基于虚拟试验的潜通路分析技术

赵 岩,李 智,姜 爽,徐海运,张 翔

（中国运载火箭技术研究院研发中心,北京,100076）

基于虚拟试验的潜通路分析技术

赵 岩,李 智,姜 爽,徐海运,张 翔

（中国运载火箭技术研究院研发中心,北京,100076）

当前，虚拟试验在航天、航空、船舶等军工领域的应用取得了长足的发展，并成为国防技术研究的重要领域。基于虚拟试验的潜通路分析软件在军工领域电子电气大型复杂系统中逐渐受到各领域的重视，它的成功应用给项目带来了质量提高、风险降低以及成本减少等优点。

虚拟试验；潜通路分析；电子电气系统

0 引言

在传统的航天、航空、船舶等军工领域电子电气系统研制过程中，为了消除系统的潜在问题缺陷，要进行各种行之有效的图纸分析以及各种条件下常规的产品试验和测试。随着虚拟试验的提出，在产品投产前系统图纸设计过程中往往会通过计算机仿真分析软件虚拟真实试验的各种工况，让潜在通路在产品投产前尽量暴露出来，更改并完善设计。

1 虚拟试验1.1 概述

虚拟试验可以定义为在虚拟环境中进行的试验。通常情况下，虚拟试验环境是基于计算机软件研制的仿真试验系统，设计者可以利用计算机软件庞大的数据库，将设计图纸原型真实建立成虚拟试验环境中的简化模型，借助交互式技术和试验分析技术，在设计阶段对系统或单机的运行性能进行评估和体验。

1.2 优势分析

虚拟试验的优点在于虚拟试验不仅仅可以看作真实试验前期准备工作，而且虚拟试验改变了传统的试验模式：过去是必须先有实物才可以进行试验验证，而虚拟试验使整个试验方法发生了根本改变，原来试验模式是图纸设计、产品生产、实物试验，试验未通过则需要重新修改设计，导致产品试验定性周期长，试验效率低，成本高。而虚拟试验则将试验验证环节前移，通过设计建模试验，迭代改进模型，然后生产再进行最后的实物试验，从而降低了研制风险和资金成本，缩短了研制周期。据统计，产品设计阶段80%以上的设计缺陷可以通过虚拟试验消除。

虚拟试验是国防技术领域研究的发展趋势，虚拟试验技术可以实现设计、分析、试验验证的一体化，美国的第四代战斗机开发流程，从概念设计、结构模型、气动力分析，到航电系统试验验证、状态仿真设计等，均采用虚拟试验技术进行一体化设计研制。

虚拟试验与传统试验相比，具有以下优点：

1）可以大幅度减少样机研制试验次数，缩短新产品试验周期，减少实物试验的费用，降低项目技术风险；

2）虚拟试验可以实现设计者在产品设计阶段产品运行性能验证，使设计者进一步优化或修改设计，避免在后期实物试验出现潜在问题。

2 潜通路分析技术

2.1 概述

潜通路分析技术（Sneak Circuit Analysis，简称SCA）最早是美国波音公司于阿波罗登月计划期间基于电子电气系统提出的，它是一种行之有效的工程系统的可靠性分析与保障工具，同样也是一项基于虚拟试验的计算机仿真分析技术。波音公司通过研究大量的故障案例发现许多故障并非是元器件失效引起，而是系统设计方案中固有状态引发的，而这些状态是设计者无意引入设计方案中的。在某种状态下，系统存在着设计者未意识到的潜在通路，在特定情况下会产生非预期的功能或抑制预期的功能，引起系统故障，甚至严重故障，包括设备损坏或人员伤亡。例如，火箭发射点火后误发紧急关机指令造成发射失利、飞机在停机坪上误发具有严重危害性的导弹、座舱失火时不能迅速打开舱门逃逸使宇航员遭到死亡，类似事故所造成的损失是惊人的，不仅造成经济损失，而且带来人员伤亡，甚至政治上和军事上都陷入被动。

至1975年，波音公司完成了阿波罗的潜在分析任务，发现潜在电路208个，设计缺陷13个，设计图错误1500个，提高了阿波罗的安全性与可靠性，在工程界产生了很大的反响，很快在各重要领域得到应用，研究证明，在复杂的气路、液路系统中亦有可能存在潜在路径，且同样具有严重危害。

