大型設備測試性技術研究現(xiàn)狀分析

張琦，丁劍，賈愛梅

（1.解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007;2.鐘山職業(yè)技術學院，江蘇南京210049;3.中國人民解放軍93508部隊，北京100075;4.中國電子科技集團第28研究所，江蘇南京 210093）

大型設備技術復雜，由于設備故障可能產(chǎn)生較為嚴重的后果，因此對其實時狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測及診斷水平提出了更高的要求，其測試性逐漸得到重視，測試性設計已經(jīng)成為大型設備設計中的重要內容之一。特別是一些安全性、危險性高的設備，如核電設備、海洋設備、航空航天設備、高速鐵路裝備等，必須設計有相應齊備的測試性能，以滿足其安全性和可靠性要求。

本文針對大型設備的機內測試設計研究概況，就其測試性設計的基本概念、一般要求、發(fā)展歷史與智能機內測試技術的研究熱點進行介紹，供相關研究時參考。

1 測試性的基本概念

測試性是產(chǎn)品或設備可以及時準確確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能降低）并隔離其內部故障的一種設計特性，是設計時賦予產(chǎn)品或設備的一種固有屬性［1－8］。測試性是從設計角度研究與故障斗爭的理論和方法，是一種設計理念，是為了更好地實現(xiàn)設備的故障診斷和隔離、提高維修性、縮短檢修時間、提高設備可靠性的一種設計特性［2］。

測試性的內涵包括機內測試（built in test，BIT）、自動測試和手動測試等手段，具體的說有以下幾個目標:設計良好的BIT，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性;通過迅速檢測和隔離故障，提高系統(tǒng)的可靠性;通過BIT、自動測試設備和其他兼容性設計，降低保障系統(tǒng)的復雜性，減少保障費用，從而達到降低全壽命周期費用的目的［4］。從1975年由F.Liour等人最先在《設備自動測試性設計》一文中提出測試性的概念到如今，測試性已經(jīng)有了長足的發(fā)展，成為了一門與維修性、可靠性并列的學科。

BIT是指設備內部提供的檢測和隔離故障的能力，代表了一種新的“可測試性設計”概念［8］。它要求在設備設計的開始就同時進行其測試性設計。機內測試通過良好的結構化和層次性設計，對測試單元、可置換組件和系統(tǒng)等各級故障實現(xiàn)故障檢測與隔離自動化，降低了維修的難度，同時可降低產(chǎn)品全壽命周期費用。

具有機內測試功能的設備能夠依靠自身的電路和程序，對自身的狀態(tài)進行檢測和監(jiān)控，并對故障進行檢測和隔離。具有這種功能的設備叫做機內測試設備（built－in－test－equipment，BITE）。BIT在國內的翻譯還有機內自檢測、機內自測試、機內自檢等［6］［9］。

2 BIT設計的一般要求

2.1 BIT通用設計準則

設備的BIT設計必須滿足如下原則［17］:1）BIT必須監(jiān)控設備的關鍵功能;2）BIT容差的設定應保證達到故障檢測率最大而虛警率最小的目的;3）BIT的可靠性應比所監(jiān)測系統(tǒng)或設備的可靠性高一個數(shù)量級;4）設備中的所有單元的診斷測試應能對單元的可操作性進行評估，并將故障隔離到可更換單元;5）所有自測程序應與功能部件程序分開存儲。

2.2 BIT的測試要求和確定技術指標

圖1 軟硬件研制步驟

a）BIT的測試要求

對被監(jiān)控系統(tǒng)或設備的測試要求分析，通常應有相應的規(guī)范，規(guī)定分析的內容和步驟，可按如下順序進行并制成相應的表格與文件［13］［14］:1）熟悉被監(jiān)控對象的原理和功能;2）將被監(jiān)控對象分塊;3）掌握對被監(jiān)控對象的性能要求;4）確定測試項目;5）進行故障模式與故障診斷分析，對于需要有BIT測試的分塊，要進一步分析其可能發(fā)生的故障模式及其對整個系統(tǒng)的影響;6）提出測試要求。

b）確定技術指標

技術指標應按測試要求分析的結果和對BIT的測試要求來確定。提出技術指標時應注意以下幾點［13］［15］:1）技術指標必須有明確的含義;2）規(guī)定的指標應該合理;3）不同系統(tǒng)使用的BIT的技術指標應該相互協(xié)調;4）根據(jù)需要提出使用要求。

