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              裝備測試性建模與設計技術

              出版時間:2012-1  出版社:科學出版社  作者:邱靜 等著  頁數:493  字數:621000  

              內容概要

                測試性是裝備便于測試和診斷的重要設計特性,它已成為和可靠性、維修性同等重要的獨立學科,開展測試性設計技術研究具有重要的學術價值和工程指導意義。邱靜等編著的這本《裝備測試性建模與設計技術》針對測試性建模與設計問題進行了系統論述,內容包括:測試性需求及指標分配技術、測試性建模技術、測試性預計技術、測試性方案優化設計技術、診斷策略構建技術、測試性輔助設計軟件以及工程應用案例。
                本書可作為高等院校相關專業研究生和高年級本科生的參考書,也可供裝備測試性、維修性及測試診斷等領域的科研人員與工程技術人員參考。

              書籍目錄

              《裝備測試性工程系列叢書》序
              前言
              第1章 緒論
               1.1 測試性設計技術內涵
               1.2 測試性設計技術研究現狀綜述
                1.2.1 國外研究現狀
                1.2.2 國內研究現狀
               1.3 測試性工程工作流程
               1.4 測試性建模與設計關鍵技術分析
               1.5 本書的結構安排
               參考文獻
              第2章 測試性需求分析技術
               2.1 概述
               2.2 測試性需求影響因素分析
                2.2.1 任務要求分析
                2.2.2 可靠性要求分析
                2.2.3 維修保障要求分析
                2.2.4 性能要求分析
                2.2.5 功能結構要求分析
                2.2.6 可利用/可達技術分析
                2.2.7 系統需求信息與測試性需求的關聯分析
               2.3 測試性參數分析與指標體系構建
                2.3.1 測試性參數分類
                2.3.2 測試性參數定義與分析
                2.3.3 測試性參數選擇
                2.3.4 測試性指標體系構建
                2.3.5 基于綜合權衡的測試性指標轉換方法
               2.4 測試性指標確定的一般方法
                2.4.1 通用測試性指標確定方法
                2.4.2 面向可用度/任務成功率的測試性指標確定方法
               2.5 基于廣義隨機Petri網的測試性指標確定方法
                2.5.1 廣義隨機Petri網概述
                2.5.2 基于GSPN的裝備系統層測試性需求建模與分析
                2.5.3 基于GSPN的裝備多層級測試性需求建模與分析
               2.6 基于DSPN的多任務系統測試性指標確定方法
                2.6.1 復雜裝備的PMS分析
                2.6.2 面向PMS的DSPN模型
                2.6.3 基于DSPN的PMS測試性需求分析模型
                2.6.4 DSPN-PMS性能量化分析與測試性指標確定方法
                2.6.5 案例分析與驗證
               2.7 本章小結
               參考文獻
              第3章 測試性指標分配技術
               3.1 概述
               3.2 測試性分配的數學模型與一般流程
               3.3 經典測試性分配方法
                3.3.1 經驗分配法
                3.3.2 等值分配法
                3.3.3 加權分配法
                3.3.4 故障率分配法
                3.3.5 優化分配法
                3.3.6 綜合加權分配法
                3.3.7 現有各分配方法分析
               3.4 基于AHP的測試性分配方法
                3.4.1 基本原理
                3.4.2 具體步驟
                3.4.3 應用范例
               3.5 新老設備組合系統的測試性分配方法
                3.5.1 基本原理
                3.5.2 具體步驟
                3.5.3 應用范例
               3.6 本章小結
               參考文獻
              第4章 測試性建模技術
               4.1 概述
               ……
              第5章 測試性預計技術
              第6章 測試性方案優化設計技術
              第7章 診斷策略構建技術
              第8章 測試性建模與設計軟件及應用
              附錄一 縮略語中英文對照
              附錄二 測試性術語

