鱼雷测试性定量指标综合验证试验方法

邓新文

（中国人民解放军91439部队，辽宁 旅顺，116041）

鱼雷测试性定量指标综合验证试验方法

邓新文

（中国人民解放军91439部队，辽宁 旅顺，116041）

在鱼雷设计定型阶段，提出了试验现场采用模拟故障和自然故障相结合作为试验样本进行鱼雷测试性定量指标综合验证的试验方法，明确了鱼雷测试性定量指标的概念，论述了试验实施程序及在一定置信度下的最低可接受值检验方法和点估计的检验方法。试验结果检验了鱼雷故障检测率、故障隔离率和虚警率的指标验证方法的正确性，为深化鱼雷武器装备的通用质量特性考核提供参考。

鱼雷设计定型； 测试性； 定量指标； 验证试验

0　引言

测试性作为鱼雷武器装备通用质量特性的一个重要分支，是鱼雷武器装备可靠性设计与维修保障设计之间的重要纽带，是确保鱼雷武器装备战备完好性、任务成功性和安全性要求得到满足的重要中间环节。由于鱼雷的测试性指标能否满足研制总要求对其装备部队后长期使用和维护影响较大，因此设计定型阶段或试用阶段对其进行试验验证很有必要。

目前，国内空空导弹和陆军导弹武器系统在测试性定量指标验证试验研究和实施较多［1-2］，鱼雷测试性定量指标验证试验相对研究较少。文中提出了设计定型阶段，在试验现场利用自然故障和模拟故障作为试验故障样本，对鱼雷故障检测率、故障隔离率和虚警率等测试性定量指标进行综合验证的试验方法［3］。

1　鱼雷测试性定量指标

鱼雷较通用的测试性定量指标为故障检测率、故障隔离率和虚警率。作为电子机械类产品，不失一般性，在机内测试（built-in test，BIT）、自动测试设备（automatic test equipment，ATE）、人工测试和综合诊断等多种综合测试手段的联合作用下，鱼雷的故障检测率一般为90%～98%，故障隔离率一般为85%～95%（当要求故障隔离到1个功能置换件时），虚警率一般为2%～5%［4］。

1.1故障检测率

故障检测率（fault detection rate，FDR），指产品在规定时间内，在规定条件下用规定的方法能够正确检测出的故障数ND与所发生的故障数NT之比，一般用γFD表示，即

此定义中“产品”是指鱼雷全雷或者各舱段，“规定时间”是指用于统计发生故障总数和检测出故障数的时间，此时间应该足够长，在这里取鱼雷整个设计定型试验阶段。“规定条件”是指被测试项目的状态（技术准备、实航试验试后处理或者日常维护维修）、维修级别（这里规定为部队级）、人员水平等。“规定的方法”是指采用雷内测试、专用或通用保障设备、外部自动测试设备、人工测试和综合诊断等多种手段来完成故障检测。

1.2故障隔离率

故障隔离率（fault isolation rate，FIR），指产品在规定时间内，在规定条件下，用规定的方法正确隔离到≤m个可更换单元的故障数Nm与同一时间内检测到的总故障数之比，一般用γFI表示，即

式中，m表示故障的隔离精度，当m=1时，表示是确定性的隔离，这时直接将故障定位于其所在的可更换单元。在此取m=1，指将故障隔离到某一个可更换单元。“可更换单元”在这里规定为鱼雷技术准备阵地的现场可更换单元（line replaceable unit，LRU）。

1.3虚警率

虚警是指测试系统或设备显示被测试项目有故障，而该项目实际无故障。鱼雷的虚警率（false alarm rate，FAR），是指鱼雷在规定期间内发生的虚警数与故障指示总数之比，一般用γFA表示，即

式中： NFA为虚警次数； NF为真实故障指示次数。

2　鱼雷测试性定量指标验证试验程序

试验程序如下。

1）依据鱼雷设计定型试验大纲编制测试性指标验证试验方案。试验方案应在试验现场由研制方、订购方和使用部队参加会签。

2）按照鱼雷综合保障要求和保障计划，检查试验现场工房设施、参试设备、被试品、技术资料、备品备件、测试维修人员等保障条件的准备情况并视情况进行整改直至满足试验需要。

