淺談工程裝備測(cè)試性技術(shù)及存在問題
黃玉
摘要：目前在工程裝備測(cè)試性方面理論研究還較少，但工程裝備測(cè)試性設(shè)計(jì)實(shí)踐卻一直在進(jìn)行中，但由于種種原因，在這方面缺少系統(tǒng)的理論或技術(shù)指導(dǎo)，使得測(cè)試性技術(shù)在工程裝備中的應(yīng)用一直受到局限。本文在分析了工程裝備應(yīng)用測(cè)試性技術(shù)存在的關(guān)鍵問題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。
關(guān)鍵詞：測(cè)試性技術(shù)；測(cè)試系統(tǒng)；BIT技術(shù)；ATE技術(shù)

一 前言
測(cè)試性是指能夠及時(shí)而有效地確定產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)（可工作、不可工作或性能下降）并能隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就賦予產(chǎn)品的一種固有屬性。
近年來，隨著微電子技術(shù)、機(jī)電液一體化等高新技術(shù)在工程裝備中的廣泛使用，工程裝備的復(fù)雜程度以及故障率不斷增高，以往的故障檢測(cè)／診斷技術(shù)以及維修保障手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化工程裝備使用維護(hù)需要。測(cè)試性作為系統(tǒng)或設(shè)備的一種易于測(cè)試、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要設(shè)計(jì)特性，對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的維修性、可靠性、可用性以及壽命周期有著巨大的影響，迫切需要將測(cè)試性技術(shù)引入工程裝備中。
二 裝備測(cè)試性技術(shù)
2.1 BIT 技術(shù)
BIT 技術(shù)是系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)和隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力，是復(fù)雜系統(tǒng)或設(shè)備整體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和維修決策等方面的關(guān)鍵共性技術(shù)�，F(xiàn)在 BIT 技術(shù)主要朝著兩個(gè)方向發(fā)展，一是隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論等智能理論和方法引入，BIT 技術(shù)走上了智能BIT技術(shù)的道路；二是隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電 BIT 技術(shù)不斷成熟。
智能 BIT 技術(shù)：智能BIT就是將包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、信息融合等在內(nèi)的智能理論應(yīng)用于BIT的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、診斷、決策等方面，提高BIT綜合效能，從而降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用的理論、技術(shù)和方法。它主要包括四個(gè)方面。
（1）BIT 智能設(shè)計(jì)技術(shù)：應(yīng)用智能 CADBIT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件等 BIT 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和BIT設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，在吸取前人BIT設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)之上對(duì)BIT系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
（2）BIT 智能檢測(cè)技術(shù)：在BIT系統(tǒng)中采用新型檢測(cè)技術(shù)，運(yùn)用智能傳感器技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)和信息融合技術(shù)等多種手段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析，提高測(cè)試信息的分析處理能力，降低BIT虛警率。
（3）BIT 智能診斷技術(shù)：將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊理論、信息融合等故障診斷技術(shù)同BIT相結(jié)合，監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，判斷被測(cè)對(duì)象是否處于故障狀態(tài)， 判明故障原因，對(duì)故障進(jìn)行定位隔離。
（4）BIT 智能決策技術(shù)：在故障檢測(cè)、診斷、定位和隔離及危害性的綜合判斷基礎(chǔ)上， 采取最優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)算法，通過專家系統(tǒng)等智能化決策方法，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境條件、系統(tǒng)或設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、維修歷史記錄以及當(dāng)前任務(wù)，對(duì)已發(fā)生故障采取合理的應(yīng)對(duì)措施。
