屈津竹 王喆峰 田曉東

（1．上海船舶電子設(shè)備研究所 上海 201108）（2．海裝艦船技術(shù)保障部 北京 100841）（3．海軍青島雷達(dá)聲納修理廠 青島 266100）

1 引言

現(xiàn)代聲納系統(tǒng)所采用的先進(jìn)微電子技術(shù)，高性能計算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代信號處理技術(shù)等日益向集成化、數(shù)字化和模塊化方向發(fā)展，但是，在改善和提高武器裝備性能的同時，也大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。由此帶來測試時間長、故障診斷困難等問題，使系統(tǒng)的故障診斷成為影響戰(zhàn)備完好性，提高維修性的主要問題。

本文結(jié)合某聲納系統(tǒng)，給出一些聲納系統(tǒng)測試性設(shè)計的原則和方法。

2 測試性的發(fā)展

測試性最早在1975年由F．Liour等在《設(shè)備自動測試性設(shè)計》一文中提出，20世紀(jì)70年代以后，國外廣泛開展了測試性／BIT 方面的研究。其中以美國對測試性的研究最為完善，應(yīng)用最為深入。美軍最早制定和頒布了測試性的軍用標(biāo)準(zhǔn)，并在1978年建立了主管測試性的部門—美國國防部聯(lián)合司令部自動測試專業(yè)委員會下屬的測試性技術(shù)協(xié)調(diào)組，主要負(fù)責(zé)國防系統(tǒng)測試性研究計劃的組織、協(xié)調(diào)及實施。1985年美國國防部頒發(fā)的《電子系統(tǒng)及設(shè)備的測試性大綱》（MIL-STD-2165）把測試性作為與可靠性、維修性同等的產(chǎn)品設(shè)計要求，規(guī)定了電子系統(tǒng)和設(shè)備研制過程中應(yīng)實施的測試性設(shè)計、分析與驗證的要求及實施方法，標(biāo)志著測試性已成為一門與可靠性、維修性并列的獨(dú)立學(xué)科［1］。

美國通過航空裝備的測試性設(shè)計研究，使航空裝備全壽命周期費(fèi)用大大降低，據(jù)美海軍調(diào)查稱，對F／A-18等幾種海軍主要飛機(jī)的200多項關(guān)鍵部件進(jìn)行的測試性技術(shù)改進(jìn)，使它們的使用和維修費(fèi)用減少了30%，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，如果在飛機(jī)研制初期就充分開展測試性設(shè)計，可降低飛機(jī)全壽命費(fèi)用的10%～20%［2］。

同國外相比，我國開展測試性研究起步較晚，但近年來發(fā)展較為迅速，進(jìn)行了一些系統(tǒng)研究［3］，發(fā)表了一些文章和研究報告，在上世紀(jì)90年代制定了指導(dǎo)裝備測試性分析、設(shè)計、驗證、管理的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《裝備測試性大綱》（GJB 2547-1995），并于2012年對其完成修訂，頒布了新版本《裝備測試性工作通用要求》（GJB 2547A-2012）。同時，武器裝備測試、維修、保障方面的行業(yè)、企業(yè)規(guī)范和型號研制詳細(xì)規(guī)范也相繼頒布，測試性要求和指標(biāo)已明確列入一些重要武器裝備。但時至今日，裝備測試性仍存在一些突出問題［4～7］。

下面給出某聲納系統(tǒng)測試性設(shè)計的思路和方法。

3 聲納系統(tǒng)測試性設(shè)計

3．1 測試性設(shè)計工作目標(biāo)

測試性是指系統(tǒng)或設(shè)備（產(chǎn)品）能及時準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。以提高測試性為目的進(jìn)行的設(shè)計被稱為測試性設(shè)計。

聲納系統(tǒng)測試性設(shè)計工作的目標(biāo)是為聲納系統(tǒng)提供性能監(jiān)控能力、工作檢測能力和故障隔離能力。以確保聲納系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的測試性要求，提高聲納系統(tǒng)的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性、減少對維修人力和其他資源的要求，降低壽命周期費(fèi)用，并為管理提供必要的信息。

3．2 測試性設(shè)計原則

1）并行設(shè)計原則

測試性設(shè)計與系統(tǒng)任務(wù)功能／性能設(shè)計同時進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 測試性并行設(shè)計原則

2）根據(jù)維修級別分析（LORA）設(shè)計原則

現(xiàn)在的聲納系統(tǒng)一般分為三級維修，即基層級維修、中繼級維修和基地級維修。根據(jù)LORA 分析結(jié)果確定測試性設(shè)計，如圖2所示。

圖2 根據(jù)LORA 測試性設(shè)計原則

3）綜合診斷原則

從系統(tǒng)設(shè)計之初就開始考慮系統(tǒng)診斷所有相關(guān)因素，包括BIT、ETE／ATE、測試軟硬件、人員培訓(xùn)及相關(guān)維修保障、技術(shù)資料等，并貫穿系統(tǒng)研制全壽命周期。在系統(tǒng)設(shè)計和使用的全過程中，針對不同階段的診斷要求，選擇合理的診斷手段和檢測技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的診斷，提高診斷能力，并通過信息反饋對系統(tǒng)進(jìn)行管理，增強(qiáng)系統(tǒng)的完好率和使用性。