常用的測試性指標有故障檢測率（FDR）、故障隔離率（FIR）、虛警率（FAR）、平均故障檢測時間（MFDT）和BIT的可靠性與維修性等。

c）軟硬件劃分

BIT設計的一個重要方面是劃分硬件和軟件功能。有些功能，既可由硬件完成，也可用軟件完成，例如延時、故障特征形成、部分數(shù)據(jù)采集和處理功能等［16］。一般來說，對于BIT，首先要滿足連續(xù)實時監(jiān)控要求，并盡可能由軟件完成較多的功能。BIT軟硬件研制步驟如圖1所示。

3 BIT技術的發(fā)展歷史

國外對于測試性技術的研究始于20世紀60年代，于70年代受到重視并得到迅速發(fā)展。70年代以后，美國頒布了一系列有關測試性方面的軍用標準，極大地推動了測試性技術應用于軍事裝備當中，使得測試性技術有了長足的發(fā)展，特別是 MIL－STD －471A 通告Ⅱ［17］——《設備或系統(tǒng)的機內測試、外部測試、故障隔離和可測試性特性要求的驗證及評價》、MIL－STD－470A——《系統(tǒng)及設備維修性管理大綱》［18］、MIL － STD －2165——《電子系統(tǒng)及設備的可測試性大綱》等標準規(guī)范。其中，1985年頒布的《電子系統(tǒng)及設備的可測試性大綱》規(guī)定了可測試性管理、分析、設計和驗證的要求和實施方法，是可測試性從維修性分離出來，作為一門獨立新學科確立的標志。此外，美國還設立了專門機構，即美國國防部聯(lián)合司令部自動測試專業(yè)委員會下屬的測試性技術協(xié)調組，來負責國防系統(tǒng)測試性研究計劃的組織、協(xié)調及實施［19］。到目前為止，國外測試性技術已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展，日趨成熟，逐步應用于武器裝備、工程機械、大飛機、汽車工業(yè)等諸多領域。

我國的測試性研究從20世紀80年代開始，測試性技術的研究逐漸受到重視，相繼于1990年頒布了HB6437——《電子系統(tǒng)和設備的可測試性大綱》、于1995年頒布了GJB2547－95——《裝備測試性大綱》、于1997年頒布了HB7503——《測試性預計程序》、于1998年頒布了 GJB3385－98——《測試與診斷術語》［20］。從測試性設計論證、方案、實施、驗證和術語等各個方面對測試性技術進行規(guī)范指導，對我國測試性技術的發(fā)展起到了極大的推動作用，但其主要內容都是針對電子類設備的，具有很大局限性。

當前國內對BIT技術的研究工作主要由相關的研究所承擔，各單位在各自的研究領域都積累了相當多的經(jīng)驗，如國防科技大學承擔了有關智能BIT的國防預研課題;航空611研究所承擔了“BIT技術在非電子系統(tǒng)和設備上的應用研究”等［6］［9］。總體來看，我國的 BIT理論、技術和應用水平大致處于國外20世紀90年代的水平［6］。

從國內近些年的研究現(xiàn)狀看，測試性技術的研究雖然受到充分重視，但由于缺乏充足的理論研究基礎，測試性設計目前主要依據(jù)可靠性、維修性的設計經(jīng)驗，對設備無法進行系統(tǒng)的測試性設計，制約了測試性技術的進一步發(fā)展。因此，深入研究測試性設計理論，規(guī)范測試性設計的程序和方法，并開展具體設備的測試性設計，對提高我國測試性設計水平具有十分重要的意義。

4 智能BIT技術的研究現(xiàn)狀

BIT技術最早開始產(chǎn)生于航空電子領域，隨著傳感器技術、信號采集處理技術、計算機技術和微電子技術的發(fā)展，使得在機械、電子、液壓、光電等復雜機電設備中實現(xiàn)BIT 成為可能［6］［10］［11］。

近年，隨著航天、核電、海洋等大型設備的發(fā)展，測試性技術發(fā)展十分迅速，為BIT技術的發(fā)展提供了新的研究領域，其中最為顯著的發(fā)展之一是智能BIT出現(xiàn)。

智能BIT是指采用AI（artificial intelligence）及相關技術將環(huán)境應力數(shù)據(jù)、BIT輸出信息、BIT系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、被測單元輸入/輸出、設備維修記錄等多方面信息綜合在一起，并經(jīng)過一定的推理、分析、篩選過程，得出關于被測單元狀態(tài)更準確的結論，從而增強 BIT的故障診斷能力［6，11，21］。其主要研究內容如圖 2 所示。

