內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：本文介紹了內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對該技術(shù)研究在武器系統(tǒng)研制中的作用和意義進(jìn)行了論述。同時以飛航導(dǎo)彈為應(yīng)用背景給出了內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)應(yīng)用研究的基本技術(shù)途徑。
關(guān)鍵詞：內(nèi)裝測試； 故障診斷

　　1 引言
　　當(dāng)前，為了在局部戰(zhàn)爭中有效地避免敵方精確制導(dǎo)武器對我方武器系統(tǒng)布防的打擊，軍隊(duì)對武器系統(tǒng)機(jī)動性的要求越來越高，而龐大的武器地面支援系統(tǒng)則是制約和影響武器系統(tǒng)機(jī)動性提高的主要因素之一。隨著使用部隊(duì)對武器系統(tǒng)可靠性和可用性的提高，作為武器系統(tǒng)重要地面支援系統(tǒng)之一的地面測試系統(tǒng)則變得越來越復(fù)雜。為了縮減地面測試系統(tǒng)的體積和重量，近年來相關(guān)的工程技術(shù)人員做了大量的工作。但是要從根本上解決武器地面測試系統(tǒng)功能的完備性和武器系統(tǒng)機(jī)動性的矛盾，必須從改變現(xiàn)行的武器系統(tǒng)地面測試體制入手。
　　隨著武器系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，內(nèi)裝測試（BIT）已成為改善武器系統(tǒng)診斷能力的一種重要途徑，為了提高武器系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性，內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)必須得到充分的重視。通過內(nèi)裝測試自動檢測和隔離故障，使系統(tǒng)或設(shè)備的MTTR顯著減小，提高系統(tǒng)的可用性；通過內(nèi)裝測試減少維修人員的數(shù)量、降低對維修人員技術(shù)水平的要求，進(jìn)而降低使用和保障費(fèi)用。

　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
　　2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
　　內(nèi)裝測試（BIT, built-in-test）是20世紀(jì)70年代在軍用測試領(lǐng)域提出的全新的技術(shù)概念，其目的在于改善裝備的維修性、測試性和自診斷能力，同時也使武器系統(tǒng)的機(jī)動性和保障性得到很大改善。1983年，美國國防部頒發(fā)的MIL-STD-470A《系統(tǒng)及設(shè)備維修性管理大綱》強(qiáng)調(diào)測試性是維修性大綱的一個重要組成部分，承認(rèn)BIT及外部測試不僅對維修性設(shè)計(jì)特性產(chǎn)生重大的影響，而且影響到武器系統(tǒng)的采購及壽命周期費(fèi)用。為了推進(jìn)內(nèi)裝測試和自診斷技術(shù)的發(fā)展，二十世紀(jì)80年代初美國羅姆航空發(fā)展中心（RADC）提出了利用人工智能（AI）技術(shù)來提高內(nèi)裝測試效能的“靈巧BIT”（smart BIT）概念，它經(jīng)過后來的發(fā)展成為了智能BIT。智能BIT的核心就是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)、分系統(tǒng)和模塊的內(nèi)裝功能測試中，從而改善系統(tǒng)的自我診斷能力、降低虛警率、提高故障隔離度。二十世紀(jì)90年代中，測試領(lǐng)域又推出了分級集成BIT（HIBIT—— hierarchical and integrated BIT）技術(shù)。這是一種新型的系統(tǒng)級的測試設(shè)計(jì)技術(shù)，或稱為第四代測試設(shè)計(jì)技術(shù)。它可以說是邊緣掃描技術(shù)（BST）的一種延伸，在功能板級HIBIT利用IEEE 1149.1邊緣掃描技術(shù)進(jìn)行測試，而系統(tǒng)和分系統(tǒng)級的測試則通過IEEE 1149.5 測試與維修總線（test and maintenance bus）來進(jìn)行。
　　在未來十年內(nèi)，預(yù)計(jì)內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)將向兩方面發(fā)展。一方面，利用邊緣掃描技術(shù)和器件使測試更為深入，提取更多的系統(tǒng)信息；另一方面，內(nèi)裝測試將與專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)更為緊密的結(jié)合，使系統(tǒng)的自診斷能力和自恢復(fù)能力大大提高。
　　2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
　　二十世紀(jì)70年代以來，以航天航空等國防工業(yè)領(lǐng)域?yàn)榇?，國?nèi)在內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)方面，主要處于技術(shù)跟蹤和理論研究階段。進(jìn)入90年代，導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)等飛行器的測試系統(tǒng)研制開發(fā)基本上都是圍繞著VXI總線來進(jìn)行。同時，在一些武器系統(tǒng)內(nèi)部也出現(xiàn)了以自檢功能為表現(xiàn)形式的內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的雛形。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在武器裝備中應(yīng)用的不斷廣泛和深入，我國武器裝備的內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)也有了很大進(jìn)步。以飛航導(dǎo)彈為例，在早期型號導(dǎo)彈的射前檢查功能中嵌入了分系統(tǒng)的自檢程序（如雷達(dá)的自檢程序、舵機(jī)零位檢測等）。在新一代飛航導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中，較為復(fù)雜的分系統(tǒng)基本上都采用了計(jì)算機(jī)單元，綜合控制計(jì)算機(jī)已成為武器系統(tǒng)的核心，這就給內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。近年來，在幾個在研新型號中，以電子器件為主的分系統(tǒng)大都設(shè)計(jì)了自測試功能，而彈上綜合計(jì)算機(jī)則通過收集各分系統(tǒng)的自檢信息，來初步判斷分系統(tǒng)是否正常。這應(yīng)該說是內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的初級應(yīng)用。

