基于LabWindows／CVI的測試性驗證與評估方法

摘要：裝備測試性設(shè)計的好壞直接影響了它在使用過程中發(fā)生故障時的診斷效率，對裝備質(zhì)量進(jìn)行考核和評估時，測試性能指標(biāo)是一個重要的參數(shù)。分析了幾種測試性驗證評估方法，選擇使用更合理的超幾何分布驗證方法，并使用虛擬儀器編程語言LabWindows／CVI進(jìn)行界面設(shè)計和編程，將這一理論方法應(yīng)用于實(shí)踐，可提高準(zhǔn)確率，縮短時間，在工程和實(shí)踐中具有很高的使用價值。
關(guān)鍵詞：測試性；LabWindows／CVI；驗證評估；故障診斷

0 引言
    測試性是裝備的一種設(shè)計特性，測試性的好壞直接影響了裝備性能的高低以及在使用過程中發(fā)生故障時檢測時間的長短。改善測試性是改進(jìn)電子裝備系統(tǒng)設(shè)計，提高性能，簡化維修保障工作和提高效費(fèi)比的最有效途徑。在對裝備質(zhì)量進(jìn)行考核時，測試性指標(biāo)是很重要的方面。目前，對測試性的驗證評估缺乏科學(xué)有效的措施和方法，還沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。本文分析現(xiàn)有的測試性驗證評估方法，使用更加合理的超幾何分布法。該方法不僅需要的樣本量較少，而且準(zhǔn)確率更高，縮短了時間，是一種更為有效的方法。根據(jù)這一理論方法指導(dǎo)，使用更人性化的LabWindows／CVI編程語言，進(jìn)行界面設(shè)計和編程實(shí)現(xiàn)，將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。

1 測試性驗證及指標(biāo)
1．1 測試性驗證
    測試性這一術(shù)語是1975年首先由F．Liour等人在《設(shè)備自動測試設(shè)計》一文提出的，隨后相繼用于診斷電路設(shè)計及研究等各個領(lǐng)域。測試性是指能及時準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能降低)并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。對裝備戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性、壽命周期及維修人力具有顯著的影響。在系統(tǒng)研制的不同階段應(yīng)分別實(shí)施測試性分析、設(shè)計和驗證，保證系統(tǒng)具有所要求的測試性。由于現(xiàn)有的裝備大部分未展開測試性設(shè)計及驗證，而且設(shè)計之前也沒有考慮測試性問題，所以測試性較差，發(fā)生故障時所需要的檢測時間太長，檢測準(zhǔn)確率較低。因此，應(yīng)更加注意裝備在研制之前的測試性設(shè)計，將合適的測試性設(shè)計方案應(yīng)用于每個系統(tǒng)或設(shè)備的初步設(shè)計中，對選用的測試性設(shè)計方案進(jìn)行定性分析和評價，保證能達(dá)到所要求的測試性水平。為確定裝備是否滿足規(guī)定的測試性要求，需要對測試性進(jìn)行驗證。檢驗其測試性是否合乎要求，掌握裝備檢查發(fā)現(xiàn)異常的能力、檢測和隔離故障的能力以及用于預(yù)計測試性指標(biāo)模型的有效性等。
1．2 測試性指標(biāo)
    對測試性進(jìn)行驗證，要明確驗證的要求和內(nèi)容。測試性定量指標(biāo)主要有故障檢測率(Fault Detection Rate，F(xiàn)DR)、故障隔離率(Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR)和虛警率(False Alarm Rate，F(xiàn)AR)。
    (1)故障檢測率(FDR)：一般定義是在規(guī)定的時間內(nèi)，通過給定測點(diǎn)能夠在規(guī)定工作時間T內(nèi)正確檢測到故障數(shù)ND與規(guī)定工作時間T內(nèi)發(fā)生故障總數(shù)NT之比，用百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)學(xué)公式為：
  