圖2 智能BIT的主要研究內容

4.1 專家系統(tǒng)在BIT中的應用

BIT專家系統(tǒng)應用的目的是豐富知識庫以及知識的表達、知識的搜索與推理，這些都是目前研究的熱點。BIT系統(tǒng)通用的故障診斷專家系統(tǒng)的結構如圖3所示。

圖3 BIT診斷專家系統(tǒng)結構

4.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡在BIT中的應用

BIT中的設計、診斷、維修專家系統(tǒng)都能利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行知識的存儲，特別是BIT診斷專家系統(tǒng)中人工神經(jīng)網(wǎng)絡的知識獲取、存儲、推理具有很好的交融性。

圖4是一種被稱作靈巧BIT－2的系統(tǒng)，主要包含時間應力測量裝置（TSMD）、系統(tǒng)級故障相關器、瞬態(tài)監(jiān)測器、K最近鄰算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術。

圖4 靈巧BIT－2系統(tǒng)總體結構

4.3 信息融合技術在BIT中的應用

信息融合的基本原理是充分利用多個傳感器信息資源，把它們的互補信息依據(jù)某種準則來進行組合以獲取被測對象的狀態(tài)信息，獲得比單個系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能。基于信息融合的BIT智能故障診斷系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 基于信息融合的BIT智能故障診斷系統(tǒng)

4.4 BIT中的新技術應用

隨著BIT技術的不斷向前發(fā)展，近幾年來涌現(xiàn)出許多新技術，主要包括故障預測和健康管理（prognostics health management，PHM）技術、綜合運載器健康管理（intergrated vehicle health management，IVHM）、基于信標的多任務異常分析（BEAM）等。

1）故障預測與健康管理技術代表了一種方法的轉變，其原理是:預見性診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，然后根據(jù)預測診斷信息、可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策。PHM重點是利用先進的傳感器的集成，并借助各種算法和智能模型來預測、監(jiān)控和管理設備或系統(tǒng)的狀態(tài)［23－25］。該技術被應用于美國F－35戰(zhàn)斗機上。

2）綜合運載器健康管理目的是為運載器操作員及任務執(zhí)行者提供信息和輔助決策，由智能檢測、系統(tǒng)級評估、控制和管理功能所構成［26，27］。其信息層次分為六層，如圖6所示。

圖6 IVHM系統(tǒng)信息層

3）基于信標的多任務異常分析是美國NASA噴氣推進實驗室近幾年開發(fā)的一種新技術，是一種端對端的數(shù)據(jù)分析方法，用于實時或離線故障檢測和特征描述。BEAM利用嵌入式計算機中運行的軟件，可以為任一復雜系統(tǒng)提供實時自主式診斷和預測，是一種基于事件的機上健康評估和狀態(tài)總體評價方法［28］。簡而言之，BEAM是以數(shù)據(jù)輸入、以報告故障狀態(tài)為輸出的軟件，由模塊化部件構成。其頂層體系結構如圖7所示。

圖7 BEAM頂層體系結構

其他如自適應免疫遺傳算法［29］等智能理論與技術、多目標優(yōu)化等各種優(yōu)化技術［30］［31］均得到應用性研究。

5 結語

由于科學技術的進步，在提高系統(tǒng)和設備性能的同時，也增加了系統(tǒng)的復雜性。這必然引起測試時間長、故障診斷困難和使用保障費用高等問題，也為測試性的需求提出了實際要求。

BIT技術是測試性設計的重要組成部分，其在很大程度上決定了設備的測試性水平。其對于設備的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面［4］:

1）對系統(tǒng)或設備維修性的影響。BIT可以自動檢測和隔離故障，記錄故障信息，為外部測試設備提供方便的接口，提高了故障檢測能力，縮短了故障修復時間。

2）對系統(tǒng)或設備可靠性的影響。BIT在系統(tǒng)或設備中的加入，增加了系統(tǒng)的復雜性，降低了系統(tǒng)的基本可靠性，但它可以及時發(fā)現(xiàn)故障，實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的任務可靠性。

3）對全壽命周期費用的影響。由于BIT的加入提高了系統(tǒng)的維修性能和可靠性，因此大大減少了后期的維修保障費用。

由此可見，隨著大型設備的研究、極端裝備的使用，測試性技術在這些設備中將有著起來越大的作用，必將進一步推動測試性技術的研究和發(fā)展。

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