装备测试性建模与设计技术
2012-1
科学出版社
邱静 等著
493
621000
测试性是装备便于测试和诊断的重要设计特性，它已成为和可靠性、维修性同等重要的独立学科，开展测试性设计技术研究具有重要的学术价值和工程指导意义。邱静等编著的这本《装备测试性建模与设计技术》针对测试性建模与设计问题进行了系统论述，内容包括：测试性需求及指标分配技术、测试性建模技术、测试性预计技术、测试性方案优化设计技术、诊断策略构建技术、测试性辅助设计软件以及工程应用案例。
本书可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的参考书，也可供装备测试性、维修性及测试诊断等领域的科研人员与工程技术人员参考。
《装备测试性工程系列丛书》序
前言
第1章 绪论
1.1 测试性设计技术内涵
1.2 测试性设计技术研究现状综述
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 测试性工程工作流程
1.4 测试性建模与设计关键技术分析
1.5 本书的结构安排
参考文献
第2章 测试性需求分析技术
2.1 概述
2.2 测试性需求影响因素分析
2.2.1 任务要求分析
2.2.2 可靠性要求分析
2.2.3 维修保障要求分析
2.2.4 性能要求分析
2.2.5 功能结构要求分析
2.2.6 可利用/可达技术分析
2.2.7 系统需求信息与测试性需求的关联分析
2.3 测试性参数分析与指标体系构建
2.3.1 测试性参数分类
2.3.2 测试性参数定义与分析
2.3.3 测试性参数选择
2.3.4 测试性指标体系构建
2.3.5 基于综合权衡的测试性指标转换方法
2.4 测试性指标确定的一般方法
2.4.1 通用测试性指标确定方法
2.4.2 面向可用度/任务成功率的测试性指标确定方法
2.5 基于广义随机Petri网的测试性指标确定方法
2.5.1 广义随机Petri网概述
2.5.2 基于GSPN的装备系统层测试性需求建模与分析
2.5.3 基于GSPN的装备多层级测试性需求建模与分析
2.6 基于DSPN的多任务系统测试性指标确定方法
2.6.1 复杂装备的PMS分析
2.6.2 面向PMS的DSPN模型
2.6.3 基于DSPN的PMS测试性需求分析模型
2.6.4 DSPN-PMS性能量化分析与测试性指标确定方法
2.6.5 案例分析与验证
2.7 本章小结
参考文献
第3章 测试性指标分配技术
3.1 概述
3.2 测试性分配的数学模型与一般流程
3.3 经典测试性分配方法
3.3.1 经验分配法
3.3.2 等值分配法
3.3.3 加权分配法
3.3.4 故障率分配法
3.3.5 优化分配法
3.3.6 综合加权分配法
3.3.7 现有各分配方法分析
3.4 基于AHP的测试性分配方法
3.4.1 基本原理
3.4.2 具体步骤
3.4.3 应用范例
3.5 新老设备组合系统的测试性分配方法
3.5.1 基本原理
3.5.2 具体步骤
3.5.3 应用范例
3.6 本章小结
参考文献
第4章 测试性建模技术
4.1 概述
……
第5章 测试性预计技术
第6章 测试性方案优化设计技术
第7章 诊断策略构建技术
第8章 测试性建模与设计软件及应用
附录一 缩略语中英文对照
附录二 测试性术语
版权页：第1章绪论 1.1 测试性设计技术内涵 现代装备的功能越来越先进，技术和结构复杂性越来越强，因此对装备测试和诊断提出了更高、更新、更严的要求，也带来了严重的测试、诊断和维修保障问题。 主要表现在：①各类测试信息获取困难，无法测试或测试过程复杂；②测试设备繁多，测试标准、测试体系与测试设备不统一、不通用、不兼容；③故障检测与诊断准确性较差、虚警率高；④测试与诊断时间长、效率低、费用高，维修保障资源浪费，装备全寿命周期费用增加。 针对上述问题，测试和诊断界及相关人员开展了大量的研究，提出了大量先进的测试理念、测试技术，开发了功能强大的各类测试系统与设备，如VXI、PXI测试系统等。但人们在研究和工程实践中日益发现，片面强调外部测试系统的研发并不能也无法从根本上解决复杂装备的测试问题，要实现快速而精确的测试，必须在装备设计研制一开始就综合考虑测试与诊断问题，使装备具有良好的机内测试（built-intest，BIT）、自诊断能力和为外部测试提供良好而方便的特性和接口，并配套开发外部测试系统，即开展测试性设计。 测试性（testability）也称可测性，是指“产品能及时准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并有效地隔离其内部故障的一种设计特性”［1］。测试性作为产品的一种重要属性为人们所认识是在20世纪70年代中期。测试性设计是指在装备设计阶段并行考虑测试问题，综合应用BIT、自动测试、人工测试等测试资源，通过优化设计用最小的测试代价获得充分、准确的测试。