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浅谈工程装备测试性技术及存在问题
黄玉
摘要：目前在工程装备测试性方面理论研究还较少，但工程装备测试性设计实践却一直在进行中，但由于种种原因，在这方面缺少系统的理论或技术指导，使得测试性技术在工程装备中的应用一直受到局限。本文在分析了工程装备应用测试性技术存在的关键问题，并提出了相应的对策。
关键词：测试性技术；测试系统；BIT技术；ATE技术
一 前言
测试性是指能够及时而有效地确定产品内部状态（可工作、不可工作或性能下降）并能隔离其内部故障的一种设计特性，是在产品设计之初就赋予产品的一种固有属性。
近年来，随着微电子技术、机电液一体化等高新技术在工程装备中的广泛使用，工程装备的复杂程度以及故障率不断增高，以往的故障检测／诊断技术以及维修保障手段已经不能满足现代化工程装备使用维护需要。测试性作为系统或设备的一种易于测试、状态监测和故障诊断的重要设计特性，对系统或设备的维修性、可靠性、可用性以及寿命周期有着巨大的影响，迫切需要将测试性技术引入工程装备中。
二 装备测试性技术
2.1 BIT 技术
BIT 技术是系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力，是复杂系统或设备整体设计、分系统设计、状态监测、故障诊断和维修决策等方面的关键共性技术。现在 BIT 技术主要朝着两个方向发展，一是随着神经网络、专家系统、模糊理论等智能理论和方法引入，BIT 技术走上了智能BIT技术的道路；二是随着传感器技术、信号采集与数据处理技术、计算机技术和微电子技术的发展，机电 BIT 技术不断成熟。
智能 BIT 技术：智能BIT就是将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的智能理论应用于BIT的设计、检测、诊断、决策等方面，提高BIT综合效能，从而降低设备全寿命周期费用的理论、技术和方法。它主要包括四个方面。
（1）BIT 智能设计技术：应用智能 CADBIT 系统设计软件等 BIT 计算机辅助设计系统，采用最优化设计技术和BIT设计专家系统，在吸取前人BIT设计的经验之上对BIT系统进行自动化设计，提高设计质量。
（2）BIT 智能检测技术：在BIT系统中采用新型检测技术，运用智能传感器技术、自适应滤波技术和信息融合技术等多种手段对系统进行测试分析，提高测试信息的分析处理能力，降低BIT虚警率。
（3）BIT 智能诊断技术：将神经网络、专家系统、模糊理论、信息融合等故障诊断技术同BIT相结合，监测被测对象的特征参数和状态参数，判断被测对象是否处于故障状态， 判明故障原因，对故障进行定位隔离。
（4）BIT 智能决策技术：在故障检测、诊断、定位和隔离及危害性的综合判断基础上， 采取最优化目标实现算法，通过专家系统等智能化决策方法，结合当前环境条件、系统或设备设计参数、维修历史记录以及当前任务，对已发生故障采取合理的应对措施。
机电BIT技术：机电BIT技术是指在机械、电气、液压等功能部件构成的系统或设备中应用BIT。主要方法是采用适合机电设备的传感器技术，运用机电设备故障机理分析方法， 采取高效能的信号采集和处理手段，提高机电BIT的自适应能力，降低虚警率。
2.2 ATE 技术
ATE是指自动进行功能和（或）参数测试、评价性能下降程度或隔离故障的设备。ATE 主要是对被测对象进行测试检验的外部测试设备，可以把被测对象的故障隔离到车间可更换单元、部件或元器件。目前ATE正朝着小型化、模块化、便携式和通用化的方向发展。
总线技术：在ATE中应用的总线技术主要是以VXI、PXI 为代表的内部总线和以 GPIB、 LAN、SERIAL、USB 及IEEE 1394 为代表的外部总线。现在两种总线都已形成了系列化的成熟产品，有着较为完整的解决方案。在外部总线中，GPIB 总线技术是第一个开放的、统一的、独立于仪器厂商的国际标准，目前在新型测试测量仪器中超过80％的接口都使用的是GPIB标准，它的应用最为广泛和成熟。根据目前总线技术的发展趋势来看，未来总线技术必然是走向混合总线方向，集合有以上各总线的优点，以满足多种测试需要。现在使用的具有混合总线趋势的是LXI总线技术，它主要由美国军方使用，还没有形成大规模的工业化应用。
