聲納系統(tǒng)測試性設計＊

屈津竹 王喆峰 田曉東

（1．上海船舶電子設備研究所 上海 201108）（2．海裝艦船技術保障部 北京 100841）（3．海軍青島雷達聲納修理廠 青島 266100）

1 引言

現(xiàn)代聲納系統(tǒng)所采用的先進微電子技術，高性能計算機技術，現(xiàn)代信號處理技術等日益向集成化、數(shù)字化和模塊化方向發(fā)展，但是，在改善和提高武器裝備性能的同時，也大大增加了系統(tǒng)的復雜性。由此帶來測試時間長、故障診斷困難等問題，使系統(tǒng)的故障診斷成為影響戰(zhàn)備完好性，提高維修性的主要問題。

本文結合某聲納系統(tǒng)，給出一些聲納系統(tǒng)測試性設計的原則和方法。

2 測試性的發(fā)展

測試性最早在1975年由F．Liour等在《設備自動測試性設計》一文中提出，20世紀70年代以后，國外廣泛開展了測試性／BIT 方面的研究。其中以美國對測試性的研究最為完善，應用最為深入。美軍最早制定和頒布了測試性的軍用標準，并在1978年建立了主管測試性的部門—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，主要負責國防系統(tǒng)測試性研究計劃的組織、協(xié)調及實施。1985年美國國防部頒發(fā)的《電子系統(tǒng)及設備的測試性大綱》（MIL-STD-2165）把測試性作為與可靠性、維修性同等的產(chǎn)品設計要求，規(guī)定了電子系統(tǒng)和設備研制過程中應實施的測試性設計、分析與驗證的要求及實施方法，標志著測試性已成為一門與可靠性、維修性并列的獨立學科［1］。

美國通過航空裝備的測試性設計研究，使航空裝備全壽命周期費用大大降低，據(jù)美海軍調查稱，對F／A-18等幾種海軍主要飛機的200多項關鍵部件進行的測試性技術改進，使它們的使用和維修費用減少了30%，并進一步強調，如果在飛機研制初期就充分開展測試性設計，可降低飛機全壽命費用的10%～20%［2］。

同國外相比，我國開展測試性研究起步較晚，但近年來發(fā)展較為迅速，進行了一些系統(tǒng)研究［3］，發(fā)表了一些文章和研究報告，在上世紀90年代制定了指導裝備測試性分析、設計、驗證、管理的國家軍用標準《裝備測試性大綱》（GJB 2547-1995），并于2012年對其完成修訂，頒布了新版本《裝備測試性工作通用要求》（GJB 2547A-2012）。同時，武器裝備測試、維修、保障方面的行業(yè)、企業(yè)規(guī)范和型號研制詳細規(guī)范也相繼頒布，測試性要求和指標已明確列入一些重要武器裝備。但時至今日，裝備測試性仍存在一些突出問題［4～7］。

下面給出某聲納系統(tǒng)測試性設計的思路和方法。

3 聲納系統(tǒng)測試性設計

3．1 測試性設計工作目標

測試性是指系統(tǒng)或設備（產(chǎn)品）能及時準確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內部故障的一種設計特性。以提高測試性為目的進行的設計被稱為測試性設計。

聲納系統(tǒng)測試性設計工作的目標是為聲納系統(tǒng)提供性能監(jiān)控能力、工作檢測能力和故障隔離能力。以確保聲納系統(tǒng)達到規(guī)定的測試性要求，提高聲納系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性和任務成功性、減少對維修人力和其他資源的要求，降低壽命周期費用，并為管理提供必要的信息。

3．2 測試性設計原則

1）并行設計原則

測試性設計與系統(tǒng)任務功能／性能設計同時進行，如圖1所示。

圖1 測試性并行設計原則

2）根據(jù)維修級別分析（LORA）設計原則

現(xiàn)在的聲納系統(tǒng)一般分為三級維修，即基層級維修、中繼級維修和基地級維修。根據(jù)LORA 分析結果確定測試性設計，如圖2所示。

圖2 根據(jù)LORA 測試性設計原則

3）綜合診斷原則

從系統(tǒng)設計之初就開始考慮系統(tǒng)診斷所有相關因素，包括BIT、ETE／ATE、測試軟硬件、人員培訓及相關維修保障、技術資料等，并貫穿系統(tǒng)研制全壽命周期。在系統(tǒng)設計和使用的全過程中，針對不同階段的診斷要求，選擇合理的診斷手段和檢測技術對系統(tǒng)進行經(jīng)濟有效的診斷，提高診斷能力，并通過信息反饋對系統(tǒng)進行管理，增強系統(tǒng)的完好率和使用性。