4）以可靠性為基礎(chǔ)，與維修性、保障性、安全性相互協(xié)調(diào)原則

以可靠性，故障樹和故障模式、影響及危害性分析（FMECA）為基礎(chǔ)，開展測試性工作，并與系統(tǒng)的維修性、可靠性、安全性和保障性工作聯(lián)系緊密，相互交流信息，做好協(xié)調(diào)與權(quán)衡工作，以便避免偏離規(guī)定的設(shè)計要求和重復(fù)工作。測試性工作與可靠性、維修性、安全性及人素工程的接口關(guān)系如圖3所示。測試性與保障性之間的接口關(guān)系如圖4所示。

圖3 測試性與可靠性、維修性、安全性和人素工程的接口

圖4 測試性與保障性的接口

3．3 診斷方案

某聲納系統(tǒng)按系統(tǒng)-分系統(tǒng)／設(shè)備-分機(jī)-板級層層檢測、定位、隔離進(jìn)行診斷。在正常工作狀態(tài)下，顯控單元實時顯示各分機(jī)／設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)（正常／故障），如果故障，則對該設(shè)備進(jìn)行檢查。

聲納檢測采用BIT、ATE、模擬器和專用測試儀相結(jié)合的方式。信號處理機(jī)每次開機(jī)后，都要進(jìn)行開機(jī)自檢：通過顯控單元發(fā)送開機(jī)自檢命令，信號處理機(jī)進(jìn)行各DSP 板（LRU）的檢查；對拖曳陣聲納，在開機(jī)自檢完成后，顯控單元可以發(fā)送通道自檢命令（可選命令），通過觀察顯示器上的波形和數(shù)據(jù)，對拖曳陣聲納濕端進(jìn)行故障定位。另外，在非工作狀態(tài)時，拖曳陣聲納濕端配備有專用測試儀和模擬器進(jìn)行校準(zhǔn)、調(diào)試和性能檢測。顯控單元采用BIT 方式，開機(jī)后可以選擇“顯控單元自檢”模式確定板級（LRU）狀態(tài)。

聲納系統(tǒng)應(yīng)用軟件的功能性能檢測采用ATE、模擬器和人工檢測相結(jié)合的方式進(jìn)行。

3．4 BIT 設(shè)計

1）系統(tǒng)BIT 功能：聲納系統(tǒng)BIT 具備以下三種功能：

（1）系統(tǒng)監(jiān)測：連續(xù)或定期的檢測系統(tǒng)關(guān)鍵特性參數(shù)。

（2）故障檢測：檢查系統(tǒng)或被測單元功能是否正常，當(dāng)檢測到故障時給出相應(yīng)指示或報警。

（3）故障隔離：將系統(tǒng)故障隔離到LRU（或SRU）等可更換單元。在檢測或監(jiān)測到故障后才啟動故障隔離程序。

2）BIT 采用連續(xù)BIT、周期BIT、啟動BIT、通電BIT 等方式。

3．5 結(jié)構(gòu)、功能和電氣劃分

1）結(jié)構(gòu)劃分

（1）結(jié)構(gòu)劃分的目的：從結(jié)構(gòu)上，將設(shè)備劃分為LRU、SRU 和組件，以便于故障隔離和換件維修。

（2）結(jié)構(gòu)劃分的原則：

①有利于故障隔離；

②在不影響功能劃分基礎(chǔ)上，盡量使模擬電路和數(shù)字電路分開；

③盡量將功能不能明確劃分的一組電路裝在同一個可更換單元中。

2）功能劃分

（1）功能劃分的目的：盡可能按功能將設(shè)備劃分為不同的單元。

（2）功能劃分的原則：一個可更換單元最好只實現(xiàn)一個功能。如果用一個更換單元實現(xiàn)多個功能，應(yīng)保證能對每個功能進(jìn)行單獨(dú)測試。

3）電氣劃分

（1）電氣劃分的目的：盡可能減少單元之間的連接和信息交叉。

（2）電氣劃分的原則：盡量把正在測試的電路同不在測試的電路隔離，以縮短測試時間。

3．6 測試點設(shè)置和測試接口

1）測試點設(shè)置

（1）測試點類型包括：外部測試點，內(nèi)部測試點，無源測試點（測量），有源測試點（激勵、控制），無源／有源測試點。

（2）對測試點設(shè)置的要求：

①測試點設(shè)置主要考慮在相應(yīng)的維修級別易于檢測，應(yīng)考慮聲納系統(tǒng)各組成設(shè)備的布置、安裝環(huán)境對測試點設(shè)置的影響；

②測試點種類與數(shù)量應(yīng)適應(yīng)各維修級別需要，并考慮到測試技術(shù)不斷發(fā)展的要求；

③測試點的布局要便于檢測，并盡可能集中或分區(qū)集中，且可達(dá)性良好。其排列應(yīng)有利于進(jìn)行順序的檢測與診斷；

④測試點的選配應(yīng)盡量適應(yīng)原位檢測的需要；

⑤測試點不應(yīng)設(shè)置在易損壞的部位。

2）測試接口

對測試接口的要求：設(shè)備上各被檢測單元與檢測設(shè)備的電氣和結(jié)構(gòu)接口應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)、通用的接口，減少專用接口裝置。

