基于FMEA與FTA的智能集成平臺測試方法

中圖分類號：U662.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)14-0170-04

Abstract:Toenhancetheacuracyandcomprehensivenessof testcasedesignintheIntellgent Integral Platform(IP)system testingprocess，andtoddresslimitationsinteefectivenessanduffciencyofexistingdesigns，thisstudymplosFlureMde andEfectsAnalysis(FMEA)andFaultTreeAnalysis(FTA).Throughtheintegrationoftheseanalyticalmethodologies，theyare systematicallyapliedtothetestingframeworkoftheIIPsystem.Findingsfrompracticalapplicationtestingindicatethatthis approachsubstantiallyenhances thesuffciencyandefectivenessoftestcase designforthe IIPsystem.Theseresultsffera valuablereference for optimizing testing protocolsand standardswithin the Intelligent Integral Platform system.

Keywords:smart ship;intelligent integrated platform;FMEA;FTA;test method

智能船舶是傳統造船業與現代信息技術的深度融合。這一領域的發展要求從概念化設計到實際運行的全過程，都需經過細致的功能和系統測試與驗證，以確保其功能的合理性、可靠性和完整性。因此，建立智能船舶的功能測試與驗證技術，以及建立相應的測試驗證體系，對于將智能船舶的概念轉化為實際應用至關重要。智能集成平臺作為智能船舶的關鍵系統組成部分，建立其系統測試方法體系對于智能船舶的穩定運行至關重要。本文將以智能集成平臺功能架構為測試對象，通過結合故障模式與影響分析(FMEA）和故障樹分析(FTA)技術，確定智能集成平臺測試優先級，生成測試用例，為智能集成平臺的設計、優化提供技術支持和評價標準。

1智能船基平臺功能及構成

根據中國船級社(CCS)發布的《智能船舶規范》（2024），智能集成平臺功能架構包括數據采集、數據存儲、數據整合、數據應用、數據共享與展示和船岸信息交互[2]。

1.1 數據采集

數據采集模塊是智能船舶集成平臺的基石，它通過部署一系列高精度傳感器和數據采集設備，實時監測船舶的機械狀態、環境參數以及航行性能。該模塊的關鍵任務是確保所收集數據的準確性和完整性，為船舶的智能化管理和決策提供原始輸入。測試重點包括驗證傳感器在多變海洋環境中的穩定性、數據采集的實時性以及數據傳輸過程中的安全性和完整性。

1.2 數據存儲

數據存儲模塊負責將采集到的海量數據進行有效存儲和管理。采用高可用、高性能的數據存儲方案，并實施數據備份和災難恢復策略，以防止數據丟失或損壞。該模塊的測試重點在于評估存儲系統的容量規劃、數據讀寫性能，以及數據備份和恢復機制的可靠性，確保長期存儲的數據安全和高可用性。

1.3 數據整合

數據整合模塊將多源異構數據進行融合和處理，以形成一個統一、標準的數據。為船舶的智能應用提

供一致性的數據支持。測試重點在于驗證數據整合的準確性、效率以及整合后數據的一致性和時效性，確保信息的準確表達和應用的有效性。

1.4數據應用

數據應用模塊是智能船舶集成平臺的核心，它通過集成和分析采集的數據，給智能航行、智能機艙、智能能效管理等船舶智能系統提供數據支持，為船舶的智能化運行提供決策支持。該模塊測試重點在于驗證數據分析的準確性、算法的可靠性，以及系統對不同運營場景的適應性和響應能力，確保決策建議的有效性和實用性。

1.5數據共享與展示

數據共享與展示模塊致力于將處理后的數據和分析結果以直觀、易理解的方式呈現給用戶，并支持數據在船舶內部及與岸基系統間的安全共享。它通過

設計友好的用戶界面和實施數據共享協議，提高信息的可用性和交互效率。測試重點在于評估數據展示的清晰度、直觀性，以及數據共享的安全性和權限控制。

1.6 船岸信息交互

船岸信息交互模塊是智能船舶與岸基系統之間通信的關鍵，它通過可靠的通信技術，如衛星和無線網絡，實現數據的實時傳輸和遠程控制指令的執行。該模塊的測試重點在于驗證通信鏈路的穩定性、數據傳輸的實時性和準確性，以及在緊急情況下的快速響應能力，確保船岸之間的無縫連接和有效協同。

2智能集成平臺測試方法框架及步驟

針對智能集成平臺功能特點和系統在智能船舶中的定位，本文結合現有的技術資料，提出了一種基于FMEA和FTA的智能集成平臺測試方法框架，如圖1所示。

故障模式與影響分析（FMEA）和故障樹分析(FTA)是2種用于評估軟硬件系統風險性的技術。它們主要被應用于那些對安全性和穩定性有著嚴格要求的軟硬件系統中。然而，單獨應用這些技術進行系統穩定性分析時存在不足。FMEA是一種從局部到整體分析單一故障路徑的方法，其結果通常以表格形式呈現，這限制了它在表達故障原因之間復雜邏輯關系的能力，并且它主要關注單點故障的改進，而忽視了多點故障的可能性。FTA是一種從整體到局部，按照樹狀圖逆向追溯故障原因的方法，但在選擇最頂層事件時可能會忽略一些潛在因素，同時在分析底層事件時也可能存在疏漏，這可能會影響對底層事件重要性的排序，進而影響到改進措施的優先級判斷。

本文提出的智能集成平臺測試方法框架，結合了FMEA和FTA分析技術的各自優勢，通過正向綜合分析，先通過FMEA分析智能集成平臺系統結構，確定約定層次，獲得失效影響。再由FTA進行失效原因分析。輸出的分析結果包括失效模式、失效原因、失效影響和失效嚴重度。