测试性设计是对传统测试机制的革新，是并行工程思想在装备测试领域的体现，可以实现装备测试能力的“优生”和测试的总体优化，进而快速、全面、准确地感知装备技术状态。 1.2 测试性设计技术研究现状综述 1.2.1 国外研究现状 历经了30余年的发展，美军对于测试性技术体系的认识已经相当全面和完整，其技术水平已经达到一个比较高的水平，概括起来有以下特点。 在技术研究方面，自“测试性”术语提出至今，测试性技术的研究发展经历了三个阶段：基于经验的设计、结构化的设计和基于模型的设计。 基于经验的测试性设计方法在测试性技术发展的初期（20世纪70年代到80年代中期）比较流行。由于当时测试性概念才初步形成，缺乏深入的理论研究，在工程实践中遇到的一些测试性问题，如测量参数（figure of merit）、设计指导准则、验证和评价方法等通常以军用标准、研究报告、设计指南和用户手册的形式记录下来，用以指导其他的测试性设计项目。1976年，美国海军首先开始涉足测试性设计领域，海军器材部（ NavalMaterial Command，NAVMATINST）对不同类型的电子电路和系统进行了测试性/BIT 研究，发布了NAVMATINST 3960.9《BIT 设计指南》［ 2］。1978年，海军海面武器中心（ Naval Surface Weapons Center，NSWC）发布了《测试性指南报告》［3］，综述了当时存在的测试性问题，定义了一些测试性术语。1983年美国国防部颁布了MIL-STD-470A《系统及设备维修性管理大纲》［4］，强调测试性是维修性大纲的一个重要组成部分，承认BIT及外部测试不仅对维修性设计特性产生重大影响，而且会影响到武器系统的采购及其全寿命周期费用。 1985年美国国防部颁布了MIL-STD-2165《电子系统及设备测试性大纲》［5］，规定了电子组件内如何保证足够的测试以识别和隔离故障的保障要求，即在系统及设备各研制阶段中应实施的测试性分析、设计及验证的要求及实施方法，是测试性研究的总结性文件，标志了测试性作为一门独立学科的形成。 为满足武器系统的监控诊断与维修要求，美国实施了一系列的综合诊断研究计划，如海军的“综合诊断保障系统”（Integrated Diagnosis Support System，IDSS）计划［6，7］、空军的“通用综合维修与诊断平台”（Generic Integrated Maintenance andDiagnostic Support，GIMADS）计划［8，9］ 等。基于上述研究成果，美国国防部于1991 年颁布了MIL-STD-1814《综合诊断》［ 10］，对测试性有关内容作了进一步规范。为综合考虑非电子产品的测试性并与综合诊断相协调，美国国防部于1993 年颁布了MIL-STD-2165A《系统和设备测试性大纲》并取代了MIL-STD-2165 。1995 年又将MIL-STD-2165A 改编为MIL-HDBK-2165 《系统和设备测试性手册》［11］。同时，一些民间机构和公司根据各自的研究成果，也相继发布了测试性手册和指南，如美国罗姆航空发展中心（Rome Air Develop Center，RDAC）的《RDAC 测试性手册》［ 12］、航空无线电公司（ Aeronautics Radio Incorporation，ARINC）的《BITE 设计和使用指南》［13 ］、高级测试工程（Advanced Test Engineering，ATE）公司的《SM TA 测试性指南》［14］ 等。大量测试性设计标准和指南的制定和颁布，在一定程度上促进了测试性设计技术的普及和发展。然而人们在实践中发现，这种经验方法往往是原则性的内容多，而可操作性却比较差。随着人们对测试性认识的加深，一种新的测试性设计思想――结构化的设计思想逐渐形成。结构化的测试性设计技术以BIT体系结构设计技术和边界扫描技术为核心［15，16］，主要有以下特点。首先，BIT 结构化设计技术逐渐成熟。随着各种智能BIT（intelligent BIT）和灵巧BIT（smart BIT）的大量应用，BIT体系结构问题成为研究的热点［17］。目前，国外经过研究提出了不少的BIT体系结构，包括：集中式（autocratic）、采邑式（feudalistic）、联邦式（confederated）等结构形式［18］。1995 年，美国洛克希德・ 马丁（Lockheed Martin）公司提出了一种层次BIT 结构［19］。位于系统最底层的芯片通过测试访问端口（test access port，TAP）与电路板的测试控制器相连，由测试控制器控制各芯片的BIT；各电路板通过背板测试总线与外场可更换单元（linereplaceable unit，LRU）测试控制器相连，由LRU 的测试执行模块实现对各电路板的测试调度；各LRU 通过系统维护总线与系统维护控制器相连，由系统操作软件指挥维护控制器完成系统测试和其他功能的有机集成。