基于自然和模拟样本的检测率评估方法研究

焦 毅

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

基于自然和模拟样本的检测率评估方法研究

焦 毅

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

鉴于产品在试飞现场和测试性模拟试验的试验结果均为成败型数据，为了更加客观全面的评估产品检测率，提出了测试性模拟试验样本选取及分配原则、自然样本和模拟样本融合方法、基于故障率的故障检测率评估模型，解决了传统测试性评估方法中在实际应用中的样本覆盖不全以及评估结果受限等技术问题。

故障检测率；模拟样本；故障率；约定层次

测试性作为装备的一种设计特性，是构成武器装备质量特性的重要组成部分。通过良好的测试性设计，可以提高装备的战备完好性、任务成功性和安全性，减少维修人力及其他保障资源，降低寿命周期的费用。故障检测率作为测试性的一项重要指标，是指检测并发现设备内一个或多个故障的能力，也可作为是通过采用规定的方法和步骤直接或间接地确定系统或单元故障，或向操作人员指示故障的能力。

国外自上世纪70年代以来，机内测试技术已广泛用于武器系统研制过程，国内新研制的重要系统或设备的技术指标中也都包括测试性的定性和定量要求。这同时也要求在产品整个设计研制过程中需进行一系列的测试性设计与验证工作,并且要进行测试性指标的验证。故障检测率作为测试性的一项重要指标，如何实现故障检测率的科学评估和客观验证将成为测试性的一个重要研究方向。

故障检测率的定义：在规定的时间内和规定的条件下，用规定的方法正确检测到的故障数与被测单元发生的故障总数之比。传统的评估模型如下：

式中：

γFD—故障检测率；NFD—在规定的时间内和规定的条件下，用规定的方法正确检测到的故障数；N —规定的时间内被测单元发生的故障总数。

1 面临的问题

试飞阶段的测试性指标验证是产品定型或鉴定工作的重要组成部分。而目前在实际工作中，故障检测率的评估主要存在以下几个方面的问题。

随着高可靠性电子元器件的广泛应用，产品的可靠性得到了极大的提高。而在试飞期间，由于周期较短，产品产生的自然样本量较少，一般不能满足GJB 2072-1994《维修性试验与评定》规定的30个样本要求，现阶段一般采用测试性模拟试验的方式进行补充样本。然而由于评估对象的不同，会出现以下两种情况：

● 对于组成较为简单、故障模式较少的产品（如配电装置等），选取所有的故障模式作仍不能满足30个样本量的要求；

● 对组成较为复杂、故障模式较多的产品（如任务电子系统等），30个样本量无法覆盖所有的现场可更换单元（Line Replaceable Unit，LRU），无法准确反映产品测试性的真实水平。

产品测试性模拟试验样本的选取是根据产品的故障模式及影响分析（FMEA）报告中对应约定层次的故障模式，然而在试飞现场发生的自然样本中会存在无法与FMEA报告中的故障模式对应的情况，最后导致无法直接对模拟样本和自然样本进行融合。

产品模拟注入故障或自然发生故障，使用规定的故障检测程序，其结果只有两种可能：检测到故障或未检测到故障，属于成败型试验，每个样本只需模拟一次便可以反映产品的测试性水平。然而每个样本发生的概率不同，因此利用传统的计算模型无法考虑各产品各组成部件故障率的影响。

针对以上问题，结合试飞现场和产品设计的复杂程度等情况，本文通过建立测试性模拟试验样本选取及分配原则、自然样本和模拟样本融合方法，并在此基础上建立基于故障率的故障检测率评估模型，解决了传统测试性评估方法中在实际应用中的样本覆盖不全以及评估结果受限等技术问题。

2 解决方案

2.1 测试性模拟试验样本选取及分配原则

对于试飞期间产品自然样本量无法满足要求的问题，现阶段一般均采用测试性模拟试验的方式进行补充样本，在GJB 2072-1994中规定测试性模拟样本量和样本的分配均参照维修性模拟试验。而这种方法的缺陷在于：

对于维修性模拟试验来说，由于人和环境的因素影响，同一个样本每次所产生的维修作业时间是不一样的，所以按照故障率进行分配时，对于一个样本可以分配大于1的样本量。而对于测试性模拟试验来说，同一个测试样本的结果，无论分配的次数是多少，其结果仅有两种可能：检测到故障或未检测到故障。所以对于测试性模拟试验来说，同一测试样本的样本量分配应均为1。

随着航空产品的不断发展，测试性设计也随之融入到更多的设备或系统中，因此测试性指标验证的对象也变的越来越复杂。如果按30个样本量的要求选取样本，会出现：对于组成较为简单、故障模式较少的产品（如配电装置等），选取所有的故障模式作仍不能满足30个样本量的要求；对于组成较为复杂、故障模式较多的产品（如任务电子系统等），30个样本量不能覆盖所有的LRU，无法反映产品测试性的真实水平。

依据GJB 2072-1994及实际经验的总结，测试性模拟试验样本的选取及分配应遵循以下原则：

● 测试性模拟试验样本的选取应依据产品FMEA报告中相应约定层次的所有故障模式（试飞期间外场测试性验证为LRU级）；

● 剔除由于经费原因、产品破坏后无法修复和安全性等因素而不能进行注入的故障模式，筛选出试验能进行模拟的故障模式；

● 选定作为测试性模拟试验样本的所有故障模式需覆盖所有需验证的约定层次（试飞期间外场测试性验证的约定层次为LRU）；

● 对选定的测试性模拟试验样本应明确注入的方式，且每一个测试样本的样本量分配均为1。

2.2 自然样本和模拟样本融合方法

测试性模拟试验样本选取及分配原则的建立解决了样本不足的问题。但在试飞中，大部分产品会发生故障，产生自然样本。由于产品测试性模拟试验样本的选取是根据产品的故障模式及影响分析(FMEA)报告中对应约定层次（外场测试性验证的约定层次为LRU级）的故障模式，然而在试飞现场发生的自然样本中会存在无法与FMEA报告中的故障模式对应的情况，如图1。

