大型设备测试性技术研究现状分析

张琦，丁剑，贾爱梅

（1.解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京210007;2.钟山职业技术学院，江苏南京210049;3.中国人民解放军93508部队，北京100075;4.中国电子科技集团第28研究所，江苏南京 210093）

大型设备技术复杂，由于设备故障可能产生较为严重的后果，因此对其实时状态监测、故障检测及诊断水平提出了更高的要求，其测试性逐渐得到重视，测试性设计已经成为大型设备设计中的重要内容之一。特别是一些安全性、危险性高的设备，如核电设备、海洋设备、航空航天设备、高速铁路装备等，必须设计有相应齐备的测试性能，以满足其安全性和可靠性要求。

本文针对大型设备的机内测试设计研究概况，就其测试性设计的基本概念、一般要求、发展历史与智能机内测试技术的研究热点进行介绍，供相关研究时参考。

1 测试性的基本概念

测试性是产品或设备可以及时准确确定其状态（可工作、不可工作或性能降低）并隔离其内部故障的一种设计特性，是设计时赋予产品或设备的一种固有属性［1－8］。测试性是从设计角度研究与故障斗争的理论和方法，是一种设计理念，是为了更好地实现设备的故障诊断和隔离、提高维修性、缩短检修时间、提高设备可靠性的一种设计特性［2］。

测试性的内涵包括机内测试（built in test，BIT）、自动测试和手动测试等手段，具体的说有以下几个目标:设计良好的BIT，提高系统的可靠性和安全性;通过迅速检测和隔离故障，提高系统的可靠性;通过BIT、自动测试设备和其他兼容性设计，降低保障系统的复杂性，减少保障费用，从而达到降低全寿命周期费用的目的［4］。从1975年由F.Liour等人最先在《设备自动测试性设计》一文中提出测试性的概念到如今，测试性已经有了长足的发展，成为了一门与维修性、可靠性并列的学科。

BIT是指设备内部提供的检测和隔离故障的能力，代表了一种新的“可测试性设计”概念［8］。它要求在设备设计的开始就同时进行其测试性设计。机内测试通过良好的结构化和层次性设计，对测试单元、可置换组件和系统等各级故障实现故障检测与隔离自动化，降低了维修的难度，同时可降低产品全寿命周期费用。

具有机内测试功能的设备能够依靠自身的电路和程序，对自身的状态进行检测和监控，并对故障进行检测和隔离。具有这种功能的设备叫做机内测试设备（built－in－test－equipment，BITE）。BIT在国内的翻译还有机内自检测、机内自测试、机内自检等［6］［9］。

2 BIT设计的一般要求

2.1 BIT通用设计准则

设备的BIT设计必须满足如下原则［17］:1）BIT必须监控设备的关键功能;2）BIT容差的设定应保证达到故障检测率最大而虚警率最小的目的;3）BIT的可靠性应比所监测系统或设备的可靠性高一个数量级;4）设备中的所有单元的诊断测试应能对单元的可操作性进行评估，并将故障隔离到可更换单元;5）所有自测程序应与功能部件程序分开存储。

2.2 BIT的测试要求和确定技术指标

图1 软硬件研制步骤

a）BIT的测试要求

对被监控系统或设备的测试要求分析，通常应有相应的规范，规定分析的内容和步骤，可按如下顺序进行并制成相应的表格与文件［13］［14］:1）熟悉被监控对象的原理和功能;2）将被监控对象分块;3）掌握对被监控对象的性能要求;4）确定测试项目;5）进行故障模式与故障诊断分析，对于需要有BIT测试的分块，要进一步分析其可能发生的故障模式及其对整个系统的影响;6）提出测试要求。

b）确定技术指标

技术指标应按测试要求分析的结果和对BIT的测试要求来确定。提出技术指标时应注意以下几点［13］［15］:1）技术指标必须有明确的含义;2）规定的指标应该合理;3）不同系统使用的BIT的技术指标应该相互协调;4）根据需要提出使用要求。