              章節摘錄

              版權頁:第1章緒論 1.1 測試性設計技術內涵 現代裝備的功能越來越先進,技術和結構復雜性越來越強,因此對裝備測試和診斷提出了更高、更新、更嚴的要求,也帶來了嚴重的測試、診斷和維修保障問題。 主要表現在:①各類測試信息獲取困難,無法測試或測試過程復雜;②測試設備繁多,測試標準、測試體系與測試設備不統一、不通用、不兼容;③故障檢測與診斷準確性較差、虛警率高;④測試與診斷時間長、效率低、費用高,維修保障資源浪費,裝備全壽命周期費用增加。 針對上述問題,測試和診斷界及相關人員開展了大量的研究,提出了大量先進的測試理念、測試技術,開發了功能強大的各類測試系統與設備,如VXI、PXI測試系統等。但人們在研究和工程實踐中日益發現,片面強調外部測試系統的研發并不能也無法從根本上解決復雜裝備的測試問題,要實現快速而精確的測試,必須在裝備設計研制一開始就綜合考慮測試與診斷問題,使裝備具有良好的機內測試(built-intest,BIT)、自診斷能力和為外部測試提供良好而方便的特性和接口,并配套開發外部測試系統,即開展測試性設計。 測試性(testability)也稱可測性,是指“產品能及時準確地確定其狀態(可工作、不可工作或性能下降)并有效地隔離其內部故障的一種設計特性”[1]。測試性作為產品的一種重要屬性為人們所認識是在20世紀70年代中期。測試性設計是指在裝備設計階段并行考慮測試問題,綜合應用BIT、自動測試、人工測試等測試資源,通過優化設計用最小的測試代價獲得充分、準確的測試。測試性設計是對傳統測試機制的革新,是并行工程思想在裝備測試領域的體現,可以實現裝備測試能力的“優生”和測試的總體優化,進而快速、全面、準確地感知裝備技術狀態。 1.2 測試性設計技術研究現狀綜述 1.2.1 國外研究現狀 歷經了30余年的發展,美軍對于測試性技術體系的認識已經相當全面和完整,其技術水平已經達到一個比較高的水平,概括起來有以下特點。 在技術研究方面,自“測試性”術語提出至今,測試性技術的研究發展經歷了三個階段:基于經驗的設計、結構化的設計和基于模型的設計。 基于經驗的測試性設計方法在測試性技術發展的初期(20世紀70年代到80年代中期)比較流行。由于當時測試性概念才初步形成,缺乏深入的理論研究,在工程實踐中遇到的一些測試性問題,如測量參數(figure of merit)、設計指導準則、驗證和評價方法等通常以軍用標準、研究報告、設計指南和用戶手冊的形式記錄下來,用以指導其他的測試性設計項目。1976年,美國海軍首先開始涉足測試性設計領域,海軍器材部( NavalMaterial Command,NAVMATINST)對不同類型的電子電路和系統進行了測試性/BIT 研究,發布了NAVMATINST 3960.9《BIT 設計指南》[ 2]。1978年,海軍海面武器中心( Naval Surface Weapons Center,NSWC)發布了《測試性指南報告》[3],綜述了當時存在的測試性問題,定義了一些測試性術語。1983年美國國防部頒布了MIL-STD-470A《系統及設備維修性管理大綱》[4],強調測試性是維修性大綱的一個重要組成部分,承認BIT及外部測試不僅對維修性設計特性產生重大影響,而且會影響到武器系統的采購及其全壽命周期費用。 1985年美國國防部頒布了MIL-STD-2165《電子系統及設備測試性大綱》[5],規定了電子組件內如何保證足夠的測試以識別和隔離故障的保障要求,即在系統及設備各研制階段中應實施的測試性分析、設計及驗證的要求及實施方法,是測試性研究的總結性文件,標志了測試性作為一門獨立學科的形成。 為滿足武器系統的監控診斷與維修要求,美國實施了一系列的綜合診斷研究計劃,如海軍的“綜合診斷保障系統”(Integrated Diagnosis Support System,IDSS)計劃[6,7]、空軍的“通用綜合維修與診斷平臺”(Generic Integrated Maintenance andDiagnostic Support,GIMADS)計劃[8,9] 等?;谏鲜鲅芯砍晒?,美國國防部于1991 年頒布了MIL-STD-1814《綜合診斷》[ 10],對測試性有關內容作了進一步規范。為綜合考慮非電子產品的測試性并與綜合診斷相協調,美國國防部于1993 年頒布了MIL-STD-2165A《系統和設備測試性大綱》并取代了MIL-STD-2165 。