BIT技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述

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(陸軍裝甲兵學(xué)院 控制工程系，北京 100072)

0 引言

BIT(built-in-test，也稱機內(nèi)測試、機內(nèi)自檢測)的定義是系統(tǒng)或設(shè)備自身為故障檢測、隔離或診斷提供的自動測試能力[1]。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，BIT技術(shù)的產(chǎn)生是一個必然結(jié)果，因傳統(tǒng)的工程設(shè)計手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段“并行工程”的要求。BIT技術(shù)的核心目的就是提高裝備系統(tǒng)的可靠性、維修性和測試性。從各實際應(yīng)用案例分析來看該技術(shù)是近年來提高電子系統(tǒng)測試性、維修性的最有效果的技術(shù)之一。被廣泛應(yīng)用于各種軍民用飛機、船舶、車輛等對可靠性有較高要求的大型復(fù)雜系統(tǒng)中，該技術(shù)主要被用于各系統(tǒng)裝備的設(shè)計中，另外在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和決策維修等方面也起著重要的作用。

與傳統(tǒng)的故障診斷與監(jiān)控技術(shù)不一樣的是，在BIT技術(shù)中包含了一種新的“測試性設(shè)計”，它所要考慮的問題是在系統(tǒng)設(shè)計的一開始就把該系統(tǒng)的測試性考慮在其中，然后再進行測試性設(shè)計；實現(xiàn)良好的測試性就是利用已經(jīng)設(shè)計在被測單元中的具有自測試的硬件或軟件來對被測件進行測試與分析，這就需要從被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和層次方面考慮。通過這種設(shè)計可以實現(xiàn)各級故障的自動檢測與隔離。

1 BIT技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

BIT技術(shù)在國外應(yīng)用較早。從20世紀(jì)70年代開始，由于軍用裝備不斷增長的可測試性需求，BIT技術(shù)開始在航空電子等大型武器裝備領(lǐng)域上得到應(yīng)用，相關(guān)的理論研究也隨之展開。作為新發(fā)展的理論技術(shù)，在這個時期相關(guān)研究機構(gòu)為BIT技術(shù)制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這里面包括美國航空無線電公司(ARINC)的《BITE設(shè)計和使用指南》與《機載維修設(shè)計指南》，美國國防部的《設(shè)備或系統(tǒng)的BIT、外部測試、故障隔離和測試性特性要求的驗證及評價》與《系統(tǒng)及設(shè)備維修性管理大綱》等。

BIT技術(shù)發(fā)展于大型武器裝備系統(tǒng)，并且也是最早在這些領(lǐng)域上得到成熟應(yīng)用，典型代表有美軍的輕型戰(zhàn)斗機F-16、第四代隱身戰(zhàn)斗機F-22、隱身轟炸機B-2和主戰(zhàn)坦克M1等，經(jīng)過實際的驗證，借助于BIT技術(shù)，上述武器裝備的測試性得到了很大程度的提高。隨著BIT技術(shù)的進一步發(fā)展，BIT技術(shù)朝著別的領(lǐng)域發(fā)展，如軍用電子設(shè)備和民間高科技電子產(chǎn)品領(lǐng)域，集成電路(IC)設(shè)計便是其中之一。為滿足規(guī)模越來越大的集成電路的測試性需求，聯(lián)合測試行動組織(JTAG)提出了邊界掃描技術(shù)這一適用于數(shù)字電路的機內(nèi)測試方法，隨后IEEE測試技術(shù)委員會將其設(shè)為IEEE1149系列測試標(biāo)準(zhǔn)，促進了機內(nèi)測試技術(shù)在超大規(guī)模集成電路中的發(fā)展，并且對于數(shù)?；旌想娐返臏y試進研究也起到了促進作用，這極大地改善了電子設(shè)備的可測性。

