装备测试性验证技术综述

向荫，江丰

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东　广州　510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东　广州　510610）



装备测试性验证技术综述

向荫1，2，3，江丰1，2，3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东广州510610）

摘要：装备测试性验证是指为检验设计和制造所赋予装备的测试性是否满足规定的测试性要求而进行的试验与评价工作，是装备故障预测与健康管理设计的重要依据，也是装备采办管理和科学决策的基础。如何有效地开展测试性验证试验，是理论和工程实践中亟待解决的问题，具有重要的理论和工程应用价值。综述了装备测试性验证技术的国内外发展现状，阐述了测试性验证的技术体系，分析了测试性验证的关键技术，指出了目前亟待解决的关键问题和难点问题，最后，在对当前测试性实物验证和非实物验证技术方案进行综合分析的基础上，对测试性验证技术方案进一步的研究发展给出了建议。

关键词：测试性验证；故障预测；健康管理；实物验证；非实物验证

0　引言

测试性是系统或设备能够及时、准确地确定其状态并隔离其内部故障的一种设计特性，是装备故障预测与健康管理设计的重要基础。测试性验证是为了确定产品是否达到了规定的测试性要求而进行的试验与评价工作。开展装备测试性验证技术研究，理清其技术体系，突破测试性验证关键技术，将为装备的研制、试验和维修保障提供强有力的测试技术支持。

1　国内外研究现状

随着对新型装备测试性指标要求的不断提高，装备测试性验证是保证和检验装备测试性水平的重要环节，其水平的高低对装备的研制进度和质量有着直接的影响。测试性验证已经成为了装备测试性工程领域需重点解决的热点和难点问题。

国外在武器装备测试性验证试验工作方面已有大量的成功案例[4]。我国开展装备测试性验证试验的起步较晚，虽然部分单位较为系统、深入地开展了装备的测试性验证试验技术的研究和应用[3，5]，但目前国内尚未建立起可覆盖各类装备的完备的数据库以作判据。

2　测试性验证技术体系

2.1技术框架

测试性验证主要包括验证要求、验证程序、关键技术和验证组织4个部分，其技术框架可归纳如图1所示，其中重点内容说明如下。

图1　测试性验证技术框架

2.1.1验证要求

验证要求包括验证产品状态、验证试验时机、验证内容、试验大纲和组织管理。

2.1.2验证程序

验证程序的主要步骤如下所述。

在幼儿园区域活动开展中，幼儿园教师可以打破原本的大中小班的界限，尝试着采取混龄教育的方式开展活动。一些国外混龄教育实践证明，这种教育模式能对孩子参与区域活动的积极性和主动性起到较好的激发作用，能对幼儿良好的责任心以及爱心的培养起到较好的促进作用。

a）依据型号大纲和计划制定产品的测试性验证方案。一般是先制定测试性验证总体方案，然后在总体方案的指导下，设计具体的测试性验证方案，包括确定故障样本量、抽取故障模式和确定接收/拒收判定标准。目前主流的几大测试性验证试验方案有：基于故障注入的验证方案、基于数据评估的验证方案和基于虚拟仿真的验证方案。

b）依据试验方案实施测试性验证试验。

c）收集试验中的各种数据信息，包括故障及其检测、隔离数据和虚警数据等。

d）对收集到的数据信息进行综合分析，统计样本数量，根据试验方案进行判决。

e）编写产品测试性验证报告。

f）组织验证评审，确认产品测试性验证结论。

2.2关键技术

2.2.1故障样本选取和接收/拒收判据

故障样本选取和接收/拒收的判定都是基于同一理论进行的。一种是基于二项分布确定的抽样方案进行接收/拒收判定。另一种是通过将试验评估结果给出的故障检测率、故障隔离率的置信下限值与规定的最低可接收值进行比较来进行接收/拒收判定。近几年国内外相关理论研究较少，主要有以下几种：经验值方法[6]、基于正态分布的故障样本选取方法、基于二项分布的故障样本选取方法[7]、基于信息充分覆盖准则的故障样本量确定方法[8]、基于多元组故障特征模型的故障样本选取方法[9]和基于先验信息的故障样本优化选取方法[10]。

经验值法使用简单、方便，但主观性和随意性较强，不利于客观地指导测试性验证。基于正态分布的方法是近似方法，误差比较大，特别是对于FDR/FIR的指标大于0.9的情况。基于二项分布的方法也称标准抽样方案，在试验结束后以故障检测/隔离失败次数作为接收/拒收判据。基于信息充分覆盖准则的故障样本量确定方法考虑了装备的结构、功能和测试的复杂度等实际因素，改进了样本的结构，但未给出接收/拒收的判据。基于多元组故障特征模型的故障样本选取方法在确定样本量和样本机构时，既考虑了指标要求值，又考虑了装备的实际复杂程度，努力使故障样本更符合实际情况，但是该方法只考虑了装备自身的功能和结构等，没有考虑实际的使用条件对故障样本的影响。

