【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ...........................................73攻碩期間取得的研究成果 .............................................................................................75第一章 緒論1第一章 緒論 可測(cè)性技術(shù)概述隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍用電子系統(tǒng)日趨復(fù)雜，且向集成化和小型化兩個(gè)方向發(fā)展,急劇地限制了測(cè)試點(diǎn)的設(shè)置，而隨著檢測(cè)點(diǎn)的縮減，降低了故障的可觀測(cè)性。在這種情況下，人們提出了可測(cè)性設(shè)計(jì)概念，在設(shè)計(jì)階段就考慮產(chǎn)品的后期測(cè)試維護(hù)問題，把降低測(cè)試維護(hù)代價(jià)的要求納入設(shè)計(jì)規(guī)范，并通過可測(cè)性指標(biāo)來檢驗(yàn)和改進(jìn)設(shè)計(jì)。在可測(cè)試性大綱 [1,2,3]中，可測(cè)性（Testability，也稱可測(cè)試性）被定義為：產(chǎn)品能及時(shí)準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作、性能下降） ，隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計(jì)特性。以提高可測(cè)性為目的進(jìn)行的設(shè)計(jì)被稱為可測(cè)性設(shè)計(jì)(DFT: Design For Testability)?？蓽y(cè)性設(shè)計(jì)要解決的問題是如何通過改善設(shè)計(jì) [4]，將難測(cè)或不可測(cè)故障轉(zhuǎn)變?yōu)橐诇y(cè)或可測(cè)的故障。具體是指在系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件和部件的設(shè)計(jì)過程中，通過綜合考慮并實(shí)現(xiàn)測(cè)試的可控性與可觀測(cè)性、初始化與可達(dá)性以及和外部測(cè)試設(shè)備兼容性等，達(dá)到可測(cè)性要求的設(shè)計(jì)過程?？蓽y(cè)性設(shè)計(jì)的目的是提高系統(tǒng)的故障診斷和隔離能力，因此需要同故障診斷技術(shù)相結(jié)合來優(yōu)化系統(tǒng)可測(cè)性設(shè)計(jì)?？傊?，可測(cè)性設(shè)計(jì)是與產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)并行的復(fù)雜工作，不能僅從設(shè)計(jì)階段的投入衡量，還要從它在產(chǎn)品整個(gè)壽命周期獲得的利益考慮。 國(guó)內(nèi)外可測(cè)性軟件概況20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)軍方相繼實(shí)施了綜合診斷研究計(jì)劃。為與綜合診斷的協(xié)調(diào)，美國(guó)國(guó)防部于 1993 年 2 月頒發(fā) MIL STD2165A《系統(tǒng)和設(shè)備的可測(cè)性大綱》 ，大綱將可測(cè)試性作為與可靠性及維修性等同的設(shè)計(jì)要求，并規(guī)定了可測(cè)試性分析、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證的要求及實(shí)施方法。該標(biāo)準(zhǔn)的頒布標(biāo)志著可測(cè)試性作為一門獨(dú)立學(xué)科的確立 [58]?？紤]可測(cè)性的綜合診斷技術(shù)已應(yīng)用在正在研制的新一代武器系統(tǒng)中，如軍用運(yùn)輸機(jī) C1戰(zhàn)斗機(jī) F2轟炸機(jī) B2。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2自從 MILSTD2165 發(fā)布后，陸續(xù)出現(xiàn)了很多可測(cè)性分析工具用于美國(guó)軍方裝備的可測(cè)性設(shè)計(jì)和分析。這些工具包括：ASTEP 、CAFIT、DTA 、INATE、LOGMOD 、SCOAP、STAMP 、ACE、WATA 等。作為指標(biāo)分析工具，上述這些軟件基本上都具有系統(tǒng)邏輯建模的功能，但都沒有得到大范圍應(yīng)用推廣。