BIT研究现状及发展

BIT研究现状及发展张超1,2，马存宝1,2，宋东1，许家栋2(1.西北工业大学航空学院陕西西安710072；2.西北工业大学电子信息学院陕西西安710072)摘要：机内测试(BIT)是一种能显著提高系统测试性和诊断能力的重要技术，已大量应用于当代航空系统和武器装备中。但虚警问题是困扰BIT应用的重大难题，并严重影响着武器装备的战备完好性和全寿命周期费用。因此，为从根本上解决BIT的虚警问题，智能BIT技术就成为测试领域21世纪的重点研究项目之一。首先简要介绍了BIT虚警的两个主要产生原因，然后重点概述了智能BIT的发展状况，并分析了当前研究方法中存在的不足，最后在研究BIT不确定性的基础上提出了基于粗糙集的智能BIT故障诊断新技术，并指出了该技术中需要研究的若干关键问题。关键词：智能机内测试；测试性；虚警；粗糙集；故障诊断中国分类号：TN56文献标识码：AIntelligentBuilt-inTest:AnOverviewZHANGChao1,2,MACunbao1,2,SongDong1,XUJiadong2(1.SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi,710072;2.SchoolofElectricalandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi,710072)Abstract:TheBuilt-inTest(BIT)isanimportanttechnologythatcangreatlyimprovethetestabilityanddiagnosiscapabilityofthesystem,andnowithasbeensuccessfullyappliedintheaviationsystemandweaponequipment.However,thefalsealarmproblemisoneoftheimportantfactorsthatpreventBITfrombeingmoreextensivelyapplied，andseriouslyaffecttheoperationalreadinessandlifecyclecostofweaponequipments.Inordertoreducethehighfalsealarmrate,intelligentBITisakeytesttechniquethatshouldbewellstudiedinthe21thcentury.TwomainfactorsinducingBITfalsealarmarefirstlyanalyzed.Then,theachievementsanddevelopmenttrendsofintelligentBITarereviewedindetail,andtheshortcomingsintoday’sresearcharediscussed.Finally,anewroughsettheory-basedintelligentBITfaultdiagnosistechniqueispresentedaccordingtotheinvestigatingoftheBITuncertainty,andthekeyproblemstobestudiedarealsopointedout.Keywords:intelligentBuilt-inTest；testability；falsealarm；roughset;faultdiagnosis0引言机内测试(Built-inTest，简称BIT)技术是系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力，是复杂系统或设备整体设计、分系统设计、状态监测、故障诊断和维修决策等方面的关键共性技术[1,2]。国外自从20世纪从70年代开展BIT技术研究以来，不仅在理论上做了大量积累，而且结合型号任务在应用上取得了一系列研究成果。目前美国几乎所有的军/民机航空电子系统和武器装备具有BIT，如F-14、F-111、F-15A、F-16、F/A-18、“狂风”、EF-111、AE-3A、F-22、基金资助：国家自然科学基金(60572173)、航天创新基金(2004CH01001)、国防科工委预研项目、西北工业大学青年科技创新基金(M016217)作者简介：张超(1977－)，男，湖北枝江人，讲师，主要从事自动化测试和故障诊断的研究。马存宝(1963－)，陕西三原人，教授，主要从事自动化测试、故障诊断和可靠性工程等方面的研究。JSF、RAH-66、B737、B747、B777和M1A2坦克等，用于自行辨识运行状态和快速检测故障，从而大大改善了系统的可靠性、维修性和测试性，降低了全寿命周期费用。而国内对BIT的研究大致处于美国20世纪90年代初期水平，主要集中在型号任务应用中，BIT基础理论和方法研究相对薄弱[1]。国内外的研究和应用表明：虚警是困扰BIT应用的重大难题[1-10]。由于常规BIT的理论局限性，电子设备的BIT虚警率一直居高不下。高虚警率不仅直接影响了BIT系统的有效性，而且会对系统任务的完成以及系统的可用性、维修和备件等产生不利的影响，甚至造成使用人员对其丧失信心[1,2,3,4]。为解决BIT故障诊断能力差、虚警率高、不能复现率高及重检合格率高等问题，国内外学者提出了许多方法，其中最有效的就是将神经网络、专家系统、模糊逻辑等人工智能理论和方法引入到BIT故障诊断中而产生的智能BIT技术。本文就是在分析BIT虚警的基础上，对国内外智能BIT的研究状况进行概述，指出其研究中存在的不足，并提出了基于粗糙集的智能BIT故障诊断新技术。1BIT虚警问题从测试性的角度，国军标GJB2547-95《装备测试性大纲》中对虚警的定义为：BIT或其它监控电路指示有故障而实际上不存在故障的情况。