淺談故障注入技術在系留氣球中的應用論文
系留氣球在常規(guī)測試中，大多只是針對目標系統(tǒng)各項功能進行測試，很少針對各種異常狀態(tài)進行的測試。故障注入技術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)測試技術很難達到的。本文根據系留氣球使用過程中遇到的常見問題，結合故障注入方法，提出對應的注入方式和注入流程，并成功進行了檢測，具有很好的推廣應用價值。
1 故障注入技術
故障注入技術是一種測試技術，可按照特定的故障模型，用人為的方式產生故障，并施加于目標系統(tǒng)中，用以加速該系統(tǒng)的錯誤和失效的產生，同時觀測系統(tǒng)對所注入故障的響應信息，通過分析后對系統(tǒng)進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，運行目標系統(tǒng)，并監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，獲取試驗結果;
d) 根據目標系統(tǒng)相關特性、故障分析數據以及專家經驗對試驗結果進行評估。
(2)故障注入分類
故障注入技術一般分為：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( 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;
d) 可以使故障注入過程重現。
其不足是試驗對目標系統(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存或寄存器的內容來實現，模擬軟件的軟件故障注入主要通過在編譯前修改程序結構或在軟件運行過程中破壞程序狀態(tài)來實現的�；谲浖墓收献⑷雰�(yōu)點如下：
a) 可以注入到應用程序和操作系統(tǒng);
b) 靈活方便，應用成本低;
c) 不會對目標系統(tǒng)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問的位置。
基于模擬的故障注入是首先需要建立一個目標系統(tǒng)的模擬模型，然后在該模型內部插入故障注入單元來實現故障注入，主要運用于開關級、邏輯級、功能級等不同抽象層次上。此方法需要在系統(tǒng)設計階段就開始建立仿真模型，雖然能及時為系統(tǒng)設計者提供反饋，但其開發(fā)工作量大。
2 系留氣球在使用過程中出現的常見問題
(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各類傳感器來完成，如風速和風向信息通過風速風向傳感器測量、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，信號經過測控計算機采集轉化后向地面監(jiān)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，其測量的信號為25mA，此時經過球上測控計算機采集處理后，下傳給地面監(jiān)控軟件的數據可能是45201Pa，也有可能為400Pa，而當其顯示400pa 時，地面監(jiān)控人員則無法判斷傳感器是否故障。
(2)串口故障導致的地面監(jiān)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，地面監(jiān)控軟件出現卡死現象。
(3)非常規(guī)操作導致異常故障
地面監(jiān)控軟件在運行過程中會實時的記錄相關設備數據和操作人員的指令信息。為了方便任務過程中操作人員可實時查看相關歷史記錄，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據進行篩選，而篩選過程則需要人為的手動輸入查詢時間和日期信息。當人為的輸入非法字符時，地面監(jiān)控軟件出現異常報故。
以上問題均是在常規(guī)測試中未發(fā)現的，雖然問題發(fā)現后進行了相應的更改，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、串口故障之類的硬件故障問題卻無法通過常規(guī)手段進行驗證。此時通過故障注入，直接模擬異常行為針對性的進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，經初步分析后，可在測試過程中添加故障注入.
(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的數據采集和處理是否出現異常現象，可有效檢測測控計算機在應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硬件來實現，也可依據軟件來實現，串口故障注入方式如下：
依據硬件實現，可通過取出計算機內串口卡的方式來模擬串口故障;依據軟件實現，可通過卸載串口卡驅動，或通過操作系統(tǒng)的設備管理器對地面監(jiān)控軟件所用的串口號進行修改的方式模擬串口故障。
(3)非常規(guī)操作故障注入
根據系留氣球的特點，非常規(guī)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(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行檢測。
(4)試驗結果
通過故障注入進行的相關試驗，結果如下：
a) 傳感器故障時，通過球上測控計算機添加對超出(4 ～ 20)mA 監(jiān)控功能后，地面人員可有效判別數據是否正常;
b) 整個計算機串口卡故障時，地面監(jiān)控軟件還是無法運行;另外，當某一路串口故障時，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。結果表明地面監(jiān)控軟件有待進一步優(yōu)化;
c) 針對以上非常規(guī)操作引起的故障，軟件經修改完善后，已成功修復。
4 結論
系留氣球常規(guī)測試方法中，我們通常在系統(tǒng)硬件線路設計完成后，通過搭建起硬件平臺，采用現場摸底的方式來進行檢測，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)的測試手段進行檢測。故障注入技術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)進行檢測，卻無法針對系統(tǒng)進行全面的測試。通過常規(guī)測試結合故障注入測試的方式，有利于產品的進一步優(yōu)化設計，對產品型號的研制與發(fā)展也具有積極的作用。
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