外場可更換模塊體系下測試性驗證試驗發展研究

陳　然，連光耀，張西山，黃考利，王　凱

(1.軍械工程學院 石家莊　050003；2.軍械技術研究所，石家莊　050003)

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外場可更換模塊體系下測試性驗證試驗發展研究

陳然1，連光耀2，張西山1，黃考利2，王凱2

(1.軍械工程學院 石家莊050003；2.軍械技術研究所，石家莊050003)

摘要：以外場可更換模塊(LRM)為基本組成單元的綜合模塊化系統已成為現代軍用裝備電子系統的發展趨勢;LRM是裝備二級維修保障體系的關鍵技術之一，其測試性是實施裝備二級維修保障體系的關鍵因素，在LRM的生產定型階段對其進行測試性驗證試驗具有很大必要性;目前國內外并沒有專門針對LRM體系的測試性驗證試驗研究;文中對LRM體系下測試性驗證試驗實施的相關技術研究現狀進行了總結，指出了LRM在電氣和機械方面的特性對LRM體系下進行測試性驗證試驗造成的不利影響，并對這一領域進一步研究的關鍵技術和發展方向進行了展望。

關鍵詞：外場可更換模塊;測試性驗證試驗;故障模式分析;故障注入;貝葉斯方法

0引言

外場可更換模塊(line replaceable module, LRM)的概念源于美國空軍萊特實驗室提出的“寶石柱(Pave Pillar)”和“寶石臺(Pave Pace)”計劃，表示在安裝結構和功能上具有相對獨立性的通用模塊[1-3]。從技術手段上講，LRM是基于超大規模集成電路 (very large scale integration,VLSI)和超高速集成電路(very high speed integrated circuits,VHSIC)等微電子技術的封裝結構，具有獨立的復雜功能，內置機內測試(build-in test, BIT)自檢功能，具有標準的電訊、機械接口[4]。目前，已經有美國的SEM(standard electronic modules，即標準電子組件)標準、ARINC650標準、VITA48(VMEbus International Trade Association，即VME國際貿易協會)標準、以及歐洲的ASSAC(allied standard avionics architecture council，即聯合標準航電體系委員會)標準等軍用或商用標準推出，規定了LRM在機械、電氣以及通信部分的接口和設計規范，實現了LRM的標準化設計[2-8]。LRM的諸多標準中，ASAAC和VITA48標準均考慮到了應用廣泛的民用技術，比如ASAAC兼容CPCI接口和協議；VITA48是對VME總線標準的最新升級，開發過程中可以參考以往開發VME模塊的經驗和技術資料展開研究。

基于LRM的綜合模塊化是分布控制分布處理式的，采用通用的數據總線將各LRM互聯，應用通用的操作系統構成可實現裝備所需信息交換和處理的整體架構.上述系統可以實現系統資源共享，降低系統的復雜性，具有集成度高、開放性好、全壽命成本低等優點[9-12]。

LRM對測試性設計有很高的要求，其BIT相當于三級維護中的中間級所具有的檢測能力，且封裝完備并通常支持熱插拔，未經過特殊訓練的人員也可以在外場方便地更換備件。鑒于此，美軍F-22戰機在研制過程中通過修理級別分析，確定了對其航空電子設備采用兩級維修方案，取消了中繼級維修[13]?？梢?，LRM良好的測試性水平是實現兩級維修方案的關鍵因素。如果LRM的測試性水平不夠，過低的故障檢測率、隔離率以及過高的虛警率等因素會導致外場漏檢以及LRM備件浪費等問題。根據GJB-2547A[14]的要求，在LRM生產定型或有重大設計更改時，對其進行測試性驗證試驗，評估其測試性水平尤為重要。

本文將對LRM體系下進行測試性驗證試驗相關技術的研究現狀進行總結，結合LRM的電氣與機械特性，對進行LRM體系下測試性驗證試驗存在的問題進行剖析，最后對該領域未來進一步研究的關鍵技術和趨勢進行展望。

1LRM體系下測試性驗證試驗研究現狀

1.1測試性驗證試驗流程

美國和中國都在各自頒布的標準中對測試性驗證試驗進行了詳細的規定。測試性驗證試驗的實質就是在產品中注入一定數量的故障，用規定的方法進行故障診斷和故障隔離，按其結果來估計產品的測試性水平，并判斷是否達到了測試性設計目標[14-15]?；诠收献⑷氲臏y試性驗證試驗流程如圖1所示。

圖1　基于故障注入的測試性驗證試驗流程

一般進行測試性驗證試驗涉及的關鍵技術包括：故障模式影響及危害性分析(failure mode, effects, and criticality analysis, FMECA)、樣本量的確定、試驗樣本分配以及故障注入。雖然目前并沒有專門針對LRM體系下的測試性驗證試驗研究，但結合測試性驗證試驗的關鍵技術，在LRM體系下進行測試性驗證試驗的相關領域，國內外已有許多研究人員從不同角度取得了相當的進展。

