機電設備的測試性驗證方法初探

何 洋， 葉曉慧， 趙建揚

(海軍工程大學，武漢 430033)

0 引言

機電設備是將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統總稱，具有復合功能且適用面廣，不僅廣泛應用于民用(數控機床、工業機器人、工業制造等)，而且在艦艇、飛機等軍用領域中也開始大量應用。但隨著微電子技術和計算機自動控制技術在機電設備中的比重越來越重，其復雜程度越來越高，帶來了對機電設備故障診斷的困難。測試性是產品能及時、準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內部故障的一種設計特性，為了提高裝備故障檢測與隔離能力，必須開展測試性工作。目前對于機電設備的測試性工作開展較少，特別是對于如何評價機電設備的測試性設計是否達到規定的要求，沒有可操作性的驗證方法。

本文針對此種情況，提出了機電設備的測試性驗證指導流程，介紹了測試性驗證關鍵技術，運用故障注入試驗方法進行機電設備的測試性驗證。

1 驗證指導流程

測試性驗證方法可分為自然故障統計方法和故障注入試驗方法兩類［1］。自然故障統計方法是直接統計產品在試用過程中自然發生的故障，及其故障檢測與隔離信息，評估產品的測試性水平是否滿足規定要求。故障注入試驗方法是在研制的機電設備試驗樣機中注入一定數量的故障模式，用測試性設計規定的或其他輔助的測試方法進行故障檢測與隔離，按其結果來估計產品的測試性水平并判斷是否達到了規定要求，決定接收或拒收，其主要有3個環節:故障樣本分配和選取;注入故障演示試驗;接收/拒收判據。因自然故障統計方法不能及時對裝備進行測試性驗證，具有滯后性，所以本文采用故障注入試驗方法。機電設備的測試性驗證指導流程如圖1所示。

圖1 機電設備的測試性驗證指導流程圖Fig.1 Flow chart for testability verification of electromechanical equipment

1)步驟1，根據機電產品測試性設計、分析資料和規定指標，得出產品測試性驗證要求，明確具體驗證項目。反映測試性水平的指標參數主要有:虛警率(FAR)，故障檢測率(FDR)，故障隔離率(FIR)。FAR的驗證可以同可靠性驗證一起完成，所以測試性驗證主要確定FDR和FIR是否達到規定要求。其定義如下所述。

故障檢測率指在規定條件下用規定的測試設備和方法能夠正確檢測到的故障數與故障總數的比，用百分數表示。其數學模型表示為

式中:ND為在規定條件下用規定方法正確檢測出的故障數;N為產品發生的故障總數。

故障隔離率指用規定的方法將檢測到的故障正確隔離到不大于規定模糊度的故障數與正確檢測到的故障數的比，用百分數表示。其數學模型表示為

式中:NL為在規定條件下，用規定的方法正確隔離到不大于L個可更換單元的故障數;ND為在規定條件下，用規定的方法正確檢測到的故障數。

2)步驟2，結合維修性、可靠性驗證試驗及性能試驗，選擇測試性驗證方法。

測試性的概念自從1975年由F.Liour等人在《設備自動測試性設計》中首次提出后，已從維修性脫離出來。而測試性驗證的一部分工作還仍然在維修性、可靠性驗證試驗中有所涉及。如樣本選取和分配，需對故障模式的影響和危害性進行分析(FMECA)，這可在可靠性分析中得到。這樣做的目的是最大限度地利用維修性、可靠性驗證試驗中的可用數據，減少測試性驗證的工作量。測試性驗證方法［2］可用二項分布法、正態分布法、多項分布法、泊松分布法或超幾何分布法進行制定。二項分布法在 GJBZ20045、GJBZ20045和GB5080.5都有所提到。其特點是獨立同分布;適合成敗型試驗;驗證前計算適中，驗證后無計算;判決無爭議;需要的樣本量適中;適用于故障檢測率，隔離率和虛警率的驗證。故障注入試驗是一種成敗型試驗，當注入故障后能成功檢測或隔離出故障則試驗成功;否則試驗失敗。因此本文采用二項分布方法制定測試性驗證方法。

3)步驟3，制定機電設備測試性驗證計劃。其內容主要包括:確定驗證工作小組;要完成哪些驗證工作項目;每個工作項目如何完成，什么時候完成;如何利用這些工作項目的結果完成產品測試性驗證報告。

4)步驟4，進行測試性驗證技術準備。其內容包括:確定參試樣機;確定樣本集和分配方法［3］;選取故障模式及注入方法;制定測試性驗證綜合數據表，來記錄故障注入后的試驗數據，本文設計了一種比較好用的數據表，見表1;還有其他技術準備工作。

5)步驟5，實施故障注入試驗，故障注入過程［4］如圖2。進行數據采集，填寫好測試性驗證綜合數據表，評估試驗數據，根據接收/拒收判據得出結論。在進行故障注入試驗中，注入故障必須遵守如下原則:

①所注入的故障必須不能破壞任何設備;

②盡量提高故障的可注入性和注入準確性;

③ 注入過程簡單、方便，注入可達性［5］好;

④研制開發方便、簡單，通用性強，可注入故障模式具有典型性;

⑤硬件開銷少，可注入故障類型多。

6)步驟6，審定驗證結果。

如果滿意則最終完成機電設備測試性驗證報告;如果不滿意則修正/改進設計，(若修改程度較大則返回步驟4，若只是輕微修改則直接返回步驟5)重新進行測試性驗證，直至滿意，最終完成機電設備測試性驗證報告。