機(jī)電BIT技術(shù)：機(jī)電BIT技術(shù)是指在機(jī)械、電氣、液壓等功能部件構(gòu)成的系統(tǒng)或設(shè)備中應(yīng)用BIT。主要方法是采用適合機(jī)電設(shè)備的傳感器技術(shù)，運(yùn)用機(jī)電設(shè)備故障機(jī)理分析方法， 采取高效能的信號(hào)采集和處理手段，提高機(jī)電BIT的自適應(yīng)能力，降低虛警率。
2.2 ATE 技術(shù)
ATE是指自動(dòng)進(jìn)行功能和（或）參數(shù)測(cè)試、評(píng)價(jià)性能下降程度或隔離故障的設(shè)備。ATE 主要是對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)的外部測(cè)試設(shè)備，可以把被測(cè)對(duì)象的故障隔離到車間可更換單元、部件或元器件。目前ATE正朝著小型化、模塊化、便攜式和通用化的方向發(fā)展。
總線技術(shù)：在ATE中應(yīng)用的總線技術(shù)主要是以VXI、PXI 為代表的內(nèi)部總線和以 GPIB、 LAN、SERIAL、USB 及IEEE 1394 為代表的外部總線。現(xiàn)在兩種總線都已形成了系列化的成熟產(chǎn)品，有著較為完整的解決方案。在外部總線中，GPIB 總線技術(shù)是第一個(gè)開放的、統(tǒng)一的、獨(dú)立于儀器廠商的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前在新型測(cè)試測(cè)量?jī)x器中超過80％的接口都使用的是GPIB標(biāo)準(zhǔn)，它的應(yīng)用最為廣泛和成熟。根據(jù)目前總線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看，未來總線技術(shù)必然是走向混合總線方向，集合有以上各總線的優(yōu)點(diǎn)，以滿足多種測(cè)試需要�，F(xiàn)在使用的具有混合總線趨勢(shì)的是LXI總線技術(shù)，它主要由美國(guó)軍方使用，還沒有形成大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。
虛擬儀器技術(shù)：虛擬儀器技術(shù)是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。它是通過各類軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源和外部測(cè)試設(shè)備連接起來，運(yùn)用圖形化的界面進(jìn)行用戶操作，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象測(cè)試的數(shù)字化、圖像化，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理。虛擬儀器同傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備相比有著更多的功能，易于組建測(cè)試系統(tǒng)和平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和處理，測(cè)試效率高。當(dāng)前虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、智能化、模塊化。
三 工程裝備測(cè)試性存在的問題及對(duì)策
現(xiàn)代工程裝備大多數(shù)是機(jī)電液一體化設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多，使用環(huán)境惡劣，工作狀況不確定因素眾多，使得工程裝備的故障率高，人工檢測(cè)故障困難，壽命周期短，維修保障成本巨大。因而工程裝備的測(cè)試性發(fā)展是極為迫切的，也是必須的，但是不同于電子類裝備，測(cè)試性在機(jī)電領(lǐng)域尤其是以機(jī)械系統(tǒng)為主的工程裝備領(lǐng)域的研究才起步不久，研究還不深入，同時(shí)工程裝備本身也具有諸多不利于測(cè)試性的結(jié)構(gòu)和功能因素，對(duì)測(cè)試性在工程裝備上的發(fā)展有著一定制約。
（1）測(cè)試系統(tǒng)的差異性
測(cè)試性設(shè)計(jì)最初是應(yīng)用于飛機(jī)上的電子航空系統(tǒng)的，其應(yīng)用發(fā)展主要在電子設(shè)備，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在電子領(lǐng)域里，測(cè)試性的相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。工程裝備主要由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)構(gòu)成，電子設(shè)備的使用有限，特別是微電子系統(tǒng)和數(shù)字電路使用不多，故已有的測(cè)試性技術(shù)成果適用于工程裝備的不多，必須要有針對(duì)工程裝備的測(cè)試性技術(shù)來滿足工程裝備測(cè)試性的特殊要求。目前主要的研究解決的內(nèi)容有：針對(duì)機(jī)械和液壓故障模式的測(cè)試參數(shù)的確定，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的定義與選擇，判定的方式方法，激勵(lì)與響應(yīng)的分析，機(jī)械故障模式的數(shù)學(xué)模型與分析，故障隔離單元的劃定，故障維修的分級(jí)以及基于參數(shù)連續(xù)性的故障預(yù)警等問題。
(2) 測(cè)試參數(shù)的多元性
