http://www.paper.edu.cn
导弹集成测试策略研究
哈尔滨工业大学自动化测试与控制研究所 彭宇 彭喜元 哈尔滨工业大学 339#(150001) 航天科工集团二院二部 曹威 彭涛 电话:010-68389376 摘要:本文以美国军方在武器系统研发,生产和维护过程中推行的设计-制造-维护纵向 集成测试策略为参考,针对我国导弹武器系统的测试和诊断技术的应用和发展现状,论 述了适合我国导弹测试系统开发的集成测试策略. 关键词:测试系统,集成策略,标准化,ABBET,AI-ESTATE 一,引言 在全球军事战略方针的主导下,美国对武器系统及其综合保障技术的研究始终都处 于世界领先水平. 尤其是导弹武器系统的自动测试和诊断系统的研究工作已形成了特色 鲜明的标准化体系结构.从 80 年代至今,美军方已研发了针对多种武器系统平台,包 含可重用公共测试资源组成的通用自动测试系统. 进入 90 年代以来,美军方基于标准化体系,在武器装备的研制,生产和使用维护 的 测 试 中 提 出 了 设 计 — 制 造 — 维 护 纵 向 集 成 测 试 策 略 (engineering-to-manufacturing-to-field vertically integrated test strategy) , 简称 E-M-F 测试策略.这一新策略在美军武器研制,生产中已得到推广应用,并将扩展 到武器装备的使用和维护中.此策略可显著降低武器装备系统的寿命周期费用[1][2]. 近年来,我国导弹武器自动测试系统的软,硬件技术的应用研究和开发同国际技术 发展之间的差距不断缩小,并日益重视先进测试技术和概念的预先研究工作.目前,已 基本实现了测试总线标准化(如:GPIB 总线和 VXI 总线) ,并在开展软件标准化的研究 工作(如:ATLAS 和 Ada 等) .在这样的发展背景下,研究导弹武器自动测试系统的集成 开发策略是现实而有意义的. 二,导弹测试系统纵向集成测试策略 随着导弹武器系统测试需求程控化和智能化程度的不断提高,集成测试系统已不能 单纯以测试信息采集为简单工作目的,而应综合考虑武器系统综合维护和维修需求,提 高对测试信息的处理能力,提供基于知识的智能诊断,降低系统操作要求和维护成本. 1.纵向集成策略 纵向集成策略的直接目的就是降低系统全寿命周期的综合维护成本, 在导弹的研制, 生产和维护阶段的测试及故障诊断分析中均采用具备标准接口的测试硬件和软件组件
http://www.paper.edu.cn
(Hardware and Software Components) . 在传统测试系统开发过程中,导弹总体设计并未充分考虑测试需求,而是在导弹设 计方案基础上,分析和确定测试需求.而且,研制过程的测试系统原型往往与生产和维 护阶段所采用的测试方案存在各种差异.如图 1 中虚线上方所示,四个阶段的工作未能 实现有机的结合和衔接.
总体设计
测试研发
生产测试
维护测试
总体设计 (可测性设计)
测试研发
生产测试 (诊断知识积累)
维护测试 (维护知识积累)
图 1 导弹测试系统集成策略框图 Fig.1 Diagram of Missile Test System Integrating Strategy
E-M-F 策略充分考虑了导弹武器系统全寿命周期各阶段测试信息的交互和共享,采 用软硬件标准化技术,在四个阶段的工作过程中,采用信息和知识反馈,提高资源通用 性和重用性,从而为降低成本提供必要条件,如图 1 虚线下方所示. 要实现纵向集成测试策略,需从导弹测试系统工程管理体制和技术研发两个方面着 手,采用并行工程方法,推进标准化进程. 2.并行工程方法 传统的串行工程方法较少考虑整个导弹测试开发和应用过程各环节的资源重用和信 息共享,缺乏技术战略规划.鉴于此,在导弹测试系统工程的纵向集成测试策略中必须 采用并行工程方法,融合导弹总体设计和测试系统设计工作,模糊其任务分割界线,充 分开展可测性设计方案研究,并综合分析生产和维护阶段的测试及诊断需求,实施具备 良好战略发展性的测试系统集成方案. 在并行工程实施过程中,测试系统设计和应用技术人员将积极参与导弹总体方案的 设计工作,在确保导弹功能稳定性和可靠性的前提下,开展可测性设计.通过各阶段技 术人员并行协作实现的可测性分析和设计工作可及时明确最终测试需求, 有效降低项目 研发过程中的需求重定义问题的发生频率,提高导弹整体测试性和维护性. 3.标准化进程 标准化是实施导弹测试系统纵向集成测试策略的基础之一.没有标准化,纵向集成 策略中四个阶段的有机衔接以及并行工程的项目划分将无从谈起. 目前,国内在系统硬件方面已基本实现了标准化,普遍采用了几种国际上比较流行 的总线标准,如:GPIB 总线和 VXI 总线.但软件标准化进程则相对缓慢. (1)测试集成软件框架标准 在测试软件方面,美国三军已统一采用广域测试环境 ABBET(A Broad-based
http://www.paper.edu.cn
