馬曉艷

（ 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

基于仿真分析的復(fù)雜電子裝備測(cè)試性預(yù)計(jì)技術(shù)研究

馬曉艷

（ 南京電子技術(shù)研究所，南京 210039）

測(cè)試性是產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)特性，是伴隨功能原理設(shè)計(jì)時(shí)賦予產(chǎn)品的一種固有屬性。隨著電子產(chǎn)品及設(shè)備的復(fù)雜和多樣化，導(dǎo)致其故障診斷越來(lái)越困難，產(chǎn)品的測(cè)試性也逐漸得到生產(chǎn)和使用單位的重視。為盡早在研制階段對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試性水平進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，首先對(duì)測(cè)試性仿真技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，之后詳細(xì)闡述了基于TEAMS的測(cè)試性仿真方法，最后以某型柴油機(jī)系統(tǒng)為例，對(duì)其測(cè)試性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供建議。

測(cè)試性仿真；測(cè)試性預(yù)計(jì)；TEAMS

引言

測(cè)試性是產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)特性，是伴隨功能原理設(shè)計(jì)時(shí)賦予產(chǎn)品的一種固有屬性，GJB 2547A-2012《裝備測(cè)試性工作通用要求》對(duì)測(cè)試性的定義為：產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作，不可工作，性能下降）和隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性[1]。隨著新一代武器系統(tǒng)電子裝備高度集成化、一體化、復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，測(cè)試、診斷和維修保障問(wèn)題日益突出，已無(wú)法滿足武器系統(tǒng)快速診斷隔離的需求。問(wèn)題主要體現(xiàn)在：①各類(lèi)測(cè)試信息獲取困難，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試或測(cè)試過(guò)程復(fù)雜；②測(cè)試設(shè)備眾多，測(cè)試方法與測(cè)試設(shè)備不統(tǒng)一、不兼容；③測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，效率低，維修保障資源浪費(fèi)嚴(yán)重；④故障檢測(cè)與隔離差，虛警率高，據(jù)使用方反饋，現(xiàn)役的某型殲擊機(jī)的故障檢測(cè)率和隔離率水平僅為60 %左右，甚至虛警率也達(dá)到了60 %，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)要求，給后期產(chǎn)品的維修保障帶來(lái)了巨大困難，大大降低了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。究其根本原因首要是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)了功能設(shè)計(jì)與測(cè)試性設(shè)計(jì)不同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致其固有測(cè)試性水平低。測(cè)試性仿真分析正是通過(guò)建立產(chǎn)品數(shù)字模型的方式，進(jìn)行測(cè)試性預(yù)計(jì)，確保其測(cè)試性要求得到全面落實(shí)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)缺陷，為改進(jìn)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)分析工作，提供其測(cè)試性設(shè)計(jì)水平提供依據(jù)。

1 測(cè)試性技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

1975年美國(guó)便出現(xiàn)了關(guān)于測(cè)試性的概念，并很快就有專(zhuān)家制定了一系列有關(guān)測(cè)試性的標(biāo)準(zhǔn)，如MIL-STD-415D《測(cè)試性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》、MIL-STD-2165《電子系統(tǒng)及設(shè)備的測(cè)試性大綱》等。標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施推進(jìn)了測(cè)試性設(shè)計(jì)在工程中的廣泛應(yīng)用。同時(shí)計(jì)算機(jī)輔助工具為測(cè)試性設(shè)計(jì)增加了更加便利的條件。如美國(guó)的WSTA、TEAMS軟件，已經(jīng)成為電子設(shè)備測(cè)試性設(shè)計(jì)重要工具，它們可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試性的分析、驗(yàn)證等功能[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

相比較國(guó)外，國(guó)內(nèi)關(guān)于測(cè)試性的起步較晚。在20世紀(jì)90年代，國(guó)家制定并頒布了GJB 2547-95《裝備測(cè)試性大綱》和GJB 3385《測(cè)試與診斷術(shù)語(yǔ)》，這是我國(guó)最早的關(guān)于測(cè)試性的標(biāo)準(zhǔn)，也是我國(guó)武器裝備進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)工作的頂層設(shè)計(jì)規(guī)范。2012年，對(duì)GJB 2547-1995進(jìn)行了修訂，更名為《裝備測(cè)試性工作通用要求》，規(guī)定了裝備全壽命階段測(cè)試性工作要求。

在測(cè)試性輔助工具方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外的差距較大。雖然國(guó)內(nèi)測(cè)試性專(zhuān)家對(duì)測(cè)試性預(yù)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)的相關(guān)理論進(jìn)行了研究，取得了一定效果，具有一定的指導(dǎo)作用，但是無(wú)論在測(cè)試性輔助工具的研發(fā)方面，還是在測(cè)試性軟件的工程應(yīng)用水平上，還是存在一定的差距。在國(guó)內(nèi)裝備測(cè)試性的工程應(yīng)用中，還存在以下問(wèn)題：

