淺談故障注入技術(shù)在系留氣球中的應用論文
系留氣球在常規測試中，大多只是針對目標系統各項功能進(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(guò)故障注入能夠強制性地使系統進(jìn)入到某種特定狀態(tài)，而這些狀態(tài)是采用常規測試技術(shù)很難達到的。本文根據系留氣球使用過(guò)程中遇到的常見(jiàn)問(wèn)題，結合故障注入方法，提出對應的注入方式和注入流程，并成功進(jìn)行了檢測，具有很好的推廣應用價(jià)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，并施加于目標系統中，用以加速該系統的錯誤和失效的產(chǎn)生，同時(shí)觀(guān)測系統對所注入故障的響應信息，通過(guò)分析后對系統進(jìn)行驗證和評價(jià)的過(guò)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(shí)間、位置和故障持續時(shí)間等信息;
b) 根據試驗者選擇的故障注入方式執行故障注入;
c) 故障注入完成后，運行目標系統，并監控系統狀態(tài)，獲取試驗結果;
d) 根據目標系統相關(guān)特性、故障分析數據以及專(zhuān)家經(jīng)驗對試驗結果進(jìn)行評估。
(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完成的，通過(guò)改變環(huán)境參數( 如溫度，電磁干擾，電源干擾等) 干擾硬件或者通過(guò)改變線(xiàn)束針腳輸入來(lái)模擬硬件在實(shí)際運行過(guò)程中發(fā)生的故障。例如球載測控計算機采集的某個(gè)硬件信號發(fā)生變化。硬件故障可分為如下幾類(lèi)，模擬量、離散量、數字量、電源等方面。例如在模擬量方面，有傳感器故障;數字量方面，有通訊故障等�；谟布墓收献⑷雰�(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;
d) 可以使故障注入過(guò)程重現。
其不足是試驗對目標系統硬件容易造成損傷。
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)修改內存或寄存器的內容來(lái)實(shí)現，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構或在軟件運行過(guò)程中破壞程序狀態(tài)來(lái)實(shí)現的�；谲浖墓收献⑷雰�(yōu)點(diǎn)如下：
a) 可以注入到應用程序和操作系統;
b) 靈活方便，應用成本低;
c) 不會(huì )對目標系統的硬件造成損壞;
d) 可涵蓋硬件和軟件設計中絕大多數可能存在的設計故障。
其不足是不能將故障注入到軟件不可訪(fǎng)問(wèn)的位置。
基于模擬的故障注入是首先需要建立一個(gè)目標系統的模擬模型，然后在該模型內部插入故障注入單元來(lái)實(shí)現故障注入，主要運用于開(kāi)關(guān)級、邏輯級、功能級等不同抽象層次上。此方法需要在系統設計階段就開(kāi)始建立仿真模型，雖然能及時(shí)為系統設計者提供反饋，但其開(kāi)發(fā)工作量大。
2 系留氣球在使用過(guò)程中出現的常見(jiàn)問(wèn)題
(1)傳感器故障導致的采集數據不可信
在系留氣球中各種信號的測量主要是通過(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)向傳感器測量、溫度和濕度通過(guò)溫濕度傳感器測量、氣球姿態(tài)通過(guò)傾角傳感器測量、纜繩拉力信息通過(guò)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(shí)，傳感器可以穩定的輸出(4 ～ 20)mA 的信號，然而當某個(gè)傳感器故障時(shí)，其輸出的信號有可能低于4mA 或高于20mA，信號經(jīng)過(guò)測控計算機采集轉化后向地面監控計算機發(fā)送表現正常的錯誤的測量數據。例如壓差傳感器輸出的(4 ～ 20)mA 信號對應(0 ～ 1000)Pa，當傳感器故障時(shí)，其測量的信號為25mA，此時(shí)經(jīng)過(guò)球上測控計算機采集處理后，下傳給地面監控軟件的數據可能是45201Pa，也有可能為400Pa，而當其顯示400pa 時(shí)，地面監控人員則無(wú)法判斷傳感器是否故障。
(2)串口故障導致的地面監控軟件卡死
由于系留氣球設備的連接采用“端對端”方式，設備連接單一，通信方式主要采用的是串口通信，如RS232、RS422、RS485 等串口。當通信串口被占用或計算機串口故障時(shí)，地面監控軟件出現卡死現象。
(3)非常規操作導致異常故障
地面監控軟件在運行過(guò)程中會(huì )實(shí)時(shí)的記錄相關(guān)設備數據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，地面監控軟件配置有查詢(xún)功能。查詢(xún)功能中可以對歷史數據進(jìn)行篩選，而篩選過(guò)程則需要人為的手動(dòng)輸入查詢(xún)時(shí)間和日期信息。當人為的輸入非法字符時(shí)，地面監控軟件出現異常報故。
以上問(wèn)題均是在常規測試中未發(fā)現的，雖然問(wèn)題發(fā)現后進(jìn)行了相應的更改，比如更換傳感器、對測控計算機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)常規手段進(jìn)行驗證。此時(shí)通過(guò)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(wèn)題的故障注入方法
針對以上問(wèn)題，經(jīng)初步分析后，可在測試過(guò)程中添加故障注入.
(1)傳感器設備故障注入
由于這些傳感器信號輸出形式均采用(4 ～ 20)mA，測試過(guò)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(shí)，測試球上測控計算機的數據采集和處理是否出現異�，F象，可有效檢測測控計算機在應對異常信號輸入時(shí)的運行狀態(tài)。
(2)串口故障注入
串口故障注入既可依據硬件來(lái)實(shí)現，也可依據軟件來(lái)實(shí)現，串口故障注入方式如下：
依據硬件實(shí)現，可通過(guò)取出計算機內串口卡的方式來(lái)模擬串口故障;依據軟件實(shí)現，可通過(guò)卸載串口卡驅動(dòng)，或通過(guò)操作系統的設備管理器對地面監控軟件所用的串口號進(jìn)行修改的方式模擬串口故障。
(3)非常規操作故障注入
根據系留氣球的特點(diǎn)，非常規操作主要體現在對設備的異常操作以及對軟件的異常操控，針對非常規輸入引起的故障，可通過(guò)輸入“@”、“+”、“9.3.9”等特殊字符或組合字符進(jìn)行檢測。
(4)試驗結果
通過(guò)故障注入進(jìn)行的相關(guān)試驗，結果如下：
a) 傳感器故障時(shí)，通過(guò)球上測控計算機添加對超出(4 ～ 20)mA 監控功能后，地面人員可有效判別數據是否正常;
b) 整個(gè)計算機串口卡故障時(shí)，地面監控軟件還是無(wú)法運行;另外，當某一路串口故障時(shí)，地面監控軟件也失去了保持其他串口繼續通信的能力。結果表明地面監控軟件有待進(jìn)一步優(yōu)化;
c) 針對以上非常規操作引起的故障，軟件經(jīng)修改完善后，已成功修復。
4 結論
系留氣球常規測試方法中，我們通常在系統硬件線(xiàn)路設計完成后，通過(guò)搭建起硬件平臺，采用現場(chǎng)摸底的方式來(lái)進(jìn)行檢測，雖然可以直觀(guān)的反映系統的運行狀態(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，能夠針對系統的特定狀態(tài)進(jìn)行檢測，卻無(wú)法針對系統進(jìn)行全面的測試。通過(guò)常規測試結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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