徐景輝， 徐慧慶， 謝天樂， 萬 凱

(北京機(jī)電工程研究所，北京 100074)

目前，裝備的自動測試水平成為衡量裝備維修現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志，自動測試系統(tǒng)的研究成為各國裝備發(fā)展的重要內(nèi)容之一[1]。

美國對于自動測試系統(tǒng)的研制和應(yīng)用非常重視，他們將測試性作為裝備的一種設(shè)計特性[2]，其在自動測試領(lǐng)域的技術(shù)水平處在世界前列。我國自動測試系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從引進(jìn)、仿制到自行研制的過程，初步形成了“通用化、綜合化、模塊化”的發(fā)展系列。

當(dāng)前，我國在工業(yè)4.0時代的技術(shù)發(fā)展為自動測試系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提出了需求，提供了必要的技術(shù)條件，嘗試在新的工業(yè)技術(shù)發(fā)展的背景下討論特定使用條件下的測試技術(shù)和測試系統(tǒng)的設(shè)計。

1 自動測試系統(tǒng)與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展

測試技術(shù)隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展，測試系統(tǒng)的發(fā)展和演化與近現(xiàn)代工業(yè)有著密切的聯(lián)系。

工業(yè)1.0是機(jī)械制造時代，通過水力和蒸汽機(jī)實現(xiàn)工廠機(jī)械化，機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟(jì)社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到以工業(yè)、機(jī)械制造帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新模式。工業(yè)生產(chǎn)需要的測試測量儀器仍然以尺規(guī)等傳統(tǒng)工具或者是經(jīng)過改進(jìn)和完善的尺規(guī)工具為主，在這個時代和工業(yè)技術(shù)條件下，當(dāng)時的測試測量技術(shù)只是在數(shù)百年來傳統(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

工業(yè)2.0是電氣化與自動化時代，這次的工業(yè)革命因為有了電力，所以才進(jìn)入了由繼電器、電氣自動化控制機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)的年代。工業(yè)發(fā)展進(jìn)入電子技術(shù)時代后，半導(dǎo)體等電子器件的發(fā)明推動了電路發(fā)展，電氣自動化技術(shù)應(yīng)用于測試測量設(shè)備中，產(chǎn)生了以示波器、萬用表等為代表的電子測量儀器。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的測試依賴于當(dāng)時的儀器和測量技術(shù)水平，形成了流水線或生產(chǎn)線形式的測量形態(tài)，沒有形成系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)體系。

工業(yè)3.0是電子信息化時代，電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用使制造過程自動化控制程度大幅度提高。工廠大量采用由PC、PLC/單片機(jī)等控制的自動化機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。自此，機(jī)器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當(dāng)比例的“體力勞動”，還接管了一些“腦力勞動”。以互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)為代表的工業(yè)3.0時代，計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、軟件技術(shù)等普遍應(yīng)用于工業(yè)和日常生活場景，工業(yè)測試技術(shù)在此背景下得到飛速發(fā)展，針對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)測試需求，產(chǎn)生了以工業(yè)通信技術(shù)和工業(yè)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的測試測量儀器，數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)為測試系統(tǒng)奠定了自動化、信息化的技術(shù)基礎(chǔ)，在此階段大工業(yè)工程需要的自動測試系統(tǒng)發(fā)展迅速，測試系統(tǒng)具有自動化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點，出現(xiàn)了以CAMAKE、VXI、PXI、LXI等為代表的儀器總線和設(shè)備，出現(xiàn)了提供專業(yè)測試測量技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)的公司，進(jìn)一步推動測試測量技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步[3]。這個階段美國自動測試系統(tǒng)先后經(jīng)歷了專用化、模塊化和通用化3個階段[4-5]，其中“綜合測試設(shè)備族”、“聯(lián)合自動化支持系統(tǒng)”、“模塊化自動測試設(shè)備”成為自動測試系統(tǒng)的里程碑，主要技術(shù)成果以美國航空業(yè)的“鐵鳥”試驗系統(tǒng)、美國軍用MATE(通用自動監(jiān)測設(shè)備)、CASS(聯(lián)合自動支持系統(tǒng))、TETS(三級梯隊移動測試系統(tǒng))、IFTE(陸軍進(jìn)程測試設(shè)備)為代表[6]。

