趙 巖,李 智,姜 爽,徐海運(yùn),張 翔

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心,北京,100076）

基于虛擬試驗(yàn)的潛通路分析技術(shù)

趙 巖,李 智,姜 爽,徐海運(yùn),張 翔

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心,北京,100076）

當(dāng)前，虛擬試驗(yàn)在航天、航空、船舶等軍工領(lǐng)域的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并成為國(guó)防技術(shù)研究的重要領(lǐng)域?；谔摂M試驗(yàn)的潛通路分析軟件在軍工領(lǐng)域電子電氣大型復(fù)雜系統(tǒng)中逐漸受到各領(lǐng)域的重視，它的成功應(yīng)用給項(xiàng)目帶來(lái)了質(zhì)量提高、風(fēng)險(xiǎn)降低以及成本減少等優(yōu)點(diǎn)。

虛擬試驗(yàn)；潛通路分析；電子電氣系統(tǒng)

0 引言

在傳統(tǒng)的航天、航空、船舶等軍工領(lǐng)域電子電氣系統(tǒng)研制過(guò)程中，為了消除系統(tǒng)的潛在問(wèn)題缺陷，要進(jìn)行各種行之有效的圖紙分析以及各種條件下常規(guī)的產(chǎn)品試驗(yàn)和測(cè)試。隨著虛擬試驗(yàn)的提出，在產(chǎn)品投產(chǎn)前系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析軟件虛擬真實(shí)試驗(yàn)的各種工況，讓潛在通路在產(chǎn)品投產(chǎn)前盡量暴露出來(lái)，更改并完善設(shè)計(jì)。

1 虛擬試驗(yàn)1.1 概述

虛擬試驗(yàn)可以定義為在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的試驗(yàn)。通常情況下，虛擬試驗(yàn)環(huán)境是基于計(jì)算機(jī)軟件研制的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可以利用計(jì)算機(jī)軟件龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，將設(shè)計(jì)圖紙?jiān)驼鎸?shí)建立成虛擬試驗(yàn)環(huán)境中的簡(jiǎn)化模型，借助交互式技術(shù)和試驗(yàn)分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)或單機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估和體驗(yàn)。

1.2 優(yōu)勢(shì)分析

虛擬試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于虛擬試驗(yàn)不僅僅可以看作真實(shí)試驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作，而且虛擬試驗(yàn)改變了傳統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑哼^(guò)去是必須先有實(shí)物才可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，而虛擬試驗(yàn)使整個(gè)試驗(yàn)方法發(fā)生了根本改變，原來(lái)試驗(yàn)?zāi)Ｊ绞菆D紙?jiān)O(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)、實(shí)物試驗(yàn)，試驗(yàn)未通過(guò)則需要重新修改設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品試驗(yàn)定性周期長(zhǎng)，試驗(yàn)效率低，成本高。而虛擬試驗(yàn)則將試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)前移，通過(guò)設(shè)計(jì)建模試驗(yàn)，迭代改進(jìn)模型，然后生產(chǎn)再進(jìn)行最后的實(shí)物試驗(yàn)，從而降低了研制風(fēng)險(xiǎn)和資金成本，縮短了研制周期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段80%以上的設(shè)計(jì)缺陷可以通過(guò)虛擬試驗(yàn)消除。

虛擬試驗(yàn)是國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢(shì)，虛擬試驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)驗(yàn)證的一體化，美國(guó)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)開發(fā)流程，從概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模型、氣動(dòng)力分析，到航電系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證、狀態(tài)仿真設(shè)計(jì)等，均采用虛擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)研制。

虛擬試驗(yàn)與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可以大幅度減少樣機(jī)研制試驗(yàn)次數(shù)，縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期，減少實(shí)物試驗(yàn)的費(fèi)用，降低項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；

2）虛擬試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品運(yùn)行性能驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)者進(jìn)一步優(yōu)化或修改設(shè)計(jì)，避免在后期實(shí)物試驗(yàn)出現(xiàn)潛在問(wèn)題。

2 潛通路分析技術(shù)

2.1 概述

潛通路分析技術(shù)（Sneak Circuit Analysis，簡(jiǎn)稱SCA）最早是美國(guó)波音公司于阿波羅登月計(jì)劃期間基于電子電氣系統(tǒng)提出的，它是一種行之有效的工程系統(tǒng)的可靠性分析與保障工具，同樣也是一項(xiàng)基于虛擬試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)。波音公司通過(guò)研究大量的故障案例發(fā)現(xiàn)許多故障并非是元器件失效引起，而是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中固有狀態(tài)引發(fā)的，而這些狀態(tài)是設(shè)計(jì)者無(wú)意引入設(shè)計(jì)方案中的。在某種狀態(tài)下，系統(tǒng)存在著設(shè)計(jì)者未意識(shí)到的潛在通路，在特定情況下會(huì)產(chǎn)生非預(yù)期的功能或抑制預(yù)期的功能，引起系統(tǒng)故障，甚至嚴(yán)重故障，包括設(shè)備損壞或人員傷亡。例如，火箭發(fā)射點(diǎn)火后誤發(fā)緊急關(guān)機(jī)指令造成發(fā)射失利、飛機(jī)在停機(jī)坪上誤發(fā)具有嚴(yán)重危害性的導(dǎo)彈、座艙失火時(shí)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(jīng)濟(jì)損失，而且?guī)?lái)人員傷亡，甚至政治上和軍事上都陷入被動(dòng)。