3．7 各階段的測試性工作

某水聲對抗功能系統(tǒng)在研制過程中的工作項目如表1所示。

表1 測試性各階段工作項目表

1）論證階段

（1）確定系統(tǒng)級診斷需求和測試性要求。根據(jù)系統(tǒng)的可用性或戰(zhàn)備完好性要求、系統(tǒng)的布置情況、初步維修方案、計劃的維修設(shè)備及器材、保障條件、安全要求以及人員配備，初步確定系統(tǒng)診斷需求和測試性要求。

（2）進(jìn)行初步測試性分析，確定測試性設(shè)計要求和約束條件。

2）方案階段

（1）制定測試性工作計劃／大綱，明確設(shè)計工作任務(wù)，何時實施，如何實施，誰負(fù)責(zé)。

（2）設(shè)計測試診斷方案，確定BIT、ATE 與人工測試的恰當(dāng)組合，選出最佳的系統(tǒng)測試診斷方案。

（3）測試性分配，把系統(tǒng)的測試要求指標(biāo)分配到各組成單元，并列入研制規(guī)范。

（4）進(jìn)行初步測試性設(shè)計，工作內(nèi)容包括制定BIT 設(shè)計方案、制定并貫徹測試性設(shè)計準(zhǔn)則、制定測試方法。

（5）進(jìn)行測試性評審，方案階段的測試性評審包括測試性工作計劃／大綱和測試診斷方案評審。

3）工程研制階段

（1）完成各層次產(chǎn)品的固有測試性設(shè)計，并進(jìn)行分析和評價

（2）分析設(shè)計各層次產(chǎn)品的測試方法，如優(yōu)選測試點、診斷順序、測試容差和防虛警措施等。

（3）進(jìn)行BITE硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，把測試性設(shè)計到具體產(chǎn)品中去，BITE硬件應(yīng)反映到產(chǎn)品設(shè)計資料上，BITE軟件要編入相關(guān)產(chǎn)品軟件文檔中。

（4）預(yù)計系統(tǒng)的故障檢測和隔離能力。

（5）制定測試性驗證計劃，確定驗證的具體內(nèi)容和方法，實施測試性驗證。

（6）測試性評審，進(jìn)行系統(tǒng)測試性設(shè)計分析評審。

4）生產(chǎn)和使用階段

（1）收集生產(chǎn)和使用中的測試性有關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）發(fā)現(xiàn)測試性方面的問題，采取必要的糾正措施。

4 結(jié)語

經(jīng)過測試性設(shè)計，有效提高了聲納系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性、任務(wù)可靠性和維修性，降低了維修人力和綜合保障資源費(fèi)用。

目前，故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用，工程應(yīng)用及技術(shù)分析［8］表明，PHM技術(shù)可以降低維修保障費(fèi)用、提高戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率［9］。

隨著信號處理、計算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，在實現(xiàn)BIT技術(shù)，ATE 技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)展的同時，逐漸完善綜合診斷技術(shù)，引入PHM 技術(shù)在聲納系統(tǒng)測試性設(shè)計中的應(yīng)用，引入TEAMS和eXpress等工具進(jìn)行設(shè)計和驗證［10］。從而進(jìn)一步提高聲納系統(tǒng)維修性和保障性，增加戰(zhàn)備完好性，降低系統(tǒng)的維修保障費(fèi)用。

［1］田仲，石君友．系統(tǒng)測試性分析與驗證［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：13-17．

［2］趙繼承，顧宗山，吳昊，等．雷達(dá)系統(tǒng)測試性設(shè)計［J］．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009（3）：174-179．

［3］孫啟亮，涂群章，孫敏，等．工程裝備測試性技術(shù)及應(yīng)用研究［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（12）：18-21．

［4］李奕，姬長法，聶士權(quán)．軍用飛機(jī)開展測試性設(shè)計技術(shù)的研究［J］．航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2011（4）：31-34．

［5］韓國泰．改進(jìn)目前測試性設(shè)計的若干建議［J］．測控技術(shù)，2003，22（11）：7-9．

［6］王厚軍．可測試性設(shè)計技術(shù)的回顧與發(fā)展綜述［J］．中國科技論文在線，2008，3（1）：52-58．

［7］韓慶田，盧洪義，楊興根．軍用裝備測試性技術(shù)發(fā)展趨勢分析［J］．儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）：352-354．

［8］Bridgman M S．Relating failure prognostics to system benefits［C］／／Aerospace Conference Proceedings 2002 IEEE［C］．2002，7：3521-3526．

［9］曾聲奎，Pecht M G，吳際．故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］．航空學(xué)報，2005，26（5）：626-632．

［10］楊冬健，王紅，劉金甫．航空設(shè)備的測試性設(shè)計和驗證技術(shù)概述［J］．測控技術(shù)，2001，20（8）：1-5．