在对装备的测试性指标要求较高，承制方、使用方风险承受能力低，或者要求的评估结论精度、置信度较高等情况下，以上几种方法需确定的故障样本量都较大。这对故障注入、试验周期和试验成本提出了很高的要求，导致试验难以实施。基于先验信息的故障样本优化选取方法，它可以利用装备研制阶段测试性先验信息来优化选取故障样本，在承制方、使用方风险基本不变的情况下，能够在一定程度上减少样本的数量。

2.2.2故障注入

故障注入是测试性验证试验的核心内容，是测试性验证工作得以实现的基础。故障注入一般通过人工的方法，将模拟的故障施加于被测对象中，观测和收集测试诊断系统的故障检测、隔离成败数据，并基于试验数据评价测试性指标。目前的故障注入方法主要有硬件故障注入[11]、模拟故障注入[12]和软件故障注入[13]等。

硬件故障注入是在系统中注入带故障的硬件设备，该方法在系统结构复杂性不断提高和故障注入应用范围不断扩大的情况下，具有易对硬件造成损坏、可控性差和许多硬件故障注入无法进行等缺陷。国外为电子系统开发了一些故障注入器，例如：瑞典Chalmers技术大学开发的FIST[14]、法国LASS-CNRS大学开发的管脚级故障注入工具Messaline[15]和奥地利Vienna技术大学开发的MARS等。

模拟故障注入法是指通过在系统的仿真模型中植入故障单元来实现故障注入的方法。该方法具有费用低廉、不需要任何特殊的硬件、可精确地监控注入的故障和注入故障模式多等优点。但是，应用此方法的前提条件是有一个有效的仿真模型。

软件故障注入通过修改目标软件程序来实现故障注入，不需要特定的硬件或仿真器，而且可以重复地注入，是一种廉价且易以控制的故障注入方法。但是，该方法属于侵入性故障注入，会严重地影响内存资源紧张的系统和嵌入式系统，并且只能限制在和软件有关的部分。研究表明，车间可更换单元连线/接口故障和外场可更换单元连线/接口故障中，有2/3的故障是不能通过软件故障注入完成的[16-17]。

国内也开发了一些故障注入设备和软件系统[18-20]。针对故障注入对系统的损坏或者故障不能注入的问题，有些学者研究了故障等效注入方法[21]，但该方法也只能解决一部分故障的注入问题，原始故障被其他故障等效后，故障隔离时一般只能隔离到等效故障或一个较大的模糊组，很难隔离到原始故障，故障难以准确地隔离，可能会影响到测试性验证结论的准确性。

2.2.3指标评估

测试性指标评估是依据试验数据，利用概率统计方法来确定装备的测试性指标（例如：FDR、FIR）量值，并给出判定结论。评估结果的形式可以为点估计、置信下限估计和置信区间估计等。测试性指标评估方法主要有基于概率信息的指标评估方法、基于试验数据的指标评估方法和测试性综合评估方法等。

基于概率信息的指标评估方法简化了故障与测试之间的逻辑关系，仅通过假设和经验来确定概率信息，未考虑测试不确定性和环境因素等，因而预计结果可能与真值出现严重的偏差。最典型的基于概率信息的指标评估方法即为测试性预计[22]。

经典的、基于试验数据的指标评估方法一般需要在大样本或较大样本的前提下进行。目前常用的基于试验数据的指标评估方法主要有：点估计、二项分布或正态分布下的置信区间估计和置信下限估计等[23-24]。但因故障注入试验具有损坏性甚至破坏性，同时受封装造成的物理位置的限制和试验费用的限制，工程上进行装备故障注入困难，并且因无法获取大量的新研制装备的故障检测/隔离数据，导致评估结论精度和置信度较低。

测试性综合评估方法是要给出装备或系统尽量地接近真实值的、反映研制水平的统计指标。该方法融合了小子样实物试验数据、大样本虚拟验证试验数据和研制阶段先验信息，建立综合评估模型，然后评估装备测试性指标[25-27]。

