系统级测试性设计在舰船作战系统中的应用∗

王 波范 敏

（1.海军装备部重大专项管理中心 北京100071）（2.中国舰船研究设计中心 430064）

1 引言

舰船作战系统是由监视系统、指挥控制系统、武器火控系统等构成的集合系统［1］，其状态监控主要依靠单机或下级系统的自检信息和状态反馈信息。存在的主要问题是：由于一些对任务有严重影响的故障模式无法通过单机或下级系统自检来发现，即使呈现在作战指挥人员面前的状态显示均为“正常”，但作战系统仍然存在不能正常使用的较大风险。同时，随着武器装备系统呈现出多学科知识高度集成、数字化、网络化和智能化等特点，以及任务需求的多样性，现有的测试性理论在系统级的测试性设计与协调方面已无法满足现代武器装备系统的任务保障与维护效率要求［2］。舰船作战系统包含了多个具有不同类型、不同特点的功能系统，如何在多样化的作战方式以及高度复杂的任务环境中，从系统级层面上完成对整个研究对象的测试性设计［3］，从而实现对舰船作战系统的测试性能力与状态监控的评估分析，已成为海军舰船装备能力发展亟待解决的问题。

2 系统级测试性设计

测试性作为确定设备状态并对内部故障进行检测与隔离的一种设计特性，已成为提高装备状态监控能力和维修保障效率的有效手段之一［4］。基于模型的测试性设计、分析因为能有效地将系统研制阶段中与测试性相关的知识抽象出来，同时其便于开发测试性软件工具的特性，使得通过计算机对系统进行辅助测试性设计成为可能，这使其成为测试性研究工作不可缺少的一部分［5］。本文通过在系统级层面上完成对整个研究对象的规范化测试性设计，来实现对舰船作战系统的状态与测试性能力的评估、分析。下面主要介绍系统级测试设计的相关内容。

2.1 系统级测试性要求

舰船作战系统的系统级测试性设计要求主要体现在三个方面［6］。

1）以舰船作战系统的任务需求为导向，通过结构功能分析、可靠性需求分析、维修保障条件分析、性能需求分析、可利用/可达性相关技术分析来获得整个研究对象的测试需求信息，对系统提出初步的测试要求。这些测试信息主要包括在何时何地采用何种测试设备、测试方案对哪些系统功能以及结构模块进行测试、测试方案的实现存在哪些约束条件、测试结果应该达到何种程度。

2）分析系统级故障模式及故障对顶层任务的影响，在此基础上，进一步确定相关故障特征的提取方式及故障或异常的数据判定阈值。预计各系统级故障模式的故障率信息，并合理设计测试方案，完成对系统级测试性信息的需求分析并确定测试点。建立测试性模型，完成对舰船作战系统的测试性水平分析。

3）选取能准确反映舰船作战系统作战进程的部分测试数据，构建相应的舰船作战系统测试指标体系。通过准确检测与采集与测试指标体系对应的测试信息，选用合适的计算模型，完成对相关数据的综合处理与分析，对作战进程实时监控，并为作战人员的指挥决策提供支持。

舰船作战系统的系统级测试性设计要求关系图［7］如图1所示。

2.2 系统级测试

舰艇作战系统的系统级测试是针对作战系统任务通道进行的测试［8］，目的是验证作战系统的功能与性能是否满足技术规格的定义，为故障诊断以及评估作战系统当前状态提供信息。系统级测试分为被动测试和主动测试两类。作战系统被动测试主要对作战网络报文进行监听，不进行测试过程的主动控制，不能保证测试的完备性。作战系统主动测试则是以测试用例为中心，由测试程序生成测试序列，控制整个测试过程，观察作战系统在特定测试序列下的响应。相比被动测试，主动测试过程可控而且全面。在作战模式下，不宜进行测试程序与被测单元间的直接通信，因而采取被动测试以避免产生干扰。

在系统级测试性设计过程中，需要重点考虑设备单机以及分系统自检测试无法检出的故障模式，并合理地设计系统级测试方案。通过战前及战中的系统级测试，及时发现下级系统设备自检无法检测覆盖的故障，这对于装备使用人员掌握真实的系统状态具有十分重要的意义。系统级的测试需求分析是在舰船作战系统FMECA（故障模式、影响及危害性分析）基础上进行拓展的。表1中列出了舰船作战系统的典型系统级故障模式及相关影响与测试信息分析。

3 系统级测试性设计在舰船作战系统中的应用研究

3.1 基于任务需求的系统动态分层建模与诊断策略优化

舰船作战系统作为包含多个分系统且具有较强适应性的研究对象，其自适应性主要包括两个方面：1）适应任务环境的变化，即根据舰艇执行任务的不同，可以进行应用系统或模块地变更；2）适应舰上可调用资源的变化，即根据作战任务的变更或资源的变化，对可用资源进行动态分配［9］。因此，当舰船处于不同的任务环境时，所应用的系统和模块必然不尽相同，对系统的层次划分需跟随实际任务动态改变。以往以单一分层有向图形式建立的测试性模型显然已无法满足设计要求［10］，这就要求测试性设计工作者在系统研制之初便考虑研究对象的实际任务需求，在多环境、多层次的条件下完成系统级的测试性设计工作。