图1 中A部分为自然样本，且FMEA报告中未涉及；B部分为模拟样本，且在试飞中未发生；C部分为即在试飞中出现，又包含于模拟样本中。产生此类现象的原因主要有以下两点：

a）在测试性的设计阶段，设计单位对产品进行FMEA分析时，由于对产品工作环境等因素考虑不充分等原因，产品的故障模式无法罗列全面；

b）由于军方对新型装备的迫切需求，导致产品的研制进度非常紧张。往往设计定型试飞会和软件测评、环境鉴定试验等同步进行，这样会出现产品发生故障时的状态（含硬件及软件状态）和最后定型的状态存在偏差。

因此在测试性模拟试验实施之前，需分析外场发生故障的原因，如果注入方式不具有破坏性且故障成因可复现，可将自然样本补充到测试性模拟试验中，既可以对模拟样本进行补充，也可以对FMEA报告进行完善。

2.3 基于故障率的故障检测率评估模型

依据设计单位提供的FMEA报告和外场发生的自然样本，按上述原则和方法进行测试性模拟样本的选取。组织开展测试性模拟试验，采用规定的方法进行故障的注入，统计模拟样本的检测情况，产生测试性模拟试验数据。

由于测试性模拟试验样本不是按照各个产品的故障率进行分配，而是采用等比例分配的方法，因此在评估中需加权故障率。然而由于FMEA报告中对产品的故障模式分析不全面，如图1中的A部分，会存在外场发生，而FMEA报告未涉及的情况。因此本文在故障检测率传统评估模型的基础上，结合和外场故障和测试性模拟试验的特点，建立基于LRU级故障率的故障检测率评估模型：

首先通过公式（2）计算第i个LRU的故障检测率：

式中：

NZD—正确检测出的自然故障（因无法注入而未模拟的样本）数；NMD—正确检测出的模拟故障数；NZ—自然故障（未列入模拟清单的样本）总数；NM—模拟故障总数。

然后通过加权产品各个LRU故障率的方式，计算产品的故障检测率：

式中：

rFD—系统的故障检出率（Fault Detecting Relay，FDR）评估值；NL—系统包含的LRU个数；λLRUi—第i个LRU故障率；rLRUi—第i个LRU的故障正确检出率。

3 应用与意义

上述方法是在考虑测试性评估样本全面性的基础上，结合外面试飞的特点，建立基于LRU故障率的故障检测率评估模型。目前，基于自然和模拟样本的故障检测率评估方法已应用到某型飞机各分系统或设备的故障检测率评估工作中，并在后续型号的技术准备阶段得到了推广和应用。

通过产品的设计鉴定及定型等工作结果表明：此方法有效的解决了测试性模拟试验样本的选取和分配、自然样本和模拟试验样本无法融合等技术问题，提高了故障检测率评估结果准确度和可信度；并通过对试飞阶段的测试性模拟试验和外场数据分析和处理，发现产品存在测试性设计问题，为其测试性水平的提高提供数据支持和理论依据，具有很高的工程应用价值。

融合了试飞期间外场和FMEA的综合样本库，相对于单纯的内场测试性试验，能够更加全面、真实的反应产品测试性水平，其作用和意义如下：

● 除了完成测试性评估所需的产品部件类故障外，还可以对功能性故障的测试性水平进行验证。对于维护人员用来说，产品功能的检测更能够为航空装备的使用提供支撑和帮助；

● 通过对外场样本和FMEA中故障样本的复现，能够有针对性的发现测试性水平的不足；

● 完成试验后结合外场使用和测试性评估，针对产品的测试性问题，提出产品测试性水平的改进建议。

4 结束语

为提高装备的测试性，在装备试验过程中依据了大量的行业规范和标准。但由于装备在试飞使用期间会受到外部环境、数据激励以及响应等因素的影响，导致无法预知的故障发生；同时，随着军事装备的多元化发展，也带来了标准的适用性降低。因此在试飞阶段的故障检测率的验证工作中，现有的方法存在较多的使用限制，操作性较差。

试飞阶段的测试性评估工作具有其自身的特点，在相关标准和规范尚不健全的情况下，为了更加全面客观对产品进行评价，通过对型号课题中的多次测试性模拟试验和外场发生故障等数据进行分析和总结，并对产品测试性设计阶段的相关标准和规范进行解读，建立了基于自然样本和模拟样本的故障检测率评估方法。本文通过对故障检测率评估方法的研究，反映了“依据标准，充分考虑试飞和装备的，在注重工程化应用的基础上进行理论方法的应用性创新”的思路。

[1] 康锐，石荣德，肖波平等. 型号可靠性维修性保障性技术规范[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[2] 康锐. 测试性性设计分析与验证[M]. 北京：国防工业出版社，2011.

[3] 赵廷弟. 安全性设计分析与验证[M]. 北京：国防工业出版社，2011.）

T-65

C

1003-6660（2017）03-0054-03

10.13237/j.cnki.asq.2017.03.013

2016-11-02

（编辑：劳边）