测试性指产品能及时准确确定其工作状态，并有效隔离其内部故障的能力。良好的测试性设计对于提高装备的维修保障水平和战备完好性、降低全寿命周期费用等具有重要意义。近年来，通过测试性试验工作的推进，装备测试性水平的摸底、增长、验证得到了技术实践。

本文以气象雷达为研究对象，给出了一种气象雷达测试性试验方法。通过这种方法，在产品研制阶段，不仅对气象雷达测试性设计进行实际验证，还降低了试验的成本和风险，缩短了试验周期，提高了试验结果的可信度。

总体思路

气象雷达测试性试验方案总体流程如图1。首先，根据气象雷达的结构和功能进行故障模式影响与危害性（Failure Modes，Effect and Criticality Analysis，FMECA）分析，梳理气象雷达的各层级的划分以及对应的功能，分析各层级的故障模式及其对产品的影响、检测方式、严酷度、故障率等，作为测试性试验的输入。其次，设计试验方案。采用最低可接受值试验方案确定初步样本量，结合基于最小舍入误差排序补充的按比例分层抽样的分配法进行样本量分配，并建立备选故障样本库，选取试验样本。在试验过程中，根据备选样本库中每个试验样本的故障注入方式、注入成功判据、故障上报内容，来逐一进行验证，判定故障注入有效性。最后，对试验数据进行整理，得出故障检测率（Fault Detect Rate，FDR）和故障隔离率（Fault Isolation Rate，FIR），对气象雷达的测试性设计进行定性和定量评估，为测试性设计提出建议。

图1 气象雷达测试性试验方法总体框图

01FMECA分析

FMECA分析在整个测试性试验中担任的是测试性输入的角色，通过分析产品的组成、结构，从不同层级分析产品的故障模式及其对产品的影响、检测方式、严酷度、故障率等，对测试性试验最终能否真实有效地反应产品测试性水平起到关键作用。目前FMECA分析主要有两种方法，分别是硬件FMECA分析方法和功能FMECA分析方法，两种分析方法最大的区别在于分析顺序，前者是按照器件级、功能电路级、内场可更换单元（Shop Replaceable Unit，SRU）级、外场可更换单元（Line Replaceable Unit，LRU）级、子系统级自下而上的逐级分析；后者是从子系统级、LRU级自上而下的进行分析。

目前装备FMECA分析一般采用的是硬件法，为确保气象雷达测试性试验更好地开展，本文采用了硬件法和功能法相结合的气象雷达测试性试验FMECA方法。首先需要确定最低约定层级，元器件的故障是产品发生故障的最终原因，因此选择器件级作为气象雷达的最低约定层级。参考GJB&Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中元器件的故障模式、故障原因、故障率等，分析气象雷达中所有元器件。特别的，天线中机械类元件的故障也需要分析。接着，将器件级的故障模式作为功能电路级的故障原因，分析功能电路级的故障模式及其对产品的影响，并以此类推向SRU级、LRU级、气象雷达逐级分析。为了确保各层级的故障模式尽可能涵盖所有的失效形式，结合相似产品发生过的故障模式，根据气象雷达的功能和输出类别对子系统、LRU级故障模式进行补充。在整个分析过程中，需要注意：1）确保故障模式描述清晰、准确；2）故障率数据来源可靠，计算精准。

02试验方案

考虑到试验风险、费用及时间，国内测试性试验样本量分配一般采用按比例简单随机抽样的方法，该方法样本量选取随机性大，无法根据产品自身结构特点分配样本，使样本缺乏代表性，降低样本量的可信度。因此本文采用的是结合基于最小舍入误差排序补充的按比例分层抽样的分配法，不但保证了样本结构与产品总体一致，提高了样本的代表性，而且可信度高。

1.样本量确定

样本量的确定是确定试验所需要注入的故障模式样本总数，即确定试验的总规模。在现行的国家军用标准中，对样本量确定有详细规定的标准有限，根据GJB2027-1994《维修性试验与评定》的“附录C测试性一般试验方法”中规定，样本量不应小于30。对于测试性试验，样本量若过少将无法覆盖所有故障模式。因此在工程应用中，会根据不同产品的特点确定样本量确定方法。常用的基于二项分布的样本量确定方法有基于抽样检验理论的样本量确定方法、考虑双方风险的样本量确定方法、考虑最低可接受值的样本量确定方法、基于截尾序贯法的样本量确定方法。

本文的气象雷达是一个复杂的系统，若选取功能电路级或SRU级故障模式，样本量将达到几千或几万，超出工程的承受能力，因此选取其LRU级故障模式，既满足样本量不小于30的要求，又能保证故障模式的覆盖性要求。通过统计，LRU级故障模式总数为M。依据气象雷达的功能性能设计，采用最低可接受值试验方案确定初步样本量：

（1）

式中：

N—故障模式初步样本量；

c—合格判定数；

—接受概率为β时的故障检测率；

β—订购方风险。

根据式（1）进行计算得到满足条件的多组样本量（N,c），在多组样本量中选取大于M的最小值作为初步样本量N。

2.样本量分配

样本量分配是将初步样本量分配到气象雷达的故障模式中，确定每个故障模式需要注入的次数。样本量的分配直接影响到试验结果的准确性。

现行的国家军用标准中，对装备测试性试验样本分配方法有详细规定的只有GJB2072-1994《维修性试验与评定》，在其“附录B维修作业样本的选择与分配方法（补充件）”中提供了两种维修作业样本的分配方法，分别是按比例分层抽样的分配法和按比例简单随机抽样的分配法。按比例分层抽样的分配方法更能充分保证样本结构与产品总体一致，提高样本的代表性。气象雷达系统复杂，具有多个LRU，样本量最好具有代表性，因此采用按比例分层抽样的分配方法。

