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
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,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(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)需專門開(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;谲浖墓收献⑷雰(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。
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