基于自然和模擬樣本的檢測率評估方法研究

焦 毅

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

基于自然和模擬樣本的檢測率評估方法研究

焦 毅

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

鑒于產品在試飛現場和測試性模擬試驗的試驗結果均為成敗型數據，為了更加客觀全面的評估產品檢測率，提出了測試性模擬試驗樣本選取及分配原則、自然樣本和模擬樣本融合方法、基于故障率的故障檢測率評估模型，解決了傳統測試性評估方法中在實際應用中的樣本覆蓋不全以及評估結果受限等技術問題。

故障檢測率；模擬樣本；故障率；約定層次

測試性作為裝備的一種設計特性，是構成武器裝備質量特性的重要組成部分。通過良好的測試性設計，可以提高裝備的戰備完好性、任務成功性和安全性，減少維修人力及其他保障資源，降低壽命周期的費用。故障檢測率作為測試性的一項重要指標，是指檢測并發現設備內一個或多個故障的能力，也可作為是通過采用規定的方法和步驟直接或間接地確定系統或單元故障，或向操作人員指示故障的能力。

國外自上世紀70年代以來，機內測試技術已廣泛用于武器系統研制過程，國內新研制的重要系統或設備的技術指標中也都包括測試性的定性和定量要求。這同時也要求在產品整個設計研制過程中需進行一系列的測試性設計與驗證工作,并且要進行測試性指標的驗證。故障檢測率作為測試性的一項重要指標，如何實現故障檢測率的科學評估和客觀驗證將成為測試性的一個重要研究方向。

故障檢測率的定義：在規定的時間內和規定的條件下，用規定的方法正確檢測到的故障數與被測單元發生的故障總數之比。傳統的評估模型如下：

式中：

γFD—故障檢測率；NFD—在規定的時間內和規定的條件下，用規定的方法正確檢測到的故障數；N —規定的時間內被測單元發生的故障總數。

1 面臨的問題

試飛階段的測試性指標驗證是產品定型或鑒定工作的重要組成部分。而目前在實際工作中，故障檢測率的評估主要存在以下幾個方面的問題。

隨著高可靠性電子元器件的廣泛應用，產品的可靠性得到了極大的提高。而在試飛期間，由于周期較短，產品產生的自然樣本量較少，一般不能滿足GJB 2072-1994《維修性試驗與評定》規定的30個樣本要求，現階段一般采用測試性模擬試驗的方式進行補充樣本。然而由于評估對象的不同，會出現以下兩種情況：

● 對于組成較為簡單、故障模式較少的產品（如配電裝置等），選取所有的故障模式作仍不能滿足30個樣本量的要求；

● 對組成較為復雜、故障模式較多的產品（如任務電子系統等），30個樣本量無法覆蓋所有的現場可更換單元（Line Replaceable Unit，LRU），無法準確反映產品測試性的真實水平。

產品測試性模擬試驗樣本的選取是根據產品的故障模式及影響分析（FMEA）報告中對應約定層次的故障模式，然而在試飛現場發生的自然樣本中會存在無法與FMEA報告中的故障模式對應的情況，最后導致無法直接對模擬樣本和自然樣本進行融合。

產品模擬注入故障或自然發生故障，使用規定的故障檢測程序，其結果只有兩種可能：檢測到故障或未檢測到故障，屬于成敗型試驗，每個樣本只需模擬一次便可以反映產品的測試性水平。然而每個樣本發生的概率不同，因此利用傳統的計算模型無法考慮各產品各組成部件故障率的影響。

針對以上問題，結合試飛現場和產品設計的復雜程度等情況，本文通過建立測試性模擬試驗樣本選取及分配原則、自然樣本和模擬樣本融合方法，并在此基礎上建立基于故障率的故障檢測率評估模型，解決了傳統測試性評估方法中在實際應用中的樣本覆蓋不全以及評估結果受限等技術問題。

