飛行器系統級可測試性設計方法研究

摘要：從系統測試性設計的角度，分析了國內外測試性設計技術的發展狀況、存在的問題；討論了開展系統測試性設計并制定測試性工作規范在飛行器設計中的必要性；總結了系統測試性設計的一般工作流：程；并根據航天產品特點，對測試性設計方法進行探索研究。

關鍵詞：系統級；可測試性設計；飛行器

引言

隨著載人航天技術的高速發展，對航天飛行器的地面測試和運行中的在線測試能力提出了新的技術要求。對于地面測試，要求測試能夠覆蓋更多的故障，并且能快速、準確、及時地診斷系統狀態；對于在軌運行狀態，由于故障修復極為困難，要求增強產品自主故障診斷、切換和故障隔離能力，以保證系統的任務可靠性。為實現上述技術要求，就必須在航天飛行器設計時同步開展測試性設計工作。應用先進的測試性設計技術，對產品進行總體的測試性分析、設計與驗證，已經成為載人航天技術未來發展的必然趨勢。因此在產品研制過程中，先期展開測試性設計工作，對于迅速提高我國航天測試性和診斷技術水平，滿足系統的任務可靠性和安全性具有重要意義。

本文對國內外測試性設計技術的發展狀況、存在問題進行了系統的分析，論述了針對航天飛行器系統開展測試性設計并且對測試性設計工作加以規范的必要性；總結了系統測試性設計的一般工作流程，最后根據國內研究環境和航天產品自身的特點，提出了一種符合實際的測試性設計方法。

國內外測試性研究分析

國外研究狀況

測試性的概念最早產生于航空電子領域。測試性術語最早于1975年由FLiour等人在《設備自動測試性設計》一文中提出，隨后相繼用于診斷電路設計及研究等各個領域。20世紀70年代以后，國外廣泛開展了測試性方面的研究。同時，美軍意識到測試性在裝備維護和保障中的潛力，開始致力于在裝備研制和使用中推廣測試性技術；通過頒布一系列的標準，使裝備研制方和使用方遵循相同的約束和規范，取得了良好的效果。1985年，美國國防部頒發的《電子系統及設備的測試性大綱》(MIL-STD-2165)，標志著測試性已成為一門與可靠性、維修性并列的獨立學科。目前，可測試性已在美軍機、航天器和導彈等武器系統設計時被廣泛應用。其中，在航空工業應用中，據美海軍調查稱，對F/A-18、F-14、A-16E和S-3A四種海軍主要飛機的200多項關鍵部件進行的測試性技術改進，使它們的使用和維修費用減少了30％，并進一步強調，如果在飛機研制初期就充分開展測試性設計，可降低飛機全壽命費用的10％～20％。

在航天應用中，美國摩托羅拉公司的銥星計劃，在其衛星設計過程中，成功地運用了測試性設計。傳統的測試手段已不能滿足衛星生產過程中對測試的需求。于是，在衛星設計過程中，大量采用了符合IEEE1149.1標準的邊界掃描結構，并取得了較好的測試結果，為銥星計劃的實現提供了保障。美國休斯空間通訊在對衛星的測試中，提出了對系統劃分，進行分層測試的思想，并成功的運用到實踐中。

國內發展狀況

同國外相比，國內開展測試性研究起步較晚，大概開始于80年代中后期。但在近些年來進步速度很快。主要體現在以下幾方面：開展了較為系統的研究，發表了不少有關測試性方面的文章和研究報告；在重要系統和設備研制中提出了明確的測試性要求，開展了測試性設計分析工作，制定了《裝備測試性大綱》(GJB一2547—95)、《測試與診斷術語》(GJB3385-98)等國家軍用標準，開發了測試性計算機輔助分析軟件。

80年代中期，我國對新研制的武器裝備提出了測試性設計的要求，到90年代后期，對所有的武器裝備都提出了測試性的要求，特別對軍用飛機上新研制的電子設備的測試性作了很高的要求。另外，測試性設計技術也開始應用到了現有陸軍武器裝備的改造過程中，使其故障率大大降低，同時提高了對裝備故障的檢測率，延長了裝備的全壽命周期，降低了裝備的全壽命周期費用。

在航天科研方面，某些型號在研制過程中也已經開始著手進行測試性設計技術的研究。并依據國外相關標準制定了QJ-3050《航天產品故障模式、影響及危害性分析指南》、QJ-3051《航天產品測試性設計準則》等相關標準。

從總體上看，國內由于缺乏對測試性設計技術的深入研究，在測試性分析與驗證、計算機輔助工具和工程實際經驗等方面與先進國家還有較大差距，影響了測試性大綱的貫徹。

航天產品測試性設計規范研究

系統測試性設計存在的問題

由于航天產品的可靠性要求極高，相對于其他行業，測試性技術在工程中推廣應用較為緩慢。從總體上講，目前航天各領域在可測試性技術的應用基礎上已具備一定的基礎但是仍然較為薄弱。具體表現在：

·在系統頂層設計中，已開始注意對系統測試性的總體考慮，但由于缺乏明確的技術途徑，除一些概念性要求外少有具體設計要求和指標；

·部分分系統或單機中設計人員自發地進行了測試性設計，但這些工作不是有系統組織的，并未發揮系統測試性設計的優勢；

·進行了一定的測試性工作管理，但未形成系統的測試性工作流程，研制程序上測試性設計與產品功能、性能設計不同步，原理樣機往往不考慮測試性設計，試驗樣機只考查BIT的能力，到總裝時再考慮系統測試性為時已晚；