1995 年又將MIL-STD-2165A 改編為MIL-HDBK-2165 《系統和設備測試性手冊》[11]。同時,一些民間機構和公司根據各自的研究成果,也相繼發布了測試性手冊和指南,如美國羅姆航空發展中心(Rome Air Develop Center,RDAC)的《RDAC 測試性手冊》[ 12]、航空無線電公司( Aeronautics Radio Incorporation,ARINC)的《BITE 設計和使用指南》[13 ]、高級測試工程(Advanced Test Engineering,ATE)公司的《SM TA 測試性指南》[14] 等。大量測試性設計標準和指南的制定和頒布,在一定程度上促進了測試性設計技術的普及和發展。然而人們在實踐中發現,這種經驗方法往往是原則性的內容多,而可操作性卻比較差。隨著人們對測試性認識的加深,一種新的測試性設計思想――結構化的設計思想逐漸形成。結構化的測試性設計技術以BIT體系結構設計技術和邊界掃描技術為核心[15,16],主要有以下特點。首先,BIT 結構化設計技術逐漸成熟。隨著各種智能BIT(intelligent BIT)和靈巧BIT(smart BIT)的大量應用,BIT體系結構問題成為研究的熱點[17]。目前,國外經過研究提出了不少的BIT體系結構,包括:集中式(autocratic)、采邑式(feudalistic)、聯邦式(confederated)等結構形式[18]。1995 年,美國洛克希德? 馬?。↙ockheed Martin)公司提出了一種層次BIT 結構[19]。位于系統最底層的芯片通過測試訪問端口(test access port,TAP)與電路板的測試控制器相連,由測試控制器控制各芯片的BIT;各電路板通過背板測試總線與外場可更換單元(linereplaceable unit,LRU)測試控制器相連,由LRU 的測試執行模塊實現對各電路板的測試調度;各LRU 通過系統維護總線與系統維護控制器相連,由系統操作軟件指揮維護控制器完成系統測試和其他功能的有機集成。層次BIT 結構是目前裝備BIT 結構設計的主流,很多先進的武器裝備均采用了這種結構,如F-16及F-22等戰機;一些民用系統,特別是航空系統中也廣泛采用這種結構[20]。其次,復雜電子產品的結構化測試性設計技術日趨完善。早期電子產品主要采用專項測試性設計(Ad hoc DFT),即根據產品的功能結構特點,采取一些簡單易行的措施來提高產品的固有測試性(inherent testability)。這種方法對于采用分立元件、復雜度較低的電路比較有效。然而,隨著電子器件集成度的提高、安裝密度的增大,電子產品大量采用表面貼裝器件、多芯片模塊、多層印刷電路板,專項測試性設計難以解決根本問題。1985年,歐美一些公司成立了聯合測試行動組織(Joint Test Action Group,JTAG),提出了一種結構化的測試性設計技術――邊界掃描技術[21] 。該技術通過在器件輸入輸出管腳與內核電路之間置入邊界掃描單元,實現對器件和其外圍電路的測試。1990年IEEE 和JTAG 共同推出IEEE Std 1149.1-1990《邊界掃描標準》[22],使邊界掃描技術得到了推廣。1995年,IEEE將美國軍方于20世紀80年代所提出的元件測試和維修總線(ETM-Bus)與系統級測試和維修總線( TM-Bus)發展為模塊測試和維修總線( M TM-Bus)[23],并頒布了IEEE Std 1149.5《模塊測試與維修總線標準》[24]。該總線用相對較少的測試費用,實現了系統各級可更換單元的測試維護,特別是現場的測試維護。該總線現已被美國空軍的“寶石柱”計劃和“寶石平臺”計劃的航空電子系統體系結構所采用,并在F-22、RAH-66、波音777等大型系統中得到成功應用[25 ]。為了實現對數字、模擬混合測試信號的有效控制和訪問,1999年IEEE頒布了IEEE Std 1149.4《混合信號測試總線標準》[26]。進入21世紀,IEEE頒布了最新一版的邊界掃描標準IEEE Std 1149.1-2001[27]。為了滿足交流耦合差動網絡的邊界掃描測試需求,安捷倫(Agilent)公司和思科(Cisco)公司于2001 年開始合作研究數字網絡的測試技術,IEEE 隨后接受該項技術并著手制定IEEE Std 1149.6《先進數字網絡的邊界掃描標準》[28]。