工業(yè) 4.0或者智能工業(yè)是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)進(jìn)化。作為未來第四次工業(yè)革命的代表，工業(yè) 4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng) (物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng))的方向發(fā)展。工業(yè)4.0具有自調(diào)適功能的智能化特點，能在設(shè)計制造過程中根據(jù)變化了的情況，利用大數(shù)據(jù)分析工具和智能技能軟件及時做出調(diào)整，工業(yè)4.0的出現(xiàn)是新技術(shù)成熟并融合的表現(xiàn)，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)信息融合三大技術(shù)是工業(yè)4.0的基石。這一切都預(yù)示著工業(yè)4.0時代，技術(shù)發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)需求會推動測試測量技術(shù)、測試系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需求。因此在工業(yè)4.0發(fā)展的趨勢下，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的自動測試技術(shù)和系統(tǒng)，對未來系統(tǒng)的研發(fā)具有時代和現(xiàn)實意義。

針對上一代自動測試系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的問題和技術(shù)發(fā)展，美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局與工業(yè)界聯(lián)合成立了多個技術(shù)工作組，將自動測試系統(tǒng)劃分為影響系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、互操作性和全壽命周期費用的多個關(guān)鍵元素，并以此為基礎(chǔ)建立了下一代測試系統(tǒng)開放式體系結(jié)構(gòu)[7-8]，以綜合保障需求為目標(biāo)演示了一種網(wǎng)絡(luò)中心測試與診斷系統(tǒng)。

總之集虛擬化、綜合化、網(wǎng)絡(luò)化于一體的網(wǎng)絡(luò)中心測試與評價技術(shù)適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展，代表了軍工試驗與測試技術(shù)未來的重要發(fā)展方向[9]。

2 工業(yè)4.0背景下的測試系統(tǒng)的技術(shù)特征和實現(xiàn)基礎(chǔ)

2.1 技術(shù)特征

2.1.1 形散而神不散

工業(yè)2.0到3.0背景下的測試形態(tài)具有從個體、單獨、流水線到系統(tǒng)優(yōu)化集成的特點，體現(xiàn)了由分散到集中、由獨立到系統(tǒng)的發(fā)展形態(tài)。系統(tǒng)化的測試系統(tǒng)有利于優(yōu)化配置測試資源，能夠?qū)⒏鞣N測試資源集中優(yōu)化設(shè)計，有利于模塊化、自動化設(shè)計。相比集中式測試系統(tǒng)形態(tài)，“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的形態(tài)轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建立一個高度靈活的智能化、數(shù)字化的服務(wù)形態(tài)的測試系統(tǒng)[10-12]。

工業(yè)4.0背景下的測試系統(tǒng)特點是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備聯(lián)系更加集中，設(shè)備分散、控制大腦集中，數(shù)據(jù)收集和傳輸分散、數(shù)據(jù)分析處理集中、請求服務(wù)模式交互。表現(xiàn)出“形散而神不散”的形態(tài)[13]。

2.1.2 模塊化、通用化、智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化

模塊化是測試系統(tǒng)的永恒主題，在工業(yè)4.0背景下的模塊化形式有別于完全物理形態(tài)的模塊化，該模塊化具有分布式布局的獨立終端，即能夠獨立工作又能夠通過無線通信網(wǎng)絡(luò)組成系統(tǒng)，空間布局相對自由。通用化指具有相同的定義和規(guī)范，模塊具有相同的接口形態(tài)，具有相同接口的模塊可以互換互聯(lián)。智能化是工業(yè)4.0最大的特點，也是測試系統(tǒng)應(yīng)該具備的特點，能夠智能存儲、智能交互信息，信息處理智能化，具有一定的推理判斷能力。信息化是工業(yè)4.0背景的基本特征，萬物互聯(lián)，測試系統(tǒng)的每個數(shù)據(jù)和操作都成為互聯(lián)系統(tǒng)的信息。標(biāo)準(zhǔn)化(工業(yè)4.0的必要條件)是指為了實現(xiàn)整個工作過程的協(xié)調(diào)運行、提高工作效率等目標(biāo)，而對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、接口、過程等制定統(tǒng)一規(guī)定，做出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。

2.1.3 融合于大工業(yè)環(huán)境，信息互聯(lián)物聯(lián)

未來，5G、AI、IoT等新ICT技術(shù)打造的信息流將是孕育萬物的基礎(chǔ)。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈、5G/6G通信、區(qū)塊鏈、量子通信等技術(shù)的支持下，測試系統(tǒng)既可以獨立地成為一個物聯(lián)系統(tǒng)，又能夠成為廣域互聯(lián)的一部分，通過廣域的物聯(lián)和信息融合網(wǎng)絡(luò)，使用戶隨時隨地能夠獲取需要的信息[16-17]。