2 解決方案

2.1 測試性模擬試驗樣本選取及分配原則

對于試飛期間產品自然樣本量無法滿足要求的問題，現階段一般均采用測試性模擬試驗的方式進行補充樣本，在GJB 2072-1994中規定測試性模擬樣本量和樣本的分配均參照維修性模擬試驗。而這種方法的缺陷在于：

對于維修性模擬試驗來說，由于人和環境的因素影響，同一個樣本每次所產生的維修作業時間是不一樣的，所以按照故障率進行分配時，對于一個樣本可以分配大于1的樣本量。而對于測試性模擬試驗來說，同一個測試樣本的結果，無論分配的次數是多少，其結果僅有兩種可能：檢測到故障或未檢測到故障。所以對于測試性模擬試驗來說，同一測試樣本的樣本量分配應均為1。

隨著航空產品的不斷發展，測試性設計也隨之融入到更多的設備或系統中，因此測試性指標驗證的對象也變的越來越復雜。如果按30個樣本量的要求選取樣本，會出現：對于組成較為簡單、故障模式較少的產品（如配電裝置等），選取所有的故障模式作仍不能滿足30個樣本量的要求；對于組成較為復雜、故障模式較多的產品（如任務電子系統等），30個樣本量不能覆蓋所有的LRU，無法反映產品測試性的真實水平。

依據GJB 2072-1994及實際經驗的總結，測試性模擬試驗樣本的選取及分配應遵循以下原則：

● 測試性模擬試驗樣本的選取應依據產品FMEA報告中相應約定層次的所有故障模式（試飛期間外場測試性驗證為LRU級）；

● 剔除由于經費原因、產品破壞后無法修復和安全性等因素而不能進行注入的故障模式，篩選出試驗能進行模擬的故障模式；

● 選定作為測試性模擬試驗樣本的所有故障模式需覆蓋所有需驗證的約定層次（試飛期間外場測試性驗證的約定層次為LRU）；

● 對選定的測試性模擬試驗樣本應明確注入的方式，且每一個測試樣本的樣本量分配均為1。

2.2 自然樣本和模擬樣本融合方法

測試性模擬試驗樣本選取及分配原則的建立解決了樣本不足的問題。但在試飛中，大部分產品會發生故障，產生自然樣本。由于產品測試性模擬試驗樣本的選取是根據產品的故障模式及影響分析(FMEA)報告中對應約定層次（外場測試性驗證的約定層次為LRU級）的故障模式，然而在試飛現場發生的自然樣本中會存在無法與FMEA報告中的故障模式對應的情況，如圖1。

圖1 中A部分為自然樣本，且FMEA報告中未涉及；B部分為模擬樣本，且在試飛中未發生；C部分為即在試飛中出現，又包含于模擬樣本中。產生此類現象的原因主要有以下兩點：

a）在測試性的設計階段，設計單位對產品進行FMEA分析時，由于對產品工作環境等因素考慮不充分等原因，產品的故障模式無法羅列全面；

b）由于軍方對新型裝備的迫切需求，導致產品的研制進度非常緊張。往往設計定型試飛會和軟件測評、環境鑒定試驗等同步進行，這樣會出現產品發生故障時的狀態（含硬件及軟件狀態）和最后定型的狀態存在偏差。

因此在測試性模擬試驗實施之前，需分析外場發生故障的原因，如果注入方式不具有破壞性且故障成因可復現，可將自然樣本補充到測試性模擬試驗中，既可以對模擬樣本進行補充，也可以對FMEA報告進行完善。

2.3 基于故障率的故障檢測率評估模型

依據設計單位提供的FMEA報告和外場發生的自然樣本，按上述原則和方法進行測試性模擬樣本的選取。組織開展測試性模擬試驗，采用規定的方法進行故障的注入，統計模擬樣本的檢測情況，產生測試性模擬試驗數據。