层次BIT 结构是目前装备BIT 结构设计的主流，很多先进的武器装备均采用了这种结构，如F-16及F-22等战机；一些民用系统，特别是航空系统中也广泛采用这种结构［20］。其次，复杂电子产品的结构化测试性设计技术日趋完善。早期电子产品主要采用专项测试性设计（Ad hoc DFT），即根据产品的功能结构特点，采取一些简单易行的措施来提高产品的固有测试性（inherent testability）。这种方法对于采用分立元件、复杂度较低的电路比较有效。然而，随着电子器件集成度的提高、安装密度的增大，电子产品大量采用表面贴装器件、多芯片模块、多层印刷电路板，专项测试性设计难以解决根本问题。1985年，欧美一些公司成立了联合测试行动组织（Joint Test Action Group，JTAG），提出了一种结构化的测试性设计技术――边界扫描技术［21］ 。该技术通过在器件输入输出管脚与内核电路之间置入边界扫描单元，实现对器件和其外围电路的测试。1990年IEEE 和JTAG 共同推出IEEE Std 1149.1-1990《边界扫描标准》［22］，使边界扫描技术得到了推广。1995年，IEEE将美国军方于20世纪80年代所提出的元件测试和维修总线（ETM-Bus）与系统级测试和维修总线（ TM-Bus）发展为模块测试和维修总线（ M TM-Bus）［23］，并颁布了IEEE Std 1149.5《模块测试与维修总线标准》［24］。该总线用相对较少的测试费用，实现了系统各级可更换单元的测试维护，特别是现场的测试维护。该总线现已被美国空军的“宝石柱”计划和“宝石平台”计划的航空电子系统体系结构所采用，并在F-22、RAH-66、波音777等大型系统中得到成功应用［25 ］。为了实现对数字、模拟混合测试信号的有效控制和访问，1999年IEEE颁布了IEEE Std 1149.4《混合信号测试总线标准》［26］。进入21世纪，IEEE颁布了最新一版的边界扫描标准IEEE Std 1149.1-2001［27］。为了满足交流耦合差动网络的边界扫描测试需求，安捷伦（Agilent）公司和思科（Cisco）公司于2001 年开始合作研究数字网络的测试技术，IEEE 随后接受该项技术并着手制定IEEE Std 1149.6《先进数字网络的边界扫描标准》［28］。随着片上系统（ system on chip，SoC）、片上网络（ net on chip，NoC）和微机电系统（ MEMS）等产品出现，超大规模嵌入式系统的测试问题成为测试学界的一大研究热点［29，30］。2005 年，IEEE基于IEEE Std 1149.1 颁布了IEEE Std 1500《嵌入式芯核的测试性标准》［31］。随着装备系统复杂度和集成度的急剧增加，测试性/BIT 与装备性能的一体化、并行设计成为发展现代复杂武器系统的必然要求。由于结构化设计方法本质上采用的是一种串行模式，无法适应并行设计的要求，因此必须寻找新的测试性设计方法。经过大量的研究和实践，人们形成了以下观点：①要实现测试性/BIT 与装备性能并行设计，必须建立系统测试性模型，将各种与测试性设计相关的因素、知识有效地组织起来；②这种测试性模型能为设计者提供有效的设计和验证手段，且能在并行工程的环境下，为不同的设计团队提供统一的信息交流界面，保证设计的顺利实施；③测试性模型和系统模型不同，系统模型主要用来描述系统的功能、行为及结构信息，而测试性模型主要用来描述系统故障与测试之间的逻辑关系及对测试资源的占用关系。自20 世纪80年代中后期开始，一些大学和机构开始着手研究测试性建模技术，至今已提出了不少测试性模型，其中具有代表性的是DSI 公司的相关性模型（dependency model）［32～34］、ARINC公司的信息流模型（information flow mod-el）［35～43］以及康涅狄格大学的多信号流图模型（multi-signal flow graph）［44～46］ 。国外还进一步研究了基于模型的测试性分析、设计与评估技术［ 43，47］，并开发了一些测试性设计CAD 软件，如WSTA［7］、STAMP［43］、eXpress［48］、TEAMS［49］等。为了便于各个企业之间数据和产品的交换与共享，一个国际化标准组织――IEEE 标准协调委员会20（Standard Coordinating Committee 20，SCC20）正在研究测试性信息描述模型。这种模型建立在一个统一的、能支持不同产品信息描述和交换标准上，能够面向系统不同层次和级别的开发人员［50］。