工業(yè)4.0的軟件支持信息物理系統(tǒng)，通過3C技術(shù)，即計算(Computation)、通信(Communication ) 和控制 (Control ) 的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。通過計算、通信與物理系統(tǒng)的一體化設(shè)計，形成可控、可信、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)來實現(xiàn)深度融合與實時交互，以安全、可靠、高效和實時的方式檢測或者控制一個物理實體。本質(zhì)上是以人、機(jī)、物的融合為目標(biāo)的計算技術(shù)，從而實現(xiàn)人的控制在時間、空間等方面的延伸，因此測試系統(tǒng)也會融合在工業(yè)發(fā)展的大環(huán)境中，形成“人-機(jī)-物”融合的信息物理系統(tǒng)。

2.2 測試系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)

2.2.1 通信技術(shù)

當(dāng)前的通信技術(shù)不能滿足自動測試系統(tǒng)保密、室內(nèi)外復(fù)雜場景可靠性通信以及通信低延時性的需求。未來通信技術(shù)的進(jìn)步為分布式架構(gòu)提供了技術(shù)條件。

隨著5G、AI等信息工程新基建項目開展，通信技術(shù)會得到飛速發(fā)展。當(dāng)前5G的無線傳輸速度可以達(dá)到20 Gbit/s，輕松達(dá)到每秒百兆以上，低延遲率將其延時縮短到不到1 ms，幾乎是實時的。5G連接密度極大，連接數(shù)密度可達(dá)每平方千米100萬個，從而有效支持海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入；流量密度可達(dá)每平方米10 Mbit/s，允許所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無縫接入互聯(lián)網(wǎng)，永久在線。網(wǎng)絡(luò)超高速、超低延遲、實時在線使得云端計算結(jié)果在個人終端設(shè)備實時顯示成為可能。新形態(tài)下，設(shè)備可以不需要具備完整運算能力的硬件，而只需要接入5G網(wǎng)絡(luò)即可，按照所需的運算能力申請云端服務(wù)[18-19]。得益于5G的高速“零”延遲無線網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用功能可在云端服務(wù)器完成，設(shè)備終端只需要一臺聯(lián)網(wǎng)顯示的智能終端，申請云端服務(wù)即可，云端運算服務(wù)根據(jù)需求建立云服務(wù)器，統(tǒng)一調(diào)配算力，優(yōu)化資源配置。數(shù)字化新基礎(chǔ)設(shè)施以數(shù)字化、智能化為支撐，是數(shù)字時代的信息高速公路，這條信息高速公路將承載千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，從而催生更大的發(fā)展勢能。

基于量子中繼的量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得重大突破，在國際上首次實現(xiàn)相距50 km光纖的存儲器間的量子糾纏，為構(gòu)建基于量子中繼的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。通過技術(shù)改進(jìn)，經(jīng)過50 km光纖僅衰減至3%，效率較之前提高了16個數(shù)量級，通過中繼實現(xiàn)了500 km的光纖量子通信，通過衛(wèi)星中繼實現(xiàn)了1000 km的量子密鑰分發(fā)。為量子通信的廣域組網(wǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

無線局域網(wǎng)技術(shù)(WLAN)是物聯(lián)網(wǎng)時代的主流無線通信技術(shù)之一。它是一種基于無線射頻技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將區(qū)域內(nèi)的多個支持相同無線協(xié)議的設(shè)備連接到同一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。最新一代支持EEE802.11ax標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)將5G領(lǐng)域的射頻技術(shù)、算法以及5G組網(wǎng)概念引入IP領(lǐng)域，具備了10 Gbit/s峰值速率、10 ms時延，應(yīng)用覆蓋室內(nèi)、室外各類場景，為室內(nèi)設(shè)備的互聯(lián)提供了條件。

2.2.2 電源技術(shù)

測試系統(tǒng)需要電源作為能量為測試系統(tǒng)本身或者被測對象提供能源，因此電源技術(shù)的發(fā)展為新形態(tài)測試系統(tǒng)的構(gòu)建提供了技術(shù)支撐。測試系統(tǒng)的電源提高了能量密度,但是對于抗沖擊、模塊化、測試性設(shè)計、電源的功率體積比、智能化管理等方面仍不能滿足系統(tǒng)需要。電源技術(shù)的發(fā)展決定了測試系統(tǒng)組態(tài)的體積、靈活性和智能程度。