    (2)故障隔離率(FIR)：在規(guī)定時間內(nèi)，通過電路所提供的測點(diǎn)能夠在規(guī)定條件下用規(guī)定方法使正確隔離刀小于等于L個可更換單元的故障數(shù)NL與同一時間內(nèi)檢測到的故障數(shù)ND之比，用百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)學(xué)公式為：
  
    (3)虛警率(FAR)：規(guī)定工作時間內(nèi)，發(fā)生虛警數(shù)NFA與同一時間內(nèi)的故障檢測總數(shù)之比，當(dāng)通過測點(diǎn)檢測到被測單元有故障，而實(shí)際上該單元沒有發(fā)生故障。數(shù)學(xué)公式為：
  
    式中：NF為真實(shí)故障檢測數(shù)。由于虛警率的產(chǎn)生因素較多，包括電路本身、環(huán)境因素、人為因素等。所以在進(jìn)行測試驗證時，通常采用故障檢測率和故障隔離率。

2 幾種驗證評估方法分析
    FDR和FIR是電子裝備測試性最主要的兩個指標(biāo)，目前國內(nèi)外普遍采用的指標(biāo)驗證方法有兩種：二項分布法和正態(tài)分布法。還有一種超幾何分布法，所需抽樣樣本量小，費(fèi)用低，更加科學(xué)合理。
2．1 二項分布法
    國軍標(biāo)中采用二項分布法對FDR和FIR進(jìn)行驗證，其數(shù)學(xué)模型為：從樣本總體N中抽取n個試驗樣本，每次抽樣為O～1分布，即或是成功或是失敗，設(shè)成功的概率為q，那么失敗的概率為1-q。在n次抽樣中，成功i次的概率由二項分布來表達(dá)，即：
  
    二項分布法的判別準(zhǔn)則規(guī)定：n次抽樣中允許失敗的次數(shù)不超過r次，如果試驗中實(shí)際失敗的次數(shù)r’≤r，則判為合格，否則判為不合格。
2．2 正態(tài)分布法
    正態(tài)分布法數(shù)學(xué)模型為：根據(jù)拉普拉斯定理，當(dāng)n→∞時，二項分布近似為正態(tài)分布，二項分布P(n，k，p)趨近正態(tài)分布N(np，nq，q)，即：
  
    正態(tài)分布法的判別準(zhǔn)則規(guī)定為：若成功率規(guī)定值為qs，對n個樣本中失敗的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，正態(tài)分布置信度1-a的成功率單側(cè)置信上、下限為qU，qL，有：
    qs≥qL接收，否則拒收；
    qs≥qU接收，否則拒收。
    試驗樣本量n的確定方法有：

  
    式中：Z1-a/2為標(biāo)準(zhǔn)中心正態(tài)分布上側(cè)1-a/2分位點(diǎn)；δ為允許偏差，推薦值δ=0．03～O．7，δ=O．01～O．05。
2．3 超幾何分布法
    采用抽樣檢驗的方式，依照超幾何分布，在n次抽樣試驗中，失敗次數(shù)為r次的概率為：
  
    在n次試驗中，失敗次數(shù)不大于r(成功次數(shù)大于等于，n-r次)的概率定義為超幾何分布函數(shù)，其數(shù)學(xué)模型為：
  
    當(dāng)樣本總體N足夠大，以至于每抽去一個樣本對整個樣本空間的成功率影響甚微時，不放回抽取可以近似看成有放回抽取，那么超幾何分布可以用二項分布近似，即若N→∞時，有：
  