在BIT技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用中，雖然其在幫助裝備改善測試性上取得了顯著的效果，但也在實際運用中暴露出了一些問題，如虛報誤報、使用維護費用高、測試效果不如預(yù)期等。國外軍方與工業(yè)部門對其相當(dāng)重視并對其進行了深入的研究，他們認(rèn)為這些問題的根源在于實際的測試檢測中缺乏綜合各診斷要素的手段。對此，美國國防工業(yè)協(xié)會(NDIA)提出了“綜合診斷”的概念，旨在使用一定途徑對能夠幫助進行武器裝備診斷的各方要素進行綜合。從20世紀(jì)90年代至今，武器裝備系統(tǒng)的信息化與綜合化程度有了大幅的提高，系統(tǒng)也隨之越發(fā)復(fù)雜。傳統(tǒng)的以機械修復(fù)為主的維不是往常的定期維護和事后維修，而是對其運行狀態(tài)進行的實時監(jiān)測，并據(jù)此制定合適的維護計修保障開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^獲取、傳輸、處理信息來進行的維修決策，這些新型裝備需求的劃與維修方案，以此來綜合提高裝備的測試性與可靠性。至今，BIT技術(shù)的發(fā)展已從最開始的一個相對獨立的測試診斷技術(shù)轉(zhuǎn)化為綜合故障檢測與診斷系統(tǒng)中的一個核心技術(shù)。

對比國外研究狀況，國內(nèi)BIT技術(shù)研究起步較晚，從整體上來說，國內(nèi)的BIT技術(shù)研究著重于應(yīng)用與具體實現(xiàn)方面，理論研究則相對較少，但也已經(jīng)引起了相關(guān)專業(yè)研究者的重視。

對于BIT的研制運用較多的集中于大型或關(guān)鍵的武器裝備系統(tǒng)上。如呂雋、劉維罡為解決導(dǎo)彈的測試性水平低問題使用了BIT技術(shù)，并且充分運用到了既有的硬件條件實現(xiàn)邊界掃描BIT技術(shù)，避免因外加的額外硬件而導(dǎo)致的可靠性隱患。權(quán)赫等人對運載火箭電氣系統(tǒng)全面實現(xiàn)BIT的可能性進行了研究，在提高故障檢測率、故障隔離率的同時也防止引入BIT測試模塊故障導(dǎo)致的虛警究，提出了控制系統(tǒng)BIT的設(shè)計方案和工作原理[2]，最后從故障檢測率、故障隔離率、虛警率等方面對系統(tǒng)方案進行了分析評價[3]。該方案同樣是利用到了當(dāng)前該系統(tǒng)既有的微處理器等硬件設(shè)備設(shè)計BIT方案，在提高故障檢測率、故障隔離率的同時也防止引入BIT測試模塊故障導(dǎo)致的虛警問題[4]。而孫旭升等對工作環(huán)境惡劣的核動力裝置運用BIT技術(shù)構(gòu)建了PHM，即預(yù)測與健康管理系統(tǒng)。李志強、繆毅等則是在已經(jīng)應(yīng)用BIT技術(shù)比較廣泛的雷達領(lǐng)域內(nèi)進一步對BIT技術(shù)進行優(yōu)化改進，他們先是在雷達BIT系統(tǒng)中使用經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷技術(shù)，隨后進一步將BIT技術(shù)的虛警問題細(xì)分為“假報”與“錯報”，使用隱馬爾可夫模型抑制假報，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論進行故障定位，從而抑制錯報現(xiàn)象[5]。

國內(nèi)對BIT理論研究主要是從診斷策略改進與資源配置優(yōu)化方面進行研究。杜敏杰等使用多信號流圖建立測試與故障之間的模型，并且以故障檢測率、隔離率、虛警率為約束進行測試點的非線性規(guī)劃，并且在此基礎(chǔ)上建立了以測試代價最小為優(yōu)化目標(biāo)的BITE、ATE資源分配模型[6]。于功敬等對當(dāng)前國內(nèi)研究較多的四種測試診斷策略優(yōu)化方法：AO*搜索算法、蟻群算法、離散粒子群算法以及混合離散粒子群-遺傳算法的優(yōu)缺點進行了比較論述，并且對裝備壽命周期中的各階段測試項目和測試資源的調(diào)度優(yōu)化進行了討論與展望。郭明威通過建立待測系統(tǒng)的相關(guān)性模型，綜合考慮可靠性和測試代價，利用AO*算法構(gòu)建決策樹，根據(jù)信息量的大小依次選擇測試點，確定出優(yōu)化的診斷策略序列[7]。張陟在此基礎(chǔ)上引入信息熵理論，提出了優(yōu)化的啟發(fā)式信息熵算法[8]。