1.2國內外關鍵技術及相關領域研究現狀

國內的研究涵蓋了大部分相關技術，但更多集中在故障注入中故障信號的加載以及小子樣實驗方案方面。國外的研究在失效機理、模型表達、故障注入中故障信號的模擬以及樣本分配方面成果較多，處于領先位置。

1)FMECA方面。FMECA的目的是找裝備的一切所有可能發生的故障模式，將這些故障模式作為測試性驗證試驗的被選樣本。進行FMECA需要掌握受試產品的典型故障模式、失效機理和故障傳遞特性。在這些方面，文獻[16]參照ASAAC標準，基于FPGA針對通用處理模塊進行了BIT電路的硬件、軟件以及測試信息傳輸接口的設計[16]。該BIT電路的設計使得研究人員對ASAAC標準中通用處理模塊常見的故障模式有了比較清晰的認識，并可借鑒到其他類型LRM的故障模式研究。文獻[17]和[18]分別針對LRM和機架進行了熱分析與設計，通過氣冷、液冷、以及冷卻接口和流道的設計對LRM散熱困難的問題實現了一定程度上的解決[17-18]。在一定程度上減小了溫度因素對電路故障的影響，并且熱分析的結論對LRM溫度因素引起的故障失效機理的研究有所啟發。在故障傳遞方面，有研究人員在故障樹模型中引入了模糊性和灰關聯性等因素，在提高可靠度計算的客觀性、改進可靠性安全性和故障模式分析等方面取得了一定成果[19-20]。

2)故障注入方面。實現故障注入要經過兩個步驟，一為故障信號的模擬，二為對復現的故障信號的加載。故障信號的模擬方面：IEEE Std.1641是面向信號最新的規范，它保留著基于信號、面向受試對象(under test unit,UUT)的測試原理，便于資源配置、開關路徑計算、操作轉換、儀器互換和測試程序集(test program set,TPS)移植等[21]。該標準中，基本信號組件采用面向對象(object-oriented,OO)技術描述，其通用形式如圖2所示，并給出所有可能的接口和特性，其中，信號的行為通過信號特性和屬性的變化來描述。

圖2面向對象(Object-Oriented)技術描述

故障信號的加載方面：加載的途經一般有兩種：軟件注入和硬件注入。軟件注入方法一般以修改內存、寄存器內容或者程序實現，該方法成本低，危害性小，控制靈活，但不能真實反映系統實際運行時發生的硬件故障[22]。硬件注入則采用物理的手段實現。常見的硬件故障加載方式有如下4種：基于探針的故障注入、基于轉接板的故障注入、拔插式故障注入以及系統總線故障注入[23]。其中，系統總線的故障注入更加適用于LRM體系下的裝備，即在期望的地址上，根據注入條件的要求，將原有傳輸的信號斷開，用故障信號取代原有的信號，傳輸給下級電路。文獻[24]為擴大ARINC429總線側試的覆蓋性與主動性，分別對ARINC429總線物理層、電氣層和協議層中典型故障模式及注入實現方法進行了研究，實驗結果驗證了故障注入測試方法的有效性[24]。文獻[25]研究了PCI總線的拓撲結構和電氣規范,在分析了傳統的硬件嵌入式故障注入方法的局限性,提出了基于PCI-to-PCI橋接IP核和FPGA技術的嵌入式故障注入方法, 解決了傳統方法時延難題,實現了向總線上的主設備和從設備注入多種類型的故障[25]。文獻[26]已經建立了基于貝葉斯信度傳播算法的故障傳遞特性分析模型并提出了基于該故障模型的位置不可訪問故障注入方法[26]。

3)樣本量確定方面。由于故障注入的物理限制，LRM體系下進行的試驗必然是小樣本的?，F有標準MIL-STD-471A通告2、ADA報告、GJB2072-94以及GJBZ 20045-91中規定的樣本量的確定方法包括最小樣本量估計法和按照實驗方案確定樣本量，其中試驗方案包括標準中規定的成敗型定數抽樣試驗方案、最低可接受值試驗方案、成敗型截尾序貫試驗方案等，但是，最小樣本量估計法分析工作過多，標準中規定的試驗方案不能明顯減少樣本量需求。適用于小子樣的基于Bayesian理論的測試性驗證試驗方案則是目前研究的熱點，多源驗前信息融合問題是研究的關鍵。文獻[27]在將Bayesian理論用于可靠性分析時提出了引入支持向量機(support vector machine, SVM)理論來對不同來源的信息在驗前分布中權重分配的策略進行研究的思路，對驗前信息進行了信息融合[27]；文獻[28]根據不同來源的測試性驗前信息,分別提出了模糊不確定性加權、分系統數據折合和基于相似度量的(Dempster-Shafer，D-S)證據融合方法估計系統測試性驗前參數值[28]。文獻[29]則針對小子樣復雜裝備系統測試性評估問題，建立了基于相似度量的仿真數據融合方法[29]。這些研究取得了一定的成果，但應用于LRM時還存在一些不足，充分有效的利用驗前信息，建立優化測試性驗證試驗方案決策模型來有效減少試驗樣本量需求，并應用于實裝緩解LRM體系下測試性驗證試驗趨于尖銳的故障注入的實現與樣本充分性原則之間的矛盾仍有待進一步研究。

