面向綜合診斷的電子裝備測(cè)試性研究綜述

馬 云，劉東風(fēng)，2

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033;2.91663部隊(duì)，山東青島 266012)

面向綜合診斷的電子裝備測(cè)試性研究綜述

馬 云1，劉東風(fēng)1，2

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033;2.91663部隊(duì)，山東青島 266012)

電子裝備的故障診斷尤其是綜合診斷越來越依賴于測(cè)試性設(shè)計(jì)，且測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析是裝備實(shí)現(xiàn)綜合診斷的前提與基礎(chǔ)，測(cè)試性設(shè)計(jì)優(yōu)良的裝備更易實(shí)現(xiàn)綜合診斷。針對(duì)近年來測(cè)試性研究蓬勃發(fā)展，但綜述性文獻(xiàn)并不多見的現(xiàn)象，主要從測(cè)試性需求分析、指標(biāo)分配、測(cè)試性建模、測(cè)試性方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估、故障診斷策略這6個(gè)方面對(duì)國內(nèi)外測(cè)試性研究的現(xiàn)狀與發(fā)展進(jìn)行了闡述與探討。希望能改善此類綜述性文獻(xiàn)較匱乏的現(xiàn)狀，并給測(cè)試性設(shè)計(jì)從業(yè)者及故障維修人員以有益的啟示。

電子裝備;測(cè)試性;綜合診斷

測(cè)試性是裝備“五性”(可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性)之一，可見其重要性。測(cè)試性設(shè)計(jì)優(yōu)良的裝備能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)故障并隔離故障，保證裝備任務(wù)的順利完成，節(jié)省維修人力、物力，具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并有利于裝備綜合診斷的開展。綜合診斷不是指綜合運(yùn)用各種手段對(duì)某一故障現(xiàn)象進(jìn)行診斷，而是指綜合考慮系統(tǒng)需求，例如任務(wù)需求、功能結(jié)構(gòu)需求、可靠性、維修保障性等要求去選擇合適的測(cè)試方式，經(jīng)濟(jì)快速的診斷故障，以求診斷耗時(shí)最少、診斷費(fèi)用最低，從而使得裝備全壽命周期費(fèi)用最低。由此可見，綜合診斷是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。它一方面強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)特性，例如在裝備的設(shè)計(jì)階段需要在機(jī)內(nèi)測(cè)試與其他測(cè)試方式之間做出選擇，另一方面又強(qiáng)調(diào)裝備的管理過程，在裝備使用過程中根據(jù)使命任務(wù)、維修級(jí)別 (大修、中修、小修)、各保障級(jí)別 (艦員級(jí)、基層級(jí)、基地級(jí))等的不同，快速做出滿足使用、維修要求的測(cè)試選擇，從上到下形成一個(gè)高效的維修管理系統(tǒng)。只有測(cè)試性設(shè)計(jì)性能好的裝備才會(huì)有利于這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，最大程度地減少維修時(shí)間、費(fèi)用，因此測(cè)試性設(shè)計(jì)是綜合診斷的前提和基礎(chǔ)。

面向綜合診斷的測(cè)試性設(shè)計(jì)與管理對(duì)電子裝備尤為重要，因?yàn)闇y(cè)試性設(shè)計(jì)不理想的電子裝備，在以后的故障診斷過程中，很難像診斷機(jī)械裝備的故障那樣采用振動(dòng)傳感器、紅外傳感器等外部輔助儀器，更不能對(duì)各電纜、電路、元器件隨意斷開、拆裝，所以在給電子裝備進(jìn)行測(cè)試性設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮給后續(xù)的維修診斷工作提供必要的條件。電子裝備的集成化、復(fù)雜化程度高，人工對(duì)其性能檢測(cè)、故障隔離耗時(shí)多，會(huì)對(duì)裝備能否迅速投入作戰(zhàn)狀態(tài)帶來影響，機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù) (BIT)可以快速檢測(cè)/隔離故障，但是研發(fā)BIT的軟/硬件會(huì)增加裝備工程研制階段的費(fèi)用，增加BIT功能也會(huì)給電子裝備帶來結(jié)構(gòu)性能、重量體積等方面的變化，這些都要符合裝備的設(shè)計(jì)要求，所以綜合考慮測(cè)試性需求是很有必要的，其次是要確定系統(tǒng)的測(cè)試性指標(biāo)，然后把總測(cè)試性指標(biāo)分配給下級(jí)各單元，根據(jù)不同任務(wù)需求確定診斷方案，優(yōu)化測(cè)試資源配置，選擇故障檢測(cè)點(diǎn)、隔離點(diǎn)，優(yōu)化測(cè)試順序，評(píng)估測(cè)試性設(shè)計(jì)以便及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)，最后根據(jù)任務(wù)要求制定診斷策略。

