智能機(jī)內(nèi)測(cè)試研究綜述

1、智能機(jī)內(nèi)測(cè)試研究綜述智能機(jī)內(nèi)測(cè)試研究綜述張超12，馬存寶12，宋東1，許家棟2(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院陜西西安710072；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院陜西西安710072)摘要：要：機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)是一種能顯著提高系統(tǒng)測(cè)試性和診斷能力的重要技術(shù)，已大量應(yīng)用于當(dāng)代航空系統(tǒng)和武器裝備中。但虛警問(wèn)題是困擾BIT應(yīng)用的重大難題，并嚴(yán)重影響著武器裝備的戰(zhàn)備完好性和全壽命周期費(fèi)用。因此，為從根本上解決BIT的虛警問(wèn)題，智能BIT技術(shù)就成為測(cè)試

2、領(lǐng)域21世紀(jì)的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。首先簡(jiǎn)要介紹了BIT虛警的兩個(gè)主要產(chǎn)生原因，然后重點(diǎn)概述了智能BIT的發(fā)展?fàn)顩r，并分析了當(dāng)前研究方法中存在的不足，最后在研究BIT不確定性的基礎(chǔ)上提出了基于粗糙集的智能BIT故障診斷新技術(shù)，并指出了該技術(shù)中需要研究的若干關(guān)鍵問(wèn)題。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：智能機(jī)內(nèi)測(cè)試；測(cè)試性；虛警；粗糙集；故障診斷中國(guó)分類(lèi)號(hào)：中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TN56文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AIntelligentBuiltinTest:AnOverv

3、iewZHANGChao12MACunbao12SongDong1XUJiadong2(1.SchoolofAeronauticsNthwesternPolytechnicalUniversityXi’anShaanxi7100722.SchoolofElectricalInfmationNthwesternPolytechnicalUniversityXi’anShaanxi710072)Abstract:TheBuiltinTest

4、(BIT)isanimptanttechnologythatcangreatlyimprovethetestabilitydiagnosiscapabilityofthesystemnowithasbeensuccessfullyappliedintheaviationsystemweaponequipment.HoweverthefalsealarmproblemisoneoftheimptantfactsthatpreventBIT

5、frombeingmeextensivelyapplied，seriouslyaffecttheoperationalreadinesslifecyclecostofweaponequipments.IndertoreducethehighfalsealarmrateintelligentBITisakeytesttechniquethatshouldbewellstudiedinthe21thcentury.Twomainfactsi

6、nducingBITfalsealarmarefirstlyanalyzed.ThentheachievementsdevelopmenttrendsofintelligentBITarereviewedindetailtheshtcomingsintoday’sresearcharediscussed.FinallyanewroughsettheybasedintelligentBITfaultdiagnosistechniqueis

7、presentedaccdingtotheinvestigatingoftheBITuncertaintythekeyproblemstobestudiedarealsopointedout.Keywds:intelligentBuiltinTest；testability；falsealarm；roughsetfaultdiagnosis0引言引言機(jī)內(nèi)測(cè)試(BuiltinTest，簡(jiǎn)稱(chēng)BIT)技術(shù)是系統(tǒng)、設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)、隔離故障的

8、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)[12]。國(guó)外自從20世紀(jì)從70年代開(kāi)展BIT技術(shù)研究以來(lái)，不僅在理論上做了大量積累，而且結(jié)合型號(hào)任務(wù)在應(yīng)用上取得了一系列研究成果。目前美國(guó)幾乎所有的軍民機(jī)航空電子系統(tǒng)和武器裝備具有BIT，如F14、F111、F15A、F16、FA18、“狂風(fēng)”、EF111、AE3A、F22、基金資助：基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金(60572173)、航天

