淺談故障注入技術(shù)在系留氣球中的應(yīng)用論文

淺談故障注入技術(shù)在系留氣球中的應(yīng)用論文

　　系留氣球在常規(guī)測試中，大多只是針對目標(biāo)系統(tǒng)各項功能進(jìn)行測試，很少針對各種異常狀態(tài)進(jìn)行的測試。故障注入技術(shù)可有效模擬各種異常行為，通過故障注入能夠強制性地使系統(tǒng)進(jìn)入到某種特定狀態(tài)，而這些狀態(tài)是采用常規(guī)測試技術(shù)很難達(dá)到的。本文根據(jù)系留氣球使用過程中遇到的常見問題，結(jié)合故障注入方法，提出對應(yīng)的注入方式和注入流程，并成功進(jìn)行了檢測，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

　　1 故障注入技術(shù)

　　故障注入技術(shù)是一種測試技術(shù)，可按照特定的故障模型，用人為的方式產(chǎn)生故障，并施加于目標(biāo)系統(tǒng)中，用以加速該系統(tǒng)的錯誤和失效的產(chǎn)生，同時觀測系統(tǒng)對所注入故障的響應(yīng)信息，通過分析后對系統(tǒng)進(jìn)行驗證和評價的過程。

　　(1)故障注入原理

　　a) 由試驗者分析故障范圍后，選擇故障注入方式、包括故障注入的時間、位置和故障持續(xù)時間等信息;

　　b) 根據(jù)試驗者選擇的故障注入方式執(zhí)行故障注入;

　　c) 故障注入完成后，運行目標(biāo)系統(tǒng)，并監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，獲取試驗結(jié)果;

　　d) 根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)特性、故障分析數(shù)據(jù)以及專家經(jīng)驗對試驗結(jié)果進(jìn)行評估。

　　(2)故障注入分類

　　故障注入技術(shù)一般分為：基于硬件的故障注入、基于軟件的故障注入以及基于模擬的故障注入：

　　基于硬件的故障注入是在物理級完成的，通過改變環(huán)境參數(shù)( 如溫度，電磁干擾，電源干擾等) 干擾硬件或者通過改變線束針腳輸入來模擬硬件在實際運行過程中發(fā)生的故障。例如球載測控計算機(jī)采集的某個硬件信號發(fā)生變化。硬件故障可分為如下幾類，模擬量、離散量、數(shù)字量、電源等方面。例如在模擬量方面，有傳感器故障;數(shù)字量方面，有通訊故障等。基于硬件的故障注入優(yōu)點如下：

　　a) 注入的故障接近實際情況，能夠較好的模擬實際的硬件故障;

　　b) 試驗過程中無需專門開發(fā)故障注入模型;

　　c) 可控制故障注入位置，注入時間等參數(shù);

　　d) 可以使故障注入過程重現(xiàn)。

　　其不足是試驗對目標(biāo)系統(tǒng)硬件容易造成損傷。

　　基于軟件的故障注入是通過軟件方法來模擬硬件或軟件故障的發(fā)生。模擬硬件的軟件故障注入主要通過修改內(nèi)存或寄存器的內(nèi)容來實現(xiàn)，模擬軟件的軟件故障注入主要通過在編譯前修改程序結(jié)構(gòu)或在軟件運行過程中破壞程序狀態(tài)來實現(xiàn)的。基于軟件的故障注入優(yōu)點如下：

　　a) 可以注入到應(yīng)用程序和操作系統(tǒng);

　　b) 靈活方便，應(yīng)用成本低;

　　c) 不會對目標(biāo)系統(tǒng)的硬件造成損壞;

　　d) 可涵蓋硬件和軟件設(shè)計中絕大多數(shù)可能存在的設(shè)計故障。

　　其不足是不能將故障注入到軟件不可訪問的位置。

　　基于模擬的故障注入是首先需要建立一個目標(biāo)系統(tǒng)的模擬模型，然后在該模型內(nèi)部插入故障注入單元來實現(xiàn)故障注入，主要運用于開關(guān)級、邏輯級、功能級等不同抽象層次上。此方法需要在系統(tǒng)設(shè)計階段就開始建立仿真模型，雖然能及時為系統(tǒng)設(shè)計者提供反饋，但其開發(fā)工作量大。

　　2 系留氣球在使用過程中出現(xiàn)的常見問題

　　(1)傳感器故障導(dǎo)致的采集數(shù)據(jù)不可信

　　在系留氣球中各種信號的測量主要是通過各類傳感器來完成，如風(fēng)速和風(fēng)向信息通過風(fēng)速風(fēng)向傳感器測量、溫度和濕度通過溫濕度傳感器測量、氣球姿態(tài)通過傾角傳感器測量、纜繩拉力信息通過拉力傳感器測量等，傳感器輸出形式均采用(4 ～ 20)mA。正常情況下時，傳感器可以穩(wěn)定的輸出(4 ～ 20)mA 的信號，然而當(dāng)某個傳感器故障時，其輸出的信號有可能低于4mA 或高于20mA，信號經(jīng)過測控計算機(jī)采集轉(zhuǎn)化后向地面監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送表現(xiàn)正常的錯誤的測量數(shù)據(jù)。例如壓差傳感器輸出的(4 ～ 20)mA 信號對應(yīng)(0 ～ 1000)Pa，當(dāng)傳感器故障時，其測量的信號為25mA，此時經(jīng)過球上測控計算機(jī)采集處理后，下傳給地面監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)可能是45201Pa，也有可能為400Pa，而當(dāng)其顯示400pa 時，地面監(jiān)控人員則無法判斷傳感器是否故障。

