內裝測試及自診斷技術的應用研究

摘要：本文介紹了內裝測試及自診斷技術的國內外現狀和發展趨勢，對該技術研究在武器系統研制中的作用和意義進行了論述。同時以飛航導彈為應用背景給出了內裝測試及自診斷技術應用研究的基本技術途徑。
關鍵詞：內裝測試； 故障診斷

　　1 引言
　　當前，為了在局部戰爭中有效地避免敵方精確制導武器對我方武器系統布防的打擊，軍隊對武器系統機動性的要求越來越高，而龐大的武器地面支援系統則是制約和影響武器系統機動性提高的主要因素之一。隨著使用部隊對武器系統可靠性和可用性的提高，作為武器系統重要地面支援系統之一的地面測試系統則變得越來越復雜。為了縮減地面測試系統的體積和重量，近年來相關的工程技術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功能的完備性和武器系統機動性的矛盾，必須從改變現行的武器系統地面測試體制入手。
　　隨著武器系統復雜性的提高，內裝測試（BIT）已成為改善武器系統診斷能力的一種重要途徑，為了提高武器系統戰備完好性，內裝測試及自診斷技術必須得到充分的重視。通過內裝測試自動檢測和隔離故障，使系統或設備的MTTR顯著減小，提高系統的可用性；通過內裝測試減少維修人員的數量、降低對維修人員技術水平的要求，進而降低使用和保障費用。

　　2 國內外研究現狀及發展趨勢
　　2.1 國外研究現狀及發展趨勢
　　內裝測試（BIT, built-in-test）是20世紀70年代在軍用測試領域提出的全新的技術概念，其目的在于改善裝備的維修性、測試性和自診斷能力，同時也使武器系統的機動性和保障性得到很大改善。1983年，美國國防部頒發的MIL-STD-470A《系統及設備維修性管理大綱》強調測試性是維修性大綱的一個重要組成部分，承認BIT及外部測試不僅對維修性設計特性產生重大的影響，而且影響到武器系統的采購及壽命周期費用。為了推進內裝測試和自診斷技術的發展，二十世紀80年代初美國羅姆航空發展中心（RADC）提出了利用人工智能（AI）技術來提高內裝測試效能的“靈巧BIT”（smart BIT）概念，它經過后來的發展成為了智能BIT。智能BIT的核心就是將人工智能技術應用于系統、分系統和模塊的內裝功能測試中，從而改善系統的自我診斷能力、降低虛警率、提高故障隔離度。二十世紀90年代中，測試領域又推出了分級集成BIT（HIBIT—— hierarchical and integrated BIT）技術。這是一種新型的系統級的測試設計技術，或稱為第四代測試設計技術。它可以說是邊緣掃描技術（BST）的一種延伸，在功能板級HIBIT利用IEEE 1149.1邊緣掃描技術進行測試，而系統和分系統級的測試則通過IEEE 1149.5 測試與維修總線（test and maintenance bus）來進行。
　　在未來十年內，預計內裝測試及自診斷技術將向兩方面發展。一方面，利用邊緣掃描技術和器件使測試更為深入，提取更多的系統信息；另一方面，內裝測試將與專家系統和神經網絡等人工智能技術更為緊密的結合，使系統的自診斷能力和自恢復能力大大提高。
　　2.2 國內研究現狀及發展趨勢
　　二十世紀70年代以來，以航天航空等國防工業領域為代表，國內在內裝測試及自診斷技術方面，主要處于技術跟蹤和理論研究階段。進入90年代，導彈、衛星、飛機等飛行器的測試系統研制開發基本上都是圍繞著VXI總線來進行。同時，在一些武器系統內部也出現了以自檢功能為表現形式的內裝測試及自診斷技術的雛形。隨著計算機技術在武器裝備中應用的不斷廣泛和深入，我國武器裝備的內裝測試及自診斷技術也有了很大進步。以飛航導彈為例，在早期型號導彈的射前檢查功能中嵌入了分系統的自檢程序（如雷達的自檢程序、舵機零位檢測等）。在新一代飛航導彈設計中，較為復雜的分系統基本上都采用了計算機單元，綜合控制計算機已成為武器系統的核心，這就給內裝測試及自診斷技術的應用創造了良好的條件。近年來，在幾個在研新型號中，以電子器件為主的分系統大都設計了自測試功能，而彈上綜合計算機則通過收集各分系統的自檢信息，來初步判斷分系統是否正常。這應該說是內裝測試及自診斷技術的初級應用。