　　3 應(yīng)用背景分析
　　通過對內(nèi)裝測試及自診斷技術(shù)的跟蹤和研究，我們選擇了以某飛航導(dǎo)彈為背景開展該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究。在現(xiàn)階段研制及交付的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，技術(shù)準(zhǔn)備測試需要將彈上所有被測信號引到地面來檢測，這就要求在彈體上開多個口蓋，同時還需連接眾多的測試電纜。這就使地面測試設(shè)備變得龐大、復(fù)雜，同時延長了導(dǎo)彈測試前的準(zhǔn)備工作時間，難以滿足部隊(duì)對武器裝備快速響應(yīng)的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化已經(jīng)是電子設(shè)備研制的方向，在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中也是這樣。彈上設(shè)備數(shù)字化以后，使得利用彈上計(jì)算機(jī)和相關(guān)信息接口來收集彈上設(shè)備的工作信息成為可能。這樣既可以簡化測試設(shè)備及其與導(dǎo)彈的連接關(guān)系，同時又為實(shí)現(xiàn)內(nèi)裝測試及自診斷創(chuàng)造了條件。

　　4 系統(tǒng)工作原理
　　內(nèi)裝測試及自診斷系統(tǒng)包括被測對象激勵、信息采集、故障診斷和彈地通訊輸出四部分，其系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。被測對象激勵包括地面供電及測試啟動設(shè)備和彈上綜控機(jī)測試分支，這兩部分將完成被測對象供電、啟動測試流程和按預(yù)定程序給被測對象施加激勵的任務(wù)；信息采集部分單獨(dú)設(shè)計(jì)，它與研制階段被測對象的遙測信息接口相連，在測試全程采集并存儲被測對象的工作狀態(tài)和參數(shù)；故障診斷部分主要包括知識庫、故障特征提取算法和推理機(jī)，是純軟件形式；因此，診斷單元也可以置于地面計(jì)算集中。

