喬邦江 劉彪 易澤鵬 林鎮(zhèn)明 廖家旺/ 國營長虹機械廠 空軍駐桂林地區(qū)軍事代表室

0 引言

當前，綜合電子系統(tǒng)的復雜度越來越高，對穩(wěn)定性的要求更高，系統(tǒng)的故障適應能力需要在系統(tǒng)設計之初考慮清楚。系統(tǒng)出廠前，針對設計之初論證的臨界狀態(tài)以及功能、性能超限等技術指標，需要采用故障注入技術模擬故障測試環(huán)境，進行系統(tǒng)的故障適應性分析，驗證系統(tǒng)的容錯性能和系統(tǒng)的可靠性；系統(tǒng)出廠后，由于工作在特殊、惡劣的環(huán)境下，常常出現(xiàn)一些無法預測的隨機故障，一般通過主動向目標系統(tǒng)注入標準激勵信號，觀察系統(tǒng)在標準激勵信號下的響應，查看能否重現(xiàn)測試中的故障，以幫助提升故障定位的準確率和故障處理效果。

故障注入技術作為測評系統(tǒng)容錯機制的有效性方法，已經(jīng)在航空航天、飛行器控制、商業(yè)交易以及通信等領域廣泛應用。故障注入技術可以分為基于物理硬件的實現(xiàn)方法和基于軟件的實現(xiàn)方法。硬件故障注入技術易使系統(tǒng)造成永久性損壞，且無法評測系統(tǒng)的軟件故障；軟件故障注入技術通?？勺⑷氲墓收戏秶鼜V，既可以模擬系統(tǒng)的硬故障又可以模擬系統(tǒng)的軟故障，且不會對系統(tǒng)硬件產(chǎn)生任何形式的破壞，還具有方便地跟蹤目標操作系統(tǒng)執(zhí)行情況并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的特點。軟件故障注入成為故障注入技術的發(fā)展方向與研究熱點[1]，引起各國研究者的廣泛關注。

本文通過分析國內(nèi)外基于軟件故障注入技術的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，開展軟件故障注入技術方法調(diào)研，歸納總結(jié)軟件故障注入技術在不同應用領域的研究情況。該研究成果可為航空航天領域應用該項技術對裝備武器系統(tǒng)、無人機飛行控制系統(tǒng)和裝備總線通信系統(tǒng)的可靠性評估提供參考。

1 研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

故障是指在系統(tǒng)運行過程中導致或可能導致系統(tǒng)故障的缺陷。故障注入是指人為地有意識地通過特定的故障模型產(chǎn)生故障，在特定工作負載的目標系統(tǒng)上運行，加速系統(tǒng)故障和錯誤的發(fā)生，同步觀察目標系統(tǒng)的反饋信息，并對收集到的信息進行分析，從而得到相關的評價結(jié)果。因此，故障注入成為一種評價系統(tǒng)可靠性的有效方法。

軟件故障注入是一種模擬目標系統(tǒng)硬件或軟件故障的方法，通過修改內(nèi)存映像來實現(xiàn)，分為靜態(tài)和動態(tài)兩種方式。在程序運行前將故障代碼嵌入到程序中，稱之為靜態(tài)模式，根據(jù)程序運行時的數(shù)據(jù)判斷結(jié)果是否存在故障；在程序運行過程中進行故障實時注入的則稱為動態(tài)故障注入。

運行前的軟件故障注入方法需要修改程序源代碼，包括修改賦值語句和進程結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)故障注入，然后將程序重新編譯并運行，通過監(jiān)控程序運行過程中的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，評估注入的故障是否符合要求，從而診斷故障[2]。運行中的軟件故障注入方法不需要對程序源代碼進行修改，也不需修改賦值語句及程序的邏輯結(jié)構(gòu)。在程序執(zhí)行過程中，將錯誤數(shù)據(jù)插入到程序中，監(jiān)視其執(zhí)行狀態(tài)以獲取必要的數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)判斷程序是否存在問題或出現(xiàn)故障。

