林冠，陸錫江

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610； 2.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測(cè)試技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510610； 3. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

引言

測(cè)試性指產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確確定其工作狀態(tài)，并有效隔離其內(nèi)部故障的能力。良好的測(cè)試性設(shè)計(jì)對(duì)于提高裝備的維修保障水平和戰(zhàn)備完好性、降低全壽命周期費(fèi)用等具有重要意義[1,2]。近年來(lái)，通過(guò)測(cè)試性試驗(yàn)工作的推進(jìn)，裝備測(cè)試性水平的摸底、增長(zhǎng)、驗(yàn)證得到了技術(shù)實(shí)踐。

氣象雷達(dá)由天線單元、掃描單元、收發(fā)處理單元構(gòu)成，通過(guò)探測(cè)飛行航線內(nèi)的降雨量、鳳速等信息，為飛行員提供有用信息，試驗(yàn)安全飛行。氣象雷達(dá)的機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built-in Test，BIT）分為上電BIT、周期BIT、維護(hù)BIT三種，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，用于故障檢測(cè)和隔離定位，是飛行員或地面維修人員了解雷達(dá)工作狀態(tài)及故障情況的有效手段。在研制階段，對(duì)氣象雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試性試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)其測(cè)試性設(shè)計(jì)的不足，指導(dǎo)測(cè)試性改進(jìn)和增長(zhǎng)，對(duì)氣象雷達(dá)的測(cè)試性指標(biāo)是否符合合同規(guī)定的定性和定量要求進(jìn)行摸底，為氣象雷達(dá)定型、鑒定或驗(yàn)收提供依據(jù)。

本文以氣象雷達(dá)為研究對(duì)象，給出了一種氣象雷達(dá)測(cè)試性試驗(yàn)方法。通過(guò)這種方法，在產(chǎn)品研制階段，不僅對(duì)氣象雷達(dá)測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，還降低了試驗(yàn)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，縮短了試驗(yàn)周期，提高了試驗(yàn)結(jié)果的可信度。

1 總體思路

氣象雷達(dá)測(cè)試性試驗(yàn)方案總體流程如圖1。首先，根據(jù)氣象雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行故障模式影響與危害性（Failure Modes，Effect and criticality Analysis，F(xiàn)MEcA）分析，梳理氣象雷達(dá)的各層級(jí)的劃分以及對(duì)應(yīng)的功能，分析各層級(jí)的故障模式及其對(duì)產(chǎn)品的影響、檢測(cè)方式、嚴(yán)酷度、故障率等，作為測(cè)試性試驗(yàn)的輸入。其次，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。采用最低可接受值試驗(yàn)方案確定初步樣本量，結(jié)合基于最小舍入誤差排序補(bǔ)充的按比例分層抽樣的分配法進(jìn)行樣本量分配，并建立備選故障樣本庫(kù)，選取試驗(yàn)樣本。在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)備選樣本庫(kù)中每個(gè)試驗(yàn)樣本的故障注入方式、注入成功判據(jù)、故障上報(bào)內(nèi)容，來(lái)逐一進(jìn)行驗(yàn)證，判定故障注入有效性。最后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出故障檢測(cè)率（Fault Detect Rate，F(xiàn)DR）和故障隔離率（Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR），對(duì)氣象雷達(dá)的測(cè)試性設(shè)計(jì)進(jìn)行定性和定量評(píng)估，為測(cè)試性設(shè)計(jì)提出建議。

圖1 氣象雷達(dá)測(cè)試性試驗(yàn)方法總體框圖

1.1 FMECA分析

FMEcA分析在整個(gè)測(cè)試性試驗(yàn)中擔(dān)任的是測(cè)試性輸入的角色，通過(guò)分析產(chǎn)品的組成、結(jié)構(gòu)，從不同層級(jí)分析產(chǎn)品的故障模式及其對(duì)產(chǎn)品的影響、檢測(cè)方式、嚴(yán)酷度、故障率等，對(duì)測(cè)試性試驗(yàn)最終能否真實(shí)有效地反應(yīng)產(chǎn)品測(cè)試性水平起到關(guān)鍵作用。目前FMEcA分析主要有兩種方法，分別是硬件FMEcA分析方法和功能FMEcA分析方法，兩種分析方法最大的區(qū)別在于分析順序，前者是按照器件級(jí)、功能電路級(jí)、內(nèi)場(chǎng)可更換單元（Shop Replaceable Unit，SRU）級(jí)、外場(chǎng)可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU）級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)自下而上的逐級(jí)分析；后者是從子系統(tǒng)級(jí)、LRU級(jí)自上而下的進(jìn)行分析。