電源經(jīng)過分離元器件、功率集成電路搭建的交直流變換電源逐步向蓄電池、超級電容、石墨烯電池等新能源發(fā)展。當(dāng)前信息系統(tǒng)主流供配電逐步采用基于智能鋰電特性的UPS供配電解決方案，多方位保障大型系統(tǒng)的供配電的可靠性。緊貼供配電需求，現(xiàn)在的供配電技術(shù)將輸入輸出和電源管理融合于一體，全模塊冗余設(shè)計，系統(tǒng)無單點故障，具備全鏈路可視、關(guān)鍵部件失效預(yù)警、失火風(fēng)險提前關(guān)斷功能，保障系統(tǒng)可靠運行，同時簡化運維工作。鋰電池UPS系統(tǒng)支持新舊電池柜混用，并聯(lián)環(huán)流可以控制在2%以下，具備可靠性高、使用壽命長、運維簡單等優(yōu)點。預(yù)制電力模塊解決方案可以將配電系統(tǒng)的變壓器、輸入輸出配電柜、制冷等智能融合在一起，采用模塊化插拔式設(shè)計，具備主動均流技術(shù)，支持新舊電池組混并，通過供電全鏈路監(jiān)測，可實現(xiàn)毫秒級的故障檢測和故障隔離、分鐘級的故障恢復(fù)，同時可以精確預(yù)測電池壽命和健康度，及時排除有失效隱患的電池組，變被動告警為主動預(yù)防，極大地提高了能源基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性和可用性。

石墨烯電池結(jié)合當(dāng)前智能化的供配電技術(shù)具有如下特點：極致可靠，采用最安全電芯，采用均壓控制模塊，實現(xiàn)電池模塊級容錯設(shè)計，消除單點故障；按需部署，數(shù)字化重構(gòu)簡單高效，模塊化設(shè)計，支持功率模塊按需部署和擴(kuò)容。

系統(tǒng)供配電新能源時代已經(jīng)到來，UPS創(chuàng)新性結(jié)合電子技術(shù)與數(shù)字化智能技術(shù)，模塊化設(shè)計，高達(dá)97%的最高效率，支持功率模塊按需部署和擴(kuò)容；使用壽命長達(dá)15年，并以永遠(yuǎn)在線、簡單易用等特性引領(lǐng)供電數(shù)字化。為系統(tǒng)供配電設(shè)計提供了更多可選擇的技術(shù)方案。

2.2.3 高速AD及數(shù)字信號處理技術(shù)

數(shù)字化是工業(yè)4.0的特征，基于AD采樣的圖像處理、信號特征提取、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)學(xué)計算，在計算機(jī)輔助下應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)相對成熟。目前高速AD采樣能夠達(dá)到1 Gbit/s以上的速率，離散數(shù)字信號加上各種算法能夠滿足信號測量、圖像處理等使用要求，為示波測量奠定基礎(chǔ)。AD數(shù)據(jù)預(yù)處理和IC集成技術(shù)使數(shù)字信號前端設(shè)計變得更加簡單、可靠和經(jīng)濟(jì)，AD采樣數(shù)據(jù)傳輸也得到集成。串行傳輸技術(shù)不僅克服了輸出速率不足的問題，而且不存在高速傳輸并行信號的偏移問題，可以顯著提高通信系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸效果，能夠滿足航天、雷達(dá)、通信等需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的領(lǐng)域的需求。前端AD變換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募蓱?yīng)用使高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用變得簡單、高效和經(jīng)濟(jì)，隨著智能傳感器技術(shù)的發(fā)展和集成化程度的提高，數(shù)據(jù)的收集已經(jīng)變得簡單和可行，為測試系統(tǒng)數(shù)字化智能化的前端設(shè)計奠定了物理基礎(chǔ)。

2.2.4 軟件技術(shù)

測試系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，是對于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系的定義、人工智能應(yīng)用、跨終端設(shè)計、底層安全性設(shè)計等需要更新的技術(shù)支持[20]。

伴隨著工業(yè)4.0的不斷深入，軟件技術(shù)的重要性也日益提升，并且發(fā)展勢頭迅猛。將在工業(yè)4.0舞臺上登場的主角包括連接虛擬空間與物理現(xiàn)實的信息物理系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間協(xié)調(diào)工作的通信系統(tǒng)，以及對網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)進(jìn)行充分運用的軟件系統(tǒng)。