目前，SCC20 已制定了一系列的标准［51］：IEEE Std 1232《适用于所有环境的人工智能交换和服务标准》［52～55］规范了测试系统与人工智能系统之间的接口，定义了测试和诊断信息，允许这些信息在不同的使用环境中进行交互，基于EXPRESS 信息描述语言，构建了动态环境模型（dynamic context model，DCM）、增强型诊断推理模型（enhanceddiagnostic inference model，EDIM）、诊断推理模型（ diagnostic inference model，DIM）、通用元素模型（common element model，CEM）、故障树模型（ fault treemodel，FTM）等五种诊断模型。基于IEEE Std 1232 中定义的基本模型，IEEEStd 1522《测试性与可诊断性特征和测度标准》［56～58］定义了一系列的测试性与诊断性测度的形式化描述模型，IEEE Std 1598《测试需求模型标准》［59，60］ 定义了测试性需求分析模型和基本框架，IEEE Std 1641《信号与测试定义标准》［61～63］定义了一系列的信号与测试的形式化描述模型，IEEE Std 1636《维修信息收集与分析软件接口标准》［64，65］定义了一系列的维修信息模型。在工具研发方面，国外开发了不少测试性辅助工具。洛克希德・ 马丁公司先进技术实验室在1998 年一份题为“CAD 系统描述”的报告［66］中，对面向测试设计（design for test）的CAD 软件进行了综述，并从功能角度出发将这些软件划分成测试需求与测度管理、测试策略管理、测试经济学建模、测试性分析、BIST 注入与综合、DFT/ATPG、故障仿真、测试程序开发等8 类，详见表1.1 。系统级的测试性分析辅助工具可分为基于表格（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简单提供可视化的界面和自动的表格生成和数据存储的CAD，这样的工具一般是参照有关标准和大纲指定的内容和步骤开发的，如Daniel 等根据MIL-STD-2165 开发的测试性分析表格工具［ 67］ 。而基于仿真的工具则首先构建测试性模型，然后基于该模型开展测试性分析、设计和评估，因此也称为基于模型（ model-based）的工具。最早的计算机辅助测试性设计工具是由DSI 公司的前身――Detex Systems Inc.所开发的LOGMOD 工具［68～70］，它采用了De Paul 提出的逻辑模型［ 71］。1975 年，LOGMOD被首次应用于军事领域，当时的应用并不广，主要是针对小规模的电子系统。1980年，ARINC 公司首次把LOGMOD 认定为测试性工具［72］，于是LOGMOD 成为基于模型的测试性分析与设计思想的开端。后来DSI 公司在此基础上又陆续开发了一系列测试性分析工具，如1986 年同美国海军合作开发的“武器系统测试性分析工具”（ weapon system testability analyzer，WSTA）［73，7 4］、“系统测试性分析工具”（system testability analysis tool，STAT）［75］等。WSTA 和STAT 均采用了基于模型的测试性分析与设计思想――这一思想对测试性设计领域产生了巨大的影响，以至于许多大公司纷纷仿效，其中比较著名的是ARINC 公司于1981 年开发的“ 系统测试性与维修程序”（system testability and maintenance program，STAMP）［76，77］ 工具。STAMP 以信息流模型为基础，能够对系统进行测试性分析与诊断策略设计，根据分析与设计结果评估系统的测试性与可诊断性，对没有达到设计要求的系统自动给出改进建议。随后STAMP 被集成到“便携交互式诊断工具”（portable interactive troubleshooter，POINTER）［78］当中，并成功地运用于许多大型装备（如B-2 轰炸机、黑鹰直升机的稳定性增强系统等）的测试性分析与设计［79］中。进入20世纪90年代，各种测试性辅助设计工具如雨后春笋般涌现出来，如Harris 公司为NASA空间站项目开发的“哈里斯系统测试性分析”（ Harris’system testability analysis，HSTA）工具［80］、智能自动化公司（Intelligent Automa-tion Inc.，IAI）开发的“自动相关性模型分析器”（automatic dependency modelanalyzer，ADMA）［8 1，82］、Robach 等开发的“计算机辅助测试分析”（computer-aidedtest analysis，CATA）系统［83］、康涅狄格大学开发的“测试性分析与研究工具”（system testability analysis and research tool，START）［84］、美军测试计量与诊断装备研究机构开发的“诊断分析与维修工具箱”（diagnostic analysis and repair toolset，DARTS）［85，86］、以色列特拉维夫大学开发的“人工