　　(2)串口故障導(dǎo)致的地面監(jiān)控軟件卡死

　　由于系留氣球設(shè)備的連接采用“端對端”方式，設(shè)備連接單一，通信方式主要采用的是串口通信，如RS232、RS422、RS485 等串口。當(dāng)通信串口被占用或計算機(jī)串口故障時，地面監(jiān)控軟件出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

　　(3)非常規(guī)操作導(dǎo)致異常故障

　　地面監(jiān)控軟件在運行過程中會實時的記錄相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)和操作人員的指令信息。為了方便任務(wù)過程中操作人員可實時查看相關(guān)歷史記錄，地面監(jiān)控軟件配置有查詢功能。查詢功能中可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，而篩選過程則需要人為的手動輸入查詢時間和日期信息。當(dāng)人為的輸入非法字符時，地面監(jiān)控軟件出現(xiàn)異常報故。

　　以上問題均是在常規(guī)測試中未發(fā)現(xiàn)的，雖然問題發(fā)現(xiàn)后進(jìn)行了相應(yīng)的更改，比如更換傳感器、對測控計算機(jī)軟件增加傳感器異常的判斷等，但是更改完成后，如傳感器故障、串口故障之類的硬件故障問題卻無法通過常規(guī)手段進(jìn)行驗證。此時通過故障注入，直接模擬異常行為針對性的進(jìn)行檢測就顯得尤為重要。

　　3 針對以上問題的故障注入方法

　　針對以上問題，經(jīng)初步分析后，可在測試過程中添加故障注入.

　　(1)傳感器設(shè)備故障注入

　　由于這些傳感器信號輸出形式均采用(4 ～ 20)mA，測試過程中可采用如信號發(fā)生器模擬傳感器信號輸出。

　　采用信號發(fā)生器可模擬輸出低于4mA 或高于20mA 的信號時，測試球上測控計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理是否出現(xiàn)異常現(xiàn)象，可有效檢測測控計算機(jī)在應(yīng)對異常信號輸入時的運行狀態(tài)。

　　(2)串口故障注入

　　串口故障注入既可依據(jù)硬件來實現(xiàn)，也可依據(jù)軟件來實現(xiàn)，串口故障注入方式如下：

　　依據(jù)硬件實現(xiàn)，可通過取出計算機(jī)內(nèi)串口卡的方式來模擬串口故障;依據(jù)軟件實現(xiàn)，可通過卸載串口卡驅(qū)動，或通過操作系統(tǒng)的設(shè)備管理器對地面監(jiān)控軟件所用的串口號進(jìn)行修改的方式模擬串口故障。

　　(3)非常規(guī)操作故障注入

　　根據(jù)系留氣球的特點，非常規(guī)操作主要體現(xiàn)在對設(shè)備的異常操作以及對軟件的異常操控，針對非常規(guī)輸入引起的故障，可通過輸入“@”、“+”、“9.3.9”等特殊字符或組合字符進(jìn)行檢測。

　　(4)試驗結(jié)果

　　通過故障注入進(jìn)行的相關(guān)試驗，結(jié)果如下：

　　a) 傳感器故障時，通過球上測控計算機(jī)添加對超出(4 ～ 20)mA 監(jiān)控功能后，地面人員可有效判別數(shù)據(jù)是否正常;

　　b) 整個計算機(jī)串口卡故障時，地面監(jiān)控軟件還是無法運行;另外，當(dāng)某一路串口故障時，地面監(jiān)控軟件也失去了保持其他串口繼續(xù)通信的能力。結(jié)果表明地面監(jiān)控軟件有待進(jìn)一步優(yōu)化;

　　c) 針對以上非常規(guī)操作引起的故障，軟件經(jīng)修改完善后，已成功修復(fù)。

　　4 結(jié)論

　　系留氣球常規(guī)測試方法中，我們通常在系統(tǒng)硬件線路設(shè)計完成后，通過搭建起硬件平臺，采用現(xiàn)場摸底的方式來進(jìn)行檢測，雖然可以直觀的反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)，但是某些可能存在的故障點卻無法通過這種傳統(tǒng)的測試手段進(jìn)行檢測。故障注入技術(shù)可以有效模擬各種異常行為，能夠針對系統(tǒng)的特定狀態(tài)進(jìn)行檢測，卻無法針對系統(tǒng)進(jìn)行全面的測試。通過常規(guī)測試結(jié)合故障注入測試的方式，有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，對產(chǎn)品型號的研制與發(fā)展也具有積極的作用。

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