表1 系统级故障模式影响分析及故障特征提取

同时，舰船作战系统的系统级故障具有传播性和层次性的特点，以多信号流图模型为例，传统的多信号流图模型采用自顶向下的方式进行建模，生成最底层的故障－测试矩阵［11］。在构建较高层级的诊断策略时，也需要对最底层的故障模式进行诊断推理。根据故障与高层级可更换单元的映射关系，推理出高层级的诊断结论。这对于不同作战任务条件下的系统级的测试性分析而言，推理过程将变得尤为复杂，诊断策略优化方式也不符合实际。因此，针对系统级的测试性分析，应考虑实际任务的不同，按照系统功能进行层次划分，对每个层级的可更换单元分别构建故障—测试相关性矩阵。针对系统级的测试性分析方案，以战时环境为例，只需要考虑子系统级别的故障模式和测试，然后生成系统的故障—测试相关性矩阵，按照测试性设计方案，完成对故障诊断策略的优化［12］。

3.2 基于数据驱动的测试性设计

作为反映故障演化方式与传播规律的模型，传统的单纯依靠测试性模型所设计的测试性分析方案存在着模型数据利用率低下、诊断精度不高等缺点。随着测试技术智能化、集成化水平的提升，越来越多的测试单元和高速计算部件投入到武器装备的使用过程，舰船武器系统在监测、运行、维护过程中将产生大量的数据信息。需要通过合适的数据分析手段来进行数据处理。例如，可以采用机器学习方法，通过对故障特征量的选取以及对诊断参量数据的预处理，来建立舰船武器系统外场数据、实验数据、BIT数据、ATE数据和人工巡视数据与各典型故障模式的对应关系，完成对故障的初步定位，以此缩小诊断策略优化设计过程中的测试范围并降低测试代价。针对故障特征不明显的问题，通过研究失效预兆参数识别与故障检测技术，对隐含在系统数据中的失效预兆参数进行实时提取与识别，将能够快速确定异常情况，并可缩小故障搜索范围，降低测试代价，为进一步的故障定位做好初步的检测工作。同时，依托舰船作战系统数据管理平台，通过实现对各系统级典型故障模式诊断参量的采集与分解，在测试性模型的建立过程中，对各组成单元以及各功能单元输入、输出的端口信号类型进行统一规定，规范测试性模型的建立方法。由此，避免在进行不同层级的测试性建模过程中，由于不同层级模型的输入、输出信息设置标准不一致，造成诊断优化策略效率低下、模型无法兼容等问题。

3.3 基于测试数据的作战进程监测

作战进程是作战系统一个作战程序的一次动态执行过程。它是关于某个数据集合的一次运行活动，是作战系统进行资源分配和调度运行的基本单位。作战进程由程序、数据和进程控制块组成。作战进程监测是实现作战过程可视化监控的基础。舰船作战系统作战进程的描述示意图如图2所示。

以舰船海上对空自防御作战过程为例，说明系统级测试性设计与分析在舰船作战系统中的应用。想定作战过程如下：当敌方飞机或反舰导弹攻击我舰时，我舰A波段雷达搜索发现来袭敌机或导弹，指控系统首先向远程对空导弹武器系统下达拦截的目标指示，并根据拦击效果评估，指挥进程反导武器再次对漏网的来袭目标进行拦截。

图2 舰船作战系统作战进程示意图

在此过程中，作战指挥人员不仅需要掌握任务通道的瞬时可用性，还需要掌握作战进程的执行状况，例如：目标指示是否正常、导弹发射装置是否备便、火控跟踪解算是否正常、武器是否处于可发射状态、发射后的远程导弹制导交班是否正常，等等。

通过上述想定作战过程可以发现，仅仅利用各二级系统设备的自检BIT结果，给出任务通道各节点的可用信息，不能满足作战指挥人员掌握作战过程的需求。还需要通过系统级测试信息来驱动显示作战进程的执行状态。通过综合利用真实视频和测试数据驱动的作战进程图形显示，使作战指挥人员融入作战过程可视化监控及交互环境之中，有利于作战指挥人员及时采取相应的战术对策［13］。

作为战时条件下的测试性设计，由于受到被动测试的限制，无法充分获取故障定位所需信息。因此设计重点是要考虑如何在战时环境中对实时检出故障模式或异常信息并报警，为战时的战术决策提供及时、有力的支撑。而在非战时条件下，系统级测试性设计将以任务通道的功能和性能状态验证为目的，采取主动测试的手段，充分获得故障定位所需信息。上述两种不同的测试条件，要求设计人员在测试性设计之初便要区分对待。

4 结语

本文以舰船作战系统的系统级测试性设计为例，阐述了现有的测试性设计方案的不足，以任务需求为导向，从系统动态分层与诊断策略优化、提高模型数据利用率和基于测试数据的作战进程监测三个方面对系统级测试性设计与分析给出了改进建议。

未来舰船作战系统的发展将始终以作战需求为牵引，作为系统级多平台的测试性设计研究也必须体现出任务要求的特殊性，与武器装备的发展特点紧密结合起来。通用的测试性模型或者通用的测试性设计方案将不能满足未来数字化环境对舰船作战系统的军事需求，这就要求测试性设计人员结合研究对象的特点对现有的系统级测试性理论的应用进行不断地探索与创新。