航空设备的测试性设计和验证技术概述

1、航空设备的测试性设计和验证技术概述1航空设备的测试性设计和验证技术概述杨冬健,王 红,刘金甫1,222(1.南京航空航天大学经济与管理学院,江苏南京 210016;2.北京瑞赛长城航空测控技术有限公司,北京 100022)摘要:介绍了航空设备的测试性、测试性设计、测试性验证评估等,分析提出了国内航空设备测试性设计与验证技术现状以及存在问题的技术原因。关键词:测试性;测试性设计;测试性验证评估中图分类号:V243 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2006)10-0001-05Design for TestabilityandValidationTechnologyofAeronau

2、ticEquipmentYANGDong jian1,2,WANGHong2,LIUJin fu2(1.CollegeofEconomicsandmanagement,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China;2.BeijingRaiseChangchengAeronauticMeasurementandControlTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100022,China)方面都能获得最大的利益。测试性取决于产品的设计、测试设备的功能以及测试需求。作为系统和设备的一种便于测试和诊断的

3、重要设计特性,测试性对现代航空设备,特别是对电子系统和设备的维修性、可靠性和可用性有很大影响。具有良好测试性的系统和设备,在战时可以及时发现故障,自动重构系统或降级使用,一旦出现严重的问题能够及时提示飞行员中断任务、撤离战场,提高执行任务的可靠性与安全性;在维修保障过程中能够快速地检测与隔离故障,缩短故障检测与隔离时间,进而减少维修时间,提高系统可用性;同时通过将机内测试和机外测试进行权衡分配可以起到合理配置、使用资源的作用,能够进一步减少维护时间和人工检测项目,从而提高飞机的持续作战能力和快速反应能力,并降低使用维护费用。另一方面,航空设备的测试性差将导致系统战备完好性的降低。美国在20世纪

4、90年代的研究中发现,当时在役的飞机所需故障测试时间长,测试费用高,而且所用ATE品种繁杂多样,BIT设计不够完善、虚警率高,这些现象出现的原因并不是系统的固有可靠性问题,而是系统故障诊断和测试性问题,是由于70年代末以前研制的飞机未开展测试性设计与验证而引起的后果。据报道,美国海军对F/A 18、F 14、A 6E和S 3A4种海军主要飞机的239项关键新产品的可靠性、维修性和测试技术所进行的改进,将使他们的,1 测试性一个系统、设备或产品可靠性最高也不能保证永远正常工作,使用者和维修者要掌握其 健康!状况,要确知有无故障或何处发生了故障,就要对其进行监控和测试。人们希望系统和设备本身能为此

5、提供方便,这种系统和设备本身所具有的便于监控其 健康!状况、易于进行故障诊断测试的特性,就是系统和设备的测试性。测试性是指系统或设备能够及时并准确确定其状态(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。它可以定义为产生、评价和提供测试以改善产品质量,迅速获得利润的能力,也有人将它定义为设计、执行和最佳化产品测试和诊断的方法论,通过这种方法论使产品无论是在质量还是在费用投入收稿日期:2006-04-08作者简介:杨冬健(1974 ),男,江苏泰兴人,工程师,在读硕士研究生;王红(1969 ),女,江苏江阴人,博士,研究员,主要从事测试技术方面的研究;刘金甫(1945 ),男,河南

6、南阳人,研。2充分展开测试性设计,则可降低飞机寿命周期费用的10%20%。显然,系统测试性对现代航空设备的战备完好性、战斗力的发挥、维修费用等都产生着极重要的影响。(测控技术)2006年第25卷第10期IEEE1149.4,作为边界扫描技术的工业标准。该方法通过增加测试访问端口和访问时间来降低增加引脚带来的开销。%随机扫描测试。是将一些随机数作用到设计的输入节点,随机地控制和观察这些测试单元。这种方法比较适合那些常用的结构,如存储器等。通过使用伪随机数发生器和移相器可以改善这种方法使用的随机数模式。有些电路不适宜采用这种方式进行测试。此时,需要插入一些测试点以改善其内部结构的可控性和可观测性。

7、&测试总线技术。测试总线的主要作用是保证系统测试管理和通信的有效性。已经发布的MTM总线标准IEEE1149.5既可应用于电路子系统和模块的测试、诊断和维护,也可用于包括其他测试总线的测试和维护接口结构标准(该标准定义了测试控制子系统模块同其他模块在总线上进行测试命令和数据传输的通信协议)。采用总线技术可有效地利用电路板引线资源,节省引线开销和开发费用,实现检测和在线监控,提高系统的可测试性和可靠性。系统级芯片(SoC)往往包含着一个或多个模拟的功能块。随着系统级芯片越来越多的使用,模拟电路的测试性设计技术也逐渐引起测试界的重视。而目前大多数电路的测试性设计都集中在数字电路,在数字逻辑

