一种模拟故障选取及注入方法与流程

本发明涉及装备部件故障模拟，具体为一种模拟故障选取及注入方法。

背景技术：

1、武器装备在研究时，需要更加仔细全面的对武器装备的故障情况进行分析，为了能够降低武器装备的故障，在研究过程中，会对武器装备的故障进行模拟，便需要对模拟的故障进行选取和注入，而现有的模拟故障注入方法主要在现有模拟模型基础上加入故障注入功能构成，模拟故障注入方法虽然具有费用低廉，不需要任何特殊的硬件，对注入的故障可以精确地监控，注入故障模式多的优点；

2、但是目前的模拟故障注入方法的缺点也是很明显的，即如在没有有效的仿真器的情况下，开发工作量大，由于建立详细精准的仿真模型一般非常困难，导致仿真模型置信度低，不能捕获系统的真实行为，也不能说明真实系统的执行错误，考虑到当前模拟的故障注入方法的上述优缺点，需要通过模拟故障选取及注入方法来解决当前存在的问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种模拟故障选取及注入方法，可以有效解决上述背景技术中提出目前的模拟故障注入方法的缺点也是很明显的，即如在没有有效的仿真器的情况下，开发工作量大，由于建立详细精准的仿真模型一般非常困难，导致仿真模型置信度低，不能捕获系统的真实行为，也不能说明真实系统的执行错误的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟故障选取及注入方法，依据装备部件的故障率、故障模式、检测覆盖率、维修层级的因素，进行故障的选取及注入，并确定故障的选取及注入方法，具体包括如下研究步骤：

3、步骤一、模拟故障选取方法的研究；

4、步骤二、模拟故障注入方法的研究；

5、步骤三、模拟故障注入案例的验证；

6、所述步骤一中，模拟故障选取方法的研究是指给出的模拟故障选取方法需充分考虑武器装备部件的故障率、故障模式、检测覆盖率、维修层级的因素，研究故障样本选取原则和方法；

7、所述步骤二中，模拟故障注入方法的研究是指给出各类典型故障模式的注入方法，至少包括硬件故障注入、软件故障注入两类故障注入方法，并对硬件故障注入、软件故障注入的方法及可注入的故障进行分析研究；

8、所述步骤三中，模拟故障注入案例的验证是指以某一种典型电子设备为对象，验证模拟故障注入方法的可行性。

9、根据上述技术方案，所述步骤一中，模拟故障应按一定的规则从试验故障样本库中抽取，需充分考虑武器装备部件的故障率、故障模式、检测覆盖率等因素，结合各测试性指标的内涵定义，分析研究相应指标验证的模拟故障选取方法；

10、具体的，针对故障检测覆盖率的验证，故障检测覆盖率定义为被试装备可检测的故障模式数占全部故障模式数的比例，通过对装备进行fema分析，分析结果应尽量包含被试装备所有的故障模式，使故障样本库分析的较为完善，则故障检测覆盖率指标验证所需的模拟故障模式应按等比例分配法，将故障样本量均匀分配到各组成单元的故障模式上；

11、针对故障检测率指标的验证，其内涵为被试装备发生的故障中被检测出来的故障数占发生的故障数的比例，由于装备各组成单元失效率不同，则在相同一段时间内，故障率高的单元发生故障的频次比故障率低的单元发生的故障频次高，因此，故障检测率指标验证所需的模拟故障模式应根据被试装备部件的故障率，按故障率比例进行故障模式抽取。

12、根据上述技术方案，所述步骤一中具体包括基于正态分布的故障样本选取方法、基于二项分布的故障样本选取方法和基于充分性度量准则的故障样本选取方法；

13、所述基于正态分布的故障样本选取方法是一种统计评估方法，考虑的因素为fdr/fir估计的精度或置信度，理论基础是bernoulli大数定律和中心极限定理，即当故障样本量足够大时，二项分布可以用正态分布来近似，且fdr/fir估计值的偏差近似服从正态分布；