隨著武器裝備的更新?lián)Q代，BIT技術(shù)的硬件需求也會得到滿足，擴大BIT技術(shù)的使用范圍將是未來國內(nèi)研究發(fā)展的一個方向。雷凌毅等就針對某型車載炮的電氣系統(tǒng)，設(shè)計了BIT與ATE聯(lián)合使用的故障診斷系統(tǒng)。在對特種車輛故障診斷與健康管理系統(tǒng)的功能需求、總體架構(gòu)、硬件和軟件組成等技術(shù)進行了初步研究的基礎(chǔ)上，提出一套能夠利用車輛綜合電子系統(tǒng)提供的硬軟件資源實現(xiàn)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)的功能測試和性能監(jiān)控的系統(tǒng)[9]。

2 BIT關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

機內(nèi)測試技術(shù)是提高系統(tǒng)可測試性、穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)裝備維護費用的關(guān)鍵技術(shù)[10]。利用設(shè)置在系統(tǒng)內(nèi)部的軟硬件檢測部分，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部的在線檢測檢測功能其具體作用如表1所示。

表1 機內(nèi)測試技術(shù)功能說明

系統(tǒng)的可測試性是指在一定的條件下，系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確的確定其狀態(tài)(可工作、不可工作、性能下降)和隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計特性，而測試性設(shè)計就是以提高系統(tǒng)測試性為目的的設(shè)計手段[11]。當(dāng)前有關(guān)測試性研究的迅猛發(fā)展，測試性、穩(wěn)定性、可靠性、維修性已經(jīng)成為相關(guān)的學(xué)科。為了提高系統(tǒng)工作可靠性和可維護性，一般就是通過提高系統(tǒng)的可測試性來完成。

測試性的內(nèi)涵主要分為自動測試設(shè)備(ATE)和BIT兩個大塊。傳統(tǒng)的測試手段還是通過使用外部的測試性儀器(ETE)對被測設(shè)備進行檢測分析，ATE是ETE的自動產(chǎn)物。ATE的缺點顯露在，維護費用較高、設(shè)備種類繁多、操作流程相對復(fù)雜、人員技術(shù)水平要求高，并且不能對設(shè)備進行在線檢測。反觀BIT測試技術(shù)，系統(tǒng)主裝備不需要經(jīng)過外部多家的設(shè)備就能完成對各系統(tǒng)的功能檢測、故障診斷與隔離以及性能測試，不僅僅是簡單的離線測試[12]。隨著武器裝備的跟新?lián)Q代，明顯針對維修性要求的提高，需要武器裝備自身增添有檢測隔離故障的能力，具備這種能力以達到縮短維修時間。所以BIT技術(shù)在目前的研究領(lǐng)域占據(jù)了了一席之地。

BIT技術(shù)按不同要求可以分為很多類型，按照其工作方式和時段不同，其不同分類如表2所示。

表2 BIT技術(shù)的不同分類

3 BIT測試點選擇

測試點的選取是基于BIT技術(shù)的測試方法研究中的重要內(nèi)容，也是實現(xiàn)故障檢測與隔離的基礎(chǔ)。測試點選取的好壞直接影響到BIT的故障檢測與隔離性能，進而決定了被測對象的測試效果即直接影響到被測系統(tǒng)BIT的性能[13]。進行測試點選擇的基本原則是保證該組測試點能夠提升系統(tǒng)的故障檢測率、隔離率等各項指標(biāo)，但是也需要考慮到測試點的測試難易度、測試費用、可靠性等因素進行綜合評判。