1 測(cè)試性設(shè)計(jì)各步驟的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 測(cè)試性需求分析

測(cè)試性需求的確定主要是根據(jù)裝備的自身特性，參照老裝備、類似裝備，權(quán)衡使用方的要求和承制方的水平，依據(jù)裝備的可用度、可靠度、保障要求、任務(wù)成功率等來分析并確定測(cè)試性指標(biāo)。對(duì)于電子裝備來說，有隨時(shí)投入任務(wù)的可能性，充分考慮裝備的可用度，確保任務(wù)成功率尤為重要。測(cè)試性需求分析常見方法有類比法、參數(shù)權(quán)衡分析法。蘇永定等［1］基于離散petri網(wǎng)建立各任務(wù)階段測(cè)試性需求子模型，并將統(tǒng)一建模語言 (UML)應(yīng)用于測(cè)試性需求的建模，便于信息的交互使用，并進(jìn)一步將UML與廣義petri網(wǎng)相結(jié)合進(jìn)行建模，取得了不錯(cuò)的效果。

測(cè)試性需求分析是測(cè)試性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義，決定著測(cè)試性設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。測(cè)試性需求分析本身就是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在進(jìn)行分析時(shí)一定要?jiǎng)?wù)實(shí)，只有充分考慮裝備的限制特性、目前測(cè)試水平、測(cè)試設(shè)備、人員編制等情況，才能制定出合理的測(cè)試性指標(biāo)，設(shè)計(jì)出既滿足要求又易于維修的裝備。測(cè)試性需求分析還要做到全面，針對(duì)裝備不同的任務(wù)階段、設(shè)備層次，分別制定出不同的測(cè)試性指標(biāo)，這樣的指標(biāo)設(shè)置才會(huì)更科學(xué)合理。因此，測(cè)試性需求分析會(huì)向全面、細(xì)化的方向發(fā)展。

1.2 測(cè)試性指標(biāo)分配

測(cè)試性指標(biāo)分配的經(jīng)典方法主要有等值分配法、加權(quán)分配法、按故障率分配法、優(yōu)化分配法、綜合加權(quán)法、新老裝備組合分配法。其中對(duì)于有明確的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的裝備，如系統(tǒng)的平均測(cè)試性設(shè)計(jì)費(fèi)用最低，或是保障任務(wù)成功率等，可以用優(yōu)化分配法。綜合加權(quán)分配法優(yōu)于加權(quán)分配法，它用故障率對(duì)加權(quán)分配法所得的權(quán)重再次加權(quán)，分配結(jié)果更客觀。新老裝備組合系統(tǒng)的測(cè)試性分配方法以新型號(hào)的指標(biāo)高于老型號(hào)的指標(biāo)為約束條件，此法又比綜合加權(quán)法更客觀。除了以上傳統(tǒng)方法之外，還有層次分析法 (AHP)，此法反復(fù)迭代，常常使各分配結(jié)果差距很小，相比簡(jiǎn)單的均值分配法而言，此法沒有優(yōu)勢(shì)。將層次分析法和信息熵結(jié)合，比單獨(dú)使用AHP法效果好。為避免加權(quán)分配法的主觀性，遺傳算法給測(cè)試性指標(biāo)分配提供了一條出路。張琦等［2］采用改進(jìn)型的遺傳算法，與常規(guī)遺傳算法相比較，不需要對(duì)分配結(jié)果另行調(diào)整，方便了設(shè)計(jì)人員的工作。浮點(diǎn)編碼遺傳算法，比二進(jìn)制遺傳算法更精確，計(jì)算效率也有所提高。沈親沐等［3］基于測(cè)試性框圖對(duì)測(cè)試性指標(biāo)分配做了探討，結(jié)果較為科學(xué)。綜上可知，測(cè)試性指標(biāo)的分配會(huì)向著減少主觀性，使分配結(jié)果更客觀的方向發(fā)展。