14、该方法是以简单的正态分布区间估计公式为基础计算fdr/fir估计值的上限值和下限值及接收/拒收判据，在故障样本量分配方面，将uut逐层分解到可更换单元，然后根据可更换单元的故障率大小确定故障相对发生频数，将故障样本量按相对发生频数分配到各可更换单元件，得到各可更换单元进行试验的故障样本量分配值；

15、对每个可更换单元，根据故障样本量分配值的4倍数量确定故障模式集，然后按备选故障模式的相对发生频数，利用随机数来选择试验所用的故障模式，试验后采用正态分布置信限公式进行fdr/fir的接收/拒收判断；

16、在目前的标准中给出了基于正态分布假设的地空武器系统bit和外部检测设备的fdr/fir验证的故障样本量确定方法，该方法是以简单的正态分布分位点估计和fdr/fir估计值的允许偏差为基础计算故障样本量及接收/拒收判据，在确定故障样本量后，不需要进行故障样本量分配，直接从uut故障库中随机抽取故障模式构成故障样本集；

17、在确定故障样本量后，采用按故障率的分配方法将故障样本量分配到各可更换单元，然后随机抽取故障模式进行故障注入。

18、根据上述技术方案，所述基于二项分布的故障样本选取方法是将故障检测/隔离试验看作成败型试验，利用二项分布抽样特性函数，考虑fdr/fir的指标要求值、fdr/fir最低可接收值、承制方风险和使用方风险，确定故障样本量和允许的检测/隔离失败次数，即为抽样方案，也称标准抽样方案；

19、若只考虑使用方风险，确定的抽样方案称为极限质量抽样方案，同理也可只考虑承制方风险制定抽样方案，在故障样本量分配方面，将uut逐层分解到可更换单元，然后根据可更换单元的故障率大小确定故障相对发生频数，将故障样本量按相对发生频数分配到各可更换单元，得到各可更换单元进行试验的故障样本量分配值，也可直接从uut的故障模式库中随机抽取故障模式构成故障样本集，在试验结束后以故障检测/隔离失败次数作为接收/拒收的判据。

20、根据上述技术方案，所述基于充分性度量准则的故障样本选取方法是指基于度量理论分析建立了衡量故障样本集对uut故障模式集代表性的信息模型，该信息模型详细描述了结构模型、功能模型、测试模型、故障模型及其相互之间的复杂映射关系；

21、在信息模型基础上定义了故障模式等价集合等概念，并根据这些概念建立了通用形式的充分性定义，并进一步分析充分性的含义以及基本性质，根据装备的结构特性建立了结构覆盖充分性度量和准则，根据装备的功能特性建立功能覆盖充分性准则，根据装备的测试特性建立了测试覆盖充分性度量和准则，以及综合充分性度量和准则。

22、根据上述技术方案，所述步骤二中，模拟故障注入方法的研究常采用的方式包括硬件故障注入和软件故障注入两种方式，硬件故障注入主要通过改变被试装备组成单元的硬件状态，软件故障注入主要是通过改变被试装备执行软件的运行状态，使其表征状态与某硬件发生故障后的状态一致来实现故障的模拟与注入；

23、硬件故障注入又可针对注入的层级进行划分，针对电子产品，硬件故障注入可分别在元器件级、电路板级或设备级进行故障模拟与注入，分析总结武器装备部件的各类典型故障模式，针对各典型故障模式，研究相应的模拟故障注入方法；

24、在研究各类典型故障模式的故障模拟方法的同时，研制相应的测试性试验样机，在实装样机上进行模拟故障注入，验证方法可行性，测试性验证试验设计主要涉及故障模型分析和故障注入器实现两个环节；

25、故障模型分析需要对真实情况下uut待注入的故障模式进行抽象、归纳和建模，然后形成故障注入器可以访问的描述模型，故障注入试验结果的准确性和精确性直接取决于故障模型的准确程度，故障模型是故障注入能否进行的关键，故障注入器可由硬件、软件或软硬件共同实现。