圖1 被測對象組成示意圖

　　彈地通訊則是被測對象與地面計(jì)算機(jī)之間相互傳遞信息的橋梁。

　　5 技術(shù)研究途徑
　　在具體對象上實(shí)現(xiàn)內(nèi)裝測試及自診斷，包括內(nèi)裝測試設(shè)備研制和自診斷方法研究及實(shí)現(xiàn)兩大部份。其中內(nèi)裝測試主要有兩個方面內(nèi)容：一是在被測對象內(nèi)安裝測試裝置，從而在少用或不用外圍測試設(shè)備的情況下，完成導(dǎo)彈的性能測試；另一方面是在被測對象的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，對各部件進(jìn)行自檢功能設(shè)計(jì)，使各部件具有自檢測試功能，在全系統(tǒng)測試時，綜合各部件自檢功能完成測試和信息采集；而自診斷技術(shù)則包含了故障特征提取、知識庫建立和推理機(jī)算法實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。具體實(shí)現(xiàn)時，我們首先將內(nèi)裝測試設(shè)備采集的信息通過通訊接口發(fā)送到地面的計(jì)算機(jī)，同時自診斷算法也在地面的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。待兩方面技術(shù)成熟后，再將測試設(shè)備和診斷軟件全部內(nèi)裝。
　　在內(nèi)裝測試應(yīng)用研究的具體實(shí)施時，我們主要以背景型號上的綜合控制計(jì)算為激勵控制設(shè)備，充分利用并完善被測對象的測試分支流程和原遙測信息接口，從而研制出在型號上使用的內(nèi)裝測試系統(tǒng)平臺。具體實(shí)現(xiàn)時，我們在導(dǎo)彈上設(shè)計(jì)了一套小型化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用導(dǎo)彈的原遙測接口，將需要檢測的信號在彈上采集、編碼。采集信號包括彈上計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號，彈上設(shè)備的模擬量信號，開關(guān)量信號等。將這些采集的信號統(tǒng)一編碼，以PCM數(shù)據(jù)流的形式發(fā)送到地面。這樣彈地之間只要利用一根火控系統(tǒng)電纜即可完成對導(dǎo)彈的控制、激勵、測試及數(shù)據(jù)采集。可大大簡化導(dǎo)彈測試的準(zhǔn)備工作，縮短導(dǎo)彈的準(zhǔn)備時間。同時在彈上加裝遙測發(fā)射機(jī)的情況下，PCM數(shù)據(jù)流也可以直接送入發(fā)射機(jī)，因此不會影響導(dǎo)彈的遙測功能。
　　在故障自診斷技術(shù)研究方面，我們的工作分為以下幾個方面：首先，在常規(guī)測試中，大量收集相關(guān)導(dǎo)彈型號測試中故障狀態(tài)的信息和定位方法。并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類加工，提取故障模式和識別方法，建立較完善的故障信息庫和故障字典；然后結(jié)合故障診斷課題，研究適合武器裝備故障診斷的專家系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)實(shí)用的內(nèi)裝故障診斷軟件平臺和信息輸入接口硬件；同時設(shè)計(jì)適合內(nèi)裝的小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用其完成內(nèi)裝測試進(jìn)程管理、測試結(jié)果判斷和診斷輸入信息整理，該計(jì)算機(jī)也作為內(nèi)裝故障診斷軟件的硬件環(huán)境。
　　另外，在國內(nèi)邊緣掃描技術(shù)研究和邊緣掃描芯片制造實(shí)用化后，我們還將在上述內(nèi)裝測試及自診斷軟/硬件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以邊緣掃描芯片為測試和診斷單元的內(nèi)裝測試及自診斷系統(tǒng)。

　　6 關(guān)鍵技術(shù)
　　由于被測對象體積和重量的限制，內(nèi)裝測試和自診斷技術(shù)必須解決設(shè)備小型化的關(guān)鍵技術(shù)；其中包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)小型化、多通道高精度A/D和D/A變換器小型化和通訊接口小型化等。同時，為了實(shí)現(xiàn)完全意義上的內(nèi)裝測試和自診斷，必須解決內(nèi)裝激勵方法研究和內(nèi)裝激勵設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)；此外，為了解決傳統(tǒng)內(nèi)裝測試存在的故障不可復(fù)現(xiàn)、不能識別間歇故障等問題，必須解決大容量小型化內(nèi)裝存儲設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)；為了完成內(nèi)裝自診斷技術(shù)研究，必須解決故障知識庫和故障字典建立的關(guān)鍵技術(shù)。

　　7 應(yīng)用前景分析
　　該應(yīng)用技術(shù)中，內(nèi)裝測試系統(tǒng)是建立在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上的，PCM解調(diào)板也是成熟產(chǎn)品，設(shè)備的構(gòu)成較容易實(shí)現(xiàn)。難點(diǎn)在于對于在正式裝備的導(dǎo)彈上沒有提供設(shè)備現(xiàn)成的安裝空間。這就要求對原有的遙測系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行小型化和功能集成，外型及安裝尺寸要適應(yīng)彈上安裝條件。現(xiàn)在元器件的集成度大大提高，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、集成化設(shè)計(jì)已成為可能。導(dǎo)彈上增加內(nèi)裝測試設(shè)備并輔以自診斷軟件后，在不影響導(dǎo)彈原戰(zhàn)技指標(biāo)的情況下，導(dǎo)彈的測試性和使用方便性大大提高，所以應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