1）測(cè)試性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊密性不夠。測(cè)試性作為裝備質(zhì)量特性之一，應(yīng)與裝備性能和其他質(zhì)量特性設(shè)計(jì)同步開(kāi)展。但實(shí)際上，國(guó)內(nèi)裝備設(shè)計(jì)還是把重點(diǎn)放在性能指標(biāo)或功能要求的實(shí)現(xiàn)上，測(cè)試性和其他質(zhì)量特性設(shè)計(jì)出現(xiàn)不足或者表象化問(wèn)題。

2）測(cè)試性設(shè)計(jì)缺乏有效的計(jì)算機(jī)輔助工具及設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。由于研制單位對(duì)裝備測(cè)試性的重視程度不夠，因此也缺乏對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)方法及手段的更高需求。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具及設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的工程應(yīng)用少之又少。

國(guó)外在武器裝備測(cè)試性工作方面已有大量成功的案例[3]。我國(guó)開(kāi)展裝備測(cè)試性分析及試驗(yàn)起步較晚，部分單位較為系統(tǒng)深入地開(kāi)展了裝備的測(cè)試性仿真分析驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)研究和應(yīng)用[4,5]，但目前尚未建立起可覆蓋各類(lèi)裝備的完備的數(shù)據(jù)判據(jù)。

2 測(cè)試性仿真概述

2.1 測(cè)試性預(yù)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀

在測(cè)試性仿真中，測(cè)試性預(yù)計(jì)是重要的一項(xiàng)工作。通常測(cè)試性預(yù)計(jì)指預(yù)計(jì)產(chǎn)品測(cè)試難易程度和充分程度[4]。通常在應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)測(cè)試性預(yù)計(jì)方法包括：繪制功能框圖、結(jié)構(gòu)層次圖、測(cè)試流程圖。另外分析對(duì)象的可靠性信息、測(cè)試性信息也很重要，通過(guò)計(jì)算得到測(cè)試性預(yù)計(jì)情況[2]。這個(gè)過(guò)程繁瑣，工作量大，因此普及測(cè)試性預(yù)計(jì)工作急需計(jì)算機(jī)輔助工具的出現(xiàn)。

美國(guó)某公司的TEAMS軟件在航天、航空等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它是基于多信號(hào)模型的測(cè)試性建模與預(yù)計(jì)系統(tǒng)[6]，這是一種基于模型的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試性預(yù)計(jì)方法和軟件。

2.2 測(cè)試性仿真工具

隨著用戶對(duì)電子裝備測(cè)試性要求的不斷提高，研制單位不得不越來(lái)越重視電子裝備測(cè)試性的設(shè)計(jì)。信息時(shí)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展給電子裝備的輔 助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)。最具代表性的美國(guó)的eXpress和TEAMS在工程應(yīng)用方面得到了廣泛應(yīng)用。

從工作原理和實(shí)現(xiàn)手段上，以上兩個(gè)軟件都有點(diǎn)差異。eXpress軟件通過(guò)綜合利用系統(tǒng) 各種數(shù)據(jù)源，建立分析對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，將產(chǎn)品質(zhì)量特性有關(guān)的工作關(guān)聯(lián)在一起開(kāi)展分析。而TEAMS軟件有所不同，它通過(guò)模擬分析對(duì)象的測(cè)試時(shí)序，按照時(shí)序的規(guī)律對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)開(kāi)展分析。TEAMS的分析工作需要對(duì)分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)架構(gòu)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、測(cè)試點(diǎn)分布等。測(cè)試性仿真工具近年來(lái)在國(guó)內(nèi)也有一定的發(fā)展，如某公司推出的TADS，某高校的TMAS等。

相比較來(lái)說(shuō)，國(guó)外測(cè)試性軟件起步較早，軟件工程應(yīng)用也更加完善。其中TEAMS軟件相對(duì)于eXpress軟件來(lái)說(shuō)更加直觀。因此本文主要以TEAMS軟件為例，介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在測(cè)試性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3 TEAMS工作原理

TEAMS的用戶界面非常友好便利，它將所有功能集成在一個(gè)圖形界面里，能夠很方便地建立復(fù)雜的系統(tǒng)模型，并完成相關(guān)的分析工作。該軟件可以集成工具包如TEAM-RT、TEAMATE、TEAM-KB和TEAM-RDS等，主要功能有：測(cè)試性設(shè)計(jì)分析、故障診斷、性能指標(biāo)評(píng)估、診斷分析推理等，為電子裝備設(shè)計(jì)提供更綜合的輔助設(shè)計(jì)分析[7]。用戶建立模型后，軟件平臺(tái)對(duì)模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出測(cè)試性相關(guān)的數(shù)據(jù)：如故障隔離度、故障率等信息。TEAMS還可提供可靠性預(yù)計(jì)、FMECA等可靠性分析數(shù)據(jù)[7]。通過(guò)TEAMS軟件平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試性建模仿真分析的流程如圖 1所示。