Environment for Test)标准(即 IEEE1226.0～IEEE1226.6)[3].它是由一套由工业 和官方专家发展起来的标准.这套标准目的在于: (1)缩短测试程序开发周期, (2)提 高测试程序的准确性和实践性, (3)实现应用软件间测试代码的重用, (4)规定特定仪 器的独立性以提高其重用性. 图 2 是 ABBET 的原理结构框图.可见,通过 ABBET 的软件框架实现了一系列应用程 序的集成,从而提供了三种基本的测试服务类型: 测试和故障诊断服务 信息服务 用户接口服务
用户接口 服 外部交换数据 应用程序 信 服 息 务 测试和诊 断服务 务 用户
信息知识库
产 品 测试策略 和需求层 测 试 测试资源 管 理 层 仪 器 测试 资源
描述层
过程层
控制层
ICES EDIF 设计和 测试标准 VHDL ISO STEP
AI-ESTATE WAVES ATPG
C/ATLAS 1989
TEDL RDL
GPIB VXI VISA MMS
图 2 ABBET 的原理结构框图 Fig.2 Block Diagram of ABBET Principle
ABBET 通过开放式框架实现对测试信息知识库和物理测试资源的控制,其构造基础 是测试基础框架(Test Foundation Framework) .测试基础框架以每一个部件标准为基 础,提供特定的框架和程序.它是一些面向对象类的类,这些类规定了对象和必需的服 务以实现广域测试的需求, 利用与具体开发语言环境无关的接口描述语言实现测试软件 模块间的接口定义, 确保了测试语言的多元化, 从而分离了测试软件开发环境和底层软, 硬件环境,消除了软件移植和重用的障碍.而且,还可将 ABBET 框架嵌入系统 CAD 框架 中,从而提供实施并行工程方法的必要条件. ABBET 涵盖了多种相关测试标准(如 VPP,ATLAS 和 AI-ESTATE) ,涉及产品全寿命周 期的设计,生产和维护三个阶段.其标准定义将整个测试领域在宏观上划分为产品描述 层,测试策略和需求层,测试过程层,测试资源管理层,仪器控制层. (2)智能诊断接口标准 在测试硬件和软件智能化程度不断提高的今天, 人工智能技术成为诊断应用中必不 可少的组成部分.现在,美军方已在测试诊断系统中广泛采用人工智能技术.然而,长
http://www.paper.edu.cn
期以来,人工智能诊断模块与测试设备(软,硬件)间标准接口的缺乏,使其潜在的优 点难以充分体现,甚至导致系统整体结构控制上的错误.因此,这个问题同全寿命周期 维护问题一样重要. 较早的测试标准,例如 IEEE 716-1989(C/ATLAS), IEEE 993-1990(TEDL),IEEE 981-1990(RDL),都没有提供人工智能技术和测试应用的结合方法.1990 年 2 月 IEEE 委员会批准了 1232 号项目授权请求,批准 IEEE SCC-20(ATALS)委员会开始研究新的测 试标准—AI-ESTATE(Artificial Intelligence-Expert System Tie to Automatic Test Equipment), 人工智能-专家系统和测试环境的接口[4]. AI-ESTATE 的重点并非只在专家系统(expert system)方面,它同时还定义了所有 与测试有关的推理系统,用户,目标测试设备以及外部理论库(故障树,神经网络,进 化计算和信息流模型等)与数据库之间的接口. 通过 AI-ESTATE 可规范智能诊断系统的知识表述和功能实现,可确保诊断模块相互 兼容,并独立于测试过程,从而提高诊断知识的移植,重用和共享,为并行工程实施提 供切实技术保障. 三,现实解决方案 建立在并行工程,标准化基础上的 E-M-F 测试策略和可测性设计测试方案可使新一 代导弹武器系统在设计,制造和使用维护中形成立体式的测试信息采集,处理和应用体 系.实现测试系统工程各阶段和各环节获取的数据信息的交互共享,构成纵横交错,点 面结合的导弹综合测试和维护系统.为达到此目标,应逐步开展如下一系列工作: 1.强化硬件接口的标准化,开展测试软件接口标准化的应用研究 目前, 在国内导弹测试系统集成应用中采用的绝大多数是基于各类总线 (GPIB 或 VXI 总线)的通用测试测量仪器,而许多专用仪器设备还没有实现硬件标准化接口.因此, 需要针对这些专用仪器设备开展专项标准化接口技术改造工作.对于功能相对简单,体 积小的设备可采取 VXI 总线模块化设计方案,而对于功能复杂,体积较大或要求严格电 磁兼容条件的设备可设计 GPIB 或 USB 总线接口,实现与控制计算机的直接连接和操作 的智能化.通过硬件标准化技术改造,可逐步将众多专用仪器设备统一为一系列标准化 的即插即用(Plug&Play)硬件接口,提高设备的通用性和维护性. 软件标准化以导弹武器系列型号为应用对象,逐步扩展标准化范围. 2.开展武器系统的可测性设计理论和应用技术研究,消除纵向集成策略的关键技术屏 障 在西方国家,尤其是美国,可测性设计(DFT)理论和应用技术研究已被军方和民 用电子工业所广泛采用.其中涉及的许多关键技术和产品被列入限制出口清单.随着我 国电子制造水平和应用设计技术的不断进步,DFT 研究必须紧跟发展趋势,结合实际应 用需要,突破技术封锁,确定既符合国际标准又适合我国技术发展现状的可测性设计研 究方案.