3.1 測試點的類型

總的來說測試點主要有三類：無源測試點、有源測試點和有源/無源測試點。

1)無源測試點。這類測試點的主要功能就是在電路中能夠給出測試對象瞬間狀態(tài)量的測試點。從圖1和圖2可形象的看出，通常信號點位置位于扇入或者扇出節(jié)點，這種測試點所能傳達的信息只是電路內(nèi)部的，但是不能檢測對內(nèi)部的作用及其影響，當(dāng)然也不能檢測到外部的行為[14]。

圖1 扇入節(jié)點

圖2 扇出節(jié)點

2)有源測試點。這種測試點在測試過程中可以對電路內(nèi)部的具體情況進行控制，這種測試點的選取主要原則是要確保在加上有限的測試矢量輸入后就能夠明確電路的運行狀態(tài)，還必須考慮到測試點的數(shù)量和其分布要安排合理，要做到把故障面完全覆蓋。

3)有源/無源測試點。這類測試點在總線結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的頻率較高，在做測試時，設(shè)備被當(dāng)做是一個總線上的一個單元。選擇這些測試點就必須考慮到其在測試期間，必定有有源和無源的雙重影響。在無源狀態(tài)時，它是作為接收器使用；而在有源狀態(tài)時，則作為一個控制單元使用[15]。

3.2 測試點選擇的原則

測試點選擇是BIT測試性設(shè)計的一個重要步驟，測試點的選擇是否恰當(dāng)直接關(guān)系到系統(tǒng)BIT的測試水平[16]。

測試點應(yīng)該具備以下功能：

1)必須能準(zhǔn)確判斷故障存在與否，或者能準(zhǔn)確判斷性能參數(shù)有較大幅度的變化；

2)確定滿足適當(dāng)修理級別的故障位置；

3)不管是在制造階段還是維修階段都得確保測試點都是使用的；

4)無論是手動檢測設(shè)備還是自動檢測單元都要考慮其兼容性[17]。

4 BIT技術(shù)發(fā)展及展望

從大量應(yīng)用中得出結(jié)論，常規(guī)BIT雖然在提高武器效能方面起著積極作用，但是由于設(shè)計不夠完善、計劃方面的限制，在實際設(shè)計好隨之投入使用后，出現(xiàn)了一些列問題，諸如測試和診斷能力差、虛警率較高等[18]。為解決這些問題，為了改善和提高BIT性能，現(xiàn)在的主要研究工作放在人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合在一起，其發(fā)展趨勢可以概括為如下4個部分[19]：

1)BIT與ATE相容度提高。BIT與ATE在測試過程中完成不同的功能。BIT和ATE的主要功能的不同之處是BIT把故障設(shè)備隔離至外場可以更換的單元(LRU)或者是可更換的模塊(LRM)，而ATE的功能是把可更換單元或者可更換的模塊中的故障隔離到內(nèi)場可更換單元。BIT與ATE應(yīng)該相互搭配使用，在設(shè)備設(shè)計的一開始就進行同步研制，只有這樣才能在設(shè)備投入使用時就對設(shè)備進行有效的檢測管理，增加戰(zhàn)斗力[20]。

2)BIT技術(shù)大量運用于復(fù)雜武器系統(tǒng)。隨著武器裝備的更新?lián)Q代，BIT必集數(shù)據(jù)采集、性能測試、故障診斷等功能于一體。它會和整個系統(tǒng)內(nèi)的BIT構(gòu)成一個系統(tǒng)，可稱之為分布式綜合檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)必然涵蓋了狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、控制決策的功能，其所要做的就是對設(shè)備的各個部位實施實時的檢測。從現(xiàn)在發(fā)展?fàn)顩r來分析，BIT的任務(wù)不僅限于最開始定位的檢測、診斷，實際應(yīng)用還包括了控制、保護?？偠灾畷C合有狀態(tài)監(jiān)測、復(fù)雜故障診斷、精確故障定位、系統(tǒng)狀態(tài)控制、關(guān)鍵部件保護等眾多功能，它的結(jié)構(gòu)會越來越多樣，組成為越來越復(fù)雜。