BIT虚警大致可以分为两类：①检测对象A有故障，而BIT指示检测对象B有故障，即所谓的“错报”，美军称为Ⅰ类虚警；②检测对象无故障，而BIT报警，即所谓的“假报”，美军称为Ⅱ类虚警[1,2,3,15-20]。由文献[1,2,3]可知，产生BIT虚警的原因大致可归纳为以下9种：设计者的假设不当；BIT设计不适合系统的实际情况；测试门限值/容差不合理；BIT或其它监测电路失效；错误的故障隔离；正常系统的偶然故障或偶然的性能变化；不适当激励或干扰；时间环境应力；间歇故障的影响等等。其中最主要的是：(1)时间环境应力根据美军ROME空军实验室的研究报告，时间环境应力是造成现役电子设备BIT虚警的重要原因[1,2]。由美军机载电子设备环境应力故障原因比率图(如图1所示)可知：50%以上的电子设备故障是由各种环境因素引起的，其中温度、湿度、振动三项就造成大约44%的故障[1]。恶劣的环境因素使电子系统在实际工作条件下所承受的环境应力与原来预计的不同，使得系统工作特性与原计划相比发生了变化，这样就直接影响到BIT模块本身，造成原设计的BIT特性出现虚警区和未检测区，使BIT有效性下降，从而产生虚警。图1机载电子设备环境应力故障原因比率图(2)间歇故障根据美军装备和电子工业的数据表明：间歇故障是产生BIT虚警的一个主要原因，占电子系统BIT虚警的30%-40%[1]。间歇故障的特点是随机出现和消失，其发生时间很随机，在有限的、不能预料的时间内对系统产生影响，且没有明显的模式或频率。间歇故障的这种不确定性引起了BIT诊断的不确定，表现出如图2所示的各种现象。图中，INTERMITTENT是间歇故障，而CND(不能复现)、NPF(没找到问题)、NFF(没找到故障)、RTOK(重检合格)、NEOF(失效无法验证)和ER(错误拆卸)是由间歇故障引发的不确定性问题，这些问题都因为报告了异常而事后却找不到故障，于是导致虚警。图2间歇故障导致的现象2智能BIT技术研究进展为解决以上问题达到提高BIT故障诊断能力、降低BIT虚警率的目的，国内外学者提出了基于人工智能的智能BIT技术。智能BIT就是将包括专家系统、神经网络、模糊理论、信息融合等在内的智能理论应用到BIT的设计、检测、诊断、决策等方面，提高BIT综合效能，从而降低设备全寿命周期费用的理论、技术和方法[1]。它主要包含BIT智能设计、BIT智能检测、BIT智能诊断和BIT智能决策四个方面[1]。2.1智能BIT概念的发展早在1981~1983年间，美空军怀特实验室就委托波音公司开展了一项“综合测试和维修(ITM)技术”的研究[5]，其研究目标是定义90年代战斗机航电设备的机上测试系统要求，并研究评价了人工智能(AI)应用于ITM系统的可行性。1984年波音公司受美空军罗姆航空发展中心的委托就AI技术在军用电子设备维修和测试性方面的应用完成了一项全面的调查研究，并在SmartBIT和SmartSIT两方面分别将AI应用于改进LRU/LRM级和系统级测试，降低BIT的故障隔离模糊度和虚警率，识别间歇故障。实际上，上述的ITM技术就属于一种SmartSIT技术，而SmartSIT就是一种系统级的SmartBIT，因此SmartBIT和SmartSIT可以合称为SmartBIT。但由于SmartBIT可以采用其它技术而并不一定必须运用AI技术来降低虚警，因此当时的SmartBIT概念含有“灵巧BIT”的意思，而并不完全等同于智能BIT。1987年，RADC的SmartBIT项目经理DaleW.Richard在“SmartBIT:APlanforIntelligentBuilt-inTest”一文中首次明确提出IntelligentBIT(智能BIT)的概念，其主要目的是把AI技术引入到BIT故障诊断中来，解决常规BIT虚警率高、不能识别间歇故障的问题[6]。2000年，张宝珍、曾天翔在“智能BIT技术”中将智能BIT技术仅仅界定在BIT故障诊断范围内[7]。直到2001年徐永成等人在深入探讨BIT内涵的基础上[8]，将智能BIT范围扩展到BIT的智能设计、智能检测、智能诊断和智能决策后才形成了真正意义上的智能BIT概念。INTERMITTENTRTOKNEOFNEFNPFCNDER47︵百分比︶12410122205101520253035404550温度振动潮湿沙尘盐雾冲击低气压其它(故障原因)22.2智能BIT国外研究和发展概况智能BIT的研究主要在美国空军的怀特实验室(WL)和罗姆航空发展中心(RADC)展开。总体来说，RADC对智能BIT的研究是最为系统的。1984年，RADC与格鲁门航空公司及其转包商BBN签署了代号为F30602-84-C-0051的研究合同，开始了“SmartBIT”的研究工作[6,9]。该项目历时两年，形成了编号为RADC-TR-85-148的“SmartBIT”总结报告，开发出了集成BIT、信息增强BIT、改进决策BIT和维修历史BIT四种灵巧BIT技术，并以E2-C机载电子系统飞行过程性能监控器(FPM)分系统中的信号转换器读数与报警模块(SCRAM)为演示对象，对信息增强BIT和改进决策BIT两种技术进行了应用仿真[10]，结果表明AI技术可以在不增加额外测试节点或故障覆盖的情况下检测虚警或间歇性[11]。1986年，RADC再次与格鲁门公司及BBN签署了代号为F30602-86-C-0272的研究合同，深入开展“SmartBIT-2”的研究工作[12]。该项目历时四年，形成了编号为ADA247192的“SmartBIT-2”总结报告，主要研究出了自适应BIT技术，包括K最近邻算法、BP神经网络算法、瞬态监控器的Markov模型，并在能代表现代航空电子复杂性的F111A/E航空电子现代化计划中的电子系统及其相连接的标准中央大气数据计算机(SCADC)进行了实验室仿真验证[13]，结果表明：标准BIT只能报告被测单元是硬故障状态或是正常状态，而