大型設(shè)備測(cè)試性技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

張琦，丁劍，賈愛梅

（1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210049;3.中國(guó)人民解放軍93508部隊(duì)，北京100075;4.中國(guó)電子科技集團(tuán)第28研究所，江蘇南京 210093）

大型設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，由于設(shè)備故障可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果，因此對(duì)其實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)及診斷水平提出了更高的要求，其測(cè)試性逐漸得到重視，測(cè)試性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為大型設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。特別是一些安全性、危險(xiǎn)性高的設(shè)備，如核電設(shè)備、海洋設(shè)備、航空航天設(shè)備、高速鐵路裝備等，必須設(shè)計(jì)有相應(yīng)齊備的測(cè)試性能，以滿足其安全性和可靠性要求。

本文針對(duì)大型設(shè)備的機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)研究概況，就其測(cè)試性設(shè)計(jì)的基本概念、一般要求、發(fā)展歷史與智能機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)的研究熱點(diǎn)進(jìn)行介紹，供相關(guān)研究時(shí)參考。

1 測(cè)試性的基本概念

測(cè)試性是產(chǎn)品或設(shè)備可以及時(shí)準(zhǔn)確確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能降低）并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性，是設(shè)計(jì)時(shí)賦予產(chǎn)品或設(shè)備的一種固有屬性［1－8］。測(cè)試性是從設(shè)計(jì)角度研究與故障斗爭(zhēng)的理論和方法，是一種設(shè)計(jì)理念，是為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷和隔離、提高維修性、縮短檢修時(shí)間、提高設(shè)備可靠性的一種設(shè)計(jì)特性［2］。

測(cè)試性的內(nèi)涵包括機(jī)內(nèi)測(cè)試（built in test，BIT）、自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試等手段，具體的說有以下幾個(gè)目標(biāo):設(shè)計(jì)良好的BIT，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性;通過迅速檢測(cè)和隔離故障，提高系統(tǒng)的可靠性;通過BIT、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和其他兼容性設(shè)計(jì)，降低保障系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少保障費(fèi)用，從而達(dá)到降低全壽命周期費(fèi)用的目的［4］。從1975年由F.Liour等人最先在《設(shè)備自動(dòng)測(cè)試性設(shè)計(jì)》一文中提出測(cè)試性的概念到如今，測(cè)試性已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，成為了一門與維修性、可靠性并列的學(xué)科。

BIT是指設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)和隔離故障的能力，代表了一種新的“可測(cè)試性設(shè)計(jì)”概念［8］。它要求在設(shè)備設(shè)計(jì)的開始就同時(shí)進(jìn)行其測(cè)試性設(shè)計(jì)。機(jī)內(nèi)測(cè)試通過良好的結(jié)構(gòu)化和層次性設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)試單元、可置換組件和系統(tǒng)等各級(jí)故障實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與隔離自動(dòng)化，降低了維修的難度，同時(shí)可降低產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用。

具有機(jī)內(nèi)測(cè)試功能的設(shè)備能夠依靠自身的電路和程序，對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控，并對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)和隔離。具有這種功能的設(shè)備叫做機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備（built－in－test－equipment，BITE）。BIT在國(guó)內(nèi)的翻譯還有機(jī)內(nèi)自檢測(cè)、機(jī)內(nèi)自測(cè)試、機(jī)內(nèi)自檢等［6］［9］。

2 BIT設(shè)計(jì)的一般要求

2.1 BIT通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)備的BIT設(shè)計(jì)必須滿足如下原則［17］:1）BIT必須監(jiān)控設(shè)備的關(guān)鍵功能;2）BIT容差的設(shè)定應(yīng)保證達(dá)到故障檢測(cè)率最大而虛警率最小的目的;3）BIT的可靠性應(yīng)比所監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性高一個(gè)數(shù)量級(jí);4）設(shè)備中的所有單元的診斷測(cè)試應(yīng)能對(duì)單元的可操作性進(jìn)行評(píng)估，并將故障隔離到可更換單元;5）所有自測(cè)程序應(yīng)與功能部件程序分開存儲(chǔ)。

2.2 BIT的測(cè)試要求和確定技術(shù)指標(biāo)

圖1 軟硬件研制步驟

a）BIT的測(cè)試要求

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

b）確定技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)應(yīng)按測(cè)試要求分析的結(jié)果和對(duì)BIT的測(cè)試要求來確定。提出技術(shù)指標(biāo)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)［13］［15］:1）技術(shù)指標(biāo)必須有明確的含義;2）規(guī)定的指標(biāo)應(yīng)該合理;3）不同系統(tǒng)使用的BIT的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該相互協(xié)調(diào);4）根據(jù)需要提出使用要求。