8、电路中广泛应用的测试性设计技术不能简单移植于模拟电路。这是因为:#模拟电路波形的时间和取值都是连续的,电路功能依赖于电路拓扑结构和元件的参数值,电路参数动态范围大,难以建立故障模型;模拟信号是连续量,无论是从原始输入传递测试激励,还是从被测电路传出测试响应,在传输过程中,这些值都有可能被改变;%同样由于模拟信号的连续性,测量误差容易导致误判。目前对模拟电路的测试性设计主要采用以下几种方式:#功能结构重组,此方法是利用电路的功能结构经过重组,利用输出信号判别电路是否发生错误;插入测试点;%进行数模/模数转换,即在芯片设计中加入模数转换器和数模转换器,把待测电路的模拟输出信号变成数字信号,把待测电

9、路的数字输入信号变成模拟信号,从而实现激励和响应的传播。1985年,美国国防部颁发了电子系统和设备的测试性大纲MIL-STD-2165。由于该大纲对测试性的要求包括系统、子系统、组件及模块一级,因此针对系统级测试性要求的研究工作逐渐开展。普遍的做法是2 测试性设计技术测试性设计的目的是提高系统的故障诊断和隔离能力,主要内容包括设备的内部与外部测试均衡及设备内部的诊断与功能之间均衡。测试性设计是一个复杂的过程,有很多因素需要考虑。如测试接口要标准、通用、简单,测试点的设置应支持产品各个层次测试的需要;要考虑工效学、自动化、障碍物、可达性、可视性;能对模块化部件一次完成多个功能的测试;能对多个独立

10、的功能部件进行并行测试;尽可能通过系统级测试实现故障检测来缩短测试时间;测试应直观、非破坏性,并尽量不使用专用工具等。为构造一个产品的测试性,设计人员一般需要以下5个方面的知识:#了解部件和产品信息及其表示方式;能预测部件在一定条件下的行为;%能观测软件程序的运行、输入参数和输出,测试和测量的硬件节点;&通过内建功能可跟踪部件性能和行为的状态;能控制程序的输入、输出、运行和行为。测试性设计技术始于电路,目前数字电路的测试性设计技术已日臻完善。常用的数字电路测试设计技术主要有以下几种:#内建自测试(BIST)。一般采用伪随机数发生器LFSR(linearfeedbackshiftregi

11、sters)生成伪随机测试输入序列,利用全扫描方法作用于逻辑电路块,应用特征分析器分析被测电路输出序列(响应)的特征值,串行输出特征值,通过对输出特征值与正确特征值比较,判断电路有无故障。该方法大大减少了测试生成、测试矢量存储和数据处理的负担,并有利于实现多个扫描链并行测试。扫描通路。包括完全扫描设计、随机扫描测试设计。目前,大多数的结构化逻辑测试都基于完全扫描。其主要思想是将时序电路的时序单元转化为可控制和可观察的单元,这些时序单元以一个或多个移位寄存器链的形式连接,并且这些移位寄存器可以通过控制输入被置成特定状态,它们的内容可以由输出端移出。而边界扫描是在芯片的引脚与内部电路之间增加串行移

12、位寄存器链和增加测试访问端口,实现IC芯片内部的逻辑测试、IC间相互连接的测试和IC正常运行时的数据取样测试。实际上它是把扫描通路放在电路的边界,降低了对测试系统的要求。IEEE宣布了 .航空设备的测试性设计和验证技术概述实施途径是分层建立系统的功能或诊断模型,之后的测试性设计工作就针对这些模型进行,如需要配置的测试点数,故障隔离时间、代价,检查顺序等。目前复杂系统基本上都是由软件和硬件组成,而且系统对软件的依赖越来越大。很多过去由硬件实现的功能逐渐由软件所代替,因此系统设计中不考虑软件的测试性是不完善的。但是,软件的测试更为复杂。主要问题是缺乏对软件响应的了解,缺乏测试模型及合适的测试准则和

13、测试方法。通常对软件的测试采用统计方法或启发式的检查,或者用其他的方式计算同一个变量等,但这些方法并不能保证软件没有问题。目前能够做的就是通过对大量的功能空间的分析,来提供定性的基于统计的质量保证。3测试性是系统固有的设计特征,对系统的维修性、可靠性、安全性、综合保障以及寿命周期费用都有直接或间接的影响,必须在全面权衡分析各种因素的基础上确定合适的参数。测试性设计还是一个持续改进、反复迭代的过程,任何产品功能的改变,都需要重新选择测试参数。产品的测试性指标是一种统计特征,需要综合考虑受其影响的各种因素,进行统计分析。测试性的这些特点也导致其验证和评价的难度增大。随着设备复杂性的增加,其测试性设

