浅谈故障注入技术在系留气球中的应用论文

　　系留气球在常规测试中，大多只是针对目标系统各项功能进行测试，很少针对各种异常状态进行的测试。故障注入技术可有效模拟各种异常行为，通过故障注入能够强制性地使系统进入到某种特定状态，而这些状态是采用常规测试技术很难达到的。本文根据系留气球使用过程中遇到的常见问题，结合故障注入方法，提出对应的注入方式和注入流程，并成功进行了检测，具有很好的推广应用价值。

　　1 故障注入技术

　　故障注入技术是一种测试技术，可按照特定的故障模型，用人为的方式产生故障，并施加于目标系统中，用以加速该系统的错误和失效的产生，同时观测系统对所注入故障的响应信息，通过分析后对系统进行验证和评价的过程。

　　(1)故障注入原理

　　a) 由试验者分析故障范围后，选择故障注入方式、包括故障注入的时间、位置和故障持续时间等信息;

　　b) 根据试验者选择的故障注入方式执行故障注入;

　　c) 故障注入完成后，运行目标系统，并监控系统状态，获取试验结果;

　　d) 根据目标系统相关特性、故障分析数据以及专家经验对试验结果进行评估。

　　(2)故障注入分类

　　故障注入技术一般分为：基于硬件的故障注入、基于软件的故障注入以及基于模拟的故障注入：

　　基于硬件的故障注入是在物理级完成的，通过改变环境参数( 如温度，电磁干扰，电源干扰等) 干扰硬件或者通过改变线束针脚输入来模拟硬件在实际运行过程中发生的故障。例如球载测控计算机采集的某个硬件信号发生变化。硬件故障可分为如下几类，模拟量、离散量、数字量、电源等方面。例如在模拟量方面，有传感器故障;数字量方面，有通讯故障等。基于硬件的故障注入优点如下：

　　a) 注入的故障接近实际情况，能够较好的模拟实际的硬件故障;

　　b) 试验过程中无需专门开发故障注入模型;

　　c) 可控制故障注入位置，注入时间等参数;

　　d) 可以使故障注入过程重现。

　　其不足是试验对目标系统硬件容易造成损伤。

　　基于软件的故障注入是通过软件方法来模拟硬件或软件故障的发生。模拟硬件的软件故障注入主要通过修改内存或寄存器的内容来实现，模拟软件的软件故障注入主要通过在编译前修改程序结构或在软件运行过程中破坏程序状态来实现的。基于软件的故障注入优点如下：

　　a) 可以注入到应用程序和操作系统;

　　b) 灵活方便，应用成本低;

　　c) 不会对目标系统的硬件造成损坏;

　　d) 可涵盖硬件和软件设计中绝大多数可能存在的设计故障。

　　其不足是不能将故障注入到软件不可访问的位置。

　　基于模拟的`故障注入是首先需要建立一个目标系统的模拟模型，然后在该模型内部插入故障注入单元来实现故障注入，主要运用于开关级、逻辑级、功能级等不同抽象层次上。此方法需要在系统设计阶段就开始建立仿真模型，虽然能及时为系统设计者提供反馈，但其开发工作量大。

　　2 系留气球在使用过程中出现的常见问题

　　(1)传感器故障导致的采集数据不可信

　　在系留气球中各种信号的测量主要是通过各类传感器来完成，如风速和风向信息通过风速风向传感器测量、温度和湿度通过温湿度传感器测量、气球姿态通过倾角传感器测量、缆绳拉力信息通过拉力传感器测量等，传感器输出形式均采用(4 ～ 20)mA。正常情况下时，传感器可以稳定的输出(4 ～ 20)mA 的信号，然而当某个传感器故障时，其输出的信号有可能低于4mA 或高于20mA，信号经过测控计算机采集转化后向地面监控计算机发送表现正常的错误的测量数据。例如压差传感器输出的(4 ～ 20)mA 信号对应(0 ～ 1000)Pa，当传感器故障时，其测量的信号为25mA，此时经过球上测控计算机采集处理后，下传给地面监控软件的数据可能是45201Pa，也有可能为400Pa，而当其显示400pa 时，地面监控人员则无法判断传感器是否故障。

　　(2)串口故障导致的地面监控软件卡死

　　由于系留气球设备的连接采用“端对端”方式，设备连接单一，通信方式主要采用的是串口通信，如RS232、RS422、RS485 等串口。当通信串口被占用或计算机串口故障时，地面监控软件出现卡死现象。

　　(3)非常规操作导致异常故障

　　地面监控软件在运行过程中会实时的记录相关设备数据和操作人员的指令信息。为了方便任务过程中操作人员可实时查看相关历史记录，地面监控软件配置有查询功能。查询功能中可以对历史数据进行筛选，而筛选过程则需要人为的手动输入查询时间和日期信息。当人为的输入非法字符时，地面监控软件出现异常报故。

　　以上问题均是在常规测试中未发现的，虽然问题发现后进行了相应的更改，比如更换传感器、对测控计算机软件增加传感器异常的判断等，但是更改完成后，如传感器故障、串口故障之类的硬件故障问题却无法通过常规手段进行验证。此时通过故障注入，直接模拟异常行为针对性的进行检测就显得尤为重要。

　　3 针对以上问题的故障注入方法

　　针对以上问题，经初步分析后，可在测试过程中添加故障注入.

　　(1)传感器设备故障注入

　　由于这些传感器信号输出形式均采用(4 ～ 20)mA，测试过程中可采用如信号发生器模拟传感器信号输出。

　　采用信号发生器可模拟输出低于4mA 或高于20mA 的信号时，测试球上测控计算机的数据采集和处理是否出现异常现象，可有效检测测控计算机在应对异常信号输入时的运行状态。

　　(2)串口故障注入

　　串口故障注入既可依据硬件来实现，也可依据软件来实现，串口故障注入方式如下：

　　依据硬件实现，可通过取出计算机内串口卡的方式来模拟串口故障;依据软件实现，可通过卸载串口卡驱动，或通过操作系统的设备管理器对地面监控软件所用的串口号进行修改的方式模拟串口故障。

　　(3)非常规操作故障注入

　　根据系留气球的特点，非常规操作主要体现在对设备的异常操作以及对软件的异常操控，针对非常规输入引起的故障，可通过输入“@”、“+”、“9.3.9”等特殊字符或组合字符进行检测。

　　(4)试验结果

　　通过故障注入进行的相关试验，结果如下：

　　a) 传感器故障时，通过球上测控计算机添加对超出(4 ～ 20)mA 监控功能后，地面人员可有效判别数据是否正常;

　　b) 整个计算机串口卡故障时，地面监控软件还是无法运行;另外，当某一路串口故障时，地面监控软件也失去了保持其他串口继续通信的能力。结果表明地面监控软件有待进一步优化;

　　c) 针对以上非常规操作引起的故障，软件经修改完善后，已成功修复。

　　4 结论

　　系留气球常规测试方法中，我们通常在系统硬件线路设计完成后，通过搭建起硬件平台，采用现场摸底的方式来进行检测，虽然可以直观的反映系统的运行状态，但是某些可能存在的故障点却无法通过这种传统的测试手段进行检测。故障注入技术可以有效模拟各种异常行为，能够针对系统的特定状态进行检测，却无法针对系统进行全面的测试。通过常规测试结合故障注入测试的方式，有利于产品的进一步优化设计，对产品型号的研制与发展也具有积极的作用。