1.3 測(cè)試性建模

目前測(cè)試性建模大多是基于故障與測(cè)試相關(guān)性矩陣 (D-矩陣)來建立的，尤其近年來不少研究采用TEAMS軟件建立多信號(hào)模型。TEAMS軟件中D-矩陣對(duì)一個(gè)模塊只定義一種功能，從而容易造成測(cè)試信息的混淆，不利于找出真正故障的所在，而擴(kuò)展D-矩陣，對(duì)同一模塊的不同功能及其相應(yīng)測(cè)試分別進(jìn)行了定義，有利于故障的正確隔離。針對(duì)測(cè)試虛警與檢測(cè)率的問題，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試性模型，用條件概率表示故障與測(cè)試的之間的不確定性，使測(cè)試性分析更客觀。此外，由于電子系統(tǒng)中，一種功能失效可能導(dǎo)致多種故障模式，一種故障模式也可能由多種功能失效引起的，因此建立功能與故障模式相關(guān)聯(lián)的混合診斷模型是很有必要的。為方便建模信息的共享，基于統(tǒng)一描述語言的模型，特別是基于本體的測(cè)試性信息描述模型，實(shí)現(xiàn)了信息的重復(fù)利用與模型推理功能，為裝備的綜合診斷提供了良好的基礎(chǔ)，是未來測(cè)試性建模發(fā)展的方向。

1.4 測(cè)試方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

測(cè)試方案優(yōu)化內(nèi)容主要有測(cè)試點(diǎn)的優(yōu)化、測(cè)試資源的優(yōu)化以及BIT工作模式和運(yùn)行模式的優(yōu)化等。測(cè)試點(diǎn)的優(yōu)化方法主要有布爾邏輯運(yùn)算法、粒子群算法、遺傳算法等。依據(jù)測(cè)試信息量最大、測(cè)試費(fèi)用最小原則來優(yōu)化測(cè)試點(diǎn)，已在電子裝備的測(cè)試點(diǎn)優(yōu)化選擇上得到了很好的應(yīng)用。另外利用圖論法建立拓?fù)淠Ｐ停瑑?yōu)化測(cè)試點(diǎn)，方法簡(jiǎn)單實(shí)用。將專家系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)試點(diǎn)的優(yōu)化，可以大大簡(jiǎn)化測(cè)試步驟。為避免搜索陷入局部極值點(diǎn)，陳希祥等［4］采用混合二進(jìn)制粒子群遺傳算法 (HBPSOGA)優(yōu)化測(cè)試項(xiàng)目，取得了較好的效果。張菲菲等［5］對(duì)搜尋電路中最小測(cè)試集的幾種方法進(jìn)行了比較，認(rèn)為遺傳算法與模擬退火算法相結(jié)合的模型 (GASA)最優(yōu)。邱靜等［6］采用遺傳算法以及改進(jìn)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型 (DEA)分別對(duì)BIT運(yùn)行模式和BIT軟件/硬件的實(shí)現(xiàn)方式做出了選擇，并利用AHP和灰色系統(tǒng)理論優(yōu)選測(cè)試設(shè)備。

目前測(cè)試方案的研究雖然很多，但大多集中在測(cè)試點(diǎn)的優(yōu)化上，其他方面的研究相對(duì)較少，并且在測(cè)試設(shè)備的優(yōu)化上大多采用加權(quán)法，因此這方面的研究還有待加強(qiáng)，并且要更趨客觀性。