與運行前的軟件故障注入方法相比，研究運行中的軟件故障注入方法更具實際意義，主要原因如下。

1）運行前的軟件故障注入方法需要多次對源代碼進行更改，以檢測程序中是否存在故障。這種方法過于復雜煩瑣，不易一步到位。

2）修改源代碼中的賦值語句或邏輯結(jié)構(gòu)，可能影響程序的行為，導致程序出現(xiàn)錯誤或異常；可能導致程序在發(fā)生故障時產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，難以診斷故障問題。

基于軟件方法實現(xiàn)的故障注入技術的研究正在向以下幾個方面發(fā)展。

1）研究并應用不同的故障注入方法，如將硬件故障注入與軟件故障注入方法相結(jié)合，構(gòu)建實用的注入工具，并將理論應用于實踐[3]。

2）在分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡設計中，運用宏觀層次的軟件故障注入策略。

3）對改進現(xiàn)有的采樣技術、參數(shù)估計和建模方法的研究，可以降低故障注入測試的實際運行時間和經(jīng)濟成本，提高評估結(jié)果的準確性[4]。

4）將設計階段與評估階段使用的故障注入方式相結(jié)合，并將故障注入方法與現(xiàn)場測量和建模相結(jié)合。

5）改進現(xiàn)有的軟件故障注入方法，以實現(xiàn)特定時間和地點的故障數(shù)據(jù)注入。

6）故障注入測試正在向錯誤注入自動化和智能化、錯誤注入反饋智能化、錯誤注入結(jié)果分析和評估智能化方向發(fā)展[5]。

2 軟件故障注入技術應用領域研究

2.1 軟件故障注入技術在武器裝備系統(tǒng)中的應用研究

由于武器系統(tǒng)本身的設計論證涉及測量和控制技術、紅外技術、圖像技術、電源技術、總線技術、激光技術、毫米波技術以及電氣、光學和運動學等學科的方方面面，以及數(shù)字無刷伺服、氣動/推力矢量控制、紅外成像制導等新技術的應用，因此很難在武器系統(tǒng)發(fā)生故障后找到故障的真正原因。將故障注入技術應用于武器系統(tǒng)，為武器系統(tǒng)的故障診斷、隔離和定位提供了有效手段，極大地促進了武器系統(tǒng)的開發(fā)、測試和性能評估。

一些武器設計總體單位已經(jīng)將故障注入技術應用于裝備武器系統(tǒng)設計中。例如，航空研究所采用軟件方法測試裝備武器系統(tǒng)的信息交互故障（包含武器與外部設備以及武器內(nèi)部之間），驗證裝備武器系統(tǒng)的工作能力，如圖1 所示，虛線框內(nèi)為裝備武器系統(tǒng)，即目標系統(tǒng)，目標系統(tǒng)的正常通信信號被引出至故障注入系統(tǒng)，經(jīng)注入故障后再送回到目標系統(tǒng)中[6]。

武器故障注入系統(tǒng)可以從物理層、電氣層和協(xié)議層三個層面進行故障注入，具有實時數(shù)據(jù)傳輸能力，可以阻斷和收集武器的各種信息交換通道，可以在實時注入故障的同時生成各種信號，不影響武器測試的實時性能。具體功能如下。

圖1 裝備武器系統(tǒng)故障注入原理圖

1）故障設置功能?？梢造`活設置各種故障，涵蓋設備和武器系統(tǒng)中的各種常見故障。根據(jù)設備和武器系統(tǒng)中通信數(shù)據(jù)所代表的實際物理意義，數(shù)據(jù)故障分為三類：通信量故障、連續(xù)量故障和開關量故障。設備和武器系統(tǒng)中的故障包含十余種故障模式和近百種故障編號。

2）故障注入功能。該故障注入系統(tǒng)可以在特定時間、特定故障位置注入指定數(shù)量的故障。故障注入的開始時間、持續(xù)時間、結(jié)束時間、重復時間和注入周期可以根據(jù)故障模型確定。在故障注入過程中實時控制和監(jiān)控故障的注入狀態(tài)。該系統(tǒng)還可以根據(jù)要求注入瞬態(tài)故障、永久故障和間歇性故障。