對(duì)于工程裝備而言，它的故障模式是多種多樣的，發(fā)生的原因也是千差萬別。每一種故障所對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)也不同，比如壓力、轉(zhuǎn)速、加速度、振動(dòng)、噪音、溫度、流量、位移等。而在測(cè)量時(shí)又存在易測(cè)和不易測(cè)，分析時(shí)又有定性分析和定量分析之分， 必然帶來測(cè)試分析的難度，從而造成測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度以及傳感器選用困難。因此在測(cè)試性設(shè)計(jì)和分析時(shí)就必須解決參數(shù)的可測(cè)性選擇，參數(shù)的度量，參數(shù)對(duì)應(yīng)故障模式的映射關(guān)系，參數(shù)之間的相關(guān)性，參數(shù)與狀態(tài)的唯一確定性，傳感器選用和優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題。
(3) 故障定位和隔離的復(fù)雜性
由于測(cè)試參數(shù)的多元性，使得工程裝備故障所對(duì)應(yīng)的參數(shù)不是單一的，進(jìn)而對(duì)于準(zhǔn)確的故障定位隔離就帶來難度，不能詳細(xì)的劃分出故障單元，一般而言，故障的定位在工程裝備中只能以模糊組來確定。這一難度的增加還與故障檢測(cè)輸入激勵(lì)的難度有關(guān)。機(jī)械液壓系統(tǒng)中，反映故障的響應(yīng)信號(hào)可以確定，但產(chǎn)生故障的原因不同，不能采取特定的激勵(lì)信號(hào)來判定故障。因此工程裝備故障的定位更多的要依靠軟件分析獲得，通過故障檢測(cè)診斷技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)以及智能理論的發(fā)展來解決。
（4）測(cè)試系統(tǒng)各部分的融合性
測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，它由各個(gè)不同的功能單元有機(jī)組合而成。在工程裝備測(cè)試系統(tǒng)中各個(gè)單元的測(cè)試方式、測(cè)試手段、測(cè)試參數(shù)、分析方法、信號(hào)處理因系統(tǒng)分級(jí)的不同而各不相同，如何將它們有機(jī)地融合到一起并且互不干擾，共享一定的軟硬件資源，就必須要考慮。大力發(fā)展總線技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)是目前解決此問題的一個(gè)有效途徑。再者，工程裝備的種類繁多，測(cè)試系統(tǒng)還必須要有一定的通用性和可移植性，能夠用于各類不同的工程裝備，那么研究通用性的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)則是當(dāng)務(wù)之急。
（5）測(cè)試系統(tǒng)的可驗(yàn)證性
對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)好的測(cè)試系統(tǒng)而言，其性能的好壞關(guān)系到整個(gè)設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能否實(shí)現(xiàn)設(shè)備的技術(shù)性能�，F(xiàn)有的測(cè)試性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)有著明確的規(guī)定和考核依據(jù)，但對(duì)于工程裝備的測(cè)試系統(tǒng)，難點(diǎn)是難以進(jìn)行實(shí)機(jī)驗(yàn)證，評(píng)估其效能。因此有效地評(píng)估和驗(yàn)證工程裝備的測(cè)試系統(tǒng)是工程裝備測(cè)試性發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題，解決此問題的方法主要是對(duì)工程裝備故障機(jī)理進(jìn)行深入分析，研究建立故障預(yù)測(cè)評(píng)估模型，對(duì)故障樣本分析選取和測(cè)試性建模分析。
（6）測(cè)試系統(tǒng)的可靠性
工程裝備的工作環(huán)境和運(yùn)行過程存在著大量的不利因素，如高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)噪聲，這些都會(huì)給工程裝備的測(cè)試系統(tǒng)帶來危害，尤其是對(duì)BIT和傳感器的工作影響巨大，造成BIT的虛警率增高，使得測(cè)試系統(tǒng)本身的故障率提高，不能滿足工程裝備測(cè)試性的需求。 因此主要的研究?jī)?nèi)容將是測(cè)試設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)以及BIT虛警的數(shù)學(xué)分析和抑制技術(shù)。
四 結(jié)論
隨著工程裝備功能的日益完善和發(fā)展，裝備信息化水平不斷提高，對(duì)工程裝備全壽命周期的維修保障要求也在不斷提高，開展工程裝備測(cè)試性技術(shù)研究變得十分迫切和重要，只有從工程裝備自身的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)、作業(yè)環(huán)境出發(fā)，深入研究和解決工程裝備測(cè)試性技術(shù)應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)工程裝備測(cè)試性技術(shù)的深入發(fā)展和工程應(yīng)用，才能有效地提高工程裝備壽命周期，降低維修保障。

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