航空装备测试性设计的发展及其在ATE中的应用

杨玉兴，景慎

（1.海军驻广州750厂军事代表室，广东 广州 510656；2.广州航新航空科技股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

测试性（Testability）：根据 GJB 2547-1995 《装备测试性大纲》[1]和GJB 3385-1998《测试诊断与术语》[2]的描述，测试性是指产品能及时并准确地确定其状态 （可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的一种设计特性。

测试性设计是指在系统、分系统、设备、组件和部件的设计过程中，通过综合考虑并实现测试的可控性与可观测性、初始化与可达性、BIT，以及和外部测试设备的兼容性等，达到测试性要求的设计过程。测试性设计是一个复杂的过程，有很多因素要考虑。例如：测试接口要标准、通用、简单，测试点的设置应支持产品各个层次测试的需要；要考虑工效学、自动化、障碍物、可达性和可视性；能对模块化部件一次完成多个功能的测试；尽可能地通过系统级测试来实现故障检测，以缩短测试时间；测试应直观、非破坏性，并尽量不使用专用工具，等等。测试性设计的目的是提高系统的故障诊断和隔离能力，忽视故障诊断的要求，盲目地追求可测性，必然导致设计费用和系统资源的浪费。反之，如果只从故障诊断考虑问题，而忽视实际的可测性，必然会降低可操作性。故障诊断方法的改进可以降低可测性的要求，同时可测性的提高可以增强故障诊断能力和系统的可靠性。因此需要可测性设计同故障诊断技术相结合来优化系统的可测性设计。

1 测试技术的发展过程

随着系统和设备性能的提高和复杂度的增加，测试性越来越受到人们的重视，许多新技术、新方法都被应用到了测试性之中。随着科学技术的发展，测试性经历了由外部测试到嵌入式机内测试，由测试性/BIT到智能BIT、综合诊断再到预测与健康管理的发展过程。外部测试技术的发展过程如表1所示。

表1 外部测试技术的发展过程

机内测试技术的发展过程如表2所示。

表2 机内测试技术的发展过程

2 地面检测设备的测试性研究需求

随着测试性日益受到重视，地面检测设备的测试性作为六性指标之一也出现在其研制要求中。但市面上很少能找到有关地面检测设备的测试性设计的研究或相关论述的资料，造成了厂家按照各自的理解来进行研制与检验，交付用户后检测设备可测试性能参差不齐的情况，导致某些装备出现故障只能返厂检测和维修，姑且不论高昂的成本代价，仅故障隔离时间一项指标就远远落后于欧美国家，根本不能满足现代化军事发展的需要。

作为测试性设计应用的一个分支，地面检测设备的测试性指标不能仅限于体现在纸面上的一个数字符号，而是应落实到装备本身，成为装备是否合格的一个重要评判依据。那么，如何在地面检测设备的研制过程中贯彻落实测试性设计工作，是摆在我们面前的迫切需求。

3 在自动测试系统 （ATE）工程研制过程中的实施

3.1 总体情况介绍

本文依照测试性相关标准的要求，结合某型飞机电子设备自动测试系统工程的研制任务，在各个研制阶段落实测试性设计、实施与验证，是在地面检测设备研制中如何落实测试性设计这一课题的一次探索与尝试。

3.2 论证阶段

自动测试系统 （ATE）是某型飞机通用的二线检测与维修设备，装备于驻屯机场，主要完成对单个机载设备 （LRU）的检测。其原理如图1所示，被测的机载电子设备 （UUT）通过配套适配器、TPS测试电缆与系统平台连接，操作人员通过人机界面，运行一些驻留在平台主控计算机内的系统软件和TP测试程序，控制系统中的硬件资源，为机载设备提供激励信号或测量机载设备输出的信号，最终完成检测任务。检测以满足整机维护规程定检要求和被测设备履历本、使用维护说明书等配套手册的技术指标要求作为合格判据，如果检测到故障，可通过系统故障诊断功能将故障定位到单个或几个可能产生故障的SRU。

自动测试系统 （ATE）本身集所有的测试资源于一身，自身强大的测试能力毋庸置疑，没有必要通过外部测试设备来进行故障诊断和隔离，根据这一情况，提出诊断方案和测试性要求为：系统具备自检功能，具备将故障隔到单个设备模块的能力。

图1 某型ATE测试原理框图

根据GJB 2547A-1995《装备测试性工作通用要求》[3]的规定，测试性工作项目分为要求确定、管理、设计与分析、试验与评价、使用评价与改进等5个类别，按照自动测试系统 （ATE）的研制阶段（遵循GJB 9001B-2009《质量管理体系要求》[4]）及其实际情况，将测试性相关的具体工作项目进行筛选与划分，具体工作的开展时机如表3所示。

3.3 方案阶段

方案阶段就明确了测试性活动工作说明，如表4所示。

根据自动测试系统 （ATE）的研制要求，在方案阶段细化了研制指标，系统包括平台、适配器、电缆和附件等设备，平台和适配器的原理复杂，出现故障的几率大，电缆和附件原理上主要都是一些简单的电气连接，因此将测试性设计重点放在系统平台和适配器上，具体的情况如下所述。

a）系统平台自检

对系统中的所有测试资源的功能和性能进行检查，对系统测试资源间电气连接有效性进行检查，自检分为两个步骤：

表4 某型ATE方案阶段测试性活动工作说明

表3 某型ATE测试性工作项目及其开展时机

1）仪器自检，向各仪器发出自检指令，利用仪器自身的自检功能进行基本功能检查 （无该功能的仪器除外）；

2）仪器互检，通过外部自检适配器将系统中的仪器按一定的规则连接起来，利用系统中的仪器对各自的主要性能参数进行相互检测，以确定仪器的实际技术状态，将故障定位到LRU级。