2LRM體系下測試性驗證試驗存在的問題

2.1LRM的特點

1)標準化和互換性。LRM按照統一的標準生產，具有標準的尺寸以及物理層、電氣層、協議層以及冷卻等方面的標準接口，如圖3所示[3]。

圖3　ASAAC標準下LRM的標準接口示意

LRM發生故障時只要拔出故障LRM，并換上新的LRM備件即可使系統恢復正常工作；系統需要增減或變更一些功能只需增減或更換LRM就可實現。

2)良好的可靠性。LRM通常帶有保護外殼，這種封裝使模塊對鹽霧、潮濕、電磁等惡劣環境具有一定耐受能力，保證了模塊在運輸、儲存、工作、維護時的可靠性；而且其連接裝置可滿足靜電放電保護要求，支持熱插拔，在線更換模塊可以被滿足；其設計運用了余度措施和容錯設計，故障率低[10-11]。

3)功能的獨立性：LRM模塊有自己獨有的處理單元、模塊支持單元、電源單元、網絡單元等，在功能結構方面相對獨立，在一定程度上，一個LRM模塊可以實現一個過去航電系統中一個ATR(air transport racking)機箱的功能[30]。根據功能的不同，LRM可大致分為以下5類：全數字型、數?；旌闲?、光纖數字混合型、電源數字混合型和電源數?；旌闲?。在上述各類模塊中，除了在處理單元部分不同模塊實現的功能不同外，其他的功能單元都類似。參考歐洲ASAAC標準下的通用功能模塊[12]，可確定如圖4所示的通用LRM及其功能單元結構。

圖4　LRM功能單元示意

4)內置功能強大的BIT電路。每個LRM中設計有BIT電路，可檢測出模塊中的故障，并將其隔離到LRM一級。

5)并行的工作拓撲結構?；贚RM的綜合模塊化系統的工作形式采用了并行工程的思想，系統各個LRM模塊之間的以總線的形式實現通信，其中總線包括：數據總線、控制總線和用戶自定義控制線等[7,30]。 如圖5所示，系統的總線由接口電路、傳輸介質按照并行工程的拓撲結構組成總線的硬件，并遵循相應的協議完成信息傳遞和資源共享，且拓撲上一臺LRM發生故障不會影響到系統其他功能。

圖5　LRM體系拓撲結構

2.2LRM特點對測試性驗證試驗的不利影響

LRM在電氣以及機械方面具有傳統裝備不具備的新特點，比如LRM內置功能強大的BIT電路顯著提升了基層級的故障診斷能力，系統并行工作的拓撲結構和標準化使系統的維修換件工作變得簡單，這些都是對測試診斷工作帶來的有利影響。但是，在進行測試性驗證試驗時，LRM的電氣及機械特性可能會帶來以下3點不利影響：

1)封裝和高度集成的電路使FMECA變得困難。一方面，典型的故障模式不同于傳統的電子設備：LRM是經過封裝的超大規模、超高速集成電路，這種形式的模塊電路會大量生熱并且難以散熱。美國空軍航空電子整體研究發現，電子設備的55%的故障率是由于溫度超過規定值引起的，如圖6所示，溫度等間接的故障原因不可忽視，但是目前并不能確定度因素會對故障的發生起到什么樣的作用[31]；另一方面，由于LRM中存在大量的余度設計，故障傳遞特性也有所不同。在上述情況下，幾乎不可能單純的從硬件或功能角度對故障模式進行分析。

圖6　間接因素導致的故障

2)完備的封裝減少了可實現的試驗樣本。在測試性驗證試驗中，需要通過故障注入的方式制造試驗樣本。LRM封裝完備，故障注入的手段僅限于總線與接口，由于封裝因素導致的物理不可注入的故障注入點會大大增加。而且故障注入本身具有破壞性，其余的故障注入點也很難窮盡注入故障，可以進行故障注入試驗的試驗樣本可能會明顯減小。這樣，故障注入和樣本充分性原則[32]之間的矛盾將更加尖銳。