3）在试验现场进行产品技术准备、实航试验试后处理、日常维护维修等过程中出现的自然故障，结合故障审理和排查过程进行自然故障样本的测试性定量指标验证试验。

4）模拟故障注入试验前编制模拟故障库并通过参试各方评审认可。针对鱼雷产品各分系统进行逐个注入故障，进行模拟故障样本的测试性定量指标验证试验。自然故障和模拟故障总数的选取参考GJB2072-1994《维修性试验与评价》执行，至少选取30个，且按照鱼雷各分系统的相对故障率进行分配。

5）在自然故障和模拟故障的测试性定量指标验证试验过程中进行故障检测、故障隔离和虚警情况的记录。

6）按照试验方案制定的结果评定标准进行试验结果评定并编制试验结果报告，给出故障检测率、故障隔离率和虚警率是否合格的结论。

3　 鱼雷测试性定量指标综合验证试验方法

鱼雷测试性定量指标综合验证试验方法是考虑到提高试验效率，在自然故障数量难以满足试验样本需求的前提下，综合利用自然故障和模拟故障进行故障检测，利用同一故障样本同时进行故障检测率、故障隔离率和虚警率指标验证试验。其试验方法着重考虑以下几点： 1）故障样本量的确定； 2）故障样本在各分系统之间如何具体分配；3）试验结果评定方法，采用点估计、单侧置信下限还是区间估计的方法； 4）模拟故障如何实现，主要遵从什么原则，有哪些实现方法，注意什么问题； 5）具体每个故障样本试验如何实施。

3.1故障样本量的确定

测试性定量指标不同，验证所需的样本也不同。FDR的统计样本为鱼雷产品的故障，称为故障样本。FIR统计样本为检测出的故障，称为故障检测样本。FAR的统计样本为检测手段报出的故障指示，称为故障指示样本。

样本量越大，统计计算结果就越准确，因此在确定样本量时仅需给出样本量下限值，只要统计样本量大于下限值，就可以进行评价计算和合格判定。可以通过以下步骤确定试验所需的样本量［5］。故障样本量选取参照GJB2072-1994《维修性试验与评定》，建议自然故障和模拟故障样本量之和不小于30个。

1）根据试验用样本量的充分性来确定样本量。故障选取应覆盖试验产品的各个分系统，要保证组成产品的各分系统的每个功能故障至少有1个样本。保证充分检验产品所需故障样本量

式中，Uλ为鱼雷产品故障率，λmin为鱼雷产品各分系统功能故障的故障率中最小的故障率值。某一功能故障的故障率等于与该功能有关的所有元器件故障率之和，如果λmin值比平均值小很多，为避免n1过大可选用次小的λ值计算n1值。

2）最少样本量。考虑测试性指标的统计评估要求，验证试验用故障样本量的下限

式中： RL为测试性定量指标的最低可接受值；n2为达到RL所需的最低样本量，应为正整数；α为订购方风险，1-α为置信水平。如果试验用样本量

3）综合试验用样本量n在n ，n中取较大者

如果出现n2＞n1的情况，可分别给故障率高的功能故障增加样本直到要求的样本数。

3.2故障样本的分配

3.2.1故障样本的来源

故障样本来源可以分为以下3种情况，选取自然故障进行试验、选取模拟故障进行试验、选取自然故障和模拟故障相结合进行试验。综合考虑各种故障的优缺点、试验质量和效率，在此选用自然故障和模拟故障相结合进行鱼雷测试性定量指标的验证试验。

3.2.2故障样本的分配

采用模拟故障进行测试性定量指标验证试验时，备选样本量一般是确定试验样本量4倍。故障样本的分配和抽样以试验产品的复杂性和可靠性为基础，所以采用按比例分层抽样方法进行样本分配［6］。进行样本分配时，首先分析试验产品构成层次和故障率，按故障相对发生频率Cpi把确定的样本量n分配到产品各分系统。然后按同样的方法再把各分系统的样本量ni分配给其组成部件。

式中： Qi，iλ，Ti分别为第i个分系统的产品数量、故障率和工作时间系数； Ti等于该分系统工作时间与全程工作时间之比。

3.3试验检验方案与结果评定标准

3.3.1试验检验方案

针对任何一个自然故障或模拟故障样本进行FDR，FIR和FAR指标验证试验，结果无外乎成功或失败，即检测到或没有检测到故障、故障隔离到或未隔离到某一可更换单元、故障是虚警或真实故障。所以，按照二项分布进行处理较为合适［7］。