基于GJB/Z1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》給出的失效嚴重度評級標準，失效嚴重度等級為10到1級。10級代表失效故障嚴重程度最嚴重，1級代表失效故障嚴重程度最輕4。失效嚴重度通常根據失效影響和可能性來進行分析評級。在智能集成平臺測試用例的制定過程中，依據失效嚴重性來安排測試任務的優先順序和資源配置，確保那些具有較高嚴重等級的失效模式能夠獲得優先級的測試。通過這種方式，可以保證在測試過程中，對那些可能導致嚴重后果的失效模式給予重點測試。

相比于單一故障分析模式，通過結合FMEA和

FTA故障分析技術，在設置測試用例時，通過整合失效故障管理策略，測試計劃可以變得更加周全和合理。這種方法不僅有助于明確測試的優先級和關鍵點，還能有效分配測試資源，提升了系統的可靠性，并減少了系統測試過程中的風險5。

智能集成平臺測試方法框架具體作業步驟如下。

首先，分析智能集成平臺系統架構，確定約定層次。

其次，列舉系統中約定層次的失效模式，建立FMEA工作表，分析系統失效模式的失效影響和嚴重度。

然后，用FTA故障樹分析對應失效模式，通過FTA的基事件，確認測試的子功能點和測試細節。

最后，通過確認的子功能點和失效嚴重度，確認系統測試用例和測試細節

3智能集成平臺測試應用

以智能集成平臺系統數據采集模塊為分析對象，在系統測試中采用上述測試框架和步驟進行了系統測試前期分析和測試用例制定。以驗證系統測試實施過程中針對性的提升。

3.1 確定測試對象

智能集成平臺系統架構如圖2所示，共有6個功能模塊，包括數據采集模塊、數據存儲模塊、數據整合模塊、數據應用模塊、數據共享與展示模塊和船岸信息交互模塊。數據采集模塊又包含NEMA協議采集、Modbus協議采集、OPCUA協議采集。OPCUA協議采集模塊將作為實際系統應用模塊進行測試方法的驗證。

3.2建立FMEA分析工作表

析約定對象為圖2中的A1、A2、A3、A4，FMEA分析以

在確認OPCUA協議采集為約定分析對象，最低分A1、A2為例，建立FMEA分析工作表，見表1。

3.3 FTA故障樹分析

在進行FTA故障樹分析時，將“控制決策異?！倍ㄎ粸轫攲庸收鲜录?，并運用分層分析的方法進行研究，相關分析如圖3所示。FTA故障樹分析可以通過最小割集來判斷各個失效基事件，通過分析各個失效基事件是否有足夠可靠性驗證，來設定最后的系統驗證測試用例。同時，可以根據失效基事件來完善FMEA分析表中的失效原因。

3.4系統驗證測試用例大綱建立

依據FMEA的失效分類和失效模式，能夠定位系統驗證測試的關鍵功能點。失效嚴重性可以幫助確認系統驗證測試的執行順序，嚴重度高的優先進行系統驗證。FTA中的失效基事件能夠協助識別系統驗證測試的子功能點和需要關注的測試細節?；贔MEA和FTA分析后的控制決策異常測試驗證用例大綱整理見表2。

通過結合故障模式與影響分析(FMEA)和故障樹分析（FTA）的方法來構建系統驗證測試用例大綱，能夠顯著提升測試用例大綱制定的效率，并增強測試流程的一致性，同時降低系統失效風險被遺漏的可能性。在FMEA框架下，每個失效分類被定義為一個宏觀的測試功能點，通過FTA分析，每個失效基事件則細化為一個具體的測試點。通過評估風險的嚴重性來確定測試的優先順序，使得高風險測試得以優先執行，能合理且有效地分配系統驗證資源，保障系統關鍵性 問題的快速識別和驗證

4結論

傳統系統驗證在初始階段，需要對需求規格和設計文檔進行詳盡的分析，通常根據文檔所提供的邏輯結構，構建系統驗證測試方案。而基于FMEA和FTA分析的智能集成平臺測試方法，通過對系統分別從下而上，再從上而下進行全面系統風險分析，跟蹤提煉系統中的每一個系統風險性線索，可以實現對系統風險的整體把控。同時，該方法能夠迅速識別和確認系統中的關鍵性問題，定位出每個故障的具體原因，從而使系統驗證工作更具目標性。此外，通過評估風險的嚴重性來確定測試的優先順序，使得高風險測試得以優先執行，能合理且有效地分配系統驗證資源。

本文所提出的基于FMEA和FTA分析的智能集成平臺測試方法，能夠有效評估智能船舶集成平臺各個模塊的風險程度，挖掘定位系統中的關鍵失效風險和原因，具有較高的適用性和可行性。通過實船系統測試驗證，表明該測試方案能夠有效、全面地為智能集成平臺系統實施系統測試驗證，并可為類似智能船舶系統開展系統驗證測試提供參考。

參考文獻：

[1]劉佳侖，楊帆，馬楓，等.智能船舶航行功能測試驗證的方法體系[J].中國艦船研究，2021，16(1):45-50.

[2]中國船級社.智能船舶規范[S].北京：中國船級社，2024.

[3] CRISTEA G， CONSTANTINESCU D M. A com parative critical study between FMEA and FTA risk analysismethods[C]// International Congress of Automotive and Transport Engineering，2017.

[4]中國人民解放軍總裝備部.故障模式、影響及危害性分析指南：GJB/Z1391—2006[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2006:9-17.

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