一种电传飞控系统测试性架构设计与评估技术研究

(1.空军装备部驻西安地区第五军事代表室，陕西 西安 710076； 2.西安飞行自动控制研究所，陕西 西安 710076)

电传飞控系统是飞机的核心部件，直接关系到飞行安全和飞行品质。该系统具有控制功能复杂，机载交联设备众多，信息交换容量巨大，安全性和可靠性要求高等特点[1]。面对大型运输机使用安全性、经济性的高度要求，测试性设计越来越受到各级用户的高度关注[2]，为保证产品的测试性设计满足指标(检测率和隔离率)要求，测试性实现满足设计要求，在产品的研制阶段实现测试性能力的不断改进和持续增长，需要对测试性设计进行评估[3]。

目前在实际工程应用和型号研制中，电传飞控系统的测试性设计的评估主要以系统的固有测试性设计为基础[4]，进行测试性设计定性分析和符合性评分，指导系统或设备对固有测试性设计进行符合性检查，确定现有的测试性设计符合程度[5]，以便识别测试性设计缺陷，并采取纠正措施，最终满足系统的测试性设计要求[6]。

早在20世纪70年代，国外就开始在各个军用项目中广泛开展测试性与诊断建模的工作[7]。在20世纪70年代美军发布的“面向功能的维护手册”中就明确地将维护依存图作为手册的重要部分，而维护依存图正是功能依存模型的一种[8]。在20世纪80年代美国海军的“集成诊断支持系统”项目中，美国海军还专门主持开发了“武器系统测试性分析器”并在后续的很多军用项目中得到使用，美国空军也通过启动“通用综合维修与诊断支持”进行实施。在美军“电子可靠性设计指南”中也明确推荐将依存模型分析工具应用在测试性分析流程中[9]。目前，测试性建模工具和技术在国外已广泛地应用在军用航空、航天、民用航空的多个项目中[10]。在美国国家航空航天局阿莫斯研究中心的UH-60“旋转翼飞机空勤概念空中实验室”飞行验证机上，研究人员以测试性建模技术为基础研制了“机载健康和使用监控计算机”对飞机进行健康管理方面的改进[11-12]。

同国外相比，国内开展测试性研究起步较晚，大概开始于20世纪80年代中后期[13]。国内所做的工作主要体现在以下几方面：① 开展了测试性的相关研究，发表了一些相关方法概述的文章和研究报告；② 在重要系统和设备研制中提出了明确的测试性要求；③ 开展了测试性设计分析工作，制定了《装备测试性大纲》(GJB2547A—2012)、《测试与诊断术语》(GJB3385—1998)等国家军用标准和相关行业标准；④ 开发了测试性计算机辅助分析软件等[14-15]。

目前已经有多位学者对多信号流图模型进行了研究[16]，但是对电传飞控系统的测试性设计、验证技术和基于诊断模型的测试技术缺乏深入研究[17]。

本文基于电传飞控系统的组成特点，提出了一种集中/分散结合的测试性架构，建立了一套完整的测试性需求追溯体系。针对电传飞控系统测试性模型不准确、可信度不高等问题，建立了一套测试性评估体系方法，通过在分布式电传飞控系统的实践，验证了方法的实用性和有效性。

1 研究的总体思路

电传飞控系统具有部件/组件众多、交联复杂等特点，测试性设计存在不同层级的接口交织错综、需求追溯困难、完整性不强等问题。本文基于电传飞控系统自上而下的测试性需求分解，实现了系统测试性设计需求和接口的完善、可追溯。结合系统分布式结构特点，为国内某型运输机电传飞控系统研制提出一种集中/分散结合的测试架构，此架构以主飞控计算机为核心，充分利用作动器控制器等节点，实现了分布式电传飞控系统由控制核心部件向外分层逐级激励的机内自检测方法，有效提高了系统故障检测效率、缩短了检测时间，在实现发生故障时快速隔离的同时降低了系统测试虚警。