目前裝備FMEcA分析一般采用的是硬件法，為確保氣象雷達(dá)測(cè)試性試驗(yàn)更好地開(kāi)展，本文采用了硬件法和功能法相結(jié)合的氣象雷達(dá)測(cè)試性試驗(yàn)FMEcA方法。首先需要確定最低約定層級(jí)，元器件的故障是產(chǎn)品發(fā)生故障的最終原因，因此選擇器件級(jí)作為氣象雷達(dá)的最低約定層級(jí)。參考GJB&Z 299c-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中元器件的故障模式、故障原因、故障率等，分析氣象雷達(dá)中所有元器件。特別的，天線中機(jī)械類元件的故障也需要分析。接著，將器件級(jí)的故障模式作為功能電路級(jí)的故障原因，分析功能電路級(jí)的故障模式及其對(duì)產(chǎn)品的影響，并以此類推向SRU級(jí)、LRU級(jí)、氣象雷達(dá)逐級(jí)分析。為了確保各層級(jí)的故障模式盡可能涵蓋所有的失效形式，結(jié)合相似產(chǎn)品發(fā)生過(guò)的故障模式，根據(jù)氣象雷達(dá)的功能和輸出類別對(duì)子系統(tǒng)、LRU級(jí)故障模式進(jìn)行補(bǔ)充。在整個(gè)分析過(guò)程中，需要注意：①確保故障模式描述清晰、準(zhǔn)確；② 故障率數(shù)據(jù)來(lái)源可靠，計(jì)算精準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)方案

考慮到試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用及時(shí)間，國(guó)內(nèi)測(cè)試性試驗(yàn)樣本量分配一般采用按比例簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方法，該方法樣本量選取隨機(jī)性大，無(wú)法根據(jù)產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分配樣本，使樣本缺乏代表性，降低樣本量的可信度。因此本文采用的是結(jié)合基于最小舍入誤差排序補(bǔ)充的按比例分層抽樣的分配法，不但保證了樣本結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品總體一致，提高了樣本的代表性，而且可信度高。

1.2.1 樣本量確定

樣本量的確定是確定試驗(yàn)所需要注入的故障模式樣本總數(shù)，即確定試驗(yàn)的總規(guī)模。在現(xiàn)行的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)樣本量確定有詳細(xì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)有限，根據(jù)GJB 2027-1994《維修性試驗(yàn)與評(píng)定》的“附錄c測(cè)試性一般試驗(yàn)方法”中規(guī)定，樣本量不應(yīng)小于30。對(duì)于測(cè)試性試驗(yàn)，樣本量若過(guò)少將無(wú)法覆蓋所有故障模式。因此在工程應(yīng)用中，會(huì)根據(jù)不同產(chǎn)品的特點(diǎn)確定樣本量確定方法。常用的基于二項(xiàng)分布的樣本量確定方法有基于抽樣檢驗(yàn)理論的樣本量確定方法、考慮雙方風(fēng)險(xiǎn)的樣本量確定方法、考慮最低可接受值的樣本量確定方法、基于截尾序貫法的樣本量確定方法。

本文的氣象雷達(dá)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，若選取功能電路級(jí)或SRU級(jí)故障模式，樣本量將達(dá)到幾千或幾萬(wàn)，超出工程的承受能力，因此選取其LRU級(jí)故障模式，既滿足樣本量不小于30的要求，又能保證故障模式的覆蓋性要求。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，LRU級(jí)故障模式總數(shù)為M。依據(jù)氣象雷達(dá)的功能性能設(shè)計(jì)，采用最低可接受值試驗(yàn)方案確定初步樣本量：

式中：

N—故障模式初步樣本量；

c—合格判定數(shù)；

R1—接受概率為β時(shí)的故障檢測(cè)率；

β—訂購(gòu)方風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算得到滿足條件的多組樣本量（N，c），在多組樣本量中選取大于M的最小值作為初步樣本量N。