虚拟仪器技术：虚拟仪器技术是随着现代计算机技术、信息技术、现代测量技术的发展而出现的新技术。它是通过各类软件将计算机硬件资源和外部测试设备连接起来，运用图形化的界面进行用户操作，可以实现被测对象测试的数字化、图像化，并对测试数据进行自动处理。虚拟仪器同传统的测试设备相比有着更多的功能，易于组建测试系统和平台，操作简单，可以进行实时的数据分析和处理，测试效率高。当前虚拟仪器的发展趋势是小型化、智能化、模块化。
三 工程装备测试性存在的问题及对策
现代工程装备大多数是机电液一体化设备，其结构复杂，功能多，使用环境恶劣，工作状况不确定因素众多，使得工程装备的故障率高，人工检测故障困难，寿命周期短，维修保障成本巨大。因而工程装备的测试性发展是极为迫切的，也是必须的，但是不同于电子类装备，测试性在机电领域尤其是以机械系统为主的工程装备领域的研究才起步不久，研究还不深入，同时工程装备本身也具有诸多不利于测试性的结构和功能因素，对测试性在工程装备上的发展有着一定制约。
（1）测试系统的差异性
测试性设计最初是应用于飞机上的电子航空系统的，其应用发展主要在电子设备，经过几十年的发展，在电子领域里，测试性的相关研究已经发展的相当成熟。工程装备主要由机械系统和液压系统构成，电子设备的使用有限，特别是微电子系统和数字电路使用不多，故已有的测试性技术成果适用于工程装备的不多，必须要有针对工程装备的测试性技术来满足工程装备测试性的特殊要求。目前主要的研究解决的内容有：针对机械和液压故障模式的测试参数的确定，测试系统测试节点的定义与选择，判定的方式方法，激励与响应的分析，机械故障模式的数学模型与分析，故障隔离单元的划定，故障维修的分级以及基于参数连续性的故障预警等问题。
(2) 测试参数的多元性
对于工程装备而言，它的故障模式是多种多样的，发生的原因也是千差万别。每一种故障所对应的测试参数也不同，比如压力、转速、加速度、振动、噪音、温度、流量、位移等。而在测量时又存在易测和不易测，分析时又有定性分析和定量分析之分， 必然带来测试分析的难度，从而造成测试系统的复杂性和设计难度以及传感器选用困难。因此在测试性设计和分析时就必须解决参数的可测性选择，参数的度量，参数对应故障模式的映射关系，参数之间的相关性，参数与状态的唯一确定性，传感器选用和优化设计等问题。
(3) 故障定位和隔离的复杂性
由于测试参数的多元性，使得工程装备故障所对应的参数不是单一的，进而对于准确的故障定位隔离就带来难度，不能详细的划分出故障单元，一般而言，故障的定位在工程装备中只能以模糊组来确定。这一难度的增加还与故障检测输入激励的难度有关。机械液压系统中，反映故障的响应信号可以确定，但产生故障的原因不同，不能采取特定的激励信号来判定故障。因此工程装备故障的定位更多的要依靠软件分析获得，通过故障检测诊断技术、虚拟仪器技术以及智能理论的发展来解决。
（4）测试系统各部分的融合性
测试系统是一个有机的整体，它由各个不同的功能单元有机组合而成。在工程装备测试系统中各个单元的测试方式、测试手段、测试参数、分析方法、信号处理因系统分级的不同而各不相同，如何将它们有机地融合到一起并且互不干扰，共享一定的软硬件资源，就必须要考虑。大力发展总线技术、多传感器融合技术、嵌入式系统等技术是目前解决此问题的一个有效途径。再者，工程装备的种类繁多，测试系统还必须要有一定的通用性和可移植性，能够用于各类不同的工程装备，那么研究通用性的测试系统平台则是当务之急。
（5）测试系统的可验证性
对于一个设计好的测试系统而言，其性能的好坏关系到整个设备能否正常运转，能否实现设备的技术性能。现有的测试性标准对测试系统有着明确的规定和考核依据，但对于工程装备的测试系统，难点是难以进行实机验证，评估其效能。因此有效地评估和验证工程装备的测试系统是工程装备测试性发展的一个关键问题，解决此问题的方法主要是对工程装备故障机理进行深入分析，研究建立故障预测评估模型，对故障样本分析选取和测试性建模分析。
（6）测试系统的可靠性
工程装备的工作环境和运行过程存在着大量的不利因素，如高温、高压、强振动、强噪声，这些都会给工程装备的测试系统带来危害，尤其是对BIT和传感器的工作影响巨大，造成BIT的虚警率增高，使得测试系统本身的故障率提高，不能满足工程装备测试性的需求。 因此主要的研究内容将是测试设备的优化设计与环境适应性技术以及BIT虚警的数学分析和抑制技术。
四 结论
随着工程装备功能的日益完善和发展，装备信息化水平不断提高，对工程装备全寿命周期的维修保障要求也在不断提高，开展工程装备测试性技术研究变得十分迫切和重要，只有从工程装备自身的结构和功能特点、作业环境出发，深入研究和解决工程装备测试性技术应用中的若干关键技术，推动工程装备测试性技术的深入发展和工程应用，才能有效地提高工程装备寿命周期，降低维修保障。