未來大數(shù)據(jù)發(fā)展的終極目標(biāo)是沒有數(shù)據(jù)，即通過對傳感器、裝備的了解與掌控，使收集數(shù)據(jù)成為不必要的工作，通過工業(yè)IT設(shè)施收集、傳輸和分析處理大數(shù)據(jù)，利用云計算對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而云計算的發(fā)展，也使分析與處理大數(shù)據(jù)變得更加高速與高效[21]。

下一代的操作系統(tǒng)為了適應(yīng)4.0時代應(yīng)用需求，初步具有如下能力:① 分布式架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨終端無縫協(xié)同，將相應(yīng)分布式應(yīng)用的底層技術(shù)實現(xiàn)難度對應(yīng)用開發(fā)者屏蔽，使得開發(fā)者能夠聚焦自身業(yè)務(wù)邏輯，像開發(fā)同一終端一樣開發(fā)跨終端分布式應(yīng)用，也使得跨終端業(yè)務(wù)協(xié)同能力最終為各使用場景帶來無縫體驗。② 確定時延和高性能IPC技術(shù)應(yīng)用能夠保證系統(tǒng)流暢。確定時延技術(shù)在任務(wù)執(zhí)行前分配系統(tǒng)中對任務(wù)執(zhí)行優(yōu)先級及時限進(jìn)行調(diào)度處理，優(yōu)先級高的任務(wù)資源將優(yōu)先保障調(diào)度。③ 基于微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)將重塑終端設(shè)備的可信安全性?；谛碌膬?nèi)核架構(gòu)設(shè)計的操作系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的安全特性和低時延等特點，在操作系統(tǒng)內(nèi)核之外的用戶可以盡可能多地實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)，同時加入相互之間的安全保護(hù)，能夠為用戶提供更加安全可信的系統(tǒng)控制。④ 未來的軟件開發(fā)將是通過統(tǒng)一IDE支撐一次開發(fā)，多端部署，實現(xiàn)跨終端生態(tài)共享，操作系統(tǒng)提供方將同時為使用者提供高效的開發(fā)工具和環(huán)境，滿足用戶二次開發(fā)設(shè)計需求。

軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)也是工業(yè)4.0時代的主要網(wǎng)絡(luò)特點之一。目前，無線網(wǎng)絡(luò)面臨著一系列的挑戰(zhàn)，首先，無線網(wǎng)絡(luò)中存在大量的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(如：LTE、 Wimax、UMTS、 WLAN 等)，由于現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)采用了垂直架構(gòu)的設(shè)計模式，異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)難以互通、資源優(yōu)化，存在無線資源浪費的現(xiàn)象。此外， 網(wǎng)絡(luò)中的一對多模型(即單一網(wǎng)絡(luò)特性對多種服務(wù))無法針對不同服務(wù)的特點提供定制的網(wǎng)絡(luò)保障。軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將控制平面從分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中解耦， 實現(xiàn)邏輯上的網(wǎng)絡(luò)集中控制，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則由集中控制器統(tǒng)一下發(fā)，可以獲取、更新、預(yù)測全網(wǎng)信息，能夠很好地優(yōu)化和調(diào)整資源分配，簡化了網(wǎng)絡(luò)管理，提高了無線網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

3 工業(yè)4.0條件下的測試系統(tǒng)形態(tài)及構(gòu)建

在工業(yè)4.0時代測試系統(tǒng)應(yīng)用需要具備以下5個核心能力。

① 集成大量實時信息和歷史操作信息；

② 建立和維護(hù)持久、穩(wěn)固的不同數(shù)據(jù)源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

③ 通過業(yè)務(wù)規(guī)則和模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而實現(xiàn)實時的智能操作；

④ 展現(xiàn)直觀的圖形化智能信息；

⑤ 根據(jù)需要，自動將相關(guān)操作信息傳輸?shù)礁鱾€智能終端，提升信息和知識在測試系統(tǒng)內(nèi)的共享效率。

圍繞這些系統(tǒng)需求，提出一種測試系統(tǒng)形態(tài)和框架，闡述如下。

3.1 基于復(fù)合總線的系統(tǒng)架構(gòu)

依托于工業(yè)4.0時代的信息物理系統(tǒng)而構(gòu)建的自動測試系統(tǒng)將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，使得物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自動控制等五大功能。具體來說，自動測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理中心、智能前端、能源中心和數(shù)據(jù)通道4大功能模塊，各功能模塊通過數(shù)據(jù)通道連接成系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制信息交互。自動測試系統(tǒng)的功能架構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)基于信息物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，依托于傳感器、軟件、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、新型人機(jī)交互方式，實現(xiàn)測試系統(tǒng)的智能化、分布式、自動化的形態(tài)布局和測試功能。