　　3 應用背景分析
　　通過對內裝測試及自診斷技術的跟蹤和研究，我們選擇了以某飛航導彈為背景開展該項技術的應用研究。在現階段研制及交付的導彈武器系統中，技術準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。這就使地面測試設備變得龐大、復雜，同時延長了導彈測試前的準備工作時間，難以滿足部隊對武器裝備快速響應的要求。隨著計算機技術的廣泛應用，數字化已經是電子設備研制的方向，在導彈武器系統中也是這樣。彈上設備數字化以后，使得利用彈上計算機和相關信息接口來收集彈上設備的工作信息成為可能。這樣既可以簡化測試設備及其與導彈的連接關系，同時又為實現內裝測試及自診斷創造了條件。

　　4 系統工作原理
　　內裝測試及自診斷系統包括被測對象激勵、信息采集、故障診斷和彈地通訊輸出四部分，其系統連接關系如圖1所示。被測對象激勵包括地面供電及測試啟動設備和彈上綜控機測試分支，這兩部分將完成被測對象供電、啟動測試流程和按預定程序給被測對象施加激勵的任務；信息采集部分單獨設計，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和參數；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，是純軟件形式；因此，診斷單元也可以置于地面計算集中。

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算機之間相互傳遞信息的橋梁。

　　5 技術研究途徑
　　在具體對象上實現內裝測試及自診斷，包括內裝測試設備研制和自診斷方法研究及實現兩大部份。其中內裝測試主要有兩個方面內容：一是在被測對象內安裝測試裝置，從而在少用或不用外圍測試設備的情況下，完成導彈的性能測試；另一方面是在被測對象的系統設計時，對各部件進行自檢功能設計，使各部件具有自檢測試功能，在全系統測試時，綜合各部件自檢功能完成測試和信息采集；而自診斷技術則包含了故障特征提取、知識庫建立和推理機算法實現等內容。具體實現時，我們首先將內裝測試設備采集的信息通過通訊接口發送到地面的計算機，同時自診斷算法也在地面的計算機上實現。待兩方面技術成熟后，再將測試設備和診斷軟件全部內裝。
　　在內裝測試應用研究的具體實施時，我們主要以背景型號上的綜合控制計算為激勵控制設備，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裝測試系統平臺。具體實現時，我們在導彈上設計了一套小型化的數據采集設備，利用導彈的原遙測接口，將需要檢測的信號在彈上采集、編碼。采集信號包括彈上計算機輸出的數字信號，彈上設備的模擬量信號，開關量信號等。將這些采集的信號統一編碼，以PCM數據流的形式發送到地面。這樣彈地之間只要利用一根火控系統電纜即可完成對導彈的控制、激勵、測試及數據采集。可大大簡化導彈測試的準備工作，縮短導彈的準備時間。同時在彈上加裝遙測發射機的情況下，PCM數據流也可以直接送入發射機，因此不會影響導彈的遙測功能。
　　在故障自診斷技術研究方面，我們的工作分為以下幾個方面：首先，在常規測試中，大量收集相關導彈型號測試中故障狀態的信息和定位方法。并對數據進行分類加工，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；然后結合故障診斷課題，研究適合武器裝備故障診斷的專家系統及其開發環境，設計實用的內裝故障診斷軟件平臺和信息輸入接口硬件；同時設計適合內裝的小型計算機系統，利用其完成內裝測試進程管理、測試結果判斷和診斷輸入信息整理，該計算機也作為內裝故障診斷軟件的硬件環境。
　　另外，在國內邊緣掃描技術研究和邊緣掃描芯片制造實用化后，我們還將在上述內裝測試及自診斷軟/硬件的基礎上，設計以邊緣掃描芯片為測試和診斷單元的內裝測試及自診斷系統。

　　6 關鍵技術
　　由于被測對象體積和重量的限制，內裝測試和自診斷技術必須解決設備小型化的關鍵技術；其中包括計算機系統小型化、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，為了實現完全意義上的內裝測試和自診斷，必須解決內裝激勵方法研究和內裝激勵設備設計的關鍵技術；此外，為了解決傳統內裝測試存在的故障不可復現、不能識別間歇故障等問題，必須解決大容量小型化內裝存儲設備設計的關鍵技術；為了完成內裝自診斷技術研究，必須解決故障知識庫和故障字典建立的關鍵技術。

　　7 應用前景分析
　　該應用技術中，內裝測試系統是建立在成熟技術的基礎上的，PCM解調板也是成熟產品，設備的構成較容易實現。難點在于對于在正式裝備的導彈上沒有提供設備現成的安裝空間。這就要求對原有的遙測系統設備進行小型化和功能集成，外型及安裝尺寸要適應彈上安裝條件。現在元器件的集成度大大提高，實現設備的小型化、集成化設計已成為可能。導彈上增加內裝測試設備并輔以自診斷軟件后，在不影響導彈原戰技指標的情況下，導彈的測試性和使用方便性大大提高，所以應用前景相當廣闊