为了改进现有智能装备系统可靠性试验技术，提高试验评价的准确性，对现行可靠性试验和软件测试的特点进行了分析，研究提出一种考虑软件工作载荷的可靠性综合试验剖面设计技术，通过融合MUSA操作剖面构造技术和Markov链的状态迁移技术，设计软件使用操作剖面，基于任务剖面实现软操作剖面和硬件可靠性试验剖面的有效匹配。

信息化技术的迅猛发展，在轨道交通、电力、智能制造等广泛应用，出现大量以为软件为核心的软件密集型智能装备系统，软件密集型指在设备系统的功能特性、研制费用、研制风险及研制时间等一个或多个方面，软件占主导地位的装备系统，即以软件为核心的装备系统。目前对该类设备的试验评价，采用了传统的可靠性试验加软件测试的方式进行，按照规定要求完成试验和故障归零后，在实际装备使用中仍出现不少的质量与可靠性问题，通过对多型装备定型后出现的故障数据分析发现，装备使用条件下的环境应力、外部输入数据、用户的使用操作等多个因素共因造成的设备故障与失效情况，说明对软件密集型信息化装备分别开展可靠性试验及软件测试的方法，不能充分的暴露其可靠性薄弱环节，迫切需要对试验技术方法进行研究和改进。

本文对依据GJB 899A-2009实施的可靠性试验和依据GJB/Z141-2004的软件测试，进行了比较和分析，针对其对软件密集型装备可靠性试验的薄弱环节，研究提出一种考虑软件工作载荷的可靠性综合试验剖面设计技术，并通过某型装备进行了应用试验验证。

现行可靠性试验和软件测试的特点

在装备研制过程中，可靠性试验和软件测试是装备研制中必须做的两项重要试验，在型号工程中已经开展多年，并取得了良好效果，大大地促进了装备质量的提高。可靠性试验方面，主要参考和依据MIL-STD-781D《可靠性试验的发展, 试验条件及程序》及相关标准，针对不同装备装备应用于不同气候环境和机械环境的特点，选取实际使用中最典型、最有代表性的使用条件，通过设计温度、湿度、振动以及电应力四种环境应力的同步施加，模拟实际使用中所经历的综合环境效应，对设备进行试验考核和可靠性评价，其可靠性试验剖面的典型结构如图1所示。在可靠试验期间，会根据试验大纲，进行部分软件（系统）功能检查以及若干性能检测，但在选定检查的功能、性能指标时，未充分考虑软件、硬件之间的影响，因此也没有规定软件运行方式、频度、时间以及预置条件等，试验方案之间对软件功能逻辑的覆盖率有较大的差异，因而对软件和系统可靠性指标的考核和结果评价均存在一定的偏差。

图1 机载设备可靠性试验剖面的典型结构

现行的软件测试，将测试按级别分为单元测试、集成测试等，测试类型分为功能性测试、性能测试、强度测试等，测试阶段分为测试策划、测试设计、测试执行等，测试目的是“考核软件是否符合系统研制总要求或软件研制总要求规定的技术指标”的要求，测试通过查找缺陷以及对缺陷进行归零处理来提升软件的质量，是面向需求的符合性测试，偏重质量符合性。软件测试时，多数情况下将软件运行的硬件平台置于有空调进行温控的机房中，没有其置于装备实际应用场景的温湿度、电应力以及振动综合环境下，软件测试时无法模拟硬件性能变化等对软件的功能、性能等影响，难以发现软件硬件共因故障，更难以重现。

相关文献指出由嵌有软件的硬件组成的大型软硬件系统会出现硬件失效、软件失效和软硬关联作用失效，并规定对该类系统的可靠性试验，需要施加的应力除了包括温度、湿度、振动、电应力等传统的环境应力外，还应该包括工作载荷（Operating Load）。可见，单独的硬件可靠性试验和软件测试在暴露软硬件关联的故障方面存在欠缺，因此对系统可靠性指标评价存在一定的偏差。

考虑软件载荷的综合可靠性试验剖面设计技术

考虑软件载荷的试验剖面设计技术，在现行可靠性试验、软件测试的管理和技术模式框架下，以现行可靠性试验为基础，细化和完善试验方案设计，充分考虑软件的运行剖面，以典型的工作载荷构建完善的软件测试剖面替代原有的测试点，使综合可靠性试验剖面尽可能贴近用户的使用环境和条件，剖面设计方法和设计过程见下图2所示。

图2 考虑工作载荷的可靠性综合试验剖面设计技术

01综合可靠性试验剖面中硬件可靠性试验剖面设计

硬件可靠性试验剖面设计主要参考和依据MIL-STD-781D《可靠性试验的发展, 试验条件及程序》及相关标准，分别完成单任务可靠性试验剖面设计和多任务可靠性试验剖面设计。

1）单一任务可靠性试验剖面

首先根据设备及装载平台的设计要求以及任务剖面，绘制任务特征参数图(见图3(a))；其次，从设备设计性能规范和任务剖面获取各任务阶段、高度、马赫数、动压等数据，并计算或获取必要的数据（温度、温度变化率、振动应力、电应力、湿度等），结合任务特征参数图提供的数据，得到绘制环境剖面所需的数据：任务阶段、持续时间、高度、马赫数、机舱温度、温度变化率、动压q、概率谱密度W0、W1、露点温度、设备状态等，并绘制环境剖面（见图3(b)所示）；最后，依据规定的原则，对环境剖面中的湿度、温度变化率和振动数据进行处理，依据处理得到试验剖面图数据（任务阶段、持续时间、温度变化率、W0、设备状态等），绘制试验剖面图(见图3(c)所示)，试验剖面应包括温度试验剖面和振动试验剖面，分冷天执行任务和热天执行任务两种情况。电应力循环和湿度应力由于变化比较简单，可以不在剖面上表示出来。

图3 单一任务装备的可靠性试验剖面合成过程（示例）

2）多任务装备的可靠性试验剖面合成

多任务装备的可靠性试验合成，主要是以温度的时序为基准，同步电应力剖面、振动剖面，两者的合成方法原理基本一致。多任务装备可靠性试验温度剖面合成过程和方法如下：

步骤1：逐一列出各个任务出现的相对频率估计值（即各任务在总任务中所占的比例，用加权因子ƒ表示），各任务的加权因子的总和为1；

步骤2：按每一任务剖面列出每一稳态温度台阶等级T及其持续时间t，用任务加权因子ƒ与持续时间t的乘积作为加权持续时间ƒt，见表1所示；

步骤3：对表1的相同温度值进行合并，被合并温度所对应加权持续时间进行累加，得到一个只有温度值和总加权持续时间的两列温度值汇总表格。

表1 各任务剖面温度值表

最后，确定冷天和热天的最大温度值TMAX、最小温度值TMIN、加权温度值TINT3个温度台阶值和持续时间。TMAX(TMIN)为最高(最低)温度值5℃范围内的温度值的加权综合，其持续时间为参加加权的各温度对应的总加权持续时间之和；TINT处为参加计算TMAX和TMIN加权温度值之外的所有剩余温度值的加权平均值（将所有剩余温度值分别乘以对应的总加权持续时间，相加后再除以各对应的总加权持续时间之和），其持续时间为各参加加权温度值对应的总加权持续时间之和。

使用类似方法，确定冷天和热天的起飞振动量值WOTO、飞行连续振动量值WOC、最大振动量值WOMAX、最小振动量值WOMIN、加权振动量值WOINT共5个振动量值和持续时间。

最后以温度试验剖面为主线，绘制多任务合成试验剖面，见图3(d)所示。