为了使FAR与FDR，FIR的计算模型相一致，文中定义SAR（SAR=1-FAR）为故障指示成功率，代替FAR以方便计算，至此，FDR，FIR和FAR指标均得到单侧置信下限。

鱼雷测试性定量指标验证试验属于成败型试验，可以采用如下方案： 随机抽取n个样本进行试验，规定一个正整数C，假设其中有F个失败，如果F≤C，则认为合格，判定接收； 如果F＞C，则认为不合格，判定拒收。试验方案简记为（n，C）。

设置信度为1-α，故障检测失败（或故障隔离失败、或虚警）次数为F，n为样本量，单侧置信下限qL可以由下式给出［7］

式中，qL为FDR，FIR和SAR的单侧置信下限，n和C的值可以通过查表得到具体值，可以得到表1中多组供选的试检验验方案，如置信度80%，故障指示成功率置信下限为95%时（即虚警率上限值为5%），（n，C）有（32，0），（59，1），（85，2），（110，3）等组合，可根据实际情况选取一组进行试验。

表1　试验方案表Table1　Scheme of test

表1中的检验方案是在故障样本量较多的情况下提出的。若故障样本量过小，难以满足采用单侧置信下限的方法进行统计检验，则视情况按照式（1）、式（2）和式（3）的定义采取点估计的检验方案比较合适。

3.3.2试验结果评定标准

依据试验统计结果，在一定的置信度前提下，如果FDR的单侧置信下限不低于FDR的最低可接受值，则判FDR指标合格，否则判不合格； 如果FIR的单侧置信下限不低于FIR的最低可接受值，则判FIR指标合格，否则判不合格； 如果SAR的单侧置信上限不低于SAR的最低可接受值，则判FAR指标合格，否则判不合格； 若采用点估计，则将点估计值与指标要求进行比较即可。

3.4模拟故障的实现

模拟故障通过对被试鱼雷进行故障注入来实现，要以注入故障不会对鱼雷产品、测试设备和保障设施造成不可修复的损害或损失为前提。

采用模拟故障注入的方式进行鱼雷故障检测和故障隔离率指标验证试验时，建议采用以下几种方法进行故障注入［8-9］： 1）通过修改车间可更换单元或者现场可更换单元中所含软件模块语句

模拟某种硬件故障； 2）用故障部件代替正常部件；3）加入或去掉原不易察觉的元器件，或者断开某处机械连接； 4）人为制造开路短路，制造信号失调。

3.5测试性定量指标验证试验的具体实施

若采用模拟故障进行试验，则将参加试验的人员分成两组，一组负责模拟故障注入，一组进行故障检测，进行检测的人员在试验实施整个过程不得就模拟故障的设置问题与故障模拟人员进行交流。试验时，由试验组按照故障分配表，在预选故障中选择故障进行注入。每次注入一个故障，进行故障检测和故障隔离，故障修复后再进行下一个模拟故障的注入试验，直到达到规定样本为止。

被试鱼雷每个分系统的故障样本均由自然故障和模拟故障共同构成，若定型试验结束某个分系统仍无自然故障发生，则全部采用模拟故障来进行试验，若某分系统的自然故障数超过了分配的故障数，则全部自然故障纳入试验并进行统计。

鱼雷的虚警率水平要求较高，使用模拟故障难以对其进行有效验证，故针对此指标采用自然故障样本进行试验。

在设计定型试验现场，测试性定量指标验证试验一般是和维修性试验或者故障维修过程结合在一起进行的。对于某个故障样本，具体的测试性定量指标验证试验流程如图1所示。在验证试验过程中，对故障样本的故障检测情况、故障隔离情况和是否虚警进行判断可遵从以下原则进行。

图1　测试性验证试验流程Fig. 1　Flow chart of testability verification test

1）若通过BIT或者ATE等途径报出鱼雷出现故障，通过各种测试设备和手段能够明确故障的存在，则判故障检测成功。

2）在故障检测成功的基础之上，若通过测试设备和其他手段最终能够将故障隔离到某个现场可更换单元，则判故障隔离成功。

3）若只是检测到故障，但没有将故障正确隔离，则可以不计为虚警。

4）若通过BIT或者ATE等途径报出鱼雷出现故障，通过维修测试各种手段最终确认鱼雷产品无故障，则判为虚警。

4　应用实例

4.1方案选取与故障分配

某鱼雷产品的故障检测率不小于95%、故障隔离率不小于95%、虚警率要求不大于5%，以上指标置信度均取80%。

产品由5个分系统组成，鱼雷产品总故障率Uλ为1 070×10-6/h，各分系统故障率分别为622×10-6/h，各分系统的每个功能中故障率最小的值

按照式（4），保证充分检验产品所需故障样本量n1为47。按照式（5），n2=lgα/lgRL，得到验证试验用故障样本量的下限n2为32，按照式（6），综合试验用故障样本量的最小值为47。