圖1 工業(yè)4.0條件下的測試系統(tǒng)形態(tài)示意圖

數(shù)據(jù)通道是測試系統(tǒng)信息傳輸?shù)耐ǖ揽偡Q，用來傳輸智能終端、能源中心之間和它們與數(shù)據(jù)處理中心之間的數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，是信息傳輸?shù)母咚俟罚瑪?shù)據(jù)通道被設(shè)計為復(fù)合總線，包括室內(nèi)5G信號通道、室外5G信號通道、智能終端模塊間高速數(shù)據(jù)傳輸通道等。數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)傳輸延遲小于1 ms，傳輸平均下載速度不小于700 Mbit/s。能滿足測試系統(tǒng)實時性要求。數(shù)據(jù)通道同時具有加解密功能，對在通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密解密處理。

數(shù)據(jù)處理中心在5G網(wǎng)絡(luò)中，物理位置比較靈活，可以與智能前端在同一廠房，也可以在具有5G網(wǎng)絡(luò)的任何地點，通過5G網(wǎng)絡(luò)與其他模塊連接。數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與數(shù)據(jù)前端進(jìn)行通信，監(jiān)測能源中心的運行，獲取系統(tǒng)內(nèi)各模塊的工作狀態(tài)。與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行交互。通過信息處理、人工智能等技術(shù)的集成與融合，可以形成具有感知、分析、推理、決策、執(zhí)行等智能化的數(shù)據(jù)處理中心。通過后臺積累豐富的數(shù)據(jù)，然后構(gòu)建需求結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，為智能終端提供所需的請求服務(wù)。

智能前端靠近被測對象，負(fù)責(zé)采集測量對象的數(shù)據(jù)，包括各種信號、圖像、數(shù)據(jù)，提供測試對象需要的各種激勵信號。智能前端與數(shù)據(jù)處理中心通過5G網(wǎng)絡(luò)連接，上傳智能前端的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息、向數(shù)據(jù)處理中心提出請求服務(wù)，執(zhí)行交互信息中的命令。管理智能前端的工作狀態(tài)。智能前端將傳感器、處理器、存儲器、通信模塊、傳輸系統(tǒng)集成優(yōu)化，使其具有動態(tài)存儲、感知和通信的能力，實現(xiàn)測試過程的可追溯、可識別、可定位。

能源中心負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)供電、供電管理，為被測對象提供所需要的電能，提供供電安全保護(hù)。能源中心可以由多個模塊化電源組成，各電源模塊可以分布式布局，也可以通過電源管理系統(tǒng)串并聯(lián)成為功率更大的電源。

3.2 數(shù)據(jù)通道

數(shù)據(jù)通道是具有時代特征的通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，包括分布式通道的構(gòu)件、數(shù)據(jù)通道兩端的構(gòu)件和智能終端的構(gòu)件。數(shù)據(jù)通道具有統(tǒng)一的接口規(guī)范和數(shù)據(jù)協(xié)議，是應(yīng)用和設(shè)計測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。利用模塊化通用化的數(shù)據(jù)通道能夠靈活組建測試系統(tǒng)，能夠改造原有的測試系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景，測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道的示意圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道示意圖

分布式數(shù)據(jù)傳輸通道采用5G聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行傳輸，采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)對傳輸通道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。數(shù)據(jù)傳輸通道采用分層實現(xiàn)的方式，分為物理層協(xié)議(主要基于5G通信技術(shù)，用于底層物理信號的處理和數(shù)據(jù)傳輸)、中間層協(xié)議(主要用于數(shù)據(jù)加解密的數(shù)據(jù)加工)和應(yīng)用層協(xié)議(用于用戶獲取數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行解密和緩沖存儲處理)。 數(shù)據(jù)通道的兩端布局為基于5G基帶芯片的通信模塊，采用智能數(shù)據(jù)存儲智能全閃存技術(shù)，保證數(shù)據(jù)收發(fā)存儲的速度和可靠性。數(shù)據(jù)交互接口采用工業(yè)上常用的總線技術(shù)，智能前端內(nèi)的模塊也采用總線架構(gòu)，保證數(shù)據(jù)通道接口的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化。智能前端內(nèi)部模塊接口可以采用傳統(tǒng)的PXI、PC104、1553B等成熟的工業(yè)總線形式，依據(jù)智能前端功能和性能設(shè)計而定，但是在數(shù)據(jù)通道的設(shè)計規(guī)范中明確各工業(yè)總線應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，智能前端內(nèi)部功能模塊間的數(shù)據(jù)傳輸通道，根據(jù)實際應(yīng)用需要進(jìn)行設(shè)計和應(yīng)用。