4 測(cè)試性仿真分析流程

通過(guò)TEAMS軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)電子裝備測(cè)試性的仿真分析，建模仿真的實(shí)施流程如圖2所示，可將整個(gè)仿真分析過(guò)程分為三個(gè)階段：條件準(zhǔn)備階段、建模階段和結(jié)果審查階段。

4.1 條件準(zhǔn)備階段

測(cè)試性仿真分析過(guò)程中的條件準(zhǔn)備階段，主要為建立模型進(jìn)行準(zhǔn)備，這個(gè)階段的主要工作內(nèi)容包括：

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息分析：設(shè)計(jì)信息的收集和分析是進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試性詳細(xì)分析的基礎(chǔ)，這些信息主要包括設(shè)計(jì)輸入的要求、設(shè)計(jì)輸出形式，例如：結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)圖紙、與測(cè)試性相關(guān)的設(shè)計(jì)分析信息等。

2）產(chǎn)品測(cè)試性要求分析：對(duì)產(chǎn)品測(cè)試性的輸入要求進(jìn)行分解和傳遞，再次對(duì)測(cè)試性需求進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)一步確定實(shí)現(xiàn)途徑和采用的測(cè)試性設(shè)計(jì)方法。

3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次分析：根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)層次，按照故障隔離要求的層次級(jí)別要求，明確各層次的具體結(jié)構(gòu)單元清單組成。

圖1 TEAMS測(cè)試性建模仿真分析流程

圖2 測(cè)試性建模仿真工程化操作流程

4）產(chǎn)品可靠性分析：根據(jù)產(chǎn)品的可靠性要求，分析確定產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)單元的可靠性指標(biāo)，至少需要確定故障隔離層次對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元的可靠性指標(biāo)。同時(shí)還需要對(duì)產(chǎn)品的故障模式進(jìn)行分析，這些可靠性數(shù)據(jù)都是后續(xù)測(cè)試性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5）信號(hào)流向分析：根據(jù)產(chǎn)品的工作原理，分析其內(nèi)部信號(hào)流向，同時(shí)結(jié)合模型單元，梳理出模型單元在信號(hào)流向中的上下游關(guān)系。再根據(jù)產(chǎn)品故障模式，在信號(hào)流向的基礎(chǔ)上確定出故障在不同結(jié)構(gòu)單元之間的傳遞關(guān)系。

6）測(cè)試性綜合分析：結(jié)合產(chǎn)品組成、工作原理以及故障模式，確定測(cè)試性設(shè)計(jì)中各測(cè)試點(diǎn)的結(jié)果是否正常的判定標(biāo)準(zhǔn)。分析測(cè)試對(duì)象的測(cè)試位置、測(cè)試時(shí)間和故障隔離定位花費(fèi)時(shí)間，綜合分析測(cè)試性。

4.2 建模階段

1）建立信號(hào)模型：根據(jù)前面準(zhǔn)備階段確定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成、故障模式、傳遞關(guān)系、測(cè)試信息，建立產(chǎn)品的信號(hào)模型。在建模過(guò)程中要遵循自頂而下、先局部到整體的原則和步驟，逐漸建立模型。

利用軟件工具進(jìn)行測(cè)試性建模過(guò)程具體又分為如下四個(gè)步驟。

第一步：根據(jù)系統(tǒng)的原理圖、功能框圖構(gòu)建測(cè)試性框圖。

第二步：建立模塊和測(cè)試點(diǎn)的功能關(guān)系。

第三步：根據(jù)模型建立情況與具體環(huán)境的反饋信息，不 斷調(diào)整模型。

第四步：驗(yàn)證模型的有效性。

2）靜態(tài)分析與測(cè)試性分析：完成測(cè)試點(diǎn)優(yōu)選，得到診斷策略以及相應(yīng)的測(cè)試性 參數(shù)預(yù)計(jì)值（故障檢測(cè)率和故障隔離率）。

① 故障檢測(cè)率的計(jì)算

故障檢測(cè)率的計(jì)算公式為：

由于裝備的各組成部分故障率不同，故障率高的單元發(fā)生故障的幾率也較高，因此故障檢測(cè)率的概念與產(chǎn)品各組成部分的故障率息息相關(guān)。因此可以將故障檢測(cè)率的預(yù)計(jì)公式等價(jià)為如下形式：

式中，Dλ為被檢測(cè)出的故障模式的總故障率；λ為產(chǎn)品總的故障率；Diλ 為第i個(gè)被檢測(cè)出的故障模式的故障率；iλ為第i個(gè)故障模式的故障率。