目前在实际工程中采用的固有测试性评估方法在面对高复杂、多余度、多设备的电传飞控系统时，完全基于纸面的主观分析，缺乏客观性，容易造成符合项的遗漏，缺乏完备性，同时工作量巨大，对测试性设计的持续改进没有帮助。本文首次在大型运输机电传飞控系统测试性研制中实现了基于模型评估的可迭代、规范化评估方法，通过建立电传飞控系统的多信号流的故障传递模型，根据桌面测试性模型的评估结果和系统测试性指标要求迭代方案设计，对系统测试性设计的不足进行改进，通过优化电传飞控系统测试性方案设计，提高了系统的检测率和隔离率等测试性评价指标，从而验证了该评估技术和体系方法的合理性、有效性。本文提出的测试性评估方法和建立的测试性评估体系经过了具体项目的验证，能够大幅度提高和快速稳定系统的测试性设计能力，同时具有普遍的适用性。

2 分布式电传飞控系统测试性架构设计

2.1 集中/分散结合的测试架构

电传飞控系统测试性设计是利用系统内部具有自检功能的硬件和软件来共同完成对设备的检测，用于评定电传飞控系统硬件运行的正确性。

某型运输机电传飞控系统采用了分布式架构，主飞控计算机(PFC)和作动器控制器(ACE)采用GJB289A协议总线进行数据交互，其他部件通过总线或硬线与PFC、ACE交联。

PFC作为电传飞控系统周期模态/BIT(Built-In Test)模态切换控制器，通过对系统维护联锁条件的判断，控制整个系统BIT模态的进入/退出。为了避免系统在空中等非期望状态下进入BIT模态，影响飞行安全，PFC对接收到的轮载信号、指示空速信号和BIT启动信号进行判断，采用“严进宽出”的设计原则。当“轮载信号为地面”“指示空速小于60 km/h”“BIT启动信号为进入”3个条件同时满足时，电传飞控系统从周期模态进入BIT模态。进入BIT模态后，PFC判断“轮载信号为空中”“指示空速大于等于60 km/h”“BIT启动信号为退出”3个条件有一个满足时，电传飞控系统从BIT模态退出到周期模态。

系统BIT交联关系如图1所示，系统BIT软件驻留在PFC中，硬件驻留在PFC、ACE、传感器等各个部件中。PFC按照预先设计的测试内容按一定顺序激励系统的部件或监控器，例如：PFC内部的解调滤波放大电路、通道故障逻辑、离散输入线路、ACE内部的解调滤波放大电路、伺服监控逻辑、模拟备份控制律以及外部的舵机、传感器等部件。系统的各个部件和测试单元将响应结果通过GJB289A上传给PFC，BIT软件将测试结果与预先确定的、存放在某个确定存储单元内的数值相比较，比较结果在容差之内，则认为测试通过，否则，认为测试未通过，并且把认定的故障记录在PFC的NVM(Non-Volatile Memory)之中。整个BIT测试完成之后，PFC将测试结果和故障信息通过AFDX总线上传给中央维护系统。

系统测试性架构以PFC作为调度核心，结合分布式系统数据传输时间延时的影响，充分发挥ACE等各个智能节点的作用，各个节点在PFC的集中调度下自主进行测试，实现了分布式电传飞控系统集中/分散结合的系统测试架构，有效提高了分布式系统的机内自检测效率。

图1 分布式电传飞控系统BIT交联关系示意图

2.2 分层逐级的测试顺序

基于系统测试性架构，整个系统机内自检测分为3级检测，如图2所示，第1级为PFC和ACE基本单元及外围电路检测，第2级为传感器、作动器等独立部件检测，第3级为伺服回路、系统输入输出链路测试。

3级检测按照顺序依次进行。首先进行系统第1级检测，检测PFC和ACE的CPU、FPGA等基本计算单元功能是否正常，检测其外围存储功能(RAM、ROM等)、硬件接口单元是否完好；然后进行系统第2级检测，对驾驶员力传感器、舵面位置传感器、加速度计传感器、角速率传感器、作动器等独立部件依次进行检测；最后进行系统第3级检测，对系统各个伺服回路子系统工作状态、输入输出信号链路是否正常进行检测。