3.3 數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心提供測試系統(tǒng)的計算、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能，實現(xiàn)計算、通信和控制的融合與協(xié)作，為系統(tǒng)提供實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。通過軟件定義無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)邏輯上的網(wǎng)絡(luò)集中控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，獲取、更新、預(yù)測全網(wǎng)信息，優(yōu)化和調(diào)整資源分配，簡化網(wǎng)絡(luò)管理。數(shù)據(jù)處理中心集成大量實時信息和歷史操作信息，處理不同數(shù)據(jù)源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過業(yè)務(wù)規(guī)則和模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)實時的智能操作，向用戶展現(xiàn)直觀的圖形化智能信息，并根據(jù)需要將相關(guān)操作信息傳輸?shù)礁鱾€智能前端，使信息和知識在測試系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)共享。數(shù)據(jù)處理中心被設(shè)計為云端服務(wù)器，實現(xiàn)測試系統(tǒng)的所有管理和運算能力，為智能前端、能源中心和遠(yuǎn)程用戶提供各種請求服務(wù)，為客戶提供快速有效的設(shè)備維修的技術(shù)服務(wù)。

數(shù)據(jù)處理中心是整個測試系統(tǒng)的核心，包括前端數(shù)據(jù)接收存儲，中端數(shù)據(jù)分析處理，后端數(shù)據(jù)存儲備份等部分，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理中心結(jié)構(gòu)

前端數(shù)據(jù)接收存儲模塊主要由DSP處理器構(gòu)成，通過總線與數(shù)據(jù)通道模塊交互信息，對接收的數(shù)據(jù)信息實時加工處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳送到中端數(shù)據(jù)分析處理設(shè)備。前端數(shù)據(jù)接收存儲采用智能全閃存技術(shù)，該技術(shù)在當(dāng)前的通信領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到2000萬IOPS以及0.1 ms時延，采用全互聯(lián)高可靠架構(gòu)，確保單系統(tǒng)最大可容忍幾個控制器失效(例如8壞7)，做到數(shù)據(jù)前端接收存儲的安全可靠；性能方面，2000萬IOPS以及0.1 ms時延能夠滿足數(shù)據(jù)交互的實時性。

中端數(shù)據(jù)分析處理為高性能計算機(jī)，負(fù)責(zé)運行測試控制程序，接收前端數(shù)據(jù)模塊送來的需要顯示的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以表格、圖表、動畫等形態(tài)生動地呈現(xiàn)給用戶，提供良好的人際交互界面和功能。同時將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器用于保存。中端服務(wù)計算機(jī)同時負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理和云端服務(wù)。數(shù)據(jù)分析處理部分用于對數(shù)據(jù)處理中心接收的數(shù)據(jù)實時處理，對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，通過圖形、動畫、3D動態(tài)圖等直觀的形式顯示給用戶；對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時計算、判斷、分析、比較等處理。對命令數(shù)據(jù)進(jìn)行及時處理，響應(yīng)智能終端的指令，根據(jù)應(yīng)用程序和測試程序請求發(fā)送控制命令，控制整個測試系統(tǒng)的運行。

數(shù)據(jù)存儲部分主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。由計算機(jī)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件共同構(gòu)成了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器為客戶應(yīng)用提供服務(wù)，這些服務(wù)包括查詢、更新、事務(wù)管理、索引、高速緩存、查詢優(yōu)化、安全和多用戶存取控制等。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存的數(shù)據(jù)包括測試系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)信息，智能前端產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的中間數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供監(jiān)控性能、并發(fā)控制等工具。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)、啟動和停止數(shù)據(jù)庫的管理工具。服務(wù)器可以移植到功能更強(qiáng)的計算機(jī)上，不涉及處理數(shù)據(jù)的重新分布問題。數(shù)據(jù)后端提供數(shù)據(jù)存儲備份，是專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器，滿足數(shù)據(jù)可靠存儲、檢索等數(shù)據(jù)管理的需要。