隨著片上系統( system on chip,SoC)、片上網絡( net on chip,NoC)和微機電系統( MEMS)等產品出現,超大規模嵌入式系統的測試問題成為測試學界的一大研究熱點[29,30]。2005 年,IEEE基于IEEE Std 1149.1 頒布了IEEE Std 1500《嵌入式芯核的測試性標準》[31]。隨著裝備系統復雜度和集成度的急劇增加,測試性/BIT 與裝備性能的一體化、并行設計成為發展現代復雜武器系統的必然要求。由于結構化設計方法本質上采用的是一種串行模式,無法適應并行設計的要求,因此必須尋找新的測試性設計方法。經過大量的研究和實踐,人們形成了以下觀點:①要實現測試性/BIT 與裝備性能并行設計,必須建立系統測試性模型,將各種與測試性設計相關的因素、知識有效地組織起來;②這種測試性模型能為設計者提供有效的設計和驗證手段,且能在并行工程的環境下,為不同的設計團隊提供統一的信息交流界面,保證設計的順利實施;③測試性模型和系統模型不同,系統模型主要用來描述系統的功能、行為及結構信息,而測試性模型主要用來描述系統故障與測試之間的邏輯關系及對測試資源的占用關系。自20 世紀80年代中后期開始,一些大學和機構開始著手研究測試性建模技術,至今已提出了不少測試性模型,其中具有代表性的是DSI 公司的相關性模型(dependency model)[32~34]、ARINC公司的信息流模型(information flow mod-el)[35~43]以及康涅狄格大學的多信號流圖模型(multi-signal flow graph)[44~46] 。國外還進一步研究了基于模型的測試性分析、設計與評估技術[ 43,47],并開發了一些測試性設計CAD 軟件,如WSTA[7]、STAMP[43]、eXpress[48]、TEAMS[49]等。為了便于各個企業之間數據和產品的交換與共享,一個國際化標準組織――IEEE 標準協調委員會20(Standard Coordinating Committee 20,SCC20)正在研究測試性信息描述模型。這種模型建立在一個統一的、能支持不同產品信息描述和交換標準上,能夠面向系統不同層次和級別的開發人員[50]。目前,SCC20 已制定了一系列的標準[51]:IEEE Std 1232《適用于所有環境的人工智能交換和服務標準》[52~55]規范了測試系統與人工智能系統之間的接口,定義了測試和診斷信息,允許這些信息在不同的使用環境中進行交互,基于EXPRESS 信息描述語言,構建了動態環境模型(dynamic context model,DCM)、增強型診斷推理模型(enhanceddiagnostic inference model,EDIM)、診斷推理模型( diagnostic inference model,DIM)、通用元素模型(common element model,CEM)、故障樹模型( fault treemodel,FTM)等五種診斷模型?;贗EEE Std 1232 中定義的基本模型,IEEEStd 1522《測試性與可診斷性特征和測度標準》[56~58]定義了一系列的測試性與診斷性測度的形式化描述模型,IEEE Std 1598《測試需求模型標準》[59,60] 定義了測試性需求分析模型和基本框架,IEEE Std 1641《信號與測試定義標準》[61~63]定義了一系列的信號與測試的形式化描述模型,IEEE Std 1636《維修信息收集與分析軟件接口標準》[64,65]定義了一系列的維修信息模型。在工具研發方面,國外開發了不少測試性輔助工具。洛克希德? 馬丁公司先進技術實驗室在1998 年一份題為“CAD 系統描述”的報告[66]中,對面向測試設計(design for test)的CAD 軟件進行了綜述,并從功能角度出發將這些軟件劃分成測試需求與測度管理、測試策略管理、測試經濟學建模、測試性分析、BIST 注入與綜合、DFT/ATPG、故障仿真、測試程序開發等8 類,詳見表1.1 。系統級的測試性分析輔助工具可分為基于表格(checklist-based)的工具和基于仿真(simulation-based)的工具。其中基于表格的工具是指簡單提供可視化的界面和自動的表格生成和數據存儲的CAD,這樣的工具一般是參照有關標準和大綱指定的內容和步驟開發的,如Daniel 等根據MIL-STD-2165 開發的測試性分析表格工具[ 67] 。