设第i个故障模式的相对发生频率为：

（2）

式中：

Qi—第i个故障模式对应的LRU数量；

Ti—第i个故障模式对应LRU的工作时间系数；

—第i个故障模式的故障率。

一般设总的预选样本量为n初步样本量N的4倍，则第i个故障模式的预选样本量ni为：

（3）

对其进行四舍五入后取整数，则丨ni丨为第i个故障模式分配的样本量。

但在使用该方法时，常会出现分配完的样本总数不等于初步样本量的情况，因此还需进行样本量的补充。GJB2072-1994中给出了使用手动补充分配的方法，但气象雷达系统的结构复杂、故障模式多，具有较大的样本量，为了提高工程效率，因此本文采用基于最小舍入误差排序的补充方法。

设分配后样本总数与初步样本量之差为：

（4）

记第i个故障模式的舍入误差为：

（5）

当＜0时，将舍入误差为正的故障模式自大到小进行排序，将最大的前丨丨个故障模式的样本量补充1；若舍入误差为正的故障模式数少于丨丨，则将所有ni加0.5，记新的样本差为，新的舍入误差为，重新排序，将舍入误差最大的前个故障模式的样本量补充1。

当＞0时，将舍入误差为负的故障模式自小到大进行排序，将最小的前丨丨个故障模式的样本量减少1；若舍入误差为负的故障模式数少于丨丨，则将所有ni减0.5，记新的样本差为，新的舍入误差为，重新排序，将舍入误差最小的前个故障模式的样本量减少1。

3.备选故障样本库建立

备选样本库是指所有备选故障样本的集合，试验样本都从该库中进行选取。在测试性试验验证中，备选样本库的建立对于试验验证非常重要，备选样本库建立的合理性以及优越性，对于产品的设计缺陷能否充分暴露出来有很大的影响。气象雷达测试性样本库是基于各故障模式的样本量建立的，根据FMECA分析中该故障模式的故障原因选取合适的故障注入方式模拟该故障模式的发生，制定判定系统对故障的检测、隔离成败的依据。

故障注入方式的选取是测试性试验的核心技术之一，是测试性试验工作开展的基础。目前故障注入方式大致分为模拟故障注入方式、硬件故障注入方式和软件故障注入方式三种。模拟故障注入方式由于需要建立精准详细的产品仿真模型，在工程中尚未应用。硬件故障注入有总线故障注入、探针故障注入、插拔式故障注入和转接板故障注入，这些故障注入方法特点各异，对产品的验证影响也不同。软件故障注入方式，主要是根据故障模型通过修改可编程芯片的代码来模拟芯片的一些基本故障，从而模拟由其基本故障而产生的功能故障。硬件故障注入方式会对产品造成物理破坏，影响产品后续其他试验的结果；软件故障注入能减少对产品的破坏，节约试验成本，但可模拟的故障模式有限。

针对气象雷达样机数量有限、造价昂贵等情况，在建立气象雷达备选样本库时需注意以下几点：1）优先考虑软件故障注入、外部总线故障注入、转接板故障注入等对硬件不造成破坏的方式；2）在软件注入时需要做好备份，便于注入完毕后恢复；3）对于无法注入的故障模式，为了确保试验的覆盖率，运用贝叶斯多树网络传播算法来求解与该故障等效的其他注入点，寻找等效的方式进行故障注入。摘取了气象雷达的备选样本库如表1。

表1 气象雷达备选样本库

LIBS技术在高电压工程中的应用展望

测试性试验实施是根据试验方案确定待注入的故障样本，采用合适的故障注入方法与设备，注入受试装备中，启动装备机内测试、外部测试设备等对所注入的故障进行故障检测与隔离，并记录检测与隔离结果的过程。在测试性试验验证中，试验实施流程的制定是否合理和高效，影响着整个验证试验的周期和结果。不合理的试验流程会造成产品的损坏，致使试验结果的真实性和准确性受到影响，因此制定合理的试验实施流程十分关键。

针对气象雷达，本文制定了一套高效合理的试验实施流程，如图2所示。在整个试验实施过程中，需要注意以下几点：1）试验前，对气象雷达系统进行连接和测试，检查确认气象雷达与试验设备或交联环境的交联完备无误，确认产品状态的完好性；2）试验中，根据备选样本库中每个试验样本的故障注入方式、注入成功判据、故障上报内容，来逐一进行验证，判定故障注入有效性，如果注入故障方式失败，依据试验流程设计，修改注入方式；3）每完成一次故障注入后都需对气象雷达进行检测，确保其工作状态恢复正常，不会对下一次的故障注入试验造成影响；4）试验后，依据试验设计流程，进行产品的功能性能检查。

图2 气象雷达测试性实施流程

结束语

本文结合气象雷达结构和功能特点，采用了硬件法和功能法相结合的FMECA分析法对气象雷达进行了准确分析，并利用最低可接受值试验方案确定初步样本量，结合基于最小舍入误差排序补充的按比例分层抽样的分配法进行样本量分配，并建立备选故障样本库，选取试验样本。制定了一套高效合理的试验实施流程，提高试验工作效率。利用这种方法可以准确得到气象雷达的故障检测率和故障隔离率的定量指标，发现气象雷达测试性设计缺陷，为气象雷达测试性设计改进提供依据，从而使装备技术水平得到提高。

引用本文：

林冠，陆锡江.一种气象雷达测试性试验方法[J].环境技术,2022,40(01):137-141.