系统可测性分析与辅助设计软件总体设计及关键模块实现硕士学位论文(编辑修改稿)

系统可测性分析与辅助设计软件总体设计及关键模块实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

....69 第七章 总结与展望 .....................................................................................................70 致 谢 .............................................................................................................................72 参考文献 .........................................................................................................................73 攻硕期间取得的研究成果 .............................................................................................75 第一章 绪论 1 第一章 绪论 可测性 技术 概述 随着半导体集成电路技术的迅猛发展，军用电子系统日趋复杂，且向集成化和小型化两个方向发展 ,急剧地限制了测试点的设置 ，而 随着检测点的缩减，降低了故障的可观测性。 在这种情况下，人们提出了可测性设计概念，在设计阶段就考虑 产品的后期 测试 维护 问题，把降低测试 维护代价 的要求纳入设计规范，并通过可测性 指标 来检验和改进设计。 在可测 试 性大纲 [1,2,3]中，可测性 （ Testability，也称可测 试 性 ） 被定义为：产品能及时准确地确定其状态（可工作、不可工作、性能下降），隔离其内部故障的设计特性。 以提高可测性为目的进行的设计被称为可测性设计 (DFT: Design For Testability)。 可测性设计要解决的问题是如何通过改善设计 [4]，将难测或不可测故障转变为易测或可测的故障。 具体是指在系统、分系统、设备、组件和部件的设计过程中，通过综合考虑并实现测试的可控性与可观测性、初始化与可达性以及和外部测试设备兼容性等，达到可测性要求的设计过程。 可测性设计的目的是提高系统的故 障诊断和隔离能力，因此需要同故障诊断技术相结合来优化系统可测性设计。 总之，可测性设计是与产品功能设计并行的复杂工作，不能仅从设计阶段的投入衡量，还要从它在产品整个寿命周期获得的利益考虑。 国内外 可测性 软件概况 20 世纪 80 年代 ，美国军方相继实施了综合诊断研究计划。 为与综合诊断的协调，美国国防部于 1993 年 2 月颁发 MIL STD2165A《系统和设备的可测性大纲》，大纲将可测试性作为与可靠性及维修性等同的设计要求，并规定了可测试性分析、设计及验证的要求及实施方法。 该标准的颁布标志着可测试性作为一门独立学科的确立 [58]。 考虑可测性的综合诊断技术已应用在正在研制的新一代武器系统中，如军用运输机 C1战斗机 F2轰炸机 B2。 电子科技大学 硕士 学位论文 2 自从 MILSTD2165 发布后，陆续出现了很多 可测性 分析工具用于美国军方装备的 可测性 设计和分析。 这些工具包括： ASTEP、 CAFIT、 DTA、 INATE、LOGMOD、 SCOAP、 STAMP、 ACE、 WATA 等。 作为 指标 分析工具 ，上述这些软件基本上都具有系统逻辑建模的功能 ，但都没有得到大范围应用推广。 随着 计算机软件工程的发展 、 武器系统测试 和 诊断要求提高，目前的 可测性辅助 设计和评价软件工具不仅可以用于系统的测试和诊断设计， 而且 可以生成相应的测试 序列 和故障诊断引擎， 以提高系统的 维护性、可靠性。 具有代表性的 可测性 分析 和 辅助设计 工具 有 美国 QSI 公司 [9]的 TEAMS 和 DSI 公司 [10]的 eXpress。 TEAMS 主要用于复杂系统的测试时序生成和 可测性 设计、分析。 TEAMS 最初为 美国 航天工业和 NASA 研制，后逐渐扩展应用到汽车、化工、医疗等行业。 