圖2 故障注入過程Fig.2 The procedure of fault injection

2 測試性驗證關鍵技術

在上文測試性驗證技術準備工作中，樣本分配和選取，故障注入方法，這兩項技術是機電設備測試性驗證方案的關鍵技術。下面對這兩項技術分別進行介紹。

2.1 樣本分配與選取

首先對故障樣本集進行如下定義:從被測對象的故障模式集合中，抽取一定數量的在一定程度上可以代表被測對象的故障模式集合。

目前所進行的測試性驗證，其樣本的分配和選取方法大都是從可靠性、維修性驗證的理論直接引申過來，應用在測試性驗證中存在以下缺陷［6］。

首先，樣本分配。可靠性驗證中的樣本量分配是基于故障率進行的，但在測試性驗證中，更加關注的是產品的測試覆蓋率，基于故障率的樣本量分配方案將會造成試驗結果的失真和不可信。

其次，樣本選取。相關標準［7－8］中都是基于故障率分配后采用隨機抽樣的方法獲得的。根據統計抽樣理論，樣本集應能較好地反映總體的特性，文獻［9］提出了樣本集的充分性準則，滿足一定充分性準則的樣本集將具有很好的代表性。

針對以上問題，可以采取基于故障影響相對比值的樣本分配方案，下面給出故障影響相對比值的定義。故障影響相對比值(Kej):模塊單元j的故障相對發生頻率(Kpj)，故障擴散強度(KIj)，故障危害度相對比值(Krj)，故障模式數相對比值(Kmj)的綜合加權值［10］。其數學模型為

注意:ap、aI、ar、am分別為 Kpj、KIj、Krj、Kmj的加權系數。

式(3)中:Kpj為第j個模塊單元中所有故障模式的故障率總和，與全體模塊單元中所有故障模式的故障率總和的比值;KIj為第j個模塊單元中所有故障模式的故障擴散強度總和，與全體模塊單元中所有故障模式的故障擴散強度總和的比值;Krj為第j個模塊單元中所有故障模式的危害度總和，與全體模塊單元中所有故障模式的危害度總和的比值;Kmj為第j個模塊單元中所有故障模式數量的總和，與全體模塊單元中所有故障模式數量的總和的比值。

2.2 故障注入方法

故障注入的方法可分為兩類:

1)軟件模擬，這類方法依賴于有關系統級的數學模型，且實時性差，可信度低;

2)物理模擬，即對實際的系統施加故障激勵。它又可分成軟件注入和物理注入:軟件注入是指通過仿真裝置對有關寄存器的數據修改達到故障注入的目的;物理注入可分為重離子擊穿法、電源擾動法及管腳級注入法。實際采納的方法多為管腳級故障注入。其理論依據是，器件內部的故障模式都可等效于器件管腳的故障狀態。

對于串聯型組合機構的機電設備，如果不宜直接對所要進行故障注入的目標實施故障注入，可以采用后驅動技術［11］進行物理模擬故障注入。因為串聯式組合機構由一個或兩個以上的基本機構經過串聯使從動件達到某種特定的運動規律或完成復雜的運動軌跡，其前一機構的從動件電路輸出級往往又是后一機構的主動件電路輸入級。并且后驅動技術用于故障注入，實質是從器件的管腳注入，在被測器件的輸入級(前級驅動器件的輸出級)灌入或拉出瞬態大電流，迫使其電位按要求變高或者變低，達到對被測器件施加測試激勵的目的。所以可以改變前一機構的從動件輸出級電位，達到對后一機構主動件電路故障注入的目的。

3 實例驗證

應用上述方案指導流程和關鍵技術，對某串聯型機電裝備進行測試性驗證。驗證中，采取基于故障影響相對比值的樣本分配方案;對不宜直接進行故障注入的目標，采取后驅動技術進行故障注入。每進行一次故障注入試驗，記錄一組試驗數據，填寫好本文設計的測試性驗證綜合數據表，如表1所示。

因為篇幅所限，只給出3個故障模式注入后的試驗數據，所用到的測試點是(t1，t2，t3，t4，t5，t6)。

表1 測試性驗證綜合數據表Table 1 The synthetical data table of testability verification

4 結束語

本文給出了機電設備測試性驗證方法與步驟，并進行了分析。介紹了測試性驗證關鍵技術。對某串聯型機電裝備進行了測試性驗證，給出其測試性驗證綜合數據表的填寫示例。上述探討的方法，對機電設備測試性驗證工作具有一定的指導意義。根據國內外研究情況，制約測試性驗證工作發展的兩個關鍵技術問題是:樣本的分配與選取和故障注入。這在今后的研究中應主要予以解決。

［1］石君友.測試性驗證輔助軟件(TVAS)設計與實現［J］.測控技術，2007(7):58.

［2］周玉芬.測試性驗證的理論和方法研究［R］.西安:空軍工程學院，1998.

［3］葉曉慧，王紅霞，潘佳梁.基于蟻群算法的系統序貫測試性優化研究［J］.計算機測量與控制，2010(10):2224-2227.

［4］田仲，石君友.系統測試性設計與驗證［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003:369.

［5］呂維平，陳云翔，李坤.基于Bayes理論的飛機可達性改進評估［J］.電光與控制，2009，16(11):77-78.

［6］劉雙雙.測試性驗證試驗中故障樣本選取算法研究［D］.武漢:海軍工程大學，2010.

［7］GJB2072-9，維修性試驗與評定［S］.北京:中國標準出版社，1994.

［8］MIL-STD-470A，Maintenance management outline for system and devices［S］.USA，1983.

［9］石君友.試性試驗驗證中的樣本選取方法研究［D］.北京:北京航空航天大學，2004.

［10］王紅霞，葉曉慧，劉雙雙.測試性分析中基于模糊聚類的系統劃分方法研究［J］.微電子學與計算機，2010(7):177-180.

［11］李璇君.基于后驅動技術的故障注入方法研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2001(6):859-860.