基于虛擬試驗的潛通路分析技術

趙 巖,李 智,姜 爽,徐海運,張 翔

（中國運載火箭技術研究院研發中心,北京,100076）

基于虛擬試驗的潛通路分析技術

趙 巖,李 智,姜 爽,徐海運,張 翔

（中國運載火箭技術研究院研發中心,北京,100076）

當前，虛擬試驗在航天、航空、船舶等軍工領域的應用取得了長足的發展，并成為國防技術研究的重要領域。基于虛擬試驗的潛通路分析軟件在軍工領域電子電氣大型復雜系統中逐漸受到各領域的重視，它的成功應用給項目帶來了質量提高、風險降低以及成本減少等優點。

虛擬試驗；潛通路分析；電子電氣系統

0 引言

在傳統的航天、航空、船舶等軍工領域電子電氣系統研制過程中，為了消除系統的潛在問題缺陷，要進行各種行之有效的圖紙分析以及各種條件下常規的產品試驗和測試。隨著虛擬試驗的提出，在產品投產前系統圖紙設計過程中往往會通過計算機仿真分析軟件虛擬真實試驗的各種工況，讓潛在通路在產品投產前盡量暴露出來，更改并完善設計。

1 虛擬試驗1.1 概述

虛擬試驗可以定義為在虛擬環境中進行的試驗。通常情況下，虛擬試驗環境是基于計算機軟件研制的仿真試驗系統，設計者可以利用計算機軟件龐大的數據庫，將設計圖紙原型真實建立成虛擬試驗環境中的簡化模型，借助交互式技術和試驗分析技術，在設計階段對系統或單機的運行性能進行評估和體驗。

1.2 優勢分析

虛擬試驗的優點在于虛擬試驗不僅僅可以看作真實試驗前期準備工作，而且虛擬試驗改變了傳統的試驗模式：過去是必須先有實物才可以進行試驗驗證，而虛擬試驗使整個試驗方法發生了根本改變，原來試驗模式是圖紙設計、產品生產、實物試驗，試驗未通過則需要重新修改設計，導致產品試驗定性周期長，試驗效率低，成本高。而虛擬試驗則將試驗驗證環節前移，通過設計建模試驗，迭代改進模型，然后生產再進行最后的實物試驗，從而降低了研制風險和資金成本，縮短了研制周期。據統計，產品設計階段80%以上的設計缺陷可以通過虛擬試驗消除。

虛擬試驗是國防技術領域研究的發展趨勢，虛擬試驗技術可以實現設計、分析、試驗驗證的一體化，美國的第四代戰斗機開發流程，從概念設計、結構模型、氣動力分析，到航電系統試驗驗證、狀態仿真設計等，均采用虛擬試驗技術進行一體化設計研制。

虛擬試驗與傳統試驗相比，具有以下優點：

1）可以大幅度減少樣機研制試驗次數，縮短新產品試驗周期，減少實物試驗的費用，降低項目技術風險；

2）虛擬試驗可以實現設計者在產品設計階段產品運行性能驗證，使設計者進一步優化或修改設計，避免在后期實物試驗出現潛在問題。

2 潛通路分析技術

2.1 概述

潛通路分析技術（Sneak Circuit Analysis，簡稱SCA）最早是美國波音公司于阿波羅登月計劃期間基于電子電氣系統提出的，它是一種行之有效的工程系統的可靠性分析與保障工具，同樣也是一項基于虛擬試驗的計算機仿真分析技術。波音公司通過研究大量的故障案例發現許多故障并非是元器件失效引起，而是系統設計方案中固有狀態引發的，而這些狀態是設計者無意引入設計方案中的。在某種狀態下，系統存在著設計者未意識到的潛在通路，在特定情況下會產生非預期的功能或抑制預期的功能，引起系統故障，甚至嚴重故障，包括設備損壞或人員傷亡。例如，火箭發射點火后誤發緊急關機指令造成發射失利、飛機在停機坪上誤發具有嚴重危害性的導彈、座艙失火時不能迅速打開艙門逃逸使宇航員遭到死亡，類似事故所造成的損失是驚人的，不僅造成經濟損失，而且帶來人員傷亡，甚至政治上和軍事上都陷入被動。

至1975年，波音公司完成了阿波羅的潛在分析任務，發現潛在電路208個，設計缺陷13個，設計圖錯誤1500個，提高了阿波羅的安全性與可靠性，在工程界產生了很大的反響，很快在各重要領域得到應用，研究證明，在復雜的氣路、液路系統中亦有可能存在潛在路徑，且同樣具有嚴重危害。