隨著計(jì)算機(jī)軟件工程的發(fā)展、武器系統(tǒng)測(cè)試和診斷要求提高，目前的可測(cè)性輔助設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)軟件工具不僅可以用于系統(tǒng)的測(cè)試和診斷設(shè)計(jì)，而且可以生成相應(yīng)的測(cè)試序列和故障診斷引擎，以提高系統(tǒng)的維護(hù)性、可靠性。具有代表性的可測(cè)性分析和輔助設(shè)計(jì)工具有美國(guó) QSI 公司 [9]的 TEAMS 和 DSI 公司 [10]的eXpress。TEAMS 主要用于復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)序生成和可測(cè)性設(shè)計(jì)、分析。 TEAMS 最初為美國(guó)航天工業(yè)和 NASA 研制，后逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到汽車、化工、醫(yī)療等行業(yè)。TEAMS 是基于模型的分析工具，這些模型涵蓋了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、互聯(lián)、測(cè)試布局、故障模式等信息。這個(gè)模型將各種故障與系統(tǒng)組成單元、維護(hù)步驟和修理過程關(guān)聯(lián)起來。產(chǎn)品的可測(cè)性經(jīng)過 TEAMS 分析后，生成文本和圖形的可測(cè)性報(bào)告。eXpress 也是建立在模型基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)觀點(diǎn)獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過綜合利用不同的數(shù)據(jù)源，將系統(tǒng)工程、可靠性、可測(cè)性、可維護(hù)性和診斷可測(cè)性等學(xué)科關(guān)聯(lián)在一起。eXpress 強(qiáng)調(diào)診斷性設(shè)計(jì)，其中的診斷信息可產(chǎn)生多個(gè)診斷報(bào)告，這些報(bào)告包括檢測(cè)覆蓋率報(bào)告，詳細(xì)故障組統(tǒng)計(jì)，功能概率，故障模式概率等。但這兩款商用軟件價(jià)格都很昂貴，TEAMS 的單個(gè)建模模塊就需要 48 萬美元，若購買整套軟件則需要高達(dá)幾十萬至百萬美元。除此，TEAMS 在可測(cè)性輔助設(shè)計(jì)方面功能不夠完善，而 eXpress 的學(xué)科關(guān)聯(lián)也太多，缺乏對(duì)系統(tǒng)可測(cè)性指標(biāo)分析和輔助設(shè)計(jì)的針對(duì)性。國(guó)內(nèi)裝備的可測(cè)性設(shè)計(jì)從 20 世紀(jì) 80 年代開始逐漸得到重視。1990 年 4 月發(fā)布的航標(biāo) HB643790《電子系統(tǒng)和設(shè)備的可測(cè)試性大綱 》 ，1995 年 10 月發(fā)布國(guó)軍標(biāo) GJB254795《裝備測(cè)試性大綱》 。時(shí)至今日，裝備可測(cè)試性問題仍然沒有得到很好地解決，甚至成為裝備保障過程中最為突出的問題。從技術(shù)層面上看，主要是缺乏系統(tǒng)的可測(cè)性設(shè)計(jì)指南、理論指導(dǎo)，和缺乏有效的關(guān)于可測(cè)性設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真軟件工具 [1120]。在國(guó)內(nèi)，雷達(dá)整機(jī)以及機(jī)載、艦載電子系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制單位，都對(duì)電子系統(tǒng)和設(shè)備可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)需求迫切。因?yàn)榭蓽y(cè)性設(shè)計(jì)是軍用電子設(shè)備研制必要指標(biāo)之一，而且未考慮可測(cè)性設(shè)計(jì)的電子設(shè)備大大增加了研制單位的維護(hù)第一章 緒論3費(fèi)用，所以這些單位迫切希望能對(duì)現(xiàn)有電子系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行深入的可測(cè)性分析，為設(shè)備的后期測(cè)試、維護(hù)提高故障診斷依據(jù)。因此，有必要自主開發(fā)一款可測(cè)性分析與輔助設(shè)計(jì)軟件 [15]，對(duì)現(xiàn)有電子裝備系統(tǒng)進(jìn)行的可測(cè)性分析，為故障診斷提供最優(yōu)測(cè)試依據(jù)，提高可測(cè)性設(shè)計(jì)效率的相關(guān)工程應(yīng)用具有重大意義。 