常用的測(cè)試性指標(biāo)有故障檢測(cè)率（FDR）、故障隔離率（FIR）、虛警率（FAR）、平均故障檢測(cè)時(shí)間（MFDT）和BIT的可靠性與維修性等。

c）軟硬件劃分

BIT設(shè)計(jì)的一個(gè)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(shí)、故障特征形成、部分?jǐn)?shù)據(jù)采集和處理功能等［16］。一般來說，對(duì)于BIT，首先要滿足連續(xù)實(shí)時(shí)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(shù)的發(fā)展歷史

國(guó)外對(duì)于測(cè)試性技術(shù)的研究始于20世紀(jì)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(guó)頒布了一系列有關(guān)測(cè)試性方面的軍用標(biāo)準(zhǔn)，極大地推動(dòng)了測(cè)試性技術(shù)應(yīng)用于軍事裝備當(dāng)中，使得測(cè)試性技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是 MIL－STD －471A 通告Ⅱ［17］——《設(shè)備或系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測(cè)試、外部測(cè)試、故障隔離和可測(cè)試性特性要求的驗(yàn)證及評(píng)價(jià)》、MIL－STD－470A——《系統(tǒng)及設(shè)備維修性管理大綱》［18］、MIL － STD －2165——《電子系統(tǒng)及設(shè)備的可測(cè)試性大綱》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其中，1985年頒布的《電子系統(tǒng)及設(shè)備的可測(cè)試性大綱》規(guī)定了可測(cè)試性管理、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的要求和實(shí)施方法，是可測(cè)試性從維修性分離出來，作為一門獨(dú)立新學(xué)科確立的標(biāo)志。此外，美國(guó)還設(shè)立了專門機(jī)構(gòu)，即美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合司令部自動(dòng)測(cè)試專業(yè)委員會(huì)下屬的測(cè)試性技術(shù)協(xié)調(diào)組，來負(fù)責(zé)國(guó)防系統(tǒng)測(cè)試性研究計(jì)劃的組織、協(xié)調(diào)及實(shí)施［19］。到目前為止，國(guó)外測(cè)試性技術(shù)已經(jīng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，日趨成熟，逐步應(yīng)用于武器裝備、工程機(jī)械、大飛機(jī)、汽車工業(yè)等諸多領(lǐng)域。

我國(guó)的測(cè)試性研究從20世紀(jì)80年代開始，測(cè)試性技術(shù)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(shè)備的可測(cè)試性大綱》、于1995年頒布了GJB2547－95——《裝備測(cè)試性大綱》、于1997年頒布了HB7503——《測(cè)試性預(yù)計(jì)程序》、于1998年頒布了 GJB3385－98——《測(cè)試與診斷術(shù)語》［20］。從測(cè)試性設(shè)計(jì)論證、方案、實(shí)施、驗(yàn)證和術(shù)語等各個(gè)方面對(duì)測(cè)試性技術(shù)進(jìn)行規(guī)范指導(dǎo)，對(duì)我國(guó)測(cè)試性技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，但其主要內(nèi)容都是針對(duì)電子類設(shè)備的，具有很大局限性。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)BIT技術(shù)的研究工作主要由相關(guān)的研究所承擔(dān)，各單位在各自的研究領(lǐng)域都積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，如國(guó)防科技大學(xué)承擔(dān)了有關(guān)智能BIT的國(guó)防預(yù)研課題;航空611研究所承擔(dān)了“BIT技術(shù)在非電子系統(tǒng)和設(shè)備上的應(yīng)用研究”等［6］［9］?？傮w來看，我國(guó)的 BIT理論、技術(shù)和應(yīng)用水平大致處于國(guó)外20世紀(jì)90年代的水平［6］。

從國(guó)內(nèi)近些年的研究現(xiàn)狀看，測(cè)試性技術(shù)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(chǔ)，測(cè)試性設(shè)計(jì)目前主要依據(jù)可靠性、維修性的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)備無法進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)，制約了測(cè)試性技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，深入研究測(cè)試性設(shè)計(jì)理論，規(guī)范測(cè)試性設(shè)計(jì)的程序和方法，并開展具體設(shè)備的測(cè)試性設(shè)計(jì)，對(duì)提高我國(guó)測(cè)試性設(shè)計(jì)水平具有十分重要的意義。

