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(cè)試中，大多只是針對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試，很少針對(duì)各種異常狀態(tài)進(jìn)行的測(cè)試。故障注入技術(shù)可有效模擬各種異常行為，通過(guò)故障注入能夠強(qiáng)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(cè)試技術(shù)很難達(dá)到的。本文根據(jù)系留氣球使用過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，結(jié)合故障注入方法，提出對(duì)應(yīng)的注入方式和注入流程，并成功進(jìn)行了檢測(cè)，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　1 故障注入技術(shù)

　　故障注入技術(shù)是一種測(cè)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(cuò)誤和失效的產(chǎn)生，同時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)所注入故障的響應(yīng)信息，通過(guò)分析后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)的過(guò)程。

　　(1)故障注入原理

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

　　b) 根據(jù)試驗(yàn)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(yùn)行目標(biāo)系統(tǒng)，并監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，獲取試驗(yàn)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(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

　　(2)故障注入分類(lèi)

　　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(jí)完成的，通過(guò)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(guò)改變線束針腳輸入來(lái)模擬硬件在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的故障。例如球載測(cè)控計(jì)算機(jī)采集的某個(gè)硬件信號(hào)發(fā)生變化。硬件故障可分為如下幾類(lèi)，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�；�于硬件的故障注入優(yōu)點(diǎn)如下：

　　a) 注入的故障接近實(shí)際情況，能夠較好的模擬實(shí)際的硬件故障;

　　b) 試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)故障注入模型;

　　c) 可控制故障注入位置，注入時(shí)間等參數(shù);

　　d) 可以使故障注入過(guò)程重現(xiàn)。

　　其不足是試驗(yàn)對(duì)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(guò)軟件方法來(lái)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(guò)修改內(nèi)存或寄存器的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)，模擬軟件的軟件故障注入主要通過(guò)在編譯前修改程序結(jié)構(gòu)或在軟件運(yùn)行過(guò)程中破壞程序狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的�；�于軟件的故障注入優(yōu)點(diǎn)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(huì)對(duì)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(jì)中絕大多數(shù)可能存在的設(shè)計(jì)故障。

　　其不足是不能將故障注入到軟件不可訪問(wèn)的位置。

　　基于模擬的`故障注入是首先需要建立一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)故障注入，主要運(yùn)用于開(kāi)關(guān)級(jí)、邏輯級(jí)、功能級(jí)等不同抽象層次上。此方法需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始建立仿真模型，雖然能及時(shí)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供反饋，但其開(kāi)發(fā)工作量大。

　　2 系留氣球在使用過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)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(hào)的測(cè)量主要是通過(guò)各類(lèi)傳感器來(lái)完成，如風(fēng)速和風(fēng)向信息通過(guò)風(fēng)速風(fēng)向傳感器測(cè)量、溫度和濕度通過(guò)溫濕度傳感器測(cè)量、氣球姿態(tài)通過(guò)傾角傳感器測(cè)量、纜繩拉力信息通過(guò)拉力傳感器測(cè)量等，傳感器輸出形式均采用(4 ～ 20)mA。正常情況下時(shí)，傳感器可以穩(wěn)定的輸出(4 ～ 20)mA 的信號(hào)，然而當(dāng)某個(gè)傳感器故障時(shí)，其輸出的信號(hào)有可能低于4mA 或高于20mA，信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)控計(jì)算機(jī)采集轉(zhuǎn)化后向地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送表現(xiàn)正常的錯(cuò)誤的測(cè)量數(shù)據(jù)。例如壓差傳感器輸出的(4 ～ 20)mA 信號(hào)對(duì)應(yīng)(0 ～ 1000)Pa，當(dāng)傳感器故障時(shí)，其測(cè)量的信號(hào)為25mA，此時(shí)經(jīng)過(guò)球上測(cè)控計(jì)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(shí)，地面監(jiān)控人員則無(wú)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(duì)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(jì)算機(jī)串口故障時(shí)，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(yùn)行過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)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(guò)程中操作人員可實(shí)時(shí)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(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，而篩選過(guò)程則需要人為的手動(dòng)輸入查詢時(shí)間和日期信息。當(dāng)人為的輸入非法字符時(shí)，地面監(jiān)控軟件出現(xiàn)異常報(bào)故。

　　以上問(wèn)題均是在常規(guī)測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)的，雖然問(wèn)題發(fā)現(xiàn)后進(jìn)行了相應(yīng)的更改，比如更換傳感器、對(duì)測(cè)控計(jì)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(lèi)的硬件故障問(wèn)題卻無(wú)法通過(guò)常規(guī)手段進(jìn)行驗(yàn)證。此時(shí)通過(guò)故障注入，直接模擬異常行為針對(duì)性的進(jìn)行檢測(cè)就顯得尤為重要。

　　3 針對(duì)以上問(wèn)題的故障注入方法

　　針對(duì)以上問(wèn)題，經(jīng)初步分析后，可在測(cè)試過(guò)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(hào)輸出形式均采用(4 ～ 20)mA，測(cè)試過(guò)程中可采用如信號(hào)發(fā)生器模擬傳感器信號(hào)輸出。

　　采用信號(hào)發(fā)生器可模擬輸出低于4mA 或高于20mA 的信號(hào)時(shí)，測(cè)試球上測(cè)控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理是否出現(xiàn)異�，F(xiàn)象，可有效檢測(cè)測(cè)控計(jì)算機(jī)在應(yīng)對(duì)異常信號(hào)輸入時(shí)的運(yùn)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(lái)實(shí)現(xiàn)，也可依據(jù)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，串口故障注入方式如下：

　　依據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)取出計(jì)算機(jī)內(nèi)串口卡的方式來(lái)模擬串口故障;依據(jù)軟件實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)卸載串口卡驅(qū)動(dòng)，或通過(guò)操作系統(tǒng)的設(shè)備管理器對(duì)地面監(jiān)控軟件所用的串口號(hào)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(diǎn)，非常規(guī)操作主要體現(xiàn)在對(duì)設(shè)備的異常操作以及對(duì)軟件的異常操控，針對(duì)非常規(guī)輸入引起的故障，可通過(guò)輸入“@”、“+”、“9.3.9”等特殊字符或組合字符進(jìn)行檢測(cè)。

　　(4)試驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)故障注入進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果如下：

　　a) 傳感器故障時(shí)，通過(guò)球上測(cè)控計(jì)算機(jī)添加對(duì)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(gè)計(jì)算機(jī)串口卡故障時(shí)，地面監(jiān)控軟件還是無(wú)法運(yùn)行;另外，當(dāng)某一路串口故障時(shí)，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(duì)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(cè)試方法中，我們通常在系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)搭建起硬件平臺(tái)，采用現(xiàn)場(chǎng)摸底的方式來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，雖然可以直觀的反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，但是某些可能存在的故障點(diǎn)卻無(wú)法通過(guò)這種傳統(tǒng)的測(cè)試手段進(jìn)行檢測(cè)。故障注入技術(shù)可以有效模擬各種異常行為，能夠針對(duì)系統(tǒng)的特定狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，卻無(wú)法針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試。通過(guò)常規(guī)測(cè)試結(jié)合故障注入測(cè)試的方式，有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品型號(hào)的研制與發(fā)展也具有積極的作用。