常用的测试性指标有故障检测率（FDR）、故障隔离率（FIR）、虚警率（FAR）、平均故障检测时间（MFDT）和BIT的可靠性与维修性等。

c）软硬件划分

BIT设计的一个重要方面是划分硬件和软件功能。有些功能，既可由硬件完成，也可用软件完成，例如延时、故障特征形成、部分数据采集和处理功能等［16］。一般来说，对于BIT，首先要满足连续实时监控要求，并尽可能由软件完成较多的功能。BIT软硬件研制步骤如图1所示。

3 BIT技术的发展历史

国外对于测试性技术的研究始于20世纪60年代，于70年代受到重视并得到迅速发展。70年代以后，美国颁布了一系列有关测试性方面的军用标准，极大地推动了测试性技术应用于军事装备当中，使得测试性技术有了长足的发展，特别是 MIL－STD －471A 通告Ⅱ［17］——《设备或系统的机内测试、外部测试、故障隔离和可测试性特性要求的验证及评价》、MIL－STD－470A——《系统及设备维修性管理大纲》［18］、MIL － STD －2165——《电子系统及设备的可测试性大纲》等标准规范。其中，1985年颁布的《电子系统及设备的可测试性大纲》规定了可测试性管理、分析、设计和验证的要求和实施方法，是可测试性从维修性分离出来，作为一门独立新学科确立的标志。此外，美国还设立了专门机构，即美国国防部联合司令部自动测试专业委员会下属的测试性技术协调组，来负责国防系统测试性研究计划的组织、协调及实施［19］。到目前为止，国外测试性技术已经获得了长足的发展，日趋成熟，逐步应用于武器装备、工程机械、大飞机、汽车工业等诸多领域。

我国的测试性研究从20世纪80年代开始，测试性技术的研究逐渐受到重视，相继于1990年颁布了HB6437——《电子系统和设备的可测试性大纲》、于1995年颁布了GJB2547－95——《装备测试性大纲》、于1997年颁布了HB7503——《测试性预计程序》、于1998年颁布了 GJB3385－98——《测试与诊断术语》［20］。从测试性设计论证、方案、实施、验证和术语等各个方面对测试性技术进行规范指导，对我国测试性技术的发展起到了极大的推动作用，但其主要内容都是针对电子类设备的，具有很大局限性。

当前国内对BIT技术的研究工作主要由相关的研究所承担，各单位在各自的研究领域都积累了相当多的经验，如国防科技大学承担了有关智能BIT的国防预研课题;航空611研究所承担了“BIT技术在非电子系统和设备上的应用研究”等［6］［9］。总体来看，我国的 BIT理论、技术和应用水平大致处于国外20世纪90年代的水平［6］。

从国内近些年的研究现状看，测试性技术的研究虽然受到充分重视，但由于缺乏充足的理论研究基础，测试性设计目前主要依据可靠性、维修性的设计经验，对设备无法进行系统的测试性设计，制约了测试性技术的进一步发展。因此，深入研究测试性设计理论，规范测试性设计的程序和方法，并开展具体设备的测试性设计，对提高我国测试性设计水平具有十分重要的意义。

4 智能BIT技术的研究现状

BIT技术最早开始产生于航空电子领域，随着传感器技术、信号采集处理技术、计算机技术和微电子技术的发展，使得在机械、电子、液压、光电等复杂机电设备中实现BIT 成为可能［6］［10］［11］。

近年，随着航天、核电、海洋等大型设备的发展，测试性技术发展十分迅速，为BIT技术的发展提供了新的研究领域，其中最为显著的发展之一是智能BIT出现。

智能BIT是指采用AI（artificial intelligence）及相关技术将环境应力数据、BIT输出信息、BIT系统历史数据、被测单元输入/输出、设备维修记录等多方面信息综合在一起，并经过一定的推理、分析、筛选过程，得出关于被测单元状态更准确的结论，从而增强 BIT的故障诊断能力［6，11，21］。其主要研究内容如图 2 所示。