4）以可靠性為基礎，與維修性、保障性、安全性相互協(xié)調原則

以可靠性，故障樹和故障模式、影響及危害性分析（FMECA）為基礎，開展測試性工作，并與系統(tǒng)的維修性、可靠性、安全性和保障性工作聯(lián)系緊密，相互交流信息，做好協(xié)調與權衡工作，以便避免偏離規(guī)定的設計要求和重復工作。測試性工作與可靠性、維修性、安全性及人素工程的接口關系如圖3所示。測試性與保障性之間的接口關系如圖4所示。

圖3 測試性與可靠性、維修性、安全性和人素工程的接口

圖4 測試性與保障性的接口

3．3 診斷方案

某聲納系統(tǒng)按系統(tǒng)-分系統(tǒng)／設備-分機-板級層層檢測、定位、隔離進行診斷。在正常工作狀態(tài)下，顯控單元實時顯示各分機／設備的網(wǎng)絡工作狀態(tài)（正常／故障），如果故障，則對該設備進行檢查。

聲納檢測采用BIT、ATE、模擬器和專用測試儀相結合的方式。信號處理機每次開機后，都要進行開機自檢：通過顯控單元發(fā)送開機自檢命令，信號處理機進行各DSP 板（LRU）的檢查；對拖曳陣聲納，在開機自檢完成后，顯控單元可以發(fā)送通道自檢命令（可選命令），通過觀察顯示器上的波形和數(shù)據(jù)，對拖曳陣聲納濕端進行故障定位。另外，在非工作狀態(tài)時，拖曳陣聲納濕端配備有專用測試儀和模擬器進行校準、調試和性能檢測。顯控單元采用BIT 方式，開機后可以選擇“顯控單元自檢”模式確定板級（LRU）狀態(tài)。

聲納系統(tǒng)應用軟件的功能性能檢測采用ATE、模擬器和人工檢測相結合的方式進行。

3．4 BIT 設計

1）系統(tǒng)BIT 功能：聲納系統(tǒng)BIT 具備以下三種功能：

（1）系統(tǒng)監(jiān)測：連續(xù)或定期的檢測系統(tǒng)關鍵特性參數(shù)。

（2）故障檢測：檢查系統(tǒng)或被測單元功能是否正常，當檢測到故障時給出相應指示或報警。

（3）故障隔離：將系統(tǒng)故障隔離到LRU（或SRU）等可更換單元。在檢測或監(jiān)測到故障后才啟動故障隔離程序。

2）BIT 采用連續(xù)BIT、周期BIT、啟動BIT、通電BIT 等方式。

3．5 結構、功能和電氣劃分

1）結構劃分

（1）結構劃分的目的：從結構上，將設備劃分為LRU、SRU 和組件，以便于故障隔離和換件維修。

（2）結構劃分的原則：

①有利于故障隔離；

②在不影響功能劃分基礎上，盡量使模擬電路和數(shù)字電路分開；

③盡量將功能不能明確劃分的一組電路裝在同一個可更換單元中。

2）功能劃分

（1）功能劃分的目的：盡可能按功能將設備劃分為不同的單元。

（2）功能劃分的原則：一個可更換單元最好只實現(xiàn)一個功能。如果用一個更換單元實現(xiàn)多個功能，應保證能對每個功能進行單獨測試。

3）電氣劃分

（1）電氣劃分的目的：盡可能減少單元之間的連接和信息交叉。

（2）電氣劃分的原則：盡量把正在測試的電路同不在測試的電路隔離，以縮短測試時間。

3．6 測試點設置和測試接口

1）測試點設置

（1）測試點類型包括：外部測試點，內部測試點，無源測試點（測量），有源測試點（激勵、控制），無源／有源測試點。

（2）對測試點設置的要求：

①測試點設置主要考慮在相應的維修級別易于檢測，應考慮聲納系統(tǒng)各組成設備的布置、安裝環(huán)境對測試點設置的影響；

②測試點種類與數(shù)量應適應各維修級別需要，并考慮到測試技術不斷發(fā)展的要求；

③測試點的布局要便于檢測，并盡可能集中或分區(qū)集中，且可達性良好。其排列應有利于進行順序的檢測與診斷；

④測試點的選配應盡量適應原位檢測的需要；

⑤測試點不應設置在易損壞的部位。

2）測試接口

對測試接口的要求：設備上各被檢測單元與檢測設備的電氣和結構接口應盡可能采用標準、通用的接口，減少專用接口裝置。

3．7 各階段的測試性工作

某水聲對抗功能系統(tǒng)在研制過程中的工作項目如表1所示。

表1 測試性各階段工作項目表

1）論證階段

（1）確定系統(tǒng)級診斷需求和測試性要求。根據(jù)系統(tǒng)的可用性或戰(zhàn)備完好性要求、系統(tǒng)的布置情況、初步維修方案、計劃的維修設備及器材、保障條件、安全要求以及人員配備，初步確定系統(tǒng)診斷需求和測試性要求。