14、计和评价难度也越来越大,不借助某种形式的工具无法完成。测试性辅助设计及分析平台是进行测试性分析和辅助设计的一种软件工具。国外具有代表性的测试性辅助设计和分析平台是美国QSI公司的TEAMS和DSI公司的eXpress。(1)TEAMS。TEAMS是QSI公司开发的用于支持复杂系统全寿命周期的测试时序生成和测试性设计、分析的软件工具集,它是基于模型的分析工具,这些模型涵盖了系统的结构、互联、测试布局、测试步骤、故障等信息,将各种故障与系统的BIT、维护步骤和修理过程关联起来。经过TEAMS分析后,产品的测试性缺陷和测试性建议就可以直接标注在功能模块上。TEAMS也可作为交互式工具,完成故障模式影

15、响及危害性分析(FMECA),形成文本的和图形的测试性报告。TEAMS由以下几个部分组成:TEAMS、TEAMS RT、TEAMS RDS、TEAMATE、TEAMS KB,每个部分既独立存在,又相互联系,如图1所示。#TEAMS:建模工具,也可以进行简单的故障分析和设计评价。TEAMS RT:推理程序,装载在机内的计算机中,提供实时诊断和系统健康监视。3 测试性验证评价技术系统的测试性要求从其设计阶段即加以考虑,并在研制的不同阶段中分别实施测试性分析、设计和验证,以保证系统具有所要求的测试性。测试性验证的目的是评价测试性设计是否达到规定的要求并发现薄弱环节,以便改进。测试性验证的主要内容包括

16、:#系统运行检查发现异常或差错的能力;系统或设备BIT检测与隔离故障的能力;%被测单元与所选择的测试设备的兼容性;&测试设备和相应的接口组合检测与隔离故障的能力;有关故障信息表、探测步骤、人工查找故障程序和工作原理等方面的技术文件的完整性和充分性;BIT故障检测和故障隔离指示与脱机测试结果之间的符合程度;+用于预计测试性指标的模型的有效性。4%TEAMS RDS:是TEAMS的远程诊断服务器,通过因特网和局域网可以在任何范围内使用。RDS综合利用TEAMS RT、TEAMATE、TEAMS KB完成实时监测,实时诊断,交互式诊断,诊断/维护数据管理、记录和趋势分析等。&TEAM

17、ATE:便携式维护程序,可运行在手持式电脑、笔记本电脑或其他便携式设备上。TEAMATE使用TEAMS模型,根据当前现象在线生成维护和维修指令。TEAMS KB:设置在RDS中,是存放TEAMS模型和维修过程、诊断结果以及其他信息所产生的文本文件、多媒体文件的数据库,支持安排好的和未安排好的维护、诊断数据收集、统计数据分析、数据挖掘等工作。目前,TEAMS已应用于许多航空航天项目,如普惠公司使用TEAMS进行F119发动机和F 35联合攻(测控技术)2006年第25卷第10期击机(JSF)中F135发动机的建模、数据分析和预报,霍尼威尔公司将其用于NASA项目和IVHMIR&D项目,此

18、外,美国空军F 16的数据总线预报、F 100发动机FMECA与EHM、波音公司AH 64ApacheLongbow先进离线诊断与健康管理等都采用了TEAMS。(2)eXpress。DSI公司已经成为测试性和故障诊断技术领域的代表,该公司推出的eXpress软件提供了一种现代化的智能故障诊断设计分析方法。eXpress是基于模型的测试性分析工具。它集成系统建模、测试性设计、故障诊断分析、可靠性分析以及分析报告等功能,并以系统功能模型作为测试性设计、故障诊断分析以及可靠性分析(FMECA)的对象,其中故障诊断和可靠性分析模块均支持相应的设计分析标准。eXpress的组成如图2所示。诊断分析通常被

19、理解为在产品定型后对产品的图2 eXpress组成功能、性能及可靠性进行的评估工作,诊断分析的流程并不影响产品已经成熟的特性;然而这是与诊断分析方法的初衷相悖的,诊断分析真正的目的是通过诊断产品设计中不正确或不完善的地方,提出相应的改进方法以改进、优化产品的设计方案。DSI公司扩展了测试性设计,提出诊断性设计的概念。eXpress软件的核心是诊断推理。作为一种诊断设计开发工具,eXpress从产品的论证阶段起将产品的诊断设计和性能、功能设计相结合,正确评估产品各阶段的诊断能力并对设计方案进行比较分析和反馈,从而达到设计优化的目的。eXpress软件通过交互式的图形界面和模型化的设计方法来评估和