图2 智能BIT的主要研究内容

4.1 专家系统在BIT中的应用

BIT专家系统应用的目的是丰富知识库以及知识的表达、知识的搜索与推理，这些都是目前研究的热点。BIT系统通用的故障诊断专家系统的结构如图3所示。

图3 BIT诊断专家系统结构

4.2 人工神经网络在BIT中的应用

BIT中的设计、诊断、维修专家系统都能利用人工神经网络进行知识的存储，特别是BIT诊断专家系统中人工神经网络的知识获取、存储、推理具有很好的交融性。

图4是一种被称作灵巧BIT－2的系统，主要包含时间应力测量装置（TSMD）、系统级故障相关器、瞬态监测器、K最近邻算法、BP神经网络技术。

图4 灵巧BIT－2系统总体结构

4.3 信息融合技术在BIT中的应用

信息融合的基本原理是充分利用多个传感器信息资源，把它们的互补信息依据某种准则来进行组合以获取被测对象的状态信息，获得比单个系统更加优越的性能。基于信息融合的BIT智能故障诊断系统结构如图5所示。

图5 基于信息融合的BIT智能故障诊断系统

4.4 BIT中的新技术应用

随着BIT技术的不断向前发展，近几年来涌现出许多新技术，主要包括故障预测和健康管理（prognostics health management，PHM）技术、综合运载器健康管理（intergrated vehicle health management，IVHM）、基于信标的多任务异常分析（BEAM）等。

1）故障预测与健康管理技术代表了一种方法的转变，其原理是:预见性诊断部件或系统完成其功能的状态，然后根据预测诊断信息、可用资源和使用需求对维修活动做出适当决策。PHM重点是利用先进的传感器的集成，并借助各种算法和智能模型来预测、监控和管理设备或系统的状态［23－25］。该技术被应用于美国F－35战斗机上。

2）综合运载器健康管理目的是为运载器操作员及任务执行者提供信息和辅助决策，由智能检测、系统级评估、控制和管理功能所构成［26，27］。其信息层次分为六层，如图6所示。

图6 IVHM系统信息层

3）基于信标的多任务异常分析是美国NASA喷气推进实验室近几年开发的一种新技术，是一种端对端的数据分析方法，用于实时或离线故障检测和特征描述。BEAM利用嵌入式计算机中运行的软件，可以为任一复杂系统提供实时自主式诊断和预测，是一种基于事件的机上健康评估和状态总体评价方法［28］。简而言之，BEAM是以数据输入、以报告故障状态为输出的软件，由模块化部件构成。其顶层体系结构如图7所示。

图7 BEAM顶层体系结构

其他如自适应免疫遗传算法［29］等智能理论与技术、多目标优化等各种优化技术［30］［31］均得到应用性研究。

5 结语

由于科学技术的进步，在提高系统和设备性能的同时，也增加了系统的复杂性。这必然引起测试时间长、故障诊断困难和使用保障费用高等问题，也为测试性的需求提出了实际要求。

BIT技术是测试性设计的重要组成部分，其在很大程度上决定了设备的测试性水平。其对于设备的影响主要表现在以下三个方面［4］:

1）对系统或设备维修性的影响。BIT可以自动检测和隔离故障，记录故障信息，为外部测试设备提供方便的接口，提高了故障检测能力，缩短了故障修复时间。

2）对系统或设备可靠性的影响。BIT在系统或设备中的加入，增加了系统的复杂性，降低了系统的基本可靠性，但它可以及时发现故障，实时监测系统状态，从而提高了系统的任务可靠性。

3）对全寿命周期费用的影响。由于BIT的加入提高了系统的维修性能和可靠性，因此大大减少了后期的维修保障费用。

由此可见，随着大型设备的研究、极端装备的使用，测试性技术在这些设备中将有着起来越大的作用，必将进一步推动测试性技术的研究和发展。

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