3）測試結(jié)果存儲和分析功能。可以將試驗數(shù)據(jù)以文件形式保存，并提供數(shù)據(jù)分析和處理方法。

4）故障注入系統(tǒng)采用軟硬件故障注入方法相結(jié)合，從物理、電氣和協(xié)議層對裝備和武器系統(tǒng)進行實時動態(tài)故障注入測試，對裝備和武器系統(tǒng)的可靠性進行更加全面的評估，對提高武器裝備的可靠性起著關鍵作用[7]。

2.2 軟件故障注入技術在無人機飛控系統(tǒng)中的應用研究

飛行控制系統(tǒng)是無人機的核心子系統(tǒng)之一。飛行控制系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將造成重大財產(chǎn)損失。若能及時有效地發(fā)現(xiàn)故障，可采取一定措施防止重大事故的發(fā)生[8]。

基于上述需求，南京航空航天大學和西北工業(yè)大學研發(fā)了一種無人機飛行控制系統(tǒng)的軟件故障注入與故障診斷實時仿真驗證平臺。該系統(tǒng)具有靈活多變的特點，可以隨時在系統(tǒng)的任何地方注入不同類型的故障，快速滿足用戶的需求，能夠在特定條件下快速檢測并定位故障，診斷算法的質(zhì)量。

軟件故障注入系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)之間的關系如圖2 所示。虛線框代表無人機飛行控制系統(tǒng)或者目標系統(tǒng)。軟件故障注入系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)在無人機飛行控制系統(tǒng)中串聯(lián)連接。雙箭頭表示從目標系統(tǒng)提取正常信號到軟件故障注入系統(tǒng)的雙向過程，并在故障注入后將信號發(fā)送回目標系統(tǒng)[9]。雙箭頭和目標系統(tǒng)的交點表示故障注入節(jié)點。

根據(jù)機載傳感器、執(zhí)行器、外圍設備、綜合控制計算機、飛機專用設備之間的通信特點，可將故障注入分為切換故障注入、連續(xù)故障注入及通信故障注入三種方式[10]。

連續(xù)故障注入通過拉動、移動、短路和斷開來改變正確值，從而產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)；開關故障注入通過改變描述載機設備運行狀態(tài)的二進制位來產(chǎn)生故障值，通常使用設置0、1 和反轉(zhuǎn)的方法；通信故障注入通過修改通信內(nèi)容來產(chǎn)生故障值。

事件觸發(fā)機制是在目標系統(tǒng)運行時激活一組故障，生成故障注入序列，并自動將它們注入到系統(tǒng)中[11]。采用事件觸發(fā)的動態(tài)故障注入方法設計的故障注入系統(tǒng)的故障注入測試流程如圖3 所示。

無人機的飛行狀態(tài)受機載設備故障的影響很大。表1 所示的故障注入范例是將故障注入到無人機不同飛行狀態(tài)下的所有分系統(tǒng)中。故障注入范例與故障注入的統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

試驗結(jié)果研究表明，將軟件故障注入技術應用到無人機飛行控制系統(tǒng)的測試中，對無人機飛行控制系統(tǒng)的故障檢測、系統(tǒng)可靠性和容錯能力的研究具有重要的指導意義，是評估無人機飛行控制系統(tǒng)性能指標的一種有效手段。

2.3 軟件故障注入技術在總線通信系統(tǒng)中的應用研究

控制系統(tǒng)作為整個武器系統(tǒng)的關鍵組成部分，承擔著各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。早期，武器控制系統(tǒng)各部分間的信號交互大多采用模擬信號進行。隨著通信數(shù)據(jù)量愈來愈多，傳統(tǒng)的信號交互方法逐步被總線通信替代。

圖2 飛行控制系統(tǒng)軟件故障注入與故障診斷系統(tǒng)原理圖

圖3 動態(tài)故障注入流程

兵器研究所采用故障注入方法，主動向武器系統(tǒng)注入特定總線類型的故障，通過確定系統(tǒng)的響應，實現(xiàn)總線故障的定位和故障排除。為了滿足上述需求，該團隊研發(fā)了一種用于多總線的電氣故障注入系統(tǒng)，包括1553B、ARINC 429、RS232、RS422、CAN 總線、以太網(wǎng)和武器系統(tǒng)中常用的其他通信方式，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)從電氣和協(xié)議層的故障注入。

