内装测试及自诊断技术的应用研究

摘要：本文介绍了内装测试及自诊断技术的国内外现状和发展趋势，对该技术研究在武器系统研制中的作用和意义进行了论述。同时以飞航导弹为应用背景给出了内装测试及自诊断技术应用研究的基本技术途径。
关键词：内装测试； 故障诊断

　　1 引言
　　当前，为了在局部战争中有效地避免敌方精确制导武器对我方武器系统布防的打击，军队对武器系统机动性的要求越来越高，而庞大的武器地面支援系统则是制约和影响武器系统机动性提高的主要因素之一。随着使用部队对武器系统可靠性和可用性的提高，作为武器系统重要地面支援系统之一的地面测试系统则变得越来越复杂。为了缩减地面测试系统的体积和重量，近年来相关的工程技术人员做了大量的工作。但是要从根本上解决武器地面测试系统功能的完备性和武器系统机动性的矛盾，必须从改变现行的武器系统地面测试体制入手。
　　随着武器系统复杂性的提高，内装测试（BIT）已成为改善武器系统诊断能力的一种重要途径，为了提高武器系统战备完好性，内装测试及自诊断技术必须得到充分的重视。通过内装测试自动检测和隔离故障，使系统或设备的MTTR显著减小，提高系统的可用性；通过内装测试减少维修人员的数量、降低对维修人员技术水平的要求，进而降低使用和保障费用。

　　2 国内外研究现状及发展趋势
　　2.1 国外研究现状及发展趋势
　　内装测试（BIT, built-in-test）是20世纪70年代在军用测试领域提出的全新的技术概念，其目的在于改善装备的维修性、测试性和自诊断能力，同时也使武器系统的机动性和保障性得到很大改善。1983年，美国国防部颁发的MIL-STD-470A《系统及设备维修性管理大纲》强调测试性是维修性大纲的一个重要组成部分，承认BIT及外部测试不仅对维修性设计特性产生重大的影响，而且影响到武器系统的采购及寿命周期费用。为了推进内装测试和自诊断技术的发展，二十世纪80年代初美国罗姆航空发展中心（RADC）提出了利用人工智能（AI）技术来提高内装测试效能的“灵巧BIT”（smart BIT）概念，它经过后来的发展成为了智能BIT。智能BIT的核心就是将人工智能技术应用于系统、分系统和模块的内装功能测试中，从而改善系统的自我诊断能力、降低虚警率、提高故障隔离度。二十世纪90年代中，测试领域又推出了分级集成BIT（HIBIT—— hierarchical and integrated BIT）技术。这是一种新型的系统级的测试设计技术，或称为第四代测试设计技术。它可以说是边缘扫描技术（BST）的一种延伸，在功能板级HIBIT利用IEEE 1149.1边缘扫描技术进行测试，而系统和分系统级的测试则通过IEEE 1149.5 测试与维修总线（test and maintenance bus）来进行。
　　在未来十年内，预计内装测试及自诊断技术将向两方面发展。一方面，利用边缘扫描技术和器件使测试更为深入，提取更多的系统信息；另一方面，内装测试将与专家系统和神经网络等人工智能技术更为紧密的结合，使系统的自诊断能力和自恢复能力大大提高。
　　2.2 国内研究现状及发展趋势
　　二十世纪70年代以来，以航天航空等国防工业领域为代表，国内在内装测试及自诊断技术方面，主要处于技术跟踪和理论研究阶段。进入90年代，导弹、卫星、飞机等飞行器的测试系统研制开发基本上都是围绕着VXI总线来进行。同时，在一些武器系统内部也出现了以自检功能为表现形式的内装测试及自诊断技术的雏形。随着计算机技术在武器装备中应用的不断广泛和深入，我国武器装备的内装测试及自诊断技术也有了很大进步。以飞航导弹为例，在早期型号导弹的射前检查功能中嵌入了分系统的自检程序（如雷达的自检程序、舵机零位检测等）。在新一代飞航导弹设计中，较为复杂的分系统基本上都采用了计算机单元，综合控制计算机已成为武器系统的核心，这就给内装测试及自诊断技术的应用创造了良好的条件。近年来，在几个在研新型号中，以电子器件为主的分系统大都设计了自测试功能，而弹上综合计算机则通过收集各分系统的自检信息，来初步判断分系统是否正常。这应该说是内装测试及自诊断技术的初级应用。

　　3 应用背景分析
　　通过对内装测试及自诊断技术的跟踪和研究，我们选择了以某飞航导弹为背景开展该项技术的应用研究。在现阶段研制及交付的导弹武器系统中，技术准备测试需要将弹上所有被测信号引到地面来检测，这就要求在弹体上开多个口盖，同时还需连接众多的测试电缆。这就使地面测试设备变得庞大、复杂，同时延长了导弹测试前的准备工作时间，难以满足部队对武器装备快速响应的要求。随着计算机技术的广泛应用，数字化已经是电子设备研制的方向，在导弹武器系统中也是这样。弹上设备数字化以后，使得利用弹上计算机和相关信息接口来收集弹上设备的工作信息成为可能。这样既可以简化测试设备及其与导弹的连接关系，同时又为实现内装测试及自诊断创造了条件。