4 智能BIT技術(shù)的研究現(xiàn)狀

BIT技術(shù)最早開始產(chǎn)生于航空電子領(lǐng)域，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)采集處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得在機(jī)械、電子、液壓、光電等復(fù)雜機(jī)電設(shè)備中實(shí)現(xiàn)BIT 成為可能［6］［10］［11］。

近年，隨著航天、核電、海洋等大型設(shè)備的發(fā)展，測(cè)試性技術(shù)發(fā)展十分迅速，為BIT技術(shù)的發(fā)展提供了新的研究領(lǐng)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(guān)技術(shù)將環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)、BIT輸出信息、BIT系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、被測(cè)單元輸入/輸出、設(shè)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(guān)于被測(cè)單元狀態(tài)更準(zhǔn)確的結(jié)論，從而增強(qiáng) BIT的故障診斷能力［6，11，21］。其主要研究?jī)?nèi)容如圖 2 所示。

圖2 智能BIT的主要研究?jī)?nèi)容

4.1 專家系統(tǒng)在BIT中的應(yīng)用

BIT專家系統(tǒng)應(yīng)用的目的是豐富知識(shí)庫(kù)以及知識(shí)的表達(dá)、知識(shí)的搜索與推理，這些都是目前研究的熱點(diǎn)。BIT系統(tǒng)通用的故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BIT診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在BIT中的應(yīng)用

BIT中的設(shè)計(jì)、診斷、維修專家系統(tǒng)都能利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行知識(shí)的存儲(chǔ)，特別是BIT診斷專家系統(tǒng)中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)獲取、存儲(chǔ)、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(shí)間應(yīng)力測(cè)量裝置（TSMD）、系統(tǒng)級(jí)故障相關(guān)器、瞬態(tài)監(jiān)測(cè)器、K最近鄰算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

圖4 靈巧BIT－2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4.3 信息融合技術(shù)在BIT中的應(yīng)用

信息融合的基本原理是充分利用多個(gè)傳感器信息資源，把它們的互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行組合以獲取被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息，獲得比單個(gè)系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能?；谛畔⑷诤系腂IT智能故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)應(yīng)用

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

1）故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)代表了一種方法的轉(zhuǎn)變，其原理是:預(yù)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(yù)測(cè)診斷信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策。PHM重點(diǎn)是利用先進(jìn)的傳感器的集成，并借助各種算法和智能模型來預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)［23－25］。該技術(shù)被應(yīng)用于美國(guó)F－35戰(zhàn)斗機(jī)上。

2）綜合運(yùn)載器健康管理目的是為運(yùn)載器操作員及任務(wù)執(zhí)行者提供信息和輔助決策，由智能檢測(cè)、系統(tǒng)級(jí)評(píng)估、控制和管理功能所構(gòu)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(biāo)的多任務(wù)異常分析是美國(guó)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室近幾年開發(fā)的一種新技術(shù)，是一種端對(duì)端的數(shù)據(jù)分析方法，用于實(shí)時(shí)或離線故障檢測(cè)和特征描述。BEAM利用嵌入式計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的軟件，可以為任一復(fù)雜系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)自主式診斷和預(yù)測(cè)，是一種基于事件的機(jī)上健康評(píng)估和狀態(tài)總體評(píng)價(jià)方法［28］。簡(jiǎn)而言之，BEAM是以數(shù)據(jù)輸入、以報(bào)告故障狀態(tài)為輸出的軟件，由模塊化部件構(gòu)成。其頂層體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 BEAM頂層體系結(jié)構(gòu)

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

5 結(jié)語

由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在提高系統(tǒng)和設(shè)備性能的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。這必然引起測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、故障診斷困難和使用保障費(fèi)用高等問題，也為測(cè)試性的需求提出了實(shí)際要求。

BIT技術(shù)是測(cè)試性設(shè)計(jì)的重要組成部分，其在很大程度上決定了設(shè)備的測(cè)試性水平。其對(duì)于設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面［4］:

1）對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備維修性的影響。BIT可以自動(dòng)檢測(cè)和隔離故障，記錄故障信息，為外部測(cè)試設(shè)備提供方便的接口，提高了故障檢測(cè)能力，縮短了故障修復(fù)時(shí)間。

2）對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備可靠性的影響。BIT在系統(tǒng)或設(shè)備中的加入，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的基本可靠性，但它可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

3）對(duì)全壽命周期費(fèi)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(fèi)用。

由此可見，隨著大型設(shè)備的研究、極端裝備的使用，測(cè)試性技術(shù)在這些設(shè)備中將有著起來越大的作用，必將進(jìn)一步推動(dòng)測(cè)試性技術(shù)的研究和發(fā)展。

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