3　测试性验证方案

表1　测试性验证方案

3.1验证方案分析

测试性验证方法的验证方式有测试性实物验证与测试性非实物验证[28-29]两种，如表1所示。测试性实物验证又可分为测试性实物试验验证和测试性实物使用验证两种。测试性实物试验验证是指对真实的系统装备进行故障注入试验，然后采集测试数据并评估系统装备的测试性水平。因故障注入的局限性，该方法存在故障注入不易、故障注入不完全、危险系数高和验证费用高等诸多缺点。测试性实物使用验证指的是采集装备系统在整个使用生命周期中的维修保障信息，并据此统计系统装备的测试性指标。系统装备的使用生命周期一般以年甚至十年为单位，因此在短时间内，在系统装备使用用例不充分的情况下，该方法获取的测试信息会不足，因而难以准确地获得统计装备的测试性指标。以往测试性非实物验证主要是测试性预计，主要通过定性模型或图解的方式来预计（估计）系统装备的测试性指标[7]，一般使用定性模型、关联模型、多信号流模型、有向图和相关矩阵等定性的方式来描述系统装备的故障与测试等，且其对系统装备的测试性指标的预计亦是定性分析，忽略丢失了很多定量的信息，因而导致了测试性指标预计不准确、置信度不高等问题。

另一种非实物验证方法是测试性虚拟验证，该方法利用计算机技术及建模仿真技术建立系统装备的数字化模型，对数字化模型进行测试性验证试验，统计试验结果并评估装备的测试性指标[6]。该方法在数字化模型上实现故障模拟与注入较为简单，可以克服测试性实物验证中故障注入不易、故障注入不完全、危险系数高和验证费用高等缺点；又因为测试性虚拟验证是在计算机上通过仿真的方式进行测试性验证的，验证时间短，并且可以获得丰富的测试数据，因而其可克服测试性实物使用验证中验证周期长、测试数据不足等缺点；在计算机上建立的数字化模型是通过定量的方式来描述系统装备的功能、故障和测试等，在建立的测试性虚拟验证模型准确可靠的情况下，测试性虚拟验证结果具有可靠、置信度高的优点。但测试性虚拟验证的概念是近些年才提出来的，其在具体的方法与技术流程方面仍有很大的改进空间。

3.2发展趋势分析

目前，承制方和订购方都急需一种“快、好、准、省”的测试性验证技术，但当前的技术还不能满足我国目前对装备测试性验证试验技术的需求。在减少测试性验证成本、风险和周期的同时，科学、准确地对装备的测试性指标进行验证和评价是未来测试性验证技术方案发展的目标。单一的测试性验证方案都有缺陷，采用融合的方法可以融合各方案技术的优势，互补不足，有望为我军装备的测试性验证提供一条切实可行的技术途径。在该方向进行了探索的有文献[32]和文献[2]，文献[32]提出了一种测试性综合验证方案，该方案综合了小子样理论与虚拟验证试验的优势，建立了虚实结合的测试性验证总体方案；文献[2]针对测试性验证工作仍缺乏总体规划与统筹安排的问题，构建了一种基于全寿命周期数据的测试性验证试验优化设计与综合评估的技术框架。基于虚拟试验的测试性验证技术的优点，深入研究装备测试性虚拟验证试验中的关键技术问题，对于提高我国的装备测试性验证试验的技术水平具有非常重要的意义。

4　结束语

本文综述了装备测试性验证技术的国内外发展现状，阐述了测试性验证的技术体系，并对其关键技术进行了分析，对比了当前主流的测试性验证技术方案，并针对我国目前对装备测试性验证试验技术的需求，对测试性验证技术方案的未来发展趋势进行了分析和预测，对于促进我国装备测试性验证试验技术的进一步发展、提高我国装备测试性验证试验技术水平具有重要的意义。

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A Review of Testability Verification Technology of Equipment

XIANG Yin1，JIANG Feng2
（1. CEPREI，Guangzhou 510610，China；2. Guangdong Provincial Ket Laboratort of Electronic Information Products Reliabilitt Technologt，Guangzhou 510610，China；3. Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliabilitt and Environment Engineering Technologt，Guangzhou 510610，China）

Abstract：Testabilitt verification refers to the test and evaluation conducted to verift whether the testabilitt endowed bt design and manufacture of equipment meets the specified testabilitt requirements or not. And it is an important evaluation for the failure prediction and health management，and is also the basis of acquisition management and scientific decision-making of equipment. How to effectivelt carrt out the testabilitt verification test is an urgent problem needs to be solved in theort and engineering practice，which has important theoretical and engineering application value. The development status of equipment testabilitt verification technologt at home and abroad is summarized，and the technical ststem of testabilitt verification is expounded. Besides，the ket technologies of testabilitt verification are analtzed. Furtnermore，the ket issues and difficulties urgentlt need to be solved are pointed out. At last，some suggestions about thebook=66,ebook=69further research and development of testability verification technical solution are given based on the comprehensive analysis of the current testability physical and non-physical verification technical solutions.

Key words：testabilitt verification；failure prediction；health management；phtsical verification；non-phtsical verification

作者简介：向荫（1988-），女，湖南邵阳人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心助理工程师，硕士，从事可靠性工程研究工作。

收稿日期：2015-11-04修回日期：2016-01-18

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.013

中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）02-0065-06