本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排本論文的主要研究工作是可測(cè)性分析與輔助設(shè)計(jì)軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，和可測(cè)性指標(biāo)分析模塊、最優(yōu)故障診斷樹模塊、可測(cè)性指標(biāo)分配模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如 圖 11 所示。軟件總體設(shè)計(jì)與集成指標(biāo)分析 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)故障診斷樹 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)指標(biāo)分配 模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)可視化建模模塊圖 11 本文研究?jī)?nèi)容根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容及可測(cè)性軟件的關(guān)聯(lián)性，本文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章，緒論介紹可測(cè)性技術(shù)的定義及課題背景和國(guó)內(nèi)外可測(cè)性軟件概況。第二章，軟件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)本章從軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹軟件的編程開發(fā)平臺(tái)和編程過程中引用的第三方開源組件。還介紹了軟件具備的功能，并將其劃分為系統(tǒng)級(jí)可視化建模、可測(cè)性指標(biāo)分析、最優(yōu)故障診斷樹生成、可測(cè)性指標(biāo)分配四個(gè)大功能模塊。再闡述軟件總體結(jié)構(gòu)和集成方案設(shè)計(jì)，及模型樹、依賴矩陣等負(fù)責(zé)模塊間數(shù)據(jù)傳遞的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。第三章，可測(cè)性指標(biāo)分析模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章介紹了常見可測(cè)性指標(biāo)（故障檢測(cè)率、故障隔離率、未檢測(cè)故障集、故障模糊集、隱藏故障、掩蓋故障、冗余測(cè)試） 、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)（加權(quán)故障檢測(cè)率、加權(quán)故障隔離率、平均模糊度）的定義及計(jì)算方法，并編程實(shí)現(xiàn)了這些指標(biāo)的計(jì)算方法和顯示可測(cè)性指標(biāo)結(jié)果的報(bào)告輸出。此外，本章提出了一種“基于依賴矩電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4陣多測(cè)試信息的虛警率評(píng)估方法” 。該方法在依賴矩陣基礎(chǔ)上，只需采用現(xiàn)有測(cè)試方法就能評(píng)估驗(yàn)證虛警率，希望能為虛警率評(píng)估提供一種新的思路，并編程實(shí)現(xiàn)了該方法。第四章，最優(yōu)故障診斷樹模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章對(duì)故障診斷樹和 AO*最優(yōu)故障診斷樹搜索算法作了簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)闡述了最優(yōu)故障診斷樹生成模塊的軟件設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)，包括模塊的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，霍夫曼樹的構(gòu)造、霍夫曼平均碼長(zhǎng)的求取實(shí)現(xiàn)，AO*算法的編程實(shí)現(xiàn)，診斷樹結(jié)果的圖形化交互顯示界面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。第五章，可測(cè)性指標(biāo)分配模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本章針對(duì) TEAMS 軟件不能進(jìn)行可測(cè)性指標(biāo)分配的不足，提出了在可測(cè)性軟件中集成可測(cè)性指標(biāo)分配功能模塊。