TEAMS 是基于模型的分析工具，这些模型涵盖了系统的 组成 结构、互联、测试布局、故障 模式 等信息。 这个模型将各种故障与系统 组成单元 、维护步骤 和修理过程关联起来。 产品的 可测性 经过 TEAMS 分析后， 生 成文本和图形的 可测性 报告。 eXpress 也是建立在模型基础上，从系统观点获取设计数据，通过综合利用不同的数据源，将系统工程、可靠性、可测性、可维护性和诊断可测性等学科关联在一起。 eXpress 强调诊断性设计， 其 中的诊断信息可产生多个诊断报告，这些报告包括检测覆盖率报告，详细故障组统计，功能概率，故障模式概率等。 但这两款商用软件价格都 很 昂贵， TEAMS 的单个 建模模块 就需要 48 万美元，若 购买 整套软件则 需要 高达几十万至百万美元。 除此， TEAMS 在可测性 辅助设计方面功能不够完善，而 eXpress 的 学科关联 也 太多，缺乏 对 系统可测性 指标分析和辅助 设计的针对性。 国内装备的可测性设计从 20 世纪 80 年代开始逐渐得到重视。 1990 年 4 月发布的航标 HB643790《电子系统和设备的可测试性大纲》 ， 1995 年 10 月发布国军标 GJB254795《装备测试性大纲》。 时至今日，装备可测试性问题仍然没有得到很好地解决，甚至成为装备保障过程中最为突出的问题。 从 技术层面上 看，主要是 缺乏系统的可测性设计指南 、 理论指导， 和 缺乏有效的关于 可测性 设计的计算机辅助设计与仿真软件工具 [1120]。 在 国内 ，雷达整机以及机载、舰载电子系统等复杂系统的设计研制单位，都对电子系统和设备可测性设计技术需求迫切。 因为可测性设计是军用电子设备研制必要指标之一， 而且 未考虑可测性设计的电子设备大大增加了研制单位的维护费用， 所以这些单位 迫切希望能对现有电子系统和设备进行深入的可测性分析，为 设备的后期测试、维护提高 故障诊断依据。 第一章 绪论 3 因此，有必要 自主开发一款可测性分析与辅助设计软件 [15]， 对现有电子 装备系统进行的可测性分析，为故障诊断提供 最优测试 依据 ， 提高可测性设计 效率 的相关 工程应用 具有重大意义。 本文研究内容 及结构安排 本 论文的主要研究工作 是 可测 性 分析与辅助设计 软件 的总体结构设计与实现， 和 可测性指标分析模块 、 最优故障诊断树模块 、 可测性指标分配模块 的 设计与实 现。 本论文的主要研究内容如 图 11 所示。 软 件 总 体 设 计 与 集 成指 标 分 析 模 块设 计 与 实 现故 障 诊 断 树 模 块设 计 与 实 现指 标 分 配 模 块设 计 与 实 现系 统 级 可 视 化建 模 模 块 图 11 本文研究内容 根据本文研究内容及可测性软件的关联性， 本文的结构安排如下： 第一章 ， 绪论 介绍可测性 技术的 定义及课题 背景 和 国内外可测性软件概况。 第二 章 ， 软件结构总体设计 本章从软件整体结构设计的角度出发，介绍软件的编程开发平台和编程过程中引用的第三方开源组件。 还介绍了软件具备的功能，并将其划分为系统级可视化建模、可测性指标分析、最优故障诊断树生成、可测性指标分配四个大功能模块。 再阐述 软件 总体结构和 集成方案设计 ，及 模型树、依赖矩阵等负责模块间数据传递的关键数据结构的设计。 第三 章 ， 可测性指标分析模块设计与实现 本章介绍了常见可测性指标（故障检测率、故障隔离率、未检测故障集、故障模糊集、隐藏故障、掩盖故障、 冗余测试） 、 动态性能指标（加权故障检测率、加权故障隔离率、平均模糊度） 的定义及计算方法 ， 并 编程实现了这些指标的计算方法 和 显示可测性指标 结果 的 报告 输出。 此外， 本章提出了一种“基于依赖矩阵多测试 信息的 虚警率评估方法 ”。 该方法在依赖矩阵基础上，只需采用现有测试方法就能评估验证虚警率， 希望能 为虚警率评估提供一种新的思路，并编程实现电子科技大学 硕士 学位论文 4 了该方法。 第四 章 ， 最优故障诊断树模块设计与实现 本章对故障诊断树和 AO*最优故障诊断树搜索算法作了简要介绍。 重点阐述了最优故障诊断树生成模块的软件设计和编程实现，包括模块的组成结构设计，霍夫曼树的构造、霍夫曼平均码长的求取实现， AO*算法的编程实现，诊断树结果的图形化交互显示界面的设计和实现。 第五 章 ， 可测性指标分配模块设计与实现 本章针对 TEAMS 软件不能进行可测性指标分配的不足，提出了在可测性软件中集成可测性指标分配功能模块。 