26、根据上述技术方案，在步骤二中，模拟故障注入方法是指在系统的仿真模型中插入故障注入单元来实现故障注入，这种方法通常应用于设计周期的前期阶段，即系统物理样机建立之前，模拟故障注入工具一般采用vhdl生成；

27、从研究流程角度来看，故障模式特性研究是故障注入试验的基础，故障模型分析是将故障模式特性解释为故障注入器可以理解的描述形式，故障注入器将故障模型描述的故障属性引入到uut中，加速uut发生故障；

28、故障注入对象主要为处于设计阶段的电子装备，常见的故障模式有开路、短路、固高、固低、输出错误、与地搭接电阻、与电源搭接电阻、线与线间搭接电阻八种故障类型，故障类型少且故障表现形式简单，建立的故障模型准确且故障注入器访问深度不受限制；

29、为了提高武器的实战能力和水平，要求功能和性能测试的全面覆盖性，即进行全面的测试性设计，使测试项目尽可能地覆盖所有的功能和性能，另一方面，开展完善的bit设计，尽可能地通过其自身完成测试，开机即可完成关键功能、性能的检测，根据bit检测结果即能影响发射决策。

30、根据上述技术方案，在步骤2中，为了检验装备测试性水平是否达到规定的要求，识别测试性设计的缺陷和薄弱环节，需要对装备开展测试性指标检验评估，具体检测评估步骤如下：

31、首先，对装备各层级进行fmeca分析，梳理装备所有的故障模式，在此基础上，结合武器实际，研究故障模拟和注入方法、故障样本选取和分配方法、指标评估方法；

32、然后，选取专用故障注入设备、试验电源与负载、测试激励设备、其他通用工具和仪器及相关测试性软件，搭建基于故障注入的武器测试性检验评估平台；

33、最后，通过故障注入的方式模拟装备在运行过程中的各种故障模式，通过分析注入的故障和测试诊断结果，从而完成装备测试性指标的检验评估。

34、根据上述技术方案，所述步骤三中，模拟故障注入案例的验证主要是验证模拟故障选取与注入方法的有效性，验证选取的电子设备产品为某型导弹发射车发控分系统；

35、装备测试性验证试验通常采用基于故障注入的验证与评价方法，该方法主要是通过故障注入设备，模拟装备在运行过程中的各种故障模式，以物理或软件注入的方式将故障模式注入到待验证的装备中，通过分析注入的故障和测试诊断结果，对装备的测试性设计指标进行评估和验证，考核装备是否达到测试性设计要求，识别装备的测试性设计缺陷和薄弱环节。

36、根据上述技术方案，在步骤三中，测试性验证试验工作的主要步骤如下：

37、a)制定测试性验证大纲/计划，建立验证试验组织；

38、b)依据测试性验证计划规定，完成试验产品及测试设备的准备工作，制定产品的测试性试验验证方案；

39、c)依据试验方案实施故障注入，可利用简单工具进行手工操作方式注入故障，也可利用注入设备实施半自动化操作方式注入故障；

40、d)在试验过程中，将故障及其检测、隔离数据填入数据记录表；

41、e)对记录的数据进行综合分析，统计故障检测与隔离成功的样本数量，评估故障检测率和隔离率的量值，根据试验方案进行判决；

42、f)编写产品的测试性试验验证报告；

43、g)组织评审，确认产品的测试性验证结果。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果：

45、本发明依据维修性和测试性试验样本库，结合被试装备验证指标、组件失效率，研究模拟故障选取方法，然后针对选取的模拟故障，研究各类典型故障模式的故障模拟注入方法，结合各测试性指标的内涵定义，分析研究相应指标验证的模拟故障选取方法，同时针对各典型故障模式，研究相应的模拟故障注入方法，提供了故障样本量确定和故障样本选取的新方法，弥补了现有抽样统计方法的不足，开展了较为充分的故障选取和注入研究，并得出了一些有益的结论，对开展测试性验证试验具有很好的指导作用。