以下故障注入方法可用于RS422、CAN、ARINC 429 和以太網(wǎng)。

1）在RS422 協(xié)議層上實施數(shù)據(jù)位、奇偶校驗和停止位的替換以及啟動位反轉(zhuǎn)等故障處理，可以實現(xiàn)在RS422 電氣層差分信號幅值的調(diào)整[12]。

2）在ARINC 429 協(xié)議層實施同步報頭反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)替換和指定比特編碼極性等故障處理，可以實現(xiàn)在ARINC 429電氣層信號幅值和速率的調(diào)整。

3）在CAN 電氣層實施終端匹配電阻調(diào)整及內(nèi)部電源故障，可以實現(xiàn)CAN總線的電氣層故障注入；在CAN 協(xié)議層實施自定義傳輸波特率和傳輸錯誤數(shù)據(jù)幀故障，可以實現(xiàn)CAN 總線的協(xié)議層故障注入[13]。

4）在網(wǎng)絡電氣層采用直流、正負信號以及TX/RX 差分信號的同時疊加，可以提供疊加的共模電壓，采用IP/UDP層或TCP 中報文的錯誤、消息長度錯誤或其他故障注入方式，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議層的故障注入[14]。

故障注入系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。故障注入單元首先通過通信網(wǎng)絡接收來自故障軟件的故障命令，并進行相關的故障注入運算，然后再利用故障注入系統(tǒng)，完成對總線上的所有故障的注入；故障注入單元完成了故障注入設備和待測裝備和武器控制系統(tǒng)之間的接口交聯(lián)與數(shù)據(jù)交互；信息收集單元通過接口信息收集各種信號，并按照ICD 的協(xié)議格式分析原始消息；信號采集接口實現(xiàn)對故障注入單元輸出信號的采集；故障注入軟件用于故障模式設置、測試管理、設備管理等。信號激勵和采集設備完成標準信號的產(chǎn)生及目標信號的采集和顯示，在故障注入期間可以采用激勵信號替換標準信號。

表2 故障注入試驗統(tǒng)計結(jié)果

圖4 故障注入系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖5 測試系統(tǒng)連接關系圖

故障注入系統(tǒng)可以測試系統(tǒng)的多項設計重點，包括CAN 總線及RS422 總線通信鏈路，該系統(tǒng)可應用CAN 總線完成地面測控單元與武器系統(tǒng)之間的通信，還可應用RS422 通信總線完成綜合控制計算機與機載組件之間的通信[15]。系統(tǒng)連接關系圖如圖5 所示。

該總線電氣故障注入系統(tǒng)可針對多種類型的故障向多條總線注入故障?；诳偩€故障注入原理，可以對多種類型的總線裝備武器系統(tǒng)進行實時動態(tài)故障注入，從而對武器系統(tǒng)的可靠性進行更加全面的評估。該系統(tǒng)可為未來的總線系統(tǒng)設計提供有效的評估方法，有助于提高武器裝備的可靠性水平。

3 總結(jié)與展望

本文對軟件故障注入技術發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行調(diào)研，通過查閱文獻，歸納總結(jié)軟件故障注入技術在不同領域的應用情況，重點分析了軟件故障注入技術在裝備武器系統(tǒng)、總線通信系統(tǒng)等幾個領域的應用。

從故障注入技術在上述領域的應用情況來看，該技術作為評測系統(tǒng)容錯性與可靠性的有效手段，已經(jīng)廣泛應用于軍事、航空航天和工業(yè)控制等領域。將軟件故障注入技術應用于軟件系統(tǒng)的整體測試中，不但可以觀察系統(tǒng)內(nèi)部的錯誤傳播規(guī)律，還可以評估系統(tǒng)的可靠性。為后續(xù)單位使用該項技術對飛艇和武器類產(chǎn)品的可靠性評估提供參考。

針對現(xiàn)有的軟件故障注入系統(tǒng)可以看出，這些系統(tǒng)都是針對具體項目而專門設計的故障注入系統(tǒng)，因此應用范圍具有相對的局限性。未來可以根據(jù)相關產(chǎn)品的特點和應用環(huán)境等因素，定制特定的軟件故障注入系統(tǒng)，為提高產(chǎn)品的設計可靠性提供保障。