（2）進行初步測試性分析，確定測試性設計要求和約束條件。

2）方案階段

（1）制定測試性工作計劃／大綱，明確設計工作任務，何時實施，如何實施，誰負責。

（2）設計測試診斷方案，確定BIT、ATE 與人工測試的恰當組合，選出最佳的系統(tǒng)測試診斷方案。

（3）測試性分配，把系統(tǒng)的測試要求指標分配到各組成單元，并列入研制規(guī)范。

（4）進行初步測試性設計，工作內容包括制定BIT 設計方案、制定并貫徹測試性設計準則、制定測試方法。

（5）進行測試性評審，方案階段的測試性評審包括測試性工作計劃／大綱和測試診斷方案評審。

3）工程研制階段

（1）完成各層次產(chǎn)品的固有測試性設計，并進行分析和評價

（2）分析設計各層次產(chǎn)品的測試方法，如優(yōu)選測試點、診斷順序、測試容差和防虛警措施等。

（3）進行BITE硬件設計和軟件設計，把測試性設計到具體產(chǎn)品中去，BITE硬件應反映到產(chǎn)品設計資料上，BITE軟件要編入相關產(chǎn)品軟件文檔中。

（4）預計系統(tǒng)的故障檢測和隔離能力。

（5）制定測試性驗證計劃，確定驗證的具體內容和方法，實施測試性驗證。

（6）測試性評審，進行系統(tǒng)測試性設計分析評審。

4）生產(chǎn)和使用階段

（1）收集生產(chǎn)和使用中的測試性有關數(shù)據(jù)。

（2）發(fā)現(xiàn)測試性方面的問題，采取必要的糾正措施。

4 結語

經(jīng)過測試性設計，有效提高了聲納系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性、任務可靠性和維修性，降低了維修人力和綜合保障資源費用。

目前，故障預測與健康管理（PHM）技術在國外已廣泛應用，工程應用及技術分析［8］表明，PHM技術可以降低維修保障費用、提高戰(zhàn)備完好率和任務成功率［9］。

隨著信號處理、計算機等技術的發(fā)展，在實現(xiàn)BIT技術，ATE 技術進行創(chuàng)新發(fā)展的同時，逐漸完善綜合診斷技術，引入PHM 技術在聲納系統(tǒng)測試性設計中的應用，引入TEAMS和eXpress等工具進行設計和驗證［10］。從而進一步提高聲納系統(tǒng)維修性和保障性，增加戰(zhàn)備完好性，降低系統(tǒng)的維修保障費用。

［1］田仲，石君友．系統(tǒng)測試性分析與驗證［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2003：13-17．

［2］趙繼承，顧宗山，吳昊，等．雷達系統(tǒng)測試性設計［J］．雷達科學與技術，2009（3）：174-179．

［3］孫啟亮，涂群章，孫敏，等．工程裝備測試性技術及應用研究［J］．機電工程技術，2010，39（12）：18-21．

［4］李奕，姬長法，聶士權．軍用飛機開展測試性設計技術的研究［J］．航空標準化與質量，2011（4）：31-34．

［5］韓國泰．改進目前測試性設計的若干建議［J］．測控技術，2003，22（11）：7-9．

［6］王厚軍．可測試性設計技術的回顧與發(fā)展綜述［J］．中國科技論文在線，2008，3（1）：52-58．

［7］韓慶田，盧洪義，楊興根．軍用裝備測試性技術發(fā)展趨勢分析［J］．儀器儀表學報，2006，27（6）：352-354．

［8］Bridgman M S．Relating failure prognostics to system benefits［C］／／Aerospace Conference Proceedings 2002 IEEE［C］．2002，7：3521-3526．

［9］曾聲奎，Pecht M G，吳際．故障預測與健康管理（PHM）技術的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］．航空學報，2005，26（5）：626-632．

［10］楊冬健，王紅，劉金甫．航空設備的測試性設計和驗證技術概述［J］．測控技術，2001，20（8）：1-5．