1.2.2 樣本量分配

樣本量分配是將初步樣本量分配到氣象雷達(dá)的故障模式中，確定每個(gè)故障模式需要注入的次數(shù)。樣本量的分配直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)行的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)裝備測(cè)試性試驗(yàn)樣本分配方法有詳細(xì)規(guī)定的只有GJB 2072-1994《維修性試驗(yàn)與評(píng)定》，在其“附錄B維修作業(yè)樣本的選擇與分配方法（補(bǔ)充件）”中提供了兩種維修作業(yè)樣本的分配方法，分別是按比例分層抽樣的分配法和按比例簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的分配法。按比例分層抽樣的分配方法更能充分保證樣本結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品總體一致，提高樣本的代表性。氣象雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，具有多個(gè)LRU，樣本量最好具有代表性，因此采用按比例分層抽樣的分配方法。

設(shè)第i個(gè)故障模式的相對(duì)發(fā)生頻率cpi為：

式中：

Qi—第i個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)的LRU數(shù)量；

Ti—第i個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)LRU的工作時(shí)間系數(shù)；

λi—第i個(gè)故障模式的故障率。

一般設(shè)總的預(yù)選樣本量n為初步樣本量N的4倍，則第i個(gè)故障模式的預(yù)選樣本量ni為：

對(duì)其進(jìn)行四舍五入后取整數(shù)，則|ni|為第i個(gè)故障模式分配的樣本量。

但在使用該方法時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)分配完的樣本總數(shù)不等于初步樣本量的情況，因此還需進(jìn)行樣本量的補(bǔ)充。GJB 2072-1994中給出了使用手動(dòng)補(bǔ)充分配的方法，但氣象雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障模式多，具有較大的樣本量，為了提高工程效率，因此本文采用基于最小舍入誤差排序的補(bǔ)充方法[3]。

設(shè)分配后樣本總數(shù)與初步樣本量之差nΔ為：

記第i個(gè)故障模式的舍入誤差為：

當(dāng) Δn＜ 0時(shí)，將舍入誤差σi為正的故障模式自大到小進(jìn)行排序，將最大的前個(gè)故障模式的樣本量補(bǔ)充1；若舍入誤差σi為正的故障模式數(shù)少于，則將所有ni加0.5，記新的樣本差為 Δn′，新的舍入誤差為σi′，重新排序，將舍入誤差最大的前個(gè)故障模式的樣本量補(bǔ)充1。

當(dāng) Δn＞ 0時(shí)，將舍入誤差σi為負(fù)的故障模式自小到大進(jìn)行排序，將最小的前個(gè)故障模式的樣本量減少1；若舍入誤差σi為負(fù)的故障模式數(shù)少于，則將所有ni減0.5，記新的樣本差為 Δn′，新的舍入誤差為σi′，重新排序，將舍入誤差最小的前個(gè)故障模式的樣本量減少1。

1.2.3 備選故障樣本庫(kù)建立

備選樣本庫(kù)是指所有備選故障樣本的集合，試驗(yàn)樣本都從該庫(kù)中進(jìn)行選取。在測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證中，備選樣本庫(kù)的建立對(duì)于試驗(yàn)驗(yàn)證非常重要，備選樣本庫(kù)建立的合理性以及優(yōu)越性，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷能否充分暴露出來(lái)有很大的影響。氣象雷達(dá)測(cè)試性樣本庫(kù)是基于各故障模式的樣本量建立的，根據(jù)FMEcA分析中該故障模式的故障原因選取合適的故障注入方式模擬該故障模式的發(fā)生，制定判定系統(tǒng)對(duì)故障的檢測(cè)、隔離成敗的依據(jù)。

故障注入方式的選取是測(cè)試性試驗(yàn)的核心技術(shù)之一，是測(cè)試性試驗(yàn)工作開(kāi)展的基礎(chǔ)。目前故障注入方式大致分為模擬故障注入方式、硬件故障注入方式和軟件故障注入方式三種。模擬故障注入方式由于需要建立精準(zhǔn)詳細(xì)的產(chǎn)品仿真模型，在工程中尚未應(yīng)用。硬件故障注入有總線故障注入、探針故障注入、插拔式故障注入和轉(zhuǎn)接板故障注入，這些故障注入方法特點(diǎn)各異，對(duì)產(chǎn)品的驗(yàn)證影響也不同。軟件故障注入方式，主要是根據(jù)故障模型通過(guò)修改可編程芯片的代碼來(lái)模擬芯片的一些基本故障，從而模擬由其基本故障而產(chǎn)生的功能故障。硬件故障注入方式會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成物理破壞，影響產(chǎn)品后續(xù)其他試驗(yàn)的結(jié)果；軟件故障注入能減少對(duì)產(chǎn)品的破壞，節(jié)約試驗(yàn)成本，但可模擬的故障模式有限。