而基于仿真的工具則首先構建測試性模型,然后基于該模型開展測試性分析、設計和評估,因此也稱為基于模型( model-based)的工具。最早的計算機輔助測試性設計工具是由DSI 公司的前身――Detex Systems Inc.所開發的LOGMOD 工具[68~70],它采用了De Paul 提出的邏輯模型[ 71]。1975 年,LOGMOD被首次應用于軍事領域,當時的應用并不廣,主要是針對小規模的電子系統。1980年,ARINC 公司首次把LOGMOD 認定為測試性工具[72],于是LOGMOD 成為基于模型的測試性分析與設計思想的開端。后來DSI 公司在此基礎上又陸續開發了一系列測試性分析工具,如1986 年同美國海軍合作開發的“武器系統測試性分析工具”( weapon system testability analyzer,WSTA)[73,7 4]、“系統測試性分析工具”(system testability analysis tool,STAT)[75]等。WSTA 和STAT 均采用了基于模型的測試性分析與設計思想――這一思想對測試性設計領域產生了巨大的影響,以至于許多大公司紛紛仿效,其中比較著名的是ARINC 公司于1981 年開發的“ 系統測試性與維修程序”(system testability and maintenance program,STAMP)[76,77] 工具。STAMP 以信息流模型為基礎,能夠對系統進行測試性分析與診斷策略設計,根據分析與設計結果評估系統的測試性與可診斷性,對沒有達到設計要求的系統自動給出改進建議。隨后STAMP 被集成到“便攜交互式診斷工具”(portable interactive troubleshooter,POINTER)[78]當中,并成功地運用于許多大型裝備(如B-2 轟炸機、黑鷹直升機的穩定性增強系統等)的測試性分析與設計[79]中。進入20世紀90年代,各種測試性輔助設計工具如雨后春筍般涌現出來,如Harris 公司為NASA空間站項目開發的“哈里斯系統測試性分析”( Harris’system testability analysis,HSTA)工具[80]、智能自動化公司(Intelligent Automa-tion Inc.,IAI)開發的“自動相關性模型分析器”(automatic dependency modelanalyzer,ADMA)[8 1,82]、Robach 等開發的“計算機輔助測試分析”(computer-aidedtest analysis,CATA)系統[83]、康涅狄格大學開發的“測試性分析與研究工具”(system testability analysis and research tool,START)[84]、美軍測試計量與診斷裝備研究機構開發的“診斷分析與維修工具箱”(diagnostic analysis and repair toolset,DARTS)[85,86]、以色列特拉維夫大學開發的“人工智能測試”(artificial intelli-gence test,AITEST)工具[87,88]、法國系統結構分析實驗室( Laboratoire d’ Analyseet d’Architetures des Stytè mes,LAAS)開發的“診斷樹自適應生成”(automaticgeneration of diagnosis trees,AGENDA)工具[89] 等。

              編輯推薦

              《裝備測試性建模與設計技術》編輯推薦:現代裝備功能越來越先進,結構越來越復雜,測試與診斷問題越來越突出。裝備測試性設計是傳統測試機制的革新。它是按照并行工程思想,在裝備設計階段并行考慮測試問題,綜合應用BIT、自動測試、人工測試等測試資源,通過優化設計用最小的測試代價獲得充分、準確的測試,實現裝備測試能力的“優生”和測試的總體優化,以快速、全面、準確地測試裝備狀態。測試性設計技術是目前提高裝備測試水平的最佳技術途徑,是國內外裝備綜合保障領域研究和應用的熱點之一。因此,系統地開展測試性設計技術研究具有重要的學術價值和工程實際應用價值?!堆b備測試性建模與設計技術》可作為高等院校相關專業研究生和高年級本科生的參考書,也可供裝備測試性、維修性及測試診斷等領域的科研人員與工程技術人員參考。

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