20、管理系统各级别的诊断特性;eX press提供了层次化的设计方法,允许使用自顶向下或自底向上的设计来构建系统的功能组成模型;软件中提供了 半自动!元件库并允许用户根据需要自己定工作,该方法是在产品的综合设计和诊断开发环境中首次使用。eXpress软件为现代复杂系统提供了快捷、有效的测试性设计方法,不仅包括了故障检测和故障隔离,还包括了测试点优化、功能划分以及故障诊断策略等多方面的内容。eXpresss为评估和优化诊断设计提供了丰富的背景知识,在eXpress中建立系统模型后,用户可以直接根据诊断、测试的仿真分析结果对真实系统进行调整以达到运行优化的目的。eXpress软件集成了FME CA,分

21、析数据既可从已有的数据文件中导入,也可以从诊断分析流程的结果获取;根据不同的需要,eX press可以针对系统功能级、子系统、部件级、元件级进行FMECA分析。eXpress已广泛应用于航空、航天、航海、导弹等领域,主要的应用对象有:F 22先进战术战斗机、F 111F2215anche航空设备的测试性设计和验证技术概述直升机、X 33、欧洲雷达、TRIDENT潜艇、法国MATRA的多种导弹系统等。5机着陆时,维修人员已具备了修复系统故障的必备经验和相应设备,所需的备件也同时准备好或已下订单,这将极大地缩短飞机的外场级平均修复时间并降低再次出动机务准备时间。4 测试性熟化技术同产品的可靠性增长

22、过程相类似,系统的测试性也有一个熟化的过程,叫做诊断能力的增长。多数情况下,产品诊断能力的增长要延伸到使用阶段。测试系统的熟化往往要经过上百次甚至上千次的使用过程才能实现。目前,国外除利用测试性设计分析平台在设计阶段通过数字仿真对测试性设计进行评价外,还利用虚拟试验技术逐渐成为解决测试性设计和熟化问题的有效方法。美国空军在研制联合攻击机JSF 自主式保障系统!时,提出了综合诊断虚拟测试工作台(IDVTB,in tegrateddiagnosticvirtualtestbench)的概念。综合诊断虚拟测试工作台是一个设计和熟化工具,它无需经过长期的使用和无数次的设计改进的迭代过程完成设计验证。它

23、在武器系统全寿命周期内,支持诊断、维护、任务计划和后勤保障系统等的开发。综合诊断虚拟测试工作台采用虚拟现实技术,设计人员和使用人员通过IDVTB提供的虚拟现实环境,交互式地对设计和其他任务规划进行分析、评价。IDVTB的主要作用是帮助飞机系统设计者进行设计工作。原有的设计过程是在确定了系统必须遵守的多项限制条件后,设计者根据要求对全寿命周期费用、出勤率等加以评估,在各项指标之间选择平衡点,并依此进行系统设计。这种方法不仅花费时间多,而且许多数据源于设计者的估计和评价,做不到精确表示,在样品出来前也难以验证设计是否完全符合要求。IDVTB可以根据设计者的设计方案,在设计过程中通过仿真的方法显示各

24、项设计决定对整个系统乃至整个飞机的影响,而且可以将仿真结果转化成数据和分析结果,反馈给设计人员,从而促进设计的改进。这种螺旋式设计方法可以提高设计质量、减少设计人员和测试人员的工作量,更重要的是,它使设计出来的系统具有非常好的可测试性和可维护性。通过使用环境的仿真,可以使设计工程师对维护诊断方案做到全局的最佳化而不是某个局部的最佳。IDVTB在飞机维护和后勤保障中也能发挥重要的作用。IDVTB可以预测可能故障的出现时间,从而保证每架飞机在起飞时,都确信任务能够成功完成。IDVTB还可根据飞机在空中时飞行员所汇报的故障现象和机上检测传递回的数据,对故障进行仿真复现,指导飞行员或机组人员在空中排故。同时IDVTB可以提前进行诊断和故障隔离,甚至通过远程诊断或异5 国内状况我国自20世纪80年代对武器装备的研制引进了测试性理论之后,陆续颁布了GJB368(装备维修性通用大纲)、GJB2072(维修性试验与评定)、GJB/Z57(维修性分配与预计手册)等规范,特别是19