2．4 三種方法分析
    使用二項分布法的條件：
    (1)樣本總體數(shù)量未知；
    (2)每次抽樣相互獨(dú)立，具有獨(dú)立同分布；
    (3)確定抽樣方案需給定參數(shù)α，β，q0和q1。
    正態(tài)分布法的使用條件：
    (1)樣本總體為未知量；
    (2)樣本量n→∞，該要求在工程上不現(xiàn)實(shí)；
    (3)確定樣本量和進(jìn)行判決需給定參數(shù)α，qs。
    超幾何分布法的條件：
    (1)樣本總量N可以比較??；
    (2)需給出參數(shù)α，β，q0和q1。
    分析結(jié)果：超幾何分布法所得試驗樣本量小，可以使驗證試驗更加快速和節(jié)省費(fèi)用。這是因為分布總體的確定性，減小了試驗的風(fēng)險，在不增加使用方和承制方風(fēng)險的情況下，采用超幾何分布法可以減少若干樣本量，所以采用超幾何分布法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

3 LabWindows／CVI編程實(shí)現(xiàn)
    通過上述分析，確定了測試性驗證的方法，使用LabWindows／CVI編程語言，將超幾何分布法進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。
3．1 語言介紹
    該語言是National Instruments公司(簡稱NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)平臺，可以在多種操作系統(tǒng)(Windows98／XP／NT／2000，Mac OS和UNIX)下運(yùn)行，它的特點(diǎn)如下：交互式程序開發(fā)；功能強(qiáng)大的函數(shù)庫；靈活的程序調(diào)試手段；高效的編程環(huán)境；開放式框架結(jié)構(gòu)；集成式的開發(fā)環(huán)境。這些特點(diǎn)大大增強(qiáng)了該語言的功能，為語言開發(fā)人員提供了理想的軟件開發(fā)平臺。作為虛擬儀器軟件開發(fā)工具，可將計算機(jī)資源和儀器硬件有機(jī)地融為一體，有效地使用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測量控制能力，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲和分析處理。開發(fā)者可以利用界面感強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，通過面板、控件和菜單的設(shè)計和靈活的編程語言，完成所需功能。目前在國內(nèi)外已經(jīng)得到了較為廣泛的使用。

3．2 界面創(chuàng)建與編程實(shí)現(xiàn)
    界面設(shè)計主要包括創(chuàng)建用戶界面、在代碼文件中編寫功能程序、運(yùn)行和調(diào)試等。按照要實(shí)現(xiàn)的功能和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置，設(shè)計出如圖1所示的界面。


    首先，創(chuàng)建用戶界面的過程。根據(jù)所用的參數(shù)和將要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計出如圖界面，其中包括樣本總量、最低可接受值、設(shè)計目標(biāo)、使用方風(fēng)險和承制方風(fēng)險，并且各個數(shù)值根據(jù)要求設(shè)置，可以修改。其次，屬性修改和路徑匹配。在界面中，用到NUMERIC，TABLE，COMMAND-BUTTON等控件。由于界面有多個彈出界面，所以應(yīng)對面板進(jìn)行區(qū)分，例如PANEL1，PANEL2，PANEL3等。調(diào)用時，應(yīng)確認(rèn)調(diào)用的路徑，明確是
在那個面板中進(jìn)行的。最后，進(jìn)行程序設(shè)計。在控件設(shè)置完畢后，系統(tǒng)會自動生成一些代碼，主要的功能程序在源程序中添加即可。下面列舉一些用到的程序語句：


    所實(shí)現(xiàn)的功能就是通過運(yùn)算，得出抽樣方案，以供選擇使用，然后與實(shí)際操作中得出的結(jié)論相比較，以判斷該裝備的測試性設(shè)計得是否合格。

4 結(jié)語
    介紹了裝備測試性在進(jìn)行質(zhì)量考核時的重要作用，其測試性的好壞就是裝備性能的好壞。在進(jìn)行驗證評估時所參考的測試性指標(biāo)，都是對測試性進(jìn)行驗證的定量指標(biāo)。分析了驗證評估的幾種方法，通過比較，得出使用超幾何分布法進(jìn)行驗證時所需樣本量更小，而且準(zhǔn)確率很高。使用虛擬編程語言進(jìn)行界面設(shè)計，使之用于工程實(shí)踐中，為以后的類似工作提供了參考。