3.4 智能前端

智能前端為測試系統(tǒng)通用化模塊結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)建各種測試功能模塊和激勵信號源，是模塊化設(shè)計的容器。智能模塊包括通用智能架構(gòu)和功能模塊。通用智能架構(gòu)由通用的標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)柜機(jī)箱、供配電系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)和功能模塊等組成。智能前端架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 智能前端架構(gòu)示意圖

智能前端除了通用化的接口外還具有分布式布局的通信組網(wǎng)接口。信號測量采用基于高速AD采樣的數(shù)字示波技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合數(shù)字信號處理算法能夠滿足所有信號量的測量需求。智能前端提供了構(gòu)建各種信號源的公共資源，在這些資源的基礎(chǔ)上可以輕松構(gòu)建光學(xué)、微波信號源并提供測試測量需要的微波信號、光學(xué)信號或者電磁信號。

智能前端提供測試功能所需要的各種測試測量資源，提供的公共資源負(fù)責(zé)處理組成系統(tǒng)所需要的網(wǎng)絡(luò)資源。

3.5 能源中心

能源部分為測試對象和測試系統(tǒng)自身提供能源。能源系統(tǒng)為分布式模塊化設(shè)計，根據(jù)測試系統(tǒng)的能源需求進(jìn)行分布式配置，能量根據(jù)測試功能模塊需求和測試對象的能量需求進(jìn)行分布式配置，各能源模塊通過測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道與數(shù)據(jù)處理中心連接，將電源的狀態(tài)信息實時反饋到信息處理中心，接收信息處理中心的控制消息。供電系統(tǒng)是支撐整個測試系統(tǒng)平穩(wěn)運行的核心部分，需要滿足供電極高可靠、極簡運維的需求。

能源中心是整個測試系統(tǒng)能源部分的總稱，分布于測試系統(tǒng)的各個功能模塊或者是獨立成為一個功能模塊，電源采用全模塊的設(shè)計和模塊化插拔式設(shè)計，維護(hù)簡單；通過模塊的串并聯(lián)和主動均流技術(shù)模塊化組裝成各種功率模塊，電源模塊的均流技術(shù)支持新舊電池模塊混并，擴(kuò)容簡單。每個電源模塊上都有一個智能管理模塊，保證電源的電流和電壓均衡，可將它們自動調(diào)整到最穩(wěn)定的工作的狀態(tài)，并能夠通過AI和大數(shù)據(jù)的方式，對電源生命周期的一些狀態(tài)、健康度進(jìn)行評估和預(yù)測，來保證工作的安全。配電融合設(shè)計，全鏈路監(jiān)控層層保障電源的可靠性，充分滿足測試系統(tǒng)可靠運行的要求。

4 國產(chǎn)化跨平臺軟件系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)為松耦合、分布式系統(tǒng)，智能數(shù)據(jù)終端、功能模塊、電源管理、用戶界面、數(shù)據(jù)處理中心等分別具有不同的功能需求和硬件基礎(chǔ)，因此需要測試軟件運行的平臺能夠面向全場景分布式操作，能夠同時滿足全場景流暢體驗、架構(gòu)級可信安全、跨終端無縫協(xié)同以及一次開發(fā)多終端部署的要求，打通手機(jī)、電腦、平板、電視等用戶終端。

測試軟件基于下一代的國產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，實現(xiàn)國產(chǎn)化和跨平臺應(yīng)用。因此軟件設(shè)計選擇下一代的國產(chǎn)化操作系統(tǒng)，選擇真正能夠滿足跨平臺、分布式、架構(gòu)級安全可信，能夠提供設(shè)計開發(fā)環(huán)境和軟件應(yīng)用生態(tài)的國產(chǎn)化操作系統(tǒng)。軟件的架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境取決于未來國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的開源程度，測試軟件的設(shè)計也會成為國產(chǎn)軟件生態(tài)系統(tǒng)中的一個應(yīng)用分支。軟件的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)示意圖

5 結(jié)束語

技術(shù)進(jìn)步為工業(yè)4.0的生產(chǎn)組織形態(tài)形成提供了條件，工業(yè)4.0生產(chǎn)發(fā)展為技術(shù)的應(yīng)用提供了土壤，未來在5G技術(shù)、人工智能、量子通信、自動控制、新型智能傳感器的加持下，包括測試技術(shù)和測試設(shè)備在內(nèi)的各項技術(shù)和設(shè)備形態(tài)都會得到時代技術(shù)的哺育，產(chǎn)生適應(yīng)時代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的新的成果，為裝備保障及自動測試設(shè)備的發(fā)展及超越提供契機(jī)。