1.5 測(cè)試性驗(yàn)證與評(píng)估

在裝備的研制過程中，為了檢驗(yàn)測(cè)試性設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求，需要進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，以便及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)。方法主要有3類:一是在后續(xù)系統(tǒng)的實(shí)際使用過程中根據(jù)系統(tǒng)的故障檢測(cè)率、故障隔離率、虛警率等來驗(yàn)證與評(píng)估，此法最可靠，但耗時(shí)、耗力，因此并不常用;二是故障注入法，即向樣機(jī)注入軟件或硬件故障，按設(shè)計(jì)規(guī)定的方法檢測(cè)故障、隔離故障，按結(jié)果評(píng)估測(cè)試性設(shè)計(jì)。值得注意的是注入硬件故障時(shí)有可能會(huì)損壞設(shè)備，總體來講此法比較可靠，也比較常用;三是仿真法，即用計(jì)算機(jī)編程模擬故障的注入，此法最為簡(jiǎn)單，但偏離實(shí)際情況較大，更偏向于理論性研究。在測(cè)試性設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，采用仿真法更經(jīng)濟(jì)快捷，在測(cè)試性設(shè)計(jì)定型階段，采用故障注入法更科學(xué)合理。

1.6 故障診斷策略

國內(nèi)外在故障診斷策略優(yōu)化方面已開展了很多研究。石君友等［7］在基于D-矩陣的基礎(chǔ)上，綜合考慮測(cè)試點(diǎn)、診斷費(fèi)用、可靠性，制定診斷策略，此法較易分辨出冗余測(cè)試、模糊組，經(jīng)典實(shí)用，但不太適用于復(fù)雜系統(tǒng)。電子裝備大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易發(fā)生多故障，假設(shè)單一故障，真實(shí)故障就有可能被隱藏、掩蓋，從而得出錯(cuò)誤的診斷結(jié)論，因此基于多故障的診斷策略研究更有意義，方法也有很多，例如基于最小碰集制定診斷策略;基于有向圖模型隔離多故障;建立因果網(wǎng)絡(luò)模型，采用序貫測(cè)試法制定診斷策略;建立分布式層次化模型，采用模糊petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)診斷策略的推理等。目前也有很多智能算法應(yīng)用于診斷策略的制定，二進(jìn)制粒子群算法可以生成多故障最小候選集;混沌粒子群算法優(yōu)化診斷策略，收斂快，易獲得全局最優(yōu)解。此外常用的算法還有準(zhǔn)深度搜索方法、貪婪搜索方法、AO*搜索方法。廣義AO*算法優(yōu)化測(cè)試序列，問題與搜索符是多對(duì)多的關(guān)系，尤其對(duì)于復(fù)雜裝備，搜索速度明顯加快。將動(dòng)態(tài)故障樹應(yīng)用于故障診斷策略的制定中，計(jì)算復(fù)雜度比AO*搜索方法和貪婪搜索法低。

目前診斷策略的研究絕大多數(shù)是建立在假設(shè)系統(tǒng)、測(cè)試靜態(tài)基礎(chǔ)上的，但系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中可能會(huì)切換工作模式，測(cè)試也應(yīng)該隨之變?yōu)閯?dòng)態(tài)，因此診斷策略的研究會(huì)朝著基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方向發(fā)展。

2 測(cè)試性與綜合診斷的發(fā)展

2.1 測(cè)試性與綜合診斷的發(fā)展歷程

隨著科技的發(fā)展，人工測(cè)試越來越不能滿足實(shí)時(shí)快速檢測(cè)的需要，特別是在戰(zhàn)斗機(jī)上，增加機(jī)內(nèi)測(cè)試是裝備發(fā)展的必然。機(jī)內(nèi)測(cè)試與外部測(cè)試的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)引發(fā)了測(cè)試性設(shè)計(jì)問題。20世紀(jì)70年代，美國開始了測(cè)試性研究。1985年，隨著美國軍用標(biāo)準(zhǔn) (MIL-STD-2165)的頒布，標(biāo)志著測(cè)試性發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科。以往在裝備研制后，才考慮配置其他診斷要素，從而造成裝備維修保障工作的被動(dòng)，效率低下，綜合診斷應(yīng)運(yùn)而生。1983年，美國首提綜合診斷這一概念。此后，英、法等西方發(fā)達(dá)國家及俄羅斯也陸續(xù)開展了武器裝備綜合診斷的研究與應(yīng)用，節(jié)約經(jīng)費(fèi)顯著。國內(nèi)的測(cè)試性研究興起于20世紀(jì)90年代中后期，但發(fā)展迅猛，大多集中在航空、軍工領(lǐng)域，特別是電子裝備的測(cè)試性研究，目前已有不少成果得到了推廣應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，國內(nèi)的綜合診斷也越來越受到重視。

