劉陽+劉鈞賢+王文秀+蘇峰

【摘 要】故障樣本選取是開展測試性驗證試驗首要的、重要的環(huán)節(jié)，是測試性驗證試驗設(shè)計的重要內(nèi)容之一。分析表明現(xiàn)有的測試性驗證試驗故障樣本選取主要有許多不足。針對它的不足之處，本文分別從確定優(yōu)化的故障樣本量、構(gòu)建合理的故障樣本結(jié)構(gòu)和故障樣本集評估優(yōu)選三個方面解決上述問題。

【關(guān)鍵詞】測試性；故障樣本；驗證試驗

【Abstract】It is one of the important contents to open exhibition test verification experiment the initial and important link， is test sex verification experiment to design that breaking down the sample selects by examinations. The analysis expresses the current test the verification the on trial breakdown sample selects by examinations to have a lot of shortage primarily. The not enough a breakdown for， this text distinguishing from certainly excellently turning sample deal that aim at it， set up the reasonable breakdown sample construction with break down the sample gather the above problem in solution in three aspects in the optimization of valuation.

【Keywords】Test Break down the sample The verification experiments

1 .引言

裝備測試性評估工作在其全壽命周期內(nèi)分為三個階段：研制階段、定型階段和使用階段。在GJB2547A《裝備測試性工作通用要求》中規(guī)定了測試性驗證試驗屬于定型階段的工作項目，這是一項為產(chǎn)品設(shè)計定型而進(jìn)行的測試性試驗工作。

測試性驗證試驗是指“在研制的裝備中注入一定數(shù)量的故障，用測試性設(shè)計規(guī)定的測試方法進(jìn)行故障檢測與隔離，按其結(jié)果來估計裝備的測試性設(shè)計水平，并判斷是否達(dá)到規(guī)定要求，決定接收和拒收”。

測試性驗證試驗時，除了要確定故障樣本數(shù)、合理判據(jù)之外，還應(yīng)將樣本合理地分配給產(chǎn)品各組成部分，盡可能地模擬實(shí)際使用時發(fā)生故障的分布情況。

2 .故障樣本選取流程與方法種類

故障樣本選取的目的是使測試性指標(biāo)評估的精度和置信度高，承制方、使用方風(fēng)險可接受。故障樣本選取流程主要包括確定故障樣本量、故障模式抽取、接收/拒收判定等，如下圖1所示。

測試性驗證試驗采用統(tǒng)計試驗的方法，常見的確定故障樣本量的統(tǒng)計檢驗?zāi)Ｐ陀卸椃植寄Ｐ秃驼龖B(tài)分布模型。在相同的檢驗?zāi)Ｐ拖?，確定故障樣本量一般有兩種原則：一是考試試驗費(fèi)用、承制方風(fēng)險和使用方風(fēng)險確定故障樣本量；二是考慮裝備測試性指標(biāo)評估的精度或置信度確定故障樣本量。最新的用于故障樣本選取的方法有基于充分覆蓋準(zhǔn)則的方法和基于故障特征模型的方法。

在確定了故障樣本量的基礎(chǔ)上，需要從UUT的故障模式集中抽取規(guī)定數(shù)量的故障模式構(gòu)成故障樣本集。一種方法是根據(jù)UUT各組成單元的故障率（基于可靠性預(yù)計結(jié)果）大小進(jìn)行故障樣本量的分配，確定每個組成單元要注入的故障模式數(shù)量，并從組成單元的故障模式庫中隨機(jī)抽出規(guī)定數(shù)量的故障模式。另一種方法是直接從UUT的故障模式庫中隨機(jī)抽取故障模式構(gòu)成故障樣本集。

故障樣本選取和接收/拒收判據(jù)基于同一理論。一種是基于二項分布確定的抽樣方案進(jìn)行接收/拒收判定。另一種是根據(jù)試驗評估結(jié)果給出FDR/FIR的置信下限值，并與規(guī)定的最低可接收值進(jìn)行比較，給出接收/拒收判定結(jié)論。

3 .現(xiàn)有方法在應(yīng)用中存在的問題

已有的故障樣本選取方法大部分是從可靠性、維修性驗證試驗的理論上引申過來，對開展測試性驗證試驗起到了重要的指導(dǎo)作用。但在應(yīng)用于實(shí)際裝備測試性驗證試驗時主要存在如下幾方面問題：

（1）無論是以二項分布、正態(tài)分布、基于充分性準(zhǔn)則還是基于三元組故障特征模型，當(dāng)對裝備的測試性指標(biāo)要求較高，承制方、使用方風(fēng)險承受能力低，或者要求的評估結(jié)論置信度、精度較高時，按已有方法確定的故障樣本量較大。在裝備定型階段，受試驗費(fèi)用及封裝造成的物理位置限制，注入大量故障模式是非常困難的，導(dǎo)致試驗無法開展。同時，已有方法雖然提出在研制過程、裝備設(shè)計定型或有重大設(shè)計更改時，都要進(jìn)行測試性驗證試驗，但并未明確提出在裝備全壽命周期的不同階段，所進(jìn)行測試性驗證試驗有什么本質(zhì)區(qū)別和具體要求，尤其是故障樣本選取和接收/拒收判據(jù)兩個環(huán)節(jié)。