采用分层逐级激励的测试逻辑为维护系统故障分析提供程序接口。为了实现系统故障的快速隔离，系统设计了不同检测级别测试关联，当第1级检测结果出现故障时，不进行第2级、第3级检测；当第2级结果出现故障时，不进行第3级检测。

图2 BIT检测层级示意图

2.3 完整可追溯的测试性设计

对分布式电传飞控系统进行自上而下的测试性需求分解，建立了条目化的功能分解，针对测试性设计将电传飞控系统划分为系统、分系统、LRU、SRU、功能电路等层级，明确各层级间接口和功能需求的传递。

如图3所示，考虑到电传飞控系统的功能分布及组成特点，将系统划分为PFC分系统、ACE分系统、传感器分系统、作动器分系统和座舱控制分系统5部分，每个分系统都是由若干LRU级部件组成，对于复杂组成的电子产品如PFC和ACE等列出其SRU层、功能电路层等更低层次的结构关系。

系统FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)作为整个测试性设计的基础，采用功能法与硬件法相结合的方式建立层次化的FMEA。通过功能分析，建立每一个功能模块的故障模式编码、故障模式以及故障影响等特征值，示例如表1所示。依托底层的故障模式表，通过自底向上的故障传递过程，以本层的故障影响作为上一层的故障模式为基本规则，通过层层传递、层层嵌套、层层约束的设计与编制方式，最终形成层次化的FMEA。

以系统及其各个组成部件的FMEA为基础，以FMEA中的故障模式为检测对象，由上向下建立上、下层级间以及同层间的接口关系，由下向上逐层建立测试性模型，进行完整可追溯的分布式电传飞控系统测试性设计。

图3 测试需求分解过程

表1 功能模块分析示例表

3 基于模型的测试性评估技术研究

基于工具建模的测试性评估方法使用专业的测试性建模工具，以电传飞控系统FMEA为基础，建立多信号流的测试性模型。考虑到电传飞控系统的特点，将整个系统分成系统、分系统、LRU、SRU、功能电路等层次，通过有向图的形式建立故障模式的故障影响传递关系，在系统建模基础上得到系统各层级故障模式的依存矩阵。具体的评估方法如图4所示，整个过程分为数据准备、图形化建模、测试性分析和评估3个主要部分。

图4 测试性建模评估方法流程图

3.1 数据包准备

① 结构关系和交联接口数据包。以系统方案和系统接口设计为输入，建立各层级之间以及同层之间的结构关系数据包。

② FMEA数据包。梳理系统及其各组成部件不同层级的FMEA，并对FMEA中的故障概率非常低、可以合并的故障模式进行筛检，形成不同层级的FMEA数据包。

③ 故障模式与测试关系数据包。梳理测试性设计，明确故障模式与测试之间的关系，形成故障模式与测试关系数据包。

3.2 图形化建模

图形化建模是测试性建模的核心。本研究中需要对电传飞控系统进行一级维护(LRU级)和二级维护(SRU级)的测试性设计能力的评估，因此本研究中的图形化建模在SRU级以下的功能电路级建立故障模式，在SRU及以上建立结构图。

① 结构模型图处于整个模型图的上层，说明产品内部各模块之间的相互影响关系，根据结构关系和交联接口数据包建立电传飞控系统、分系统、LRU以及SRU的输入输出接口定义，以及上下层级以及同层级间的信号连接。

② 根据FMEA数据包建立有向图形式的故障模式及其故障传递关系，计算机分系统中接口部分的故障模式传递图部分如图5所示。

图5 有向图的故障模式传递图

③ 对复杂电子产品(PFC、ACE和控制板)建立功能电路级故障模式，对机电类产品(传感器和舵机)建立LRU级或SRU级故障模式，对其中的电气特性部分或间接反映到产品电气特性部分建立了更低层次的故障模式。