9、創(chuàng)新基金(2004CH01001)、國(guó)防科工委預(yù)研項(xiàng)目、西北工業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金(M016217)作者簡(jiǎn)介：作者簡(jiǎn)介：張超(1977－)，男，湖北枝江人，講師，主要從事自動(dòng)化測(cè)試和故障診斷的研究。馬存寶(1963－)，陜西三原人，教授，主要從事自動(dòng)化測(cè)試、故障診斷和可靠性工程等方面的研究。JSF、RAH66、B737、B747、B777和M1A2坦克等，用于自行辨識(shí)運(yùn)行狀態(tài)和快速檢測(cè)故障，從而大大改善了系統(tǒng)的可靠性、維修性和測(cè)試性，

10、降低了全壽命周期費(fèi)用。而國(guó)內(nèi)對(duì)BIT的研究大致處于美國(guó)20世紀(jì)90年代初期水平，主要集中在型號(hào)任務(wù)應(yīng)用中，BIT基礎(chǔ)理論和方法研究相對(duì)薄弱[1]。國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用表明：虛警是困擾BIT應(yīng)用的重大難題[110]。由于常規(guī)BIT的理論局限性，電子設(shè)備的BIT虛警率一直居高不下。高虛警率不僅直接影響了BIT系統(tǒng)的有效性，而且會(huì)對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的完成以及系統(tǒng)的可用性、維修和備件等產(chǎn)生不利的影響，甚至造成使用人員對(duì)其喪失信心[1234]。為解決BIT

11、故障診斷能力差、虛警率高、不能復(fù)現(xiàn)率高及重檢合格率高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多方法，其中最有效的就是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊邏輯等人工智能理論和方法引入到BIT故障診斷中而產(chǎn)生的智能智能BIT技術(shù)僅僅界定在BIT故障診斷范圍內(nèi)[7]。直到2001年徐永成等人在深入探討B(tài)IT內(nèi)涵的基礎(chǔ)上[8]，將智能BIT范圍擴(kuò)展到BIT的智能設(shè)計(jì)、智能檢測(cè)、智能診斷和智能決策后才形成了真正意義上的智能BIT概念。2.2智能智能BIT國(guó)外研究和發(fā)展概

12、況國(guó)外研究和發(fā)展概況智能BIT的研究主要在美國(guó)空軍的懷特實(shí)驗(yàn)室(WL)和羅姆航空發(fā)展中心(RADC)展開(kāi)。總體來(lái)說(shuō)，RADC對(duì)智能BIT的研究是最為系統(tǒng)的。1984年，RADC與格魯門(mén)航空公司及其轉(zhuǎn)包商BBN簽署了代號(hào)為F3060284C0051的研究合同，開(kāi)始了“SmartBIT”的研究工作[69]。該項(xiàng)目歷時(shí)兩年，形成了編號(hào)為RADCTR85148的“SmartBIT”總結(jié)報(bào)告，開(kāi)發(fā)出了集成BIT、信息增強(qiáng)BIT、改進(jìn)決策BIT和維

13、修歷史BIT四種靈巧BIT技術(shù)，并以E2C機(jī)載電子系統(tǒng)飛行過(guò)程性能監(jiān)控器(FPM)分系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換器讀數(shù)與報(bào)警模塊(SCRAM)為演示對(duì)象，對(duì)信息增強(qiáng)BIT和改進(jìn)決策BIT兩種技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用仿真[10]，結(jié)果表明AI技術(shù)可以在不增加額外測(cè)試節(jié)點(diǎn)或故障覆蓋的情況下檢測(cè)虛警或間歇性[11]。1986年，RADC再次與格魯門(mén)公司及BBN簽署了代號(hào)為F3060286C0272的研究合同，深入開(kāi)展“SmartBIT2”的研究工作[12]。該項(xiàng)目

14、歷時(shí)四年，形成了編號(hào)為ADA247192的“SmartBIT2”總結(jié)報(bào)告，主要研究出了自適應(yīng)BIT技術(shù)，包括K最近鄰算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、瞬態(tài)監(jiān)控器的Markov模型，并在能代表現(xiàn)代航空電子復(fù)雜性的F111AE航空電子現(xiàn)代化計(jì)劃中的電子系統(tǒng)及其相連接的標(biāo)準(zhǔn)中央大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)(SCADC)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證[13]，結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)BIT只能報(bào)告被測(cè)單元是硬故障狀態(tài)或是正常狀態(tài)，而SmartBIT通過(guò)使用附加信息(被測(cè)單元輸入輸出、環(huán)境