对可测性指标分配做了简要介绍，还介绍了经验法、线性插值法两种分配方法。 编程实现了经验分配法和线性插值分配法，并根据指标分配的数据特征设计和实现了特定的数据结构和窗口化交互显示方式。 第六章 ， 软件测试与验证 本章以 “ 反坦克导弹发动机 系统 ”测试验证实例， 建立本软件的可 测性模型，对本软件的各功能模块和整体性能进行一一测试。 同时，使用可测性分析软件TEAMS 建立其对应的可测性模型，分析可测性指标和最优故障诊断树。 第二章 软件结构总体设计 5 第二章 软件结构总体设计 本章从软件整体结构设计的角度出发， 先 介绍 本 软件的编程开发平台和编程过程中 引 用的第三方开源组件 ，及本 软件具备的功能。 再阐述本软件的总体结构、集成方案设计，和“模型树”、“故障 测试依赖矩阵”两个数据结构的设计 ， 这两个数据结构对软件模块间数据传递起到了关键作用。 软件 平台 介绍 本软件是 在 VC++ 编程平台下开发，并 且以 Windows 操作系统 为运 行平台。 编程 开发平台 介绍 C++是 一种使用非常广泛的计算机编程语言 ， 它也是 静态数据类型检查的，支持多重编程范式的通用程序设计语言。 它支持过程化程序设计、 数据抽象、 面向对象程序设计、泛型程序设计等多种程序设计风格 [21]。 VC++ 是 微软 (Microsoft)公司推出的一个基于 Windows 系统平台 的 可视化的集成 程序 开发环境，它的源程序 要求 按 C++语言 方式 编写，并加入了 微软 提供的功能强大的 MFC(Microsoft Foundation Class)类库 [22]。 MFC 中封装了大部分Windows API(Application Programming Interface ， 应用程序编程接口 )函数和Windows 控件，它包含的功能涉及到整个 Windows 操作系统。 MFC 不仅给用户提供了 Windows 图形环境下应用程序的框架，而且还提供了创建应用程序的组件，为 开发人员节省了大量的 开发 时间。 除此 ，它 还 提供了 详细的程序开发手册，介绍其定义类 库 和函数的接口， 使应用程序开发变得简单。 引用的 第三方 组件 介绍 程序中 开发过程中 ， 除了使用 MFC 自带的程序开发函数库， 引用 了 第三方开源组件 CMarkup、 CRGTreeT、 CGridCtrl， 分别用来完成数据的文件读写、数据操作、表格数据显示 ，还引用了 Visio ActiveX 图形化开发控件 ， 和 Xtreme Toolkit Pro界面美化组件。 电子科技大学 硕士 学位论文 6 1． CMarkup XML 文件 读写 组件 CMarkup 类 是 由 First Objective Software Inc 用 C++语言开发的 非常经典的XML 文件 读写工具。 它 是一个非常独立的 、简单易用的 开源项目。 用 它来创建新的 XML 文档，分析修改现存的 XML 文档，非常方便易用。 它具有如下特征： ①独立，不需要任何外部的 XML 组件； ② 小 ， 是很小的一个类，并且对于文档只维持了一个字符串； ③ 简单 ， 创建、导航和修改 XML 无比的简单 ； ④ 快 ， 分析器 能相当快的建立索引数组。 本软件将可测性模型数据存储为 XML（ Extensible Markup Language， 即可扩展标记语言 ） 格式的文件，并通过 CMarkup 类来 实现 工程文件数据的读写操作。 2． CRGTreeT 树形数据 操作组件 CRGTreeT 类 是 由 程序员 Tibor Blazko 和 Ren233。 Greiner 联合开发的纯数据树形数据结构。 其功能完整，不仅包含树 结点 的添加、插入、删除，而且还提供查找、排序、堆内存外部释放等功能。 除此 ，其数据结 构 明晰易懂， 代码简洁明了 易 用。 本文 的模型树、诊断树等树形数据结构都是继承至 CRGTreeT 类。 3． CGridCtrl 表格 数据显示 组件 CGridCtrl 类 是 Chris Maunder 开发的一个数据表格显示 编辑 开源 控件， 该 控件继承于 MFC 的 CWnd 类，其功能全面，简单易用。 除此，还 具有如下特点： ① 可以 对任何列或行固定，隐藏行和列，行或者列可以按照大小自动排序 ； ② 单元格可以有不同文本和背景颜色的个性化设置 ,字体的个性化设置 ， 标注 只读 或者其他的状态设置及检测 ， 单元格太小而不能显示数。