潛通路分析技術是一項旨在預先發現潛在通路的工程技術，是一項極具社會經濟效益的應用技術。

2.2 國內外研究現狀

1967年，美國NASA投資波音公司開始研究開發能夠預先發現潛通路的分析技術。經過8年的攻關，波音公司建立了規范的潛在分析理論和方法，并開發了計算機輔助工具。1972年波音公司研發成功采用電路模擬方法識別軟件中潛在問題的分析技術，1978年研發成功混合電路潛在分析技術，1989年研發成功集成電路潛在分析技術。1990年，SoHaR公司受美國空軍羅姆中心委托研發成功了一個與電路輸入工具OrCAD結合、利用專家系統支持線索表檢查的輔助分析系統SCAT。1995年，SoHaR公司與Phase Three Logic 公司合作，推出了具有先進Windows圖形界面的分析工具CapFast/SCAT。

20世紀80年代中期，歐洲也開始潛通路技術的研究，1994年，歐洲空間局（ESA）在美國可靠性與安全性年會上，首次向外界公布了其研究新進展。1997年10月，根據ESA-SCA方法改編、修訂的歐洲空間合作標準化組織（ECSS）的潛在分析標準ECSS-Q-40-04A：Part1-Part2正式頒布，它標志著歐洲在該領域的研究和應用已趨于規范化。

國內近60年的導彈及運載火箭試驗和靶場發射中，由潛在通路引起的故障或事故不在少數，但真正認識和研究潛在通路則始于80年代末90年代初。1987年前后航天總公司開始引進有關資料，1990年潛通路分析技術被列為航天九五重點預研課題。在對國內導彈與航天曾發生過的潛通路問題進行系統調研、分析與總結的基礎上，1996年前后建立了一套適合我國國情的潛通路分析方法，但其工作量非常之大，且對分析人員要求高，從而限制了該技術的推廣使用。

國外潛通路分析技術較為成熟，主要代表為波音公司、歐洲空間局和SoHaR公司的多種分析方法和手段。由于潛通路分析技術的重要性，國外該技術方法的詳細資料均對外封鎖，自1988年，國內航空611所、航天12所、708所、北京航空航天大學、西北工業大學、電子科技大學等一些研究所和高校陸續開展了大量的潛通路理論和分析系統的研究工作，也開發了多種潛通路分析系統。

圖1 典型潛通路分析過程框圖

3 工程應用

在工程實踐中，實物試驗（如綜合試驗、匹配試驗、靶場試驗等）需要耗費較大的人力資源，如果在實物試驗前未開展潛通路分析則存在出現潛通路問題的風險，而這種風險是不可預見的，一旦出現則需要時間去分析和處理，然后進行返廠更改或維修，耽誤了項目進度，同時，也給項目帶來了研制成本。

潛通路分析技術作為一項虛擬試驗技術，通常在產品投產之前完成，虛擬實物試驗的各種工況，消除潛在通路的危害。

目前，潛通路分析技術已經在航天、航空、船舶等軍工領域以及工業領域得到廣泛應用。常用的潛通路分析方法有國外波音公司的規范SCA方法、歐洲空間局的簡化SCA方法、SoHaR公司的潛在通路分析系統SCAT和國內航天708所潛在電路分析軟件、航天301所、成都電子科技大學和航空611所聯合開發的計算機輔助潛通路分析軟件、航天12所開發的計算機輔助網絡樹生成系統等，典型的潛通路分析過程框圖見圖1。

4 未來與展望

在未來高成本、高可靠性的國防軍工技術研發體系中，虛擬試驗的應用愈顯重要。在國防技術工業中，潛通路問題的存在嚴重影響了火箭、導彈、衛星、飛機及船舶等電子電氣系統研發過程中的測試流程和測試質量，為此，基于虛擬試驗的潛通路分析技術在提高其產品設計質量和可靠性方面有著廣闊的應用前景。

[1] 黃雪英. 面向虛擬試驗的工程數據庫研究技術研究[D].西北工業大學,2007,7～9.

[2] 徐克俊. 航天發射故障診斷技術[M]. 北京：國防工業出版社, 2007.

[3] 任立明. 潛在電路分析技術及在航天控制系統中的應用[J].航天控制, 1998,1:56-61.

[4] 李國華,胡昌華等. 潛在通路分析技術的發展[J].安全與環境學報, 2004,2:84-85.

[5] 嚴殿啟. 潛通路分析技術[J].導彈與航天運載技術, 2000,1:43-44.

[6] 張大慶,宋斌. 電子系統的潛通路分析技術[J].光電技術應用, 2006,4:44.

Technology based on virtual experiment for sneak circuit analysis

Zhao Yan,Jiang Shuang,Xu Haiyun，Zhang Xiang
(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center,Beijing,100076)

At present,the application of virtual experiment in the aerospace,aviation,shipping and other military fields has achieved considerable development,and has become an important research field of national defense technology.The application of software based on virtual experiment for sneak circuit analysis in the complex electrical and electronic system has been valued in various fields,it brings the advantages of quality improvement,risk reduction and cost reduction to the project.

virtual experiment;sneak circuit analysis;electrical and electronic system

趙巖（1987-），男，山西陽泉人，碩士，工程師，主要從事供配電系統及綜合測試系統總體設計。