15、傳感器輸入)可以報(bào)告被測(cè)單元的附加間歇態(tài)及其轉(zhuǎn)移概率[141516]。1986年，RADC還與Honeywell公司簽署了時(shí)間應(yīng)力測(cè)量裝置的合同，開(kāi)發(fā)了一種用于記錄機(jī)載設(shè)備所經(jīng)歷和承受的各種環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力的時(shí)間歷程的TSMD裝置(如圖3所示)[17]。該裝置主要目的是用于記錄機(jī)載設(shè)備所經(jīng)歷和承受的各種環(huán)境應(yīng)力與電應(yīng)力的時(shí)間歷程，為獲取BIT智能故障診斷用的環(huán)境數(shù)據(jù)提供了有力保障。圖3TSMD結(jié)構(gòu)示意圖與此同時(shí)，RADC與格魯門(mén)公司簽署

16、了一個(gè)繼續(xù)研究合同F(xiàn)3060286C0272，探討把靈巧BIT技術(shù)嵌入聯(lián)合監(jiān)視目標(biāo)攻擊雷達(dá)(簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合之星)的可行性，該計(jì)劃與“SmartBIT2”計(jì)劃一起為把智能BIT技術(shù)改裝到聯(lián)合之星的電子系統(tǒng)中打下了基礎(chǔ)[1819]。1989年9月，RADC又一次與格魯門(mén)公司簽署合同，對(duì)智能BIT技術(shù)與TSMD技術(shù)進(jìn)行綜合研究，目的是將這兩項(xiàng)技術(shù)集成到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，運(yùn)用AI技術(shù)對(duì)LRUBIT收集的信息和來(lái)自TSMD的環(huán)境信息進(jìn)行綜合分析，以更準(zhǔn)確地確

17、定LRU的真實(shí)狀態(tài)，大大提高識(shí)別虛警和故障判斷能力[2021]。為此目的，格魯門(mén)公司還在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了智能BITTSMD綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)[22]。1989年，RADC還與WestingHouse公司簽署了一種稱(chēng)為“臨界檢查”(MarginalChecking，簡(jiǎn)稱(chēng)MC)的BIT狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)研究計(jì)劃[2324]，采用熱量信號(hào)、紅外圖像、聲音信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、電磁信號(hào)、電參數(shù)的趨勢(shì)變化和偏差信號(hào)、噪聲信號(hào)等來(lái)預(yù)測(cè)被測(cè)單元(UUT)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，用

18、于在線維修時(shí)增加操作準(zhǔn)備時(shí)間、提高任務(wù)成功率。該技術(shù)是對(duì)智能BIT技術(shù)的有力補(bǔ)充。智能BIT是判斷當(dāng)前BIT故障指示的有效性，MC技術(shù)是判斷即將發(fā)生故障的可能性。1992年9月，RADC與Raytheon公司簽署了代號(hào)為ADA293097的合同，研究開(kāi)發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)虛警濾波器(NNFAF)，如圖4所示，其目的是研究運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)準(zhǔn)確濾除振動(dòng)、溫度等各種復(fù)雜環(huán)境應(yīng)力產(chǎn)生的BIT虛警的能力，以提高BIT的自適應(yīng)能力[25262728]。該項(xiàng)目

19、歷時(shí)兩年，運(yùn)用BP、BPTT、SPR、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)等多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)BIT技術(shù)和典型環(huán)境應(yīng)力進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析[2930]，并以衛(wèi)星通信終端(MILSARCOM)為仿真對(duì)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效的濾除BIT虛警、識(shí)別BIT間歇故障和硬故障。至此，RADC的智能BIT研究告一段落。圖4NNFAF結(jié)構(gòu)示意圖美空軍WL實(shí)驗(yàn)室在1983年完成ITM研究的基礎(chǔ)上，又聯(lián)合Honeywell公司、GE公司和麥道公司主電源電壓溫度傳感