按照式（8）的试验检验方案，同时为兼顾测试性各定量指标的考核，选取试验方案表1中的（n，C）为（59，1）。根据产品各部分的故障率指标，59个故障样本在各分系统的分配情况见表2。模拟故障库中准备的模拟故障数量为试验所需样本量的4倍为236个，且在鱼雷每个现场可更换单元和每个功能均设置了模拟故障。

表2　产品故障样本分配表Table 2　Distribution of fault samples

4.2试验实施与数据统计

在整个设计定型试验阶段，鱼雷产品BIT、保障设备等各种途径共报出自然故障24个，其中23个故障全部检测成功，并全部隔离到现场可更换单元，1个故障最后确定为虚警。具体自然故障统计情况见表3，表3中同时明确了后续验证故障检测率和故障隔离率时需要模拟故障样本的最小数。

在设计定型实航试验结束时，为保证测试性试验的充分性，按照表2的故障样本分配方案，针对未出现故障的功能模块和现场可更换单元在模拟故障库中选取了144个模拟故障，在144个模拟故障中针对未出现故障的功能模块和现场可更换单元抽取了36个样本量的模拟故障进行故障注入试验。其中36个故障样本全部检测成功，均隔离到现场可更换单元。具体模拟故障注入试验故障统计情况见表4。

表3　自然故障统计情况Table 3　Statistics of spontaneous faults

表4　模拟故障统计情况Table 4　Statistics of simulated faults

最终，试验故障样本量为59（自然故障23个，模拟故障36个，另含虚警1个），故障检测成功59个，隔离成功59个，虚警1个。

4.3试验结果评定

故障检测率FDR： n=59，F=0。按照表1试验方案，可判定在置信度取80%的情况下，故障检测率合格。

故障隔离率FIR： n=59，F=0。按照表1试验方案，可判定在置信度取80%的情况下，故障隔离率合格。

虚警率FAR： 由于虚警率的验证试验采用自然故障进行，同时虚警率验证试验的数据来源比较广泛。在此采用式（3）的定义利用点估计的方式得到虚警率为1/24=4.2%，虚警率满足不大于5%的指标要求。同时，结合设计定型试验中可靠性试验、实航试验和维修性等试验数据，判虚警率合格。

5　结束语

文中设计了定型试验阶段鱼雷测试性定量指标的综合验证试验方法。该方法采用自然故障和模拟故障相结合作为试验样本完成了鱼雷故障检测率、故障隔离率验证试验，并采用单侧置信下限的检验方案对试验结果进行了评定； 采用自然故障作为试验样本完成了虚警率验证试验，并采用点估计的方法，参考鱼雷可靠性试验等方面的结果完成了试验结果评定。以上试验方法的成功实践，提升了试验方法的应用水平，丰富了设计定型试验的内涵，深化了鱼雷武器装备的通用质量特性考核。

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（责任编辑： 许妍）

Integrative Verification Test Method of Quantitative Indexes of Torpedo Testability

DENG Xin-wen
（91439thUnit，The People′s Liberation Army of China，Lüshun 116041，China）

An integrative verification test method of the quantitative indexes of testability is proposed for a torpedo in its design approval phase，in which spontaneous and simulated faults are taken as the test sample at the test site. The concepts of the quantitative indexes are presented，the implementation procedure of the test is described，and the test methods based on minimum acceptable value under certain confidence and point estimation are discussed. The results verify the correctness of the proposed method in terms of fault detection rate，fault isolation rate and false alarm rate of a torpedo. This study may be of benefit to assessing torpedo′s general quality characteristic.

torpedo； design approval； testability； quantitative index； verification test

TJ630.6

A

1673-1948（2015）01-0075-06

2014-09-28；

2014-10-19.

邓新文（1969-），男，高级工程师，研究方向为鱼雷试验总体技术.