④ 建立故障模式的相关属性，包括故障模式的影响信号、故障率等信息。

⑤ 根据故障模式与测试关系数据包判断故障的传递关系，即判断该故障会受哪些输入信号的影响，故障会影响哪些输出信号，故障与故障之间的传递关系是什么，然后建立故障模式和输入信号(即输入端口，信号通过端口传输)之间的连接、故障模式之间的连接、故障模式和输出信号(即输出端口，信号通过端口传输)之间的连接。

测试点决定测试的位置，以检测故障是否发生，可以是硬件电路BIT、软件形式或软硬件结合的形式，每个测试点上可以添加多个测试，并给测试分配可以测到的功能信号。

3.3 测试性分析与评估

在建立图形化的测试性模型后，可以通过测试性建模软件对系统模型进行分析，以达到对测试性设计进行评估的目的。测试性分析包括静态分析和动态分析。

静态分析主要是依据建立的系统测试性模型，分析测试性设计的故障检测覆盖和隔离情况，以发现测试性检测与隔离的缺陷，支持设计的权衡优化。通过模型的静态分析可以得到不同检测方法下的不可检测故障、模糊组、冗余测试等的分析结果。

① 不可检测故障。在系统方案设计过程中，针对分析得到的不可检测故障，通过优化分析、增加相应测试的方法来改进测试性设计。

② 模糊组。针对分析得到的模糊组，可通过优化分析过程，采取增加测试或断开反馈环等方法减少模糊组，以提高系统的检测隔离率。

③ 冗余测试。权衡选取冗余测试中的一个测试作为设计用测试点，删除其他冗余的测试点，以减少系统复杂度，提高系统可靠性。

通过对电传飞控系统的测试性模型进行静态分析，对测试性设计进行了评估，根据得到的测试性设计的优化建议，对测试性设计进行改进。

动态分析主要是指根据建立的系统测试性模型，通过分析和计算来估计测试性设计可能达到的量值，并与规定的指标要求进行比较，分析是否满足指标要求的过程。动态分析的主要目的是通过估计测试性指标是否满足规定要求，来评价和确认已进行的测试性设计工作，找出不足，改进设计。

通过建模工具仿真测试性设计，对测试性方案可行性、有效性进行评估，仿真得到测试性设计关心的测试性指标如检测率、隔离率，生成测试性报告，设计人员根据报告决定是否需要更改设计。基于工具建模的评估方法对测试性设计评估的有效性的关键在于模型的真实性和准确率，本研究中的测试性建模遵循以下原则。

① 真实性。模型应客观真实地反映所研究对象的本质，即必须准确地反映产品中影响测试性的有关因素与测试性参数的关系。

② 目的性。模型的建立要针对研究的目的，如隔离到不同层次时所对应的模型就不尽一致。

③ 清晰性。模型应清楚、明确地描述所研究的测试性问题。

④ 适应性。模型要适应产品内部结构的变化，便于修改完善。

电传飞控系统初始测试性模型评估结果如表2所示，通过增加相应的测试点、改进BIT测试内容后，系统具体的测试性设计改进方案部分摘选如表3所示，优化后的系统测试性模型评估结果如表4所示。

表2 系统初始测试性模型评估结果

表3 系统初始评估后的系统测试性设计改进方案

表4 优化后系统测试性模型评估结果

将表2和表4对比可知，通过增加PFC的顶电电容状态采集等测试点，改进驾驶员传感器两余度供电采集和水平安定面作动器备通道功能测试等BIT检测内容，系统的故障检测率从85.23%提升到92.35%，隔离到1个LRU的隔离率从80.12%提升至90.15%，隔离到2个LRU的隔离率从88.38%提升至95.23%，隔离到3个LRU的隔离率从90.26%提升至98.07%。可以看出，通过测试性建模结果优化系统测试性方案设计，极大地提高了电传飞控系统的可测试性。

4 结束语

本文针对电传飞控系统建立了一种测试性需求完整、可追溯方法，提出了一种集中/分散结合的系统测试架构方案，实现了系统分层级的机内自检测测试，有效提高了系统的测试效率和维修能力；并且建立了电传飞控系统基于模型的测试性分析和评估规范化流程，根据建模结果优化电传飞控系统测试性设计，提高了系统的检测率和隔离率等评价指标。