劉 陽(yáng) 劉鈞賢 王文秀 蘇 峰

/海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)

裝備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)階段故障樣本選取方法淺談

劉 陽(yáng) 劉鈞賢 王文秀 蘇 峰

/海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)

故障樣本選取是開展測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)首要的、重要的環(huán)節(jié)，是測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。分析表明現(xiàn)有的測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)故障樣本選取主要有許多不足。針對(duì)它的不足之處，本文分別從確定優(yōu)化的故障樣本量、構(gòu)建合理的故障樣本結(jié)構(gòu)和故障樣本集評(píng)估優(yōu)選三個(gè)方面解決上述問題。

測(cè)試性；故障樣本；驗(yàn)證試驗(yàn)

1.引言

裝備測(cè)試性評(píng)估工作在其全壽命周期內(nèi)分為三個(gè)階段：研制階段、定型階段和使用階段。在GJB2547A《裝備測(cè)試性工作通用要求》中規(guī)定了測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)屬于定型階段的工作項(xiàng)目，這是一項(xiàng)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型而進(jìn)行的測(cè)試性試驗(yàn)工作。

測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)是指“在研制的裝備中注入一定數(shù)量的故障，用測(cè)試性設(shè)計(jì)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行故障檢測(cè)與隔離，按其結(jié)果來估計(jì)裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)水平，并判斷是否達(dá)到規(guī)定要求，決定接收和拒收”。

測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，除了要確定故障樣本數(shù)、合理判據(jù)之外，還應(yīng)將樣本合理地分配給產(chǎn)品各組成部分，盡可能地模擬實(shí)際使用時(shí)發(fā)生故障的分布情況。

2.故障樣本選取流程與方法種類

故障樣本選取的目的是使測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估的精度和置信度高，承制方、使用方風(fēng)險(xiǎn)可接受。故障樣本選取流程主要包括確定故障樣本量、故障模式抽取、接收/拒收判定等，如下圖1所示。

測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)采用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的方法，常見的確定故障樣本量的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀卸?xiàng)分布模型和正態(tài)分布模型。在相同的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?，確定故障樣本量一般有兩種原則：一是考試試驗(yàn)費(fèi)用、承制方風(fēng)險(xiǎn)和使用方風(fēng)險(xiǎn)確定故障樣本量；二是考慮裝備測(cè)試性指標(biāo)評(píng)估的精度或置信度確定故障樣本量。最新的用于故障樣本選取的方法有基于充分覆蓋準(zhǔn)則的方法和基于故障特征模型的方法。

在確定了故障樣本量的基礎(chǔ)上，需要從UUT的故障模式集中抽取規(guī)定數(shù)量的故障模式構(gòu)成故障樣本集。一種方法是根據(jù)UUT各組成單元的故障率（基于可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果）大小進(jìn)行故障樣本量的分配，確定每個(gè)組成單元要注入的故障模式數(shù)量，并從組成單元的故障模式庫(kù)中隨機(jī)抽出規(guī)定數(shù)量的故障模式。另一種方法是直接從UUT的故障模式庫(kù)中隨機(jī)抽取故障模式構(gòu)成故障樣本集。

圖1 故障樣本選取流程與方法分類

故障樣本選取和接收/拒收判據(jù)基于同一理論。一種是基于二項(xiàng)分布確定的抽樣方案進(jìn)行接收/拒收判定。另一種是根據(jù)試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果給出FDR/FIR的置信下限值，并與規(guī)定的最低可接收值進(jìn)行比較，給出接收/拒收判定結(jié)論。

3.現(xiàn)有方法在應(yīng)用中存在的問題

已有的故障樣本選取方法大部分是從可靠性、維修性驗(yàn)證試驗(yàn)的理論上引申過來，對(duì)開展測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)起到了重要的指導(dǎo)作用。但在應(yīng)用于實(shí)際裝備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)主要存在如下幾方面問題：

（1）無論是以二項(xiàng)分布、正態(tài)分布、基于充分性準(zhǔn)則還是基于三元組故障特征模型，當(dāng)對(duì)裝備的測(cè)試性指標(biāo)要求較高，承制方、使用方風(fēng)險(xiǎn)承受能力低，或者要求的評(píng)估結(jié)論置信度、精度較高時(shí)，按已有方法確定的故障樣本量較大。在裝備定型階段，受試驗(yàn)費(fèi)用及封裝造成的物理位置限制，注入大量故障模式是非常困難的，導(dǎo)致試驗(yàn)無法開展。同時(shí)，已有方法雖然提出在研制過程、裝備設(shè)計(jì)定型或有重大設(shè)計(jì)更改時(shí)，都要進(jìn)行測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)，但并未明確提出在裝備全壽命周期的不同階段，所進(jìn)行測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)有什么本質(zhì)區(qū)別和具體要求，尤其是故障樣本選取和接收/拒收判據(jù)兩個(gè)環(huán)節(jié)。

（2）已有方法采用考慮故障率的不等概率抽樣來建立故障樣本，根據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣理論，故障樣本集能較好地反映UUT故障模式集的總體特性，但卻沒有考慮到故障率數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，有的可靠性預(yù)計(jì)值與故障率真值相差百分之幾十到幾千不等。在開展測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，如何得到較準(zhǔn)確的故障率估計(jì)值是個(gè)問題。