潜通路分析技术是一项旨在预先发现潜在通路的工程技术，是一项极具社会经济效益的应用技术。

2.2 国内外研究现状

1967年，美国NASA投资波音公司开始研究开发能够预先发现潜通路的分析技术。经过8年的攻关，波音公司建立了规范的潜在分析理论和方法，并开发了计算机辅助工具。1972年波音公司研发成功采用电路模拟方法识别软件中潜在问题的分析技术，1978年研发成功混合电路潜在分析技术，1989年研发成功集成电路潜在分析技术。1990年，SoHaR公司受美国空军罗姆中心委托研发成功了一个与电路输入工具OrCAD结合、利用专家系统支持线索表检查的辅助分析系统SCAT。1995年，SoHaR公司与Phase Three Logic 公司合作，推出了具有先进Windows图形界面的分析工具CapFast/SCAT。

20世纪80年代中期，欧洲也开始潜通路技术的研究，1994年，欧洲空间局（ESA）在美国可靠性与安全性年会上，首次向外界公布了其研究新进展。1997年10月，根据ESA-SCA方法改编、修订的欧洲空间合作标准化组织（ECSS）的潜在分析标准ECSS-Q-40-04A：Part1-Part2正式颁布，它标志着欧洲在该领域的研究和应用已趋于规范化。

国内近60年的导弹及运载火箭试验和靶场发射中，由潜在通路引起的故障或事故不在少数，但真正认识和研究潜在通路则始于80年代末90年代初。1987年前后航天总公司开始引进有关资料，1990年潜通路分析技术被列为航天九五重点预研课题。在对国内导弹与航天曾发生过的潜通路问题进行系统调研、分析与总结的基础上，1996年前后建立了一套适合我国国情的潜通路分析方法，但其工作量非常之大，且对分析人员要求高，从而限制了该技术的推广使用。

国外潜通路分析技术较为成熟，主要代表为波音公司、欧洲空间局和SoHaR公司的多种分析方法和手段。由于潜通路分析技术的重要性，国外该技术方法的详细资料均对外封锁，自1988年，国内航空611所、航天12所、708所、北京航空航天大学、西北工业大学、电子科技大学等一些研究所和高校陆续开展了大量的潜通路理论和分析系统的研究工作，也开发了多种潜通路分析系统。

图1 典型潜通路分析过程框图

3 工程应用

在工程实践中，实物试验（如综合试验、匹配试验、靶场试验等）需要耗费较大的人力资源，如果在实物试验前未开展潜通路分析则存在出现潜通路问题的风险，而这种风险是不可预见的，一旦出现则需要时间去分析和处理，然后进行返厂更改或维修，耽误了项目进度，同时，也给项目带来了研制成本。

潜通路分析技术作为一项虚拟试验技术，通常在产品投产之前完成，虚拟实物试验的各种工况，消除潜在通路的危害。

目前，潜通路分析技术已经在航天、航空、船舶等军工领域以及工业领域得到广泛应用。常用的潜通路分析方法有国外波音公司的规范SCA方法、欧洲空间局的简化SCA方法、SoHaR公司的潜在通路分析系统SCAT和国内航天708所潜在电路分析软件、航天301所、成都电子科技大学和航空611所联合开发的计算机辅助潜通路分析软件、航天12所开发的计算机辅助网络树生成系统等，典型的潜通路分析过程框图见图1。

4 未来与展望

在未来高成本、高可靠性的国防军工技术研发体系中，虚拟试验的应用愈显重要。在国防技术工业中，潜通路问题的存在严重影响了火箭、导弹、卫星、飞机及船舶等电子电气系统研发过程中的测试流程和测试质量，为此，基于虚拟试验的潜通路分析技术在提高其产品设计质量和可靠性方面有着广阔的应用前景。

[1] 黄雪英. 面向虚拟试验的工程数据库研究技术研究[D].西北工业大学,2007,7～9.

[2] 徐克俊. 航天发射故障诊断技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2007.

[3] 任立明. 潜在电路分析技术及在航天控制系统中的应用[J].航天控制, 1998,1:56-61.

[4] 李国华,胡昌华等. 潜在通路分析技术的发展[J].安全与环境学报, 2004,2:84-85.

[5] 严殿启. 潜通路分析技术[J].导弹与航天运载技术, 2000,1:43-44.

[6] 张大庆,宋斌. 电子系统的潜通路分析技术[J].光电技术应用, 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

赵岩（1987-），男，山西阳泉人，硕士，工程师，主要从事供配电系统及综合测试系统总体设计。