由于測試性模擬試驗樣本不是按照各個產品的故障率進行分配，而是采用等比例分配的方法，因此在評估中需加權故障率。然而由于FMEA報告中對產品的故障模式分析不全面，如圖1中的A部分，會存在外場發生，而FMEA報告未涉及的情況。因此本文在故障檢測率傳統評估模型的基礎上，結合和外場故障和測試性模擬試驗的特點，建立基于LRU級故障率的故障檢測率評估模型：

首先通過公式（2）計算第i個LRU的故障檢測率：

式中：

NZD—正確檢測出的自然故障（因無法注入而未模擬的樣本）數；NMD—正確檢測出的模擬故障數；NZ—自然故障（未列入模擬清單的樣本）總數；NM—模擬故障總數。

然后通過加權產品各個LRU故障率的方式，計算產品的故障檢測率：

式中：

rFD—系統的故障檢出率（Fault Detecting Relay，FDR）評估值；NL—系統包含的LRU個數；λLRUi—第i個LRU故障率；rLRUi—第i個LRU的故障正確檢出率。

3 應用與意義

上述方法是在考慮測試性評估樣本全面性的基礎上，結合外面試飛的特點，建立基于LRU故障率的故障檢測率評估模型。目前，基于自然和模擬樣本的故障檢測率評估方法已應用到某型飛機各分系統或設備的故障檢測率評估工作中，并在后續型號的技術準備階段得到了推廣和應用。

通過產品的設計鑒定及定型等工作結果表明：此方法有效的解決了測試性模擬試驗樣本的選取和分配、自然樣本和模擬試驗樣本無法融合等技術問題，提高了故障檢測率評估結果準確度和可信度；并通過對試飛階段的測試性模擬試驗和外場數據分析和處理，發現產品存在測試性設計問題，為其測試性水平的提高提供數據支持和理論依據，具有很高的工程應用價值。

融合了試飛期間外場和FMEA的綜合樣本庫，相對于單純的內場測試性試驗，能夠更加全面、真實的反應產品測試性水平，其作用和意義如下：

● 除了完成測試性評估所需的產品部件類故障外，還可以對功能性故障的測試性水平進行驗證。對于維護人員用來說，產品功能的檢測更能夠為航空裝備的使用提供支撐和幫助；

● 通過對外場樣本和FMEA中故障樣本的復現，能夠有針對性的發現測試性水平的不足；

● 完成試驗后結合外場使用和測試性評估，針對產品的測試性問題，提出產品測試性水平的改進建議。

4 結束語

為提高裝備的測試性，在裝備試驗過程中依據了大量的行業規范和標準。但由于裝備在試飛使用期間會受到外部環境、數據激勵以及響應等因素的影響，導致無法預知的故障發生；同時，隨著軍事裝備的多元化發展，也帶來了標準的適用性降低。因此在試飛階段的故障檢測率的驗證工作中，現有的方法存在較多的使用限制，操作性較差。

試飛階段的測試性評估工作具有其自身的特點，在相關標準和規范尚不健全的情況下，為了更加全面客觀對產品進行評價，通過對型號課題中的多次測試性模擬試驗和外場發生故障等數據進行分析和總結，并對產品測試性設計階段的相關標準和規范進行解讀，建立了基于自然樣本和模擬樣本的故障檢測率評估方法。本文通過對故障檢測率評估方法的研究，反映了“依據標準，充分考慮試飛和裝備的，在注重工程化應用的基礎上進行理論方法的應用性創新”的思路。

[1] 康銳，石榮德，肖波平等. 型號可靠性維修性保障性技術規范[M]. 北京：國防工業出版社，2010.

[2] 康銳. 測試性性設計分析與驗證[M]. 北京：國防工業出版社，2011.

[3] 趙廷弟. 安全性設計分析與驗證[M]. 北京：國防工業出版社，2011.）

T-65

C

1003-6660（2017）03-0054-03

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.013

2016-11-02

（編輯：勞邊）