對(duì)可測(cè)性指標(biāo)分配做了簡(jiǎn)要介紹，還介紹了經(jīng)驗(yàn)法、線性插值法兩種分配方法。編程實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)分配法和線性插值分配法，并根據(jù)指標(biāo)分配的數(shù)據(jù)特征設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和窗口化交互顯示方式。第六章，軟件測(cè)試與驗(yàn)證本章以“反坦克導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”測(cè)試驗(yàn)證實(shí)例，建立本軟件的可測(cè)性模型，對(duì)本軟件的各功能模塊和整體性能進(jìn)行一一測(cè)試。同時(shí)，使用可測(cè)性分析軟件TEAMS 建立其對(duì)應(yīng)的可測(cè)性模型，分析可測(cè)性指標(biāo)和最優(yōu)故障診斷樹。第二章 軟件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)5第二章 軟件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)本章從軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，先介紹本軟件的編程開發(fā)平臺(tái)和編程過程中引用的第三方開源組件，及本軟件具備的功能。再闡述本軟件的總體結(jié)構(gòu)、集成方案設(shè)計(jì)，和“模型樹” 、 “故障測(cè)試依賴矩陣”兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟件模塊間數(shù)據(jù)傳遞起到了關(guān)鍵作用。 軟件平臺(tái)介紹本軟件是在 VC++ 編程平臺(tái)下開發(fā)，并且以 Windows 操作系統(tǒng)為運(yùn)行平臺(tái)。 編程開發(fā)平臺(tái)介紹C++是一種使用非常廣泛的計(jì)算機(jī)編程語言，它也是靜態(tài)數(shù)據(jù)類型檢查的，支持多重編程范式的通用程序設(shè)計(jì)語言。它支持過程化程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)抽象、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、泛型程序設(shè)計(jì)等多種程序設(shè)計(jì)風(fēng)格 [21]。VC++ 是微軟(Microsoft) 公司推出的一個(gè)基于 Windows 系統(tǒng)平臺(tái)的可視化的集成程序開發(fā)環(huán)境，它的源程序要求按 C++語言方式編寫，并加入了微軟提供的功能強(qiáng)大的 MFC(Microsoft Foundation Class)類庫 [22]。MFC 中封裝了大部分Windows API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)和Windows 控件，它包含的功能涉及到整個(gè) Windows 操作系統(tǒng)。MFC 不僅給用戶提供了 Windows 圖形環(huán)境下應(yīng)用程序的框架，而且還提供了創(chuàng)建應(yīng)用程序的組件，為開發(fā)人員節(jié)省了大量的開發(fā)時(shí)間。除此，它還提供了詳細(xì)的程序開發(fā)手冊(cè)，介紹其定義類庫和函數(shù)的接口，使應(yīng)用程序開發(fā)變得簡(jiǎn)單。 引用的第三方組件介紹程序中開發(fā)過程中，除了使用 MFC 自帶的程序開發(fā)函數(shù)庫，引用了第三方開源組件 CMarkup、CRGTreeT、CGridCtrl，分別用來完成數(shù)據(jù)的文件讀寫、數(shù)據(jù)操作、表格數(shù)據(jù)顯示，還引用了 Visio ActiveX 圖形化開發(fā)控件，和 Xtreme 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6Toolkit Pro 界面美化組件。1．CMarkup XML 文件讀寫組件CMarkup 類是由 First Objective Software Inc 用 C++語言開發(fā)的非常經(jīng)典的XML 文件讀寫工具。它是一個(gè)非常獨(dú)立的、簡(jiǎn)單易用的開源項(xiàng)目。用它來創(chuàng)建新的 XML 文檔，分析修改現(xiàn)存的 XML 文檔，非常方便易用。它具有如下特征：①獨(dú)立，不需要任何外部的 XML 組件；②小，是很小的一個(gè)類，并且對(duì)于文檔只維持了一個(gè)字符串；③簡(jiǎn)單，創(chuàng)建、導(dǎo)航和修改 XML 無比的簡(jiǎn)單；④快，分析器能相當(dāng)快的建立索引數(shù)組。