　　4 系统工作原理
　　内装测试及自诊断系统包括被测对象激励、信息采集、故障诊断和弹地通讯输出四部分，其系统连接关系如图1所示。被测对象激励包括地面供电及测试启动设备和弹上综控机测试分支，这两部分将完成被测对象供电、启动测试流程和按预定程序给被测对象施加激励的任务；信息采集部分单独设计，它与研制阶段被测对象的遥测信息接口相连，在测试全程采集并存储被测对象的工作状态和参数；故障诊断部分主要包括知识库、故障特征提取算法和推理机，是纯软件形式；因此，诊断单元也可以置于地面计算集中。

图1 被测对象组成示意图

　　弹地通讯则是被测对象与地面计算机之间相互传递信息的桥梁。

　　5 技术研究途径
　　在具体对象上实现内装测试及自诊断，包括内装测试设备研制和自诊断方法研究及实现两大部份。其中内装测试主要有两个方面内容：一是在被测对象内安装测试装置，从而在少用或不用外围测试设备的情况下，完成导弹的性能测试；另一方面是在被测对象的系统设计时，对各部件进行自检功能设计，使各部件具有自检测试功能，在全系统测试时，综合各部件自检功能完成测试和信息采集；而自诊断技术则包含了故障特征提取、知识库建立和推理机算法实现等内容。具体实现时，我们首先将内装测试设备采集的信息通过通讯接口发送到地面的计算机，同时自诊断算法也在地面的计算机上实现。待两方面技术成熟后，再将测试设备和诊断软件全部内装。
　　在内装测试应用研究的具体实施时，我们主要以背景型号上的综合控制计算为激励控制设备，充分利用并完善被测对象的测试分支流程和原遥测信息接口，从而研制出在型号上使用的内装测试系统平台。具体实现时，我们在导弹上设计了一套小型化的数据采集设备，利用导弹的原遥测接口，将需要检测的信号在弹上采集、编码。采集信号包括弹上计算机输出的数字信号，弹上设备的模拟量信号，开关量信号等。将这些采集的信号统一编码，以PCM数据流的形式发送到地面。这样弹地之间只要利用一根火控系统电缆即可完成对导弹的控制、激励、测试及数据采集。可大大简化导弹测试的准备工作，缩短导弹的准备时间。同时在弹上加装遥测发射机的情况下，PCM数据流也可以直接送入发射机，因此不会影响导弹的遥测功能。
　　在故障自诊断技术研究方面，我们的工作分为以下几个方面：首先，在常规测试中，大量收集相关导弹型号测试中故障状态的信息和定位方法。并对数据进行分类加工，提取故障模式和识别方法，建立较完善的故障信息库和故障字典；然后结合故障诊断课题，研究适合武器装备故障诊断的专家系统及其开发环境，设计实用的内装故障诊断软件平台和信息输入接口硬件；同时设计适合内装的小型计算机系统，利用其完成内装测试进程管理、测试结果判断和诊断输入信息整理，该计算机也作为内装故障诊断软件的硬件环境。
　　另外，在国内边缘扫描技术研究和边缘扫描芯片制造实用化后，我们还将在上述内装测试及自诊断软/硬件的基础上，设计以边缘扫描芯片为测试和诊断单元的内装测试及自诊断系统。

　　6 关键技术
　　由于被测对象体积和重量的限制，内装测试和自诊断技术必须解决设备小型化的关键技术；其中包括计算机系统小型化、多通道高精度A/D和D/A变换器小型化和通讯接口小型化等。同时，为了实现完全意义上的内装测试和自诊断，必须解决内装激励方法研究和内装激励设备设计的关键技术；此外，为了解决传统内装测试存在的故障不可复现、不能识别间歇故障等问题，必须解决大容量小型化内装存储设备设计的关键技术；为了完成内装自诊断技术研究，必须解决故障知识库和故障字典建立的关键技术。

　　7 应用前景分析
　　该应用技术中，内装测试系统是建立在成熟技术的基础上的，PCM解调板也是成熟产品，设备的构成较容易实现。难点在于对于在正式装备的导弹上没有提供设备现成的安装空间。这就要求对原有的遥测系统设备进行小型化和功能集成，外型及安装尺寸要适应弹上安装条件。现在元器件的集成度大大提高，实现设备的小型化、集成化设计已成为可能。导弹上增加内装测试设备并辅以自诊断软件后，在不影响导弹原战技指标的情况下，导弹的测试性和使用方便性大大提高，所以应用前景相当广阔