保證到、工藝保證不到要人員保障到”。

上述系統(tǒng)交付前的外部測試嚴重不足，研制單位如果能夠嚴格實施測試，區(qū)管服務器應對3臺控制臺和3臺加固計算機同時工作并收發(fā)CAN數據的工況下，完全能夠發(fā)現問題并采取對應措施。對標表1“外部測試技術的發(fā)展過程表”，研制單位在此系統(tǒng)研制生產過程中，未同步開展外部測試技術的研究和布局，對系統(tǒng)的外部測試存在嚴重的技術短板。

第一種方法是在系統(tǒng)交付前加強裝備系統(tǒng)外部測試，對照技術協議書要求，掌握并模擬真實的使用環(huán)境，搭建外部測試系統(tǒng)，并編寫相應測試用例，測試用例必須覆蓋系統(tǒng)各項功能和性能。從各方面對出所產品進行完整、全面的測試。針對串口通訊、網絡通訊等要研究大負荷、拉偏等強度測試和覆蓋性測試的方法，避免故障發(fā)生。

方案2：增加BIT部件補齊系統(tǒng)內部測試短板

從以上裝備系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)組成圖（圖1）可以獲知區(qū)管服務器是整個裝備系統(tǒng)的關鍵設備，可靠地收發(fā)往來于加固計算機n和控制臺n的CAN通訊數據的功能是區(qū)管服務器這個產品的關鍵特性，供電電源、進出數據流量、CAN通訊程序響應頻度等共同組成了區(qū)管服務器的關鍵參數。

第二種方法是對標表2“內部測試技術的發(fā)展過程表”，在系統(tǒng)設計前期，對區(qū)管服務器中的CAN通訊模塊進行冗余設計，可以采用冗余模塊的冷/熱備份等多種組合方案。同時，明確系統(tǒng)運行中表征系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測參數，增加BIT部件，BIT部件通過監(jiān)測區(qū)管服務器的關鍵參數，實現自動故障檢測和故障隔離功能，通過隔離工作異常的CAN通訊模塊，避免故障的發(fā)生。

針對上述系統(tǒng)，圖3描繪了雙機冗余分布式BIT測試工作的原理圖。其中每臺區(qū)管服務器的CAN通訊模塊、CPU模塊均具備BIT測試功能，各自的BIT結果經判斷后形成故障指示，經輸出判斷與切換部件輸出至CAN總線。

圖3 雙機冗余分布式BIT測試工作原理圖

方案3：同步補強外部測試與內部測試

在系統(tǒng)設計前期同時對系統(tǒng)的內部測試、外部測試環(huán)節(jié)進行綜合考慮，可以從技術難度、項目周期或資源投入等多個方面權衡比較，在內部測試和外部測試同時采取行之有效的技術措施，避免系統(tǒng)運行故障的發(fā)生和蔓延。

5 結論

測試性作為裝備的一種設計特性，具有同可靠性、維修性、保障性同等重要的位置，是構成武器裝備質量特性的重要部分。

本文旨在通過從一個真實的系統(tǒng)運行故障問題入手，對照測試性設計的相關知識和要求，以技術角度從頂層設計策劃開始找尋出了一些更加系統(tǒng)全面的解決措施，希望對大家更加深入透徹地學習測試性知識有所啟發(fā)。

[1]石君友.測試性設計分析與驗證[M].國防工業(yè)出版社，2001.

[2]八院航天產品質量問題歸零實施要求：Q/RJ 184A-2011[S].

Application of Equipment Testability Design From a System Operation Failure

Lu Shiqiang

East China Institute of Computing Technology, Shanghai 200233

Testing as a design feature of equipment, with equally important position with reliability, maintainability and supportability, constitute an important part of quality characteristics for weapons and equipment. From the design of the system to consider the design of the test design, can effectively improve the level of design quality, reduce the risk of equipment delivered to the user after the exposure problem.

testability technology; testability design

TJ06

A

1009-6434(2016)6-0206-03

陸士強（1966—），男，漢族，華東計算技術研究所高級工程師，本科學歷，研究方向為計算機軟件。