·引進了一些測試性設計相關工具，但還不具備形成有效的測試性設計集成環境的能力，設計中更多地依賴于設計師對測試性設計的重視程度、設計水平和經驗；

·對測試體系和測試設備提出了“標準化、規范化、通用化”的要求，但產品的研制過程、生產過程和使用過程各階段各環節的測試脫節，由不同的設計人員去考慮、設計和實現，難以保證各階段各級別測試的統一性、兼容性、完整性與一致性。

系統測試性設計工作規范

進行測試性規范研究，要明確開展測試性工作的目標和原則；考慮要完成的測試性工作項目及其完成的時間；并要對工作程序、人員安排、技術支持和信息采集分析等進行規范。盡管我國已經在1995年頒布了GJB2547《裝備測試性大綱》，大綱從論證、方案、實施和驗證等幾方面加強了對測試性技術的指導和監督，對推動測試性技術的研究和應用具有很大的作用。但是該標準主要是參照美軍標MIL-STD-2165制定出來的，缺乏將標準轉化為具體設計方案的方法和技術。針對具體的航天系統進行設計的可操作性不強。致使上述問題不能被有效地解決。因此需要補充新的測試性文件，規范航天產品測試性工作程序，保證測試性設計與產品功能性能設計同步進行并有機結合，保證系統研制各個階段開展的測試性工作有據可依。

測試性設計工作流程

我們在對測試性工作規范開展研究，對實施測試性設計的基本工作流程進行總結的基礎上，依據系統設計研制流程，制定航天產品研制各階段規范。如圖1所示。

論證和方案階段，規定測試性要求，并分配測試性要求。這段時期內，在系統設計評審中同時評審測試性大綱；在系統初樣研制階段，首先要確定診斷方案，制定并貫徹測試性設計準則并進行固有測試性設計。然后確定出FD(故障檢測)、FI(故障隔離)設計策略，設計出相關軟件和硬件，再對設計進行分析，開展測試性驗證，采用產品設計與測試性分析迭代的方法改進測試性設計，以滿足要求。在初樣評審工作中同時評審測試性工作。在正樣研制階段繼續對各測試性指標進行驗證，并提出建議。

規范中規定了測試性工作項目內容和完成時機等信息都體現在工作流程中，指導著飛行器系統研制各個階段的測試性工作。

系統測試性設計方法研究

設計實現方式

測試性設計通常有兩種實現方法：

·產品設計同時展開測試性的設計

由設計人員直接完成部件或組件的測試性設計和評估工作，最后由設備、分系統和系統總體逐級根據測試性要求進行評估和審核，完成整個系統的測試性設計工作。這種方式的優點是由于設計人員對被設計對象熟悉，設計反復少，設計周期短，但對設計人員的設計水平和測試性技術熟悉程度要求極高，適合于貫徹測試性設計有一定基礎，并具備較好的測試性設計環境的單位和部門。

·產品設計與測試性分析反復迭代進行

產品設計人員完成原理設計后，由專門的測試性工作人員或獨立機構進行測試性的建模、分析和評估，檢驗測試性指標的落實情況并給出改進性意見，改進設計后通過反復迭代過程完成產品設計和測試性設計。這種方式的優點是易于實行，但設計過程中設計人員與測試性工作人員需要反復交互，設計周期較長。

目前，國內缺乏能有效完成測試性設計的計算機輔助工具軟件，產品設計人員對測試性設計熟悉程度也不高。因此，運用第二種方法進行系統測試性設計是較為可行的技術途徑。

測試性設計實施過程

通過產品設計與測試性分析反復迭代的方式進行測試性設計，產品設計和測試性分析被分解成同步進行、互相交互的兩類不同工作，大大降低測試性設計對設計人員和測試性設計工具的要求。系統的設計過程一般是從性能指標和方案確定、初步設計、詳細設計到軟硬件開發與試驗。作為設計特性的一種，測試性設計也有一個與系統設計并行的設計過程，圖2描述了一個分系統或單機的測試性設計工作實施流程：

并行設計過程中，測試性分析人員與產品設計人員保持同步，并在不同的研制階段提供相應測試性建議，確保產品設計的順利進行。測試性設計不干擾產品設計人員原有設計流程和方法。對應于單機、分系統、系統各級設計，都要進行測試性的設計，并根據上一級的測試性分析結果對下一級的測試性設計進行指導和審核，優化測試資源，剔除冗余測試，檢驗測試接口的兼容性。在產品設計過程中應盡量采用同樣的測試性分析工具，這樣上一級的測試性模型可由下一級各單元的測試性模型直接生成，避免不必要的建模工作。

結語

在航天技術快速發展的過程中，對航天產品測試性設計的需求也不斷增長。但是同國外先進技術相比較，我國在測試性設計的基礎理論和方法研究方面還有一定差距。在航天領域開展測試性設計，照搬外國的方法是不現實的。本文根據我國航天產品測試性設計環境的實際情況，借鑒國外先進的測試性工程管理經驗和技術，提出了一種符合我國國情的、實用的測試性工作設計方法。對系統測試性設計研究進行了有益的嘗試。