②故障隔離率的計(jì)算

故障隔離率的計(jì)算公式為：

式中，LN為在規(guī)定條件下用規(guī)定方法正確隔離到不大于L個(gè)可更換單元數(shù)的故障數(shù)。

跟故障檢測(cè)率類(lèi)似，考慮裝備各部分的失效率不同，可以將故障隔離率的預(yù)計(jì)公式等價(jià)為如下形式：

其中L為模糊度，即隔離組內(nèi)的允許的LRU（可更換單元）數(shù)；Lλ為可隔離到小于等于L個(gè)LRU的所有故障模式的故障率和；Diλ為第i個(gè)故障模式的故障率；Liλ為可隔離到小于等于L個(gè)LRU的第i個(gè)故障模式的故障率。

4.3 審查階段

最后可組織審查活動(dòng)，以確認(rèn)產(chǎn)品模型與條件準(zhǔn)備階段的分析結(jié)果是否一致，并對(duì)其測(cè)試性是否滿足要求給出評(píng)價(jià)。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則需要對(duì)問(wèn)題給出解決建議。

5 實(shí)例分析

我們使用TEAMS軟件對(duì)某型產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)軟件平臺(tái)中的工具包進(jìn)行仿真分析和評(píng)價(jià)其測(cè)試性水平。在獲取該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成等信息后，可建立模型如圖 3所示。

通過(guò)軟件分析后，得到結(jié)果為該型產(chǎn)品的測(cè)試點(diǎn)已經(jīng)足夠檢測(cè)已知的故障模式，如圖 4所示。

圖3 某型產(chǎn)品的測(cè)試性模型

圖4 某型產(chǎn)品模型所包含的模糊組

圖5 某型產(chǎn)品測(cè)試性分析結(jié)果

該產(chǎn)品測(cè)試性仿真的定量評(píng)價(jià)結(jié)果：故障檢測(cè)率為94 %，故障隔離率為69 % (可隔離到1個(gè)單元)。通過(guò)對(duì)測(cè)試性水平的定量評(píng)價(jià)，可以判斷產(chǎn)品測(cè)試性水平是否與用戶需求存在差距，可依據(jù)差距采取相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終滿足用戶要求。

6 結(jié)論

本文首先對(duì)電子裝備的測(cè)試性仿真和分析技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并羅列出了當(dāng)前測(cè)試性仿真的主要應(yīng)用軟件；其次本文對(duì)TEAMS軟件的工作原理做了說(shuō)明，并以TEAMS軟件為工具詳細(xì)介紹了測(cè)試性建模仿真方法和具體的分析步驟；最后以某型產(chǎn)品為實(shí)例，進(jìn)行了測(cè)試性建模仿真分析，對(duì)其測(cè)試性指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)，同時(shí)指出該系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)上的不足?？梢钥闯?，輔助性計(jì)算機(jī)軟件工具為電子裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)提供了便利。不僅方法簡(jiǎn)單操作性強(qiáng)，而且在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期便能給出測(cè)試性的定量評(píng)價(jià)，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品測(cè)試性的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供建議。

[1] GJB 2547A-2012,裝備測(cè)試性工作通用要求[S].2012.

[2]曾天翔.電子設(shè)備測(cè)試性及診斷技術(shù)[M]．北京：航空工業(yè)出版社, 1996.

[3]李天梅.裝備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估方法研究[M].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2010: 1-131.

[4]田仲,石君友等．系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2004.

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[6]曲東才.系統(tǒng)可測(cè)試性與航空武器系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù), 1997, i(62)：8-10.

[7]韓樂(lè),胡政,劉海明.可測(cè)試性分析工具TEAMS及其應(yīng)用[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2006,20(6):763-766.

馬曉艷，女，（1975-），籍貫甘肅。成都電子科技大學(xué)信息工程系，畢業(yè)后從事雷達(dá)電訊總體設(shè)計(jì)，期間獲得南京理工大學(xué)工程碩士學(xué)位。目前研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備可靠性工程技術(shù)和質(zhì)量管理。

Research on Testability Prediction Technique for Complex Electronic Equipments Based on Simulation Analysis

MA Xiao-yan
(Nanjing Research Institute for Electronics Technology, Nanjing 210039)

Testability is a kind of design characteristics of product and inherent attribute given by products with functional principle design.Fault diagnostic becomes more and more difficult with the complication and diversification of electronic equipment.The product’s testability is received much more attention of both producer and user.To solve the problem of evaluating the product’s testability at the design phase as soon as possible, firstly it introduces the testability simulation simply, then elaborates the testability modeling and simulation technology based on TEAMS in detail, finally applies this method on a diesel engine system to predict the testability values, and in the meantime to discover the weakness in the design, which gives help to improving product’s testability.

testability simulation; testability prediction; TEAMS

TN306

A

1004-7204（2016）05-0044-06