http://www.paper.edu.cn
3.加强人工智能和计算智能在故障诊断领域的应用研究,提高测试信息处理水平 我国绝大多数导弹测试系统仍停留于简单的产品质量和状态信息的基本收集层次 上.缺乏对所获取信息进一步的自动化和智能化处理功能.因此,在现阶段,应综合运 用一些成熟的人工智能(专家系统) ,计算智能(神经网络,模糊数学,遗传算法等) 理论和技术,开发相应的软件工具,整理导弹设计和测试专家的宝贵经验,构造针对型 号系列的各类各层次测试信息智能处理和故障诊断系统. 4.建立导弹全寿命周期测试信息综合处理平台,为设计,维护,维修和战略战术决策 提供综合决策支持系统 限制纵向集成策略实施的另一个关键问题是:导弹全寿命周期的信息交互共享问 题.应利用分布式网络化数据库技术解决导弹全寿命周期的信息维护,交换和共享,并 结合商业数据处理中蓬勃发展的数据仓库和数据挖掘技术提高信息综合管理和深加工 能力.通过建立全寿命周期测试信息综合处理平台为智能诊断提供数据预处理,规则发 现等各种信息处理服务. 但是,我国现阶段武器研制工作中的一些现实问题还是不容忽视的.由于我国测试 技术标准化同国际接轨的工作并不十分完善,导致了测试系统标准不统一的情况.尤其 是软件标准化进程相对滞后,且研究工作协调性差,各研发机构工作重点相对分散, ATLAS,Ada,LabWindows/CVI,Visual C++和 Visual Basic 等多种软件开发环境在测 试系统集成应用研究中共存,导致软件标准化难以得到充分保障. 由以上分析可见,我国测试技术标准化工作的一个可行的解决方案是以 ABBET 和 AI-ESTATE 为重点,在相对独立于底层硬件和软件环境的层次上,开展测试系统集成技 术的标准化研究工作,从而回避众多繁琐复杂的底层标准化工作,提高效率,尽快缩短 与世界先进水平之间的差距.然后,在此基础上,研发针对各军兵种特点的武器系统测 试和诊断集成系统应用框架和通用平台. 四,结论 纵向集成策略的有效实施可降低导弹武器系统寿命周期的综合测试和维护成本,提 高系统诊断性能,可靠性,维修性和可操作性. 在导弹武器测试系统集成策略研究和实施过程中,应结合我国导弹武器系统研发技 术水平和管理体制特点,遵循技术跟踪,务实创新和逐步过渡的基本技术路线,注意避 免急于求成, 求全求大造成资源浪费. 以型号系列为基础, 逐步统一测试系统集成策略, 构建符合我国国防战略方针的现代导弹武器测试系统通用框架和平台. 参 考 文 献 1.设计-制造-维护纵向集成测试策略,杨廷善,测控技术,1999 年 18 卷第 9 期:14-19 页 2.测控软件的集成技术,李光沐,测控技术,1999 年 18 卷第 4 期:1-3 页
http://www.paper.edu.cn
3 . Giarla, A.J.; Simerly, W.L. Implementing an AI-ESTATE based diagnostic engine component,Digital Avionics Systems Conferences, 2000. Proceedings. DASC. The 19th , Volume: 2 , 2000 Page(s): 6B3/1 -6B3/9 4.Neblett, B. Implementing reusable, instrument independent test programs in the factory, IEEE Aerospace and Electronics Systems Magazine , Volume: 12 Issue: 6 , June 1997 Page(s): 29 -34 作者简介:彭宇,男,1973 年,辽宁省,讲师,工学硕士,主要研究方向:武器系统测 试和智能诊断,人工智能应用.
Integrated Test Strategy Research for Missile
Peng yu Peng xiyuan Harbin Institute of Technology 339#(150001) Cao wei Peng tao China Aerospace Science and Technology Corporation Abstract: Referring to the engineering-to-manufacturing-to-field vertically integrated test strategy adopted in development, manufacture and maintenance process of American military weapon system, this paper presents an integrated test strategy suitable for developing Chinese missile test system. It is based on the contemporary situation of missile test and diagnosis application and development in China. Keywords: test system, integrated strategy, standardization, ABBET,AI-ESTATE