3)重點發(fā)展BIT的智能測試和智能診斷技術(shù)。常規(guī)BIT由于受硬件條件和技術(shù)的限制，控制和信息處理停留在簡易的技術(shù)階段，并且大量使用了硬件電路，用固定測試容差的方法可能會把正常狀態(tài)判斷為故障或者把故障狀態(tài)判斷為正常，用判斷瞬態(tài)值可能會把環(huán)境應(yīng)力引起的間歇性故障作為故障狀態(tài)處理[21]。從整體上看，整個系統(tǒng)缺乏靈活性和自適應(yīng)能力。BIT智能化就是為了解決這個問題，在智能化過程中最明顯的不同就是使用到了智能傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，目前研究和使用中的智能BIT技術(shù)，主要包括靈巧BIT、自適應(yīng)BIT、基于時間應(yīng)力測量的增強BIT等。

圖3 智能傳感器結(jié)構(gòu)

4)半導(dǎo)體技術(shù)會大量使用。通常設(shè)計師把測試和一些維修問題放到設(shè)計的后再進行考慮，這樣明顯沒有前瞻性，忽略了武器裝備的測試性。再設(shè)計之后一般采取簡單的附加電路實現(xiàn)BIT，這就會讓BIT所獲的測試信息不完整。由于電子器件、電子設(shè)備發(fā)展日益快速，使得會大量使用邊界掃描技術(shù)。這在航空電子設(shè)備領(lǐng)域已經(jīng)得到證實[22]。

測試性提高這一研究領(lǐng)域，將來的研究重點將會向綜合診斷以及健康狀況管理這兩個方面傾斜[23]，總結(jié)如下：

1)由原先單一診斷方式向綜合診斷方向發(fā)展。結(jié)合裝備的發(fā)展特性，單一診斷模式暴露出多種問題：故障檢測率低、故障隔離率低、虛警率高等問題。而綜合診斷的方式不同的是綜合了多種要素從而使診斷效果達到最好，其中包含有自動測試技術(shù)、人工測試、維修輔助手段、信息技術(shù)等。其目的就是解決單一診斷所暴露出的問題。

2)預(yù)測與健康管理將是研究的前沿領(lǐng)域。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)包括“預(yù)測”和“健康管理”兩個部分。PHM技術(shù)是在故障診斷發(fā)展的前提條件下，結(jié)合綜合診斷，然后向故障預(yù)測和健康管理發(fā)展。故障預(yù)測是根據(jù)現(xiàn)在或歷史性能狀態(tài)記錄，預(yù)測性的診斷部件或者系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，包括確定部件或者系統(tǒng)的剩余壽命或正常工作時長；健康管理則是基于對系統(tǒng)及其組成部分信息的獲取，然后對其進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、趨勢分析，最后可以對系統(tǒng)進行壽命預(yù)測[25]。

5 總結(jié)

隨著武器裝備系統(tǒng)的不斷換代升級，BIT技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展也成為了必要。經(jīng)實例驗證完善的BIT設(shè)計可以大大減少維修、保障環(huán)節(jié)，節(jié)省大量人力、物力，所以國內(nèi)外對BIT技術(shù)非常重視并且已開展了大量的研究工作，主要針對其能否獨立而迅速的檢測、定位和隔離故障這幾個方面的研究。本文在總結(jié)了大量的文獻的基礎(chǔ)上從BIT技術(shù)發(fā)展的背景意義、BIT技術(shù)發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀、BIT測試點選擇、BIT技術(shù)發(fā)展趨勢及展望這四個方面進行了闡述，旨在對想要了解BIT技術(shù)的讀者有借鑒學(xué)習(xí)的作用。

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