至1975年，波音公司完成了阿波羅的潛在分析任務(wù)，發(fā)現(xiàn)潛在電路208個(gè)，設(shè)計(jì)缺陷13個(gè)，設(shè)計(jì)圖錯(cuò)誤1500個(gè)，提高了阿波羅的安全性與可靠性，在工程界產(chǎn)生了很大的反響，很快在各重要領(lǐng)域得到應(yīng)用，研究證明，在復(fù)雜的氣路、液路系統(tǒng)中亦有可能存在潛在路徑，且同樣具有嚴(yán)重危害。

潛通路分析技術(shù)是一項(xiàng)旨在預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在通路的工程技術(shù)，是一項(xiàng)極具社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用技術(shù)。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1967年，美國(guó)NASA投資波音公司開始研究開發(fā)能夠預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛通路的分析技術(shù)。經(jīng)過(guò)8年的攻關(guān)，波音公司建立了規(guī)范的潛在分析理論和方法，并開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助工具。1972年波音公司研發(fā)成功采用電路模擬方法識(shí)別軟件中潛在問(wèn)題的分析技術(shù)，1978年研發(fā)成功混合電路潛在分析技術(shù)，1989年研發(fā)成功集成電路潛在分析技術(shù)。1990年，SoHaR公司受美國(guó)空軍羅姆中心委托研發(fā)成功了一個(gè)與電路輸入工具OrCAD結(jié)合、利用專家系統(tǒng)支持線索表檢查的輔助分析系統(tǒng)SCAT。1995年，SoHaR公司與Phase Three Logic 公司合作，推出了具有先進(jìn)Windows圖形界面的分析工具CapFast/SCAT。

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

國(guó)內(nèi)近60年的導(dǎo)彈及運(yùn)載火箭試驗(yàn)和靶場(chǎng)發(fā)射中，由潛在通路引起的故障或事故不在少數(shù)，但真正認(rèn)識(shí)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(jìn)有關(guān)資料，1990年潛通路分析技術(shù)被列為航天九五重點(diǎn)預(yù)研課題。在對(duì)國(guó)內(nèi)導(dǎo)彈與航天曾發(fā)生過(guò)的潛通路問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研、分析與總結(jié)的基礎(chǔ)上，1996年前后建立了一套適合我國(guó)國(guó)情的潛通路分析方法，但其工作量非常之大，且對(duì)分析人員要求高，從而限制了該技術(shù)的推廣使用。

國(guó)外潛通路分析技術(shù)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(shù)的重要性，國(guó)外該技術(shù)方法的詳細(xì)資料均對(duì)外封鎖，自1988年，國(guó)內(nèi)航空611所、航天12所、708所、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)等一些研究所和高校陸續(xù)開展了大量的潛通路理論和分析系統(tǒng)的研究工作，也開發(fā)了多種潛通路分析系統(tǒng)。

圖1 典型潛通路分析過(guò)程框圖

3 工程應(yīng)用

在工程實(shí)踐中，實(shí)物試驗(yàn)（如綜合試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)、靶場(chǎng)試驗(yàn)等）需要耗費(fèi)較大的人力資源，如果在實(shí)物試驗(yàn)前未開展?jié)撏贩治鰟t存在出現(xiàn)潛通路問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，而這種風(fēng)險(xiǎn)是不可預(yù)見的，一旦出現(xiàn)則需要時(shí)間去分析和處理，然后進(jìn)行返廠更改或維修，耽誤了項(xiàng)目進(jìn)度，同時(shí)，也給項(xiàng)目帶來(lái)了研制成本。

潛通路分析技術(shù)作為一項(xiàng)虛擬試驗(yàn)技術(shù)，通常在產(chǎn)品投產(chǎn)之前完成，虛擬實(shí)物試驗(yàn)的各種工況，消除潛在通路的危害。

目前，潛通路分析技術(shù)已經(jīng)在航天、航空、船舶等軍工領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。常用的潛通路分析方法有國(guó)外波音公司的規(guī)范SCA方法、歐洲空間局的簡(jiǎn)化SCA方法、SoHaR公司的潛在通路分析系統(tǒng)SCAT和國(guó)內(nèi)航天708所潛在電路分析軟件、航天301所、成都電子科技大學(xué)和航空611所聯(lián)合開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助潛通路分析軟件、航天12所開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助網(wǎng)絡(luò)樹生成系統(tǒng)等，典型的潛通路分析過(guò)程框圖見圖1。

4 未來(lái)與展望

在未來(lái)高成本、高可靠性的國(guó)防軍工技術(shù)研發(fā)體系中，虛擬試驗(yàn)的應(yīng)用愈顯重要。在國(guó)防技術(shù)工業(yè)中，潛通路問(wèn)題的存在嚴(yán)重影響了火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)及船舶等電子電氣系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的測(cè)試流程和測(cè)試質(zhì)量，為此，基于虛擬試驗(yàn)的潛通路分析技術(shù)在提高其產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 黃雪英. 面向虛擬試驗(yàn)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)研究技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2007,7～9.

[2] 徐克俊. 航天發(fā)射故障診斷技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2007.

[3] 任立明. 潛在電路分析技術(shù)及在航天控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航天控制, 1998,1:56-61.

[4] 李國(guó)華,胡昌華等. 潛在通路分析技術(shù)的發(fā)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2004,2:84-85.

[5] 嚴(yán)殿啟. 潛通路分析技術(shù)[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2000,1:43-44.

[6] 張大慶,宋斌. 電子系統(tǒng)的潛通路分析技術(shù)[J].光電技術(shù)應(yīng)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(yáng)泉人，碩士，工程師，主要從事供配電系統(tǒng)及綜合測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。