針對(duì)氣象雷達(dá)樣機(jī)數(shù)量有限、造價(jià)昂貴等情況，在建立氣象雷達(dá)備選樣本庫(kù)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：1）優(yōu)先考慮軟件故障注入、外部總線故障注入、轉(zhuǎn)接板故障注入等對(duì)硬件不造成破壞的方式；2）在軟件注入時(shí)需要做好備份，便于注入完畢后恢復(fù)；3）對(duì)于無(wú)法注入的故障模式，為了確保試驗(yàn)的覆蓋率，運(yùn)用貝葉斯多樹(shù)網(wǎng)絡(luò)傳播算法來(lái)求解與該故障等效的其他注入點(diǎn)[4]，尋找等效的方式進(jìn)行故障注入。摘取了氣象雷達(dá)的備選樣本庫(kù)如表1。

表1 氣象雷達(dá)備選樣本庫(kù)

2 測(cè)試性試驗(yàn)實(shí)施流程

測(cè)試性試驗(yàn)實(shí)施是根據(jù)試驗(yàn)方案確定待注入的故障樣本，采用合適的故障注入方法與設(shè)備，注入受試裝備中，啟動(dòng)裝備機(jī)內(nèi)測(cè)試、外部測(cè)試設(shè)備等對(duì)所注入的故障進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離，并記錄檢測(cè)與隔離結(jié)果的過(guò)程。在測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證中，試驗(yàn)實(shí)施流程的制定是否合理和高效，影響著整個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)的周期和結(jié)果。不合理的試驗(yàn)流程會(huì)造成產(chǎn)品的損壞，致使試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性受到影響，因此制定合理的試驗(yàn)實(shí)施流程十分關(guān)鍵。

針對(duì)氣象雷達(dá)，本文制定了一套高效合理的試驗(yàn)實(shí)施流程，如圖2所示。在整個(gè)試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：①試驗(yàn)前，對(duì)氣象雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行連接和測(cè)試，檢查確認(rèn)氣象雷達(dá)與試驗(yàn)設(shè)備或交聯(lián)環(huán)境的交聯(lián)完備無(wú)誤，確認(rèn)產(chǎn)品狀態(tài)的完好性；②試驗(yàn)中，根據(jù)備選樣本庫(kù)中每個(gè)試驗(yàn)樣本的故障注入方式、注入成功判據(jù)、故障上報(bào)內(nèi)容，來(lái)逐一進(jìn)行驗(yàn)證，判定故障注入有效性，如果注入故障方式失敗，依據(jù)試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，修改注入方式；③每完成一次故障注入后都需對(duì)氣象雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，確保其工作狀態(tài)恢復(fù)正常，不會(huì)對(duì)下一次的故障注入試驗(yàn)造成影響；④試驗(yàn)后，依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，進(jìn)行產(chǎn)品的功能性能檢查。

圖2 氣象雷達(dá)測(cè)試性實(shí)施流程

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合氣象雷達(dá)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，采用了硬件法和功能法相結(jié)合的FMEcA分析法對(duì)氣象雷達(dá)進(jìn)行了準(zhǔn)確分析，并利用最低可接受值試驗(yàn)方案確定初步樣本量，結(jié)合基于最小舍入誤差排序補(bǔ)充的按比例分層抽樣的分配法進(jìn)行樣本量分配，并建立備選故障樣本庫(kù)，選取試驗(yàn)樣本。制定了一套高效合理的試驗(yàn)實(shí)施流程，提高試驗(yàn)工作效率。利用這種方法可以準(zhǔn)確得到氣象雷達(dá)的故障檢測(cè)率和故障隔離率的定量指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)氣象雷達(dá)測(cè)試性設(shè)計(jì)缺陷，為氣象雷達(dá)測(cè)試性設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，從而使裝備技術(shù)水平得到提高。