本軟件將可測(cè)性模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 XML（Extensible Markup Language，即可擴(kuò)展標(biāo)記語言）格式的文件，并通過 CMarkup 類來實(shí)現(xiàn)工程文件數(shù)據(jù)的讀寫操作。2．CRGTreeT 樹形數(shù)據(jù)操作組件CRGTreeT 類是由程序員 Tibor Blazko 和 Ren233。 Greiner 聯(lián)合開發(fā)的純數(shù)據(jù)樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其功能完整，不僅包含樹結(jié)點(diǎn)的添加、插入、刪除，而且還提供查找、排序、堆內(nèi)存外部釋放等功能。除此，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)明晰易懂，代碼簡(jiǎn)潔明了易用。本文的模型樹、診斷樹等樹形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是繼承至 CRGTreeT 類。3．CGridCtrl 表格數(shù)據(jù)顯示組件CGridCtrl 類是 網(wǎng)站的創(chuàng)始人之一 Chris Maunder 開發(fā)的一個(gè)數(shù)據(jù)表格顯示編輯開源控件，該控件繼承于 MFC 的 CWnd 類，其功能全面，簡(jiǎn)單易用。除此，還具有如下特點(diǎn)：①可以對(duì)任何列或行固定，隱藏行和列，行或者列可以按照大小自動(dòng)排序；②單元格可以有不同文本和背景顏色的個(gè)性化設(shè)置,字體的個(gè)性化設(shè)置，標(biāo)注 只讀 或者其他的狀態(tài)設(shè)置及檢測(cè)，單元格太小而不能顯示數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有提示框顯示完整的數(shù)據(jù)。本文的依賴矩陣顯示的數(shù)據(jù)表格，和指標(biāo)分配模塊的線性插值法加權(quán)參數(shù)設(shè)置表格使用了該組件。4．Visio ActiveX 圖形化開發(fā)控件Visio 是由 Microsoft 開發(fā)的功能強(qiáng)大的圖形開發(fā)環(huán)境，它 可 以 創(chuàng) 建 種 類 廣 泛的 幾 何 圖 形 和 流 程 圖 。 Visio ActiveX 圖形化控件可以嵌入到以 Microsoft Visual Studio、Microsoft office 開發(fā)的應(yīng)用程序中，為圖形編程提供繪圖界面，并允許開發(fā)人員控制集成的 Visio 用戶界面。軟件中建模模塊的圖形化交互顯示就是基于該組件實(shí)現(xiàn)的，但該部分不是本文的研究?jī)?nèi)容，不作深入討論。第二章 軟件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)75．Xtreme Toolkit Pro 界面美化組件Xtreme Toolkit Pro 是由 Codejock Software Inc 開發(fā)的一套非常好的 MFC 擴(kuò)展界面庫，可以幫助在編程時(shí)輕松的制作出非常漂亮專業(yè)的自定義主 題 外 觀 ， 是VC 程 序 員 的 理 想 的 界 面 開 發(fā) 工 具 選 擇 之 一 。本文對(duì)該組件的使用，主要體現(xiàn)在框架和屬性面板的顯示風(fēng)格上。 軟件應(yīng)具備的功能如果按功能進(jìn)行劃分，本可測(cè)性分析與輔助設(shè)計(jì)軟件具備系統(tǒng)級(jí)可視化建模、可測(cè)性指標(biāo)分析、最優(yōu)故障診斷樹、可測(cè)性指標(biāo)分配四大功能模塊。軟件模塊化原則是軟件架構(gòu)中的基本原則。模塊化可以提高軟件模塊的復(fù)用性，并保障每一個(gè)模塊的穩(wěn)定性。軟件的功能模塊組成結(jié)構(gòu)圖如 圖 21 所示。系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)可視化 建模可測(cè)性指標(biāo)分析最優(yōu)故障診斷樹可測(cè)性指標(biāo)分配圖 21 軟件功能模塊組成結(jié)構(gòu)圖1．系統(tǒng)級(jí)可視化建模模塊可視化建模的目的是為了建立可測(cè)性模型，對(duì)被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的數(shù)學(xué)抽象描述 [2327]。系統(tǒng)級(jí)可測(cè)性