3)總線架構對外接測試設備可能造成影響。進行故障注入時有可能要利用外接的故障注入設備，同時必須有外接的狀態監控設備去檢測模擬的故障信號是否正確加載到希望的位置，注入的故障是否發生等，這樣才能對裝備的測試性進行評估。國內LRM體系下的很多新裝備是基于RS-422/485總線協議的，為了消除共模干擾，采用二線雙端半雙工差分電平發送與接收，無公共地線，傳統的外接測試設備在總線上進行信號的測試時存在地電位差，不僅很難測出準確的數據，而且極易出現電壓過大損壞測試儀器的情況[33]。

3研究的關鍵技術及發展方向

綜上所述，根據對國內外研究現狀的總結和LRM體系對進行測試性驗證試驗造成的不利影響的分析，要使LRM體系下測試性驗證試驗順利開展，并得到有效可信的評估結果，需要在失效機理、模型表達、故障注入以及試驗樣本的確定與分配這些關鍵技術上取得突破?；诖?，未來的面向LRM體系的測試性驗證試驗的研究可以從以下幾個方面展開：

1)通過基于物理模型的仿真，研究適用于LRM的故障模式分析模型。LRM典型的故障模式，失效機制與故障傳遞機理均難以被現有用于分析故障的模型所描述。這些原因是LRM在機械、電氣等方面的典型特性導致的。仿真模型的建立有助于研究常見的故障模式與底層的失效機理，新的故障分析模型應當將不可忽略的間接因素準確地表達，打破產品層次之間的限制。

2)基于信號模型的故障模擬技術?，F有信號模擬器缺乏通用性，缺乏對UUT測試實現機理的考慮，而故障注入試驗中的受試對象的外部工作條件和內部工作特征均需要模擬。為此，面向LRM體系下的故障注入試驗，可考慮研究基于信號模型的故障模擬技術，實施注入時首先建立基本信號模型，然后利用基本信號模型對故障等效信號進行描述，最后通過硬件產生故障信號。

3)基于系統總線的故障注入技術的研究。研究向總線上的指定LRM在物理層、電氣層和協議層上的故障注入策略，以及安全有效的狀態監控方法。此外，在物理不可注入位置，研究LRM總線上故障傳遞的特征，進行等效故障注入點的尋找或故障注入策略的研究。

4)基于Bayesian理論的小樣本試驗方案的完善?；诳偩€或轉接適配器的故障注入技術的研究可以在一定程度上增加可以實現的試驗樣本量，但是仍然無法彌補LRM封裝因素對可實現的試驗樣本量的減少。小樣本條件下對裝備的測試性進行驗證和評估是必然的。因此，需要在小樣本條件下對裝備做出有效且可信的測試性評估的試驗方案研究上取得突破。這樣可以緩解LRM體系下進行測試性驗證試驗時，故障注入與樣本充分性之間的矛盾。

4結束語

盡管國外對LRM體系的裝備發展較早，但在該體系下還未進行專門的測試性驗證試驗方面的研究。本文通過對LRM體系下進行測試性驗證試驗關鍵技術及相關領域發展現狀和LRM的結構特點及標準的研究指出了目前面向LRM體系進行測試性驗證試驗存在的問題及需要突破的難點。最后，指出了面向LRM體系進行測試性驗證試驗方面研究的關鍵技術，并且展望了展開進一步研究的發展方向。

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Research on Developments of Testability Verification Experiment under Line Replaceable Module System

Chen Ran1，Lian Guangyao2，Zhang Xishan1， Huang Kaoli2，Wang Kai2

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003，China;2.Ordnance Technological Research Institute，Shijiazhuang050003，China)

Abstract:The integrated modular system based on the Line Replaceable Module (LRM) as the basic unit has become the developing trend of the modern military electronic system. LRM is one of the key technologies in two-stage equipment’s maintenance support system, and its testability is the key for the implementation. It is necessary to conduct the testability verification experiment under the LRM in the trial production. The paper summaries updated research status of related technologies of testability verification experiment in LRM system,points out some negative effects on the testability verification experiment of LRM system due to its electrical and mechanical properties.Key technologies and further research in this field are proposed.

Keywords：line replaceable module; testability verification experiment; failure mode analysis;fault injection;bayesian method

文章編號：1671-4598(2016)02-0001-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.001

中圖分類號：TP308.2

文獻標識碼：A

作者簡介：陳然(1991-)，男，甘肅省蘭州市人，碩士研究生，主要從事裝備測試性驗證試驗與評估方向研究。

基金項目：國防預先研究項目(51327030104)。

收稿日期：2015-08-27；修回日期：2015-09-25。