2.2 測(cè)試性與綜合診斷的發(fā)展趨勢(shì)

電子裝備的機(jī)內(nèi)測(cè)試性設(shè)計(jì)向高度集成化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、人性化的方向發(fā)展，外部測(cè)試設(shè)備向通用性、便攜性方向發(fā)展。測(cè)試性是綜合診斷的一個(gè)要素，綜合診斷是各診斷要素的綜合。它一方面強(qiáng)調(diào)裝備全壽命周期費(fèi)用最低，即從裝備的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收再到使用過程中的監(jiān)測(cè)、維修等，要求測(cè)試操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用最低。為了便于測(cè)試，在裝備的研制階段不但要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的測(cè)試軟件、硬件、外部測(cè)試接口等，還要設(shè)計(jì)出綜合診斷中其他要素的配置情況，例如需配備的ATE和輔助測(cè)試設(shè)備的種類、數(shù)量以及人員編制、培訓(xùn)內(nèi)容周期等，而不是裝備配備后使用方自行配置這些診斷要素，從而造成測(cè)試方式混亂、維修培訓(xùn)不到位等，不利于裝備保障工作的順利進(jìn)行。綜合診斷另一方面強(qiáng)調(diào)各保障級(jí)別的綜合，為統(tǒng)籌各保障級(jí)別，需要利用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立裝備全壽命周期的數(shù)據(jù)庫，給每套裝備設(shè)置唯一的身份識(shí)別掃描碼，并將識(shí)別碼、配套設(shè)施、人員編制及相應(yīng)培訓(xùn)情況、監(jiān)測(cè)維修等信息都錄入數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)裝備的真正有源可追溯，不但可以方便各維修級(jí)別的信息共享，避免重復(fù)測(cè)試，還有利于遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援，也把維修保障信息反饋給研制人員，以便今后改進(jìn)測(cè)試性設(shè)計(jì)。隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，綜合診斷必然要建立在信息化管理的基礎(chǔ)上。最后，裝備要實(shí)現(xiàn)綜合診斷，最重要的是打破利益壁壘、政策壁壘，只有這樣才能保證綜合診斷的順利實(shí)施。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)電子裝備對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)的需求特點(diǎn)，對(duì)測(cè)試性設(shè)計(jì)中各步驟的最新研究進(jìn)行了闡述，并對(duì)各自的發(fā)展方向作了探討;論述了測(cè)試性的重要性、綜合診斷的特點(diǎn)以及測(cè)試性與綜合診斷的相關(guān)性，并對(duì)測(cè)試性和綜合診斷的發(fā)展歷程、發(fā)展趨勢(shì)作了回顧與探討。希望能彌補(bǔ)此類綜述性文獻(xiàn)，尤其是面向綜合診斷的綜述性文獻(xiàn)較少的缺憾，并能給相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

［1］蘇永定.裝備系統(tǒng)測(cè)試性需求分析技術(shù)研究 ［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2011.

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［5］張菲菲，魯昌華，陳勝軍，等.求取電路最小測(cè)試集的優(yōu)化算法的比較研究 ［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2005，24(12):22-25.

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［7］石君友，田仲.故障診斷策略的優(yōu)化方法 ［J］.航空學(xué)報(bào)，2003，24(3):212-215.

The diagnostics of electronic equipment，especially integrated diagnostics，more and more relying on the testability of the equipment.Design for testability is the precondition and the foundation of integrated diagnostics.Many research on testability of electronic equipment were done for integrated diagnostics.This summary shows the new researches on testability including testability requirement，testiability index allocation，testability modeling，optimized strategy for testability，testability estimation and fault diagnosis strategy.We hope that it may do a favor for the testability researchers and diagnostics workers.

electronic equipment;testability;integrated diagnostics

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.008

馬云 (1982-)，女，山東莒南人，在讀博士研究生，研究方向?yàn)檠b備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷。

2015-04-28