b）适配器自检

系统具备用于测试、维护适配器的TPS（包括TP软件和自检电缆），适配器自检故障定位到板卡（SRU 级）。

3.4 详细设计阶段

分析某型ATE系统的功能逻辑，得出分解到测试现场可更换单元 （LRU）的产品结构层次，如图2所示。

可见某型ATE系统是一个复杂系统，在对其进行设计故障模式、影响及危害性分析 （DFMECA）时，按照产品结构层次对供电子系统、系统平台、TPS（各适配器和电缆）按其约定层次分级实施DFMECA，给出各级产品的DFMECA表、危害度矩阵。由于篇幅有限，这里以供电子系统为例加以阐述。

图2 某型ATE系统产品结构层次图

依据供电子系统的功能描述及故障判据要求，找出所有可能的功能故障模式。它是产品进行DFMECA工作的基础。可通过下述方法获取产品故障模式：

1）自动测试系统 （ATE）可靠性预计报告；

2）对于货架产品，选型时向供应商索取其故障模式信息，或以相似结构的产品曾发生的故障模式作基础，分析判断其故障模式；

3）对于设计重用的产品，以其在过去使用中发生的故障模式为基础，再根据使用环境的异同进行分析修正，进而确定新的故障模式。

当故障模式明确后，在此基础上分析故障原因[5]，主要从两个方面着手：

1）导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的物理、化学变化过程等方面的直接原因；

2）由外部因素 （如其他产品故障、试验测试设备、使用环境和人为因素等）引起的产品故障的间接原因。

对已采用了冗余设计、备用工作方式设计或故障检测与保护设计的产品，在分析中暂不考虑这些设计措施而直接分析产品故障模式的最终影响，再根据最终影响确定其严酷度等级。

故障检测方法的确定按照以下思路实施：

1）对每一个故障模式是否存在能发现该故障模式的检测方法进行分析，从而为产品的故障检测与隔离设计、维修性设计以及维修等工作提供依据；

2）故障检测方法一般包括目视检查、原位测试、离位检测等，其手段如BIT（机内测试）、传感装置、音响报警装置等；

3）当某故障模式确无故障检测手段时，应在设计中予以考虑；

4）根据需要，增加必要的检测点，以便区分是哪个故障模式导致产品故障，并及时对冗余系统每一个组成部分进行故障检测和及时维修，以保持或恢复冗余系统的固有可靠性。

经过以上分析过程，可得出供电子系统的DFMECA分析结果，节选部分内容如表5所示。通过分析结果，发现了测试性设计的缺陷，并采取相应的改进措施。

3.5 生产试制阶段

为了确认测试性设计与分析的正确性、识别设计缺陷、检查ATE是否完全实现了测试性设计要求，需要进行测试性试验与评价，完成测试性验证工作。测试性验证要考核的内容为ATE系统研制要求中有关测试性设计的定量或定性要求是否满足。生产试制阶段主要检验产品测试性设计的有效性，发现设计缺陷并采取有效的改进措施，初步评估有关测试性是否可能达到要求，验证、验收产品的测试性水平。

生产试制阶段的测试性验证采用了手工操作故障注入的方法，主要方式为人为断开测试设备 （或模块）与系统外部输入输出接口的有效连接，样本以组成系统的机箱为单位，根据复杂程度在每个机箱内选取相对数量的测试设备进行验证，将故障记录到图3所示的表格中，可得出系统自检功能（BIT）能达到研制要求中规定的将故障隔离到单个设备模块的能力。

图3 故障注入试验记录表格

3.6 使用阶段

使用阶段进行测试性使用评价，主要收集测试性信息，为测试性评价、改进和新研制产品提供支持，评价产品实际达到的测试性水平，实现使用阶段的测试性增长。使用阶段利用表6所示的测试性数据采集卡进行数据收集工作，对用户进行相关的培训，要求对系统自检测试过程中发现的故障、排故的时间等信息如实地记录，定期将数据汇总、整理并筛选，有以下几点要注意识别：

表5 供电子系统DFMECA分 析表 （节选）

表6 测试性数据采集卡 （节选）

1）由于人为因素 （如接错电缆、关闭某个设备的开关等）导致的故障；

2）同一个故障源由于没有及时得到解决而导致的重复故障；

3）特殊情况下导致的故障 （如某个设备被拆除借用等）。

通过整理后的数据，对后续新研制的ATE系统的测试性设计提供了很大的帮助。

4 结束语

以ATE系统的研制来实施测试性设计取得了显著的成效，获得了非常有价值的数据。毕竟ATE系统的原理复杂，目前主要针对系统硬件和系统测试软件来运行框架的测试，而针对测试程序集 （TP）是通过间接方式来进行诊断的，但其测试性不高。如何将TP的测试能力以更直接的方式体现，是将来的测试性工作中要重点考虑的问题；其他需要解决的问题如TP软件如何划分测试模块、如何确认测试点、相应的TP测试项目发生增减后怎么快速地调整等都有待我们进一步地摸索与研究。

[1] GJB 2547-1995，装备测试性大纲 [S].

[2] GJB 3385-1998，测试诊断与术语 [S].

[3]GJB2547A-1995，装备测试性工作通用要求 [S].

[4] GJB 9001B-2009，质量管理体系要求 [S].

[5] 石君友.测试性设计分析与验证 [M].北京：国防工业出版社，2011.