（3）隨機(jī)抽樣是一種典型的抽樣技術(shù)，卻沒有對(duì)關(guān)鍵故障模式（包括危害性故障、破壞性故障和傳播型故障等）做重點(diǎn)抽樣。危害性故障和破壞性故障可以通過故障模式、影響及危害性分析來獲得[1][2]，并且對(duì)危害性故障和破壞性故障的檢驗(yàn)可以統(tǒng)一用關(guān)鍵故障檢測(cè)率和關(guān)鍵故障隔離率來描述[3]。然而工程中有一類故障，這種故障模式的故障率很低，但一旦發(fā)生則會(huì)傳播擴(kuò)散到其它可更換單元，造成其它可更換單元異常，我們稱其為傳播型故障。在測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)故障樣本選取中如何對(duì)傳播型故障進(jìn)行描述，并設(shè)計(jì)針對(duì)傳播型故障的抽樣算法，這是目前沒有引起重視和急需解決的問題。

（4）在相同的故障樣本量下，由于樣本的抽取具有隨機(jī)性，每次建立的故障樣本集是不同的，因此對(duì)UUT故障模式集的反映能力存在著差別?，F(xiàn)實(shí)中我們考慮裝備的結(jié)構(gòu)特性、功能特性和測(cè)試特性的故障樣本集評(píng)估方法，但是沒有考慮故障的可注入性，往往認(rèn)為選擇的故障都是可以注入或者允許注入的，顯然這是不符合工程實(shí)際的[4]。如何改進(jìn)故障樣本集評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并給出相應(yīng)的故障樣本集評(píng)估方法，這是需要進(jìn)一步完善的問題。

4.整改方案

（1）針對(duì)確定優(yōu)化故障樣本量問題，提出利用裝備研制階段先驗(yàn)數(shù)據(jù)制定優(yōu)化抽樣方案（優(yōu)化故障樣本量）的方法。獲取研制階段測(cè)試性先驗(yàn)信息，包括研制階段摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)、研制階段增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試性專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，并利用這些先驗(yàn)數(shù)據(jù)初步估計(jì)裝備的測(cè)試性設(shè)計(jì)水平，據(jù)此求得包含先驗(yàn)信息的抽樣特性概率密度函數(shù)，考慮測(cè)試性指標(biāo)要求值以及承制方、使用方的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，求得優(yōu)化抽樣方案（優(yōu)化故障樣本量和相應(yīng)的最大允許檢測(cè)/隔離失敗次數(shù)）。

（2）針對(duì)確定合理樣本結(jié)構(gòu)問題，分別從故障樣本量分配和傳播型故障模式抽取兩個(gè)方面開展研究：

①為減小從龐大的 UUT 故障模式集中抽取規(guī)定數(shù)量（優(yōu)化故障樣本量要求值）的故障模式帶來的隨機(jī)抽樣誤差，提高故障樣本的隨機(jī)性，開展故障樣本量分配方法研究。首先收集研制階段故障率先驗(yàn)信息，這些信息可以來源于可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)、專家經(jīng)驗(yàn)、歷史數(shù)據(jù)等，利用這些已有的故障率先驗(yàn)信息修正可靠性預(yù)計(jì)得到的故障率數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于故障率和裝備復(fù)雜性的分層故障樣本量分配，將規(guī)定數(shù)量的故障樣本量逐層分配到各可更換單元。

②基于故障率進(jìn)行分層故障樣本量分配只考慮了 UUT 的發(fā)生頻率高的故障模式，卻忽略了傳播型故障模式，若對(duì)傳播型故障模式的測(cè)試設(shè)計(jì)不完備，則會(huì)給使用方帶來較大的驗(yàn)收風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)對(duì)傳播型故障模式做重要抽樣以檢驗(yàn)其測(cè)試性設(shè)計(jì)是否完備，提高故障樣本遍歷性。引入模糊概率Petri網(wǎng)描述故障的傳播擴(kuò)散過程，并在模糊概率Petri網(wǎng)推理算法基礎(chǔ)上求得故障擴(kuò)散強(qiáng)度值，在此基礎(chǔ)上，提出基于故障擴(kuò)散強(qiáng)度的故障模式隨機(jī)重要抽樣算法。完成故障模式抽取，建立故障樣本集。

③針對(duì)隨機(jī)抽樣導(dǎo)致在相同的故障樣本量下每次抽取的故障樣本集無法評(píng)判的問題，研究故障樣本集的評(píng)估優(yōu)選方法。建立衡量故障樣本集對(duì)故障模式集代表性好壞的距離模型，據(jù)此選擇距離較小的故障樣本集為較優(yōu)故障樣本集，目的是保證測(cè)試性驗(yàn)證結(jié)論的高置信度。

經(jīng)過以上環(huán)節(jié)選取的故障樣本集能確保為較優(yōu)故障樣本集，以此為基礎(chǔ)開展故障注入相關(guān)技術(shù)研究。

[1] 斯泰蒙迪斯.故障模式影響分析:FMEA 從理論到實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[2] 康銳,石榮德.FMECA 技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[3] 田仲,石君友.系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[4] 沈嶺,周鳴岐.航天裝備測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證方法[J].質(zhì)量與可靠性,2006.

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