（2）已有方法采用考慮故障率的不等概率抽樣來建立故障樣本，根據(jù)統(tǒng)計抽樣理論，故障樣本集能較好地反映UUT故障模式集的總體特性，但卻沒有考慮到故障率數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，有的可靠性預(yù)計值與故障率真值相差百分之幾十到幾千不等。在開展測試性驗證試驗時，如何得到較準(zhǔn)確的故障率估計值是個問題。

（3）隨機(jī)抽樣是一種典型的抽樣技術(shù)，卻沒有對關(guān)鍵故障模式（包括危害性故障、破壞性故障和傳播型故障等）做重點(diǎn)抽樣。危害性故障和破壞性故障可以通過故障模式、影響及危害性分析來獲得[1][2]，并且對危害性故障和破壞性故障的檢驗可以統(tǒng)一用關(guān)鍵故障檢測率和關(guān)鍵故障隔離率來描述[3]。然而工程中有一類故障，這種故障模式的故障率很低，但一旦發(fā)生則會傳播擴(kuò)散到其它可更換單元，造成其它可更換單元異常，我們稱其為傳播型故障。在測試性驗證試驗故障樣本選取中如何對傳播型故障進(jìn)行描述，并設(shè)計針對傳播型故障的抽樣算法，這是目前沒有引起重視和急需解決的問題。

（4）在相同的故障樣本量下，由于樣本的抽取具有隨機(jī)性，每次建立的故障樣本集是不同的，因此對UUT故障模式集的反映能力存在著差別?，F(xiàn)實(shí)中我們考慮裝備的結(jié)構(gòu)特性、功能特性和測試特性的故障樣本集評估方法，但是沒有考慮故障的可注入性，往往認(rèn)為選擇的故障都是可以注入或者允許注入的，顯然這是不符合工程實(shí)際的[4]。如何改進(jìn)故障樣本集評價指標(biāo)體系并給出相應(yīng)的故障樣本集評估方法，這是需要進(jìn)一步完善的問題。

4 .整改方案

（1）針對確定優(yōu)化故障樣本量問題，提出利用裝備研制階段先驗數(shù)據(jù)制定優(yōu)化抽樣方案（優(yōu)化故障樣本量）的方法。獲取研制階段測試性先驗信息，包括研制階段摸底試驗數(shù)據(jù)、研制階段增長試驗數(shù)據(jù)、測試性專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)等，并利用這些先驗數(shù)據(jù)初步估計裝備的測試性設(shè)計水平，據(jù)此求得包含先驗信息的抽樣特性概率密度函數(shù)，考慮測試性指標(biāo)要求值以及承制方、使用方的風(fēng)險承受能力，求得優(yōu)化抽樣方案（優(yōu)化故障樣本量和相應(yīng)的最大允許檢測/隔離失敗次數(shù)）。

（2）針對確定合理樣本結(jié)構(gòu)問題，分別從故障樣本量分配和傳播型故障模式抽取兩個方面開展研究：

①為減小從龐大的 UUT 故障模式集中抽取規(guī)定數(shù)量（優(yōu)化故障樣本量要求值）的故障模式帶來的隨機(jī)抽樣誤差，提高故障樣本的隨機(jī)性，開展故障樣本量分配方法研究。首先收集研制階段故障率先驗信息，這些信息可以來源于可靠性驗證試驗、專家經(jīng)驗、歷史數(shù)據(jù)等，利用這些已有的故障率先驗信息修正可靠性預(yù)計得到的故障率數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于故障率和裝備復(fù)雜性的分層故障樣本量分配，將規(guī)定數(shù)量的故障樣本量逐層分配到各可更換單元。

②基于故障率進(jìn)行分層故障樣本量分配只考慮了 UUT 的發(fā)生頻率高的故障模式，卻忽略了傳播型故障模式，若對傳播型故障模式的測試設(shè)計不完備，則會給使用方帶來較大的驗收風(fēng)險，因此應(yīng)對傳播型故障模式做重要抽樣以檢驗其測試性設(shè)計是否完備，提高故障樣本遍歷性。引入模糊概率Petri網(wǎng)描述故障的傳播擴(kuò)散過程，并在模糊概率Petri網(wǎng)推理算法基礎(chǔ)上求得故障擴(kuò)散強(qiáng)度值，在此基礎(chǔ)上，提出基于故障擴(kuò)散強(qiáng)度的故障模式隨機(jī)重要抽樣算法。完成故障模式抽取，建立故障樣本集。

③針對隨機(jī)抽樣導(dǎo)致在相同的故障樣本量下每次抽取的故障樣本集無法評判的問題，研究故障樣本集的評估優(yōu)選方法。建立衡量故障樣本集對故障模式集代表性好壞的距離模型，據(jù)此選擇距離較小的故障樣本集為較優(yōu)故障樣本集，目的是保證測試性驗證結(jié)論的高置信度。

經(jīng)過以上環(huán)節(jié)選取的故障樣本集能確保為較優(yōu)故障樣本集，以此為基礎(chǔ)開展故障注入相關(guān)技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 斯泰蒙迪斯.故障模式影響分析：FMEA 從理論到實(shí)踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2] 康銳，石榮德.FMECA 技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[3] 田仲，石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計分析與驗證[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 沈嶺，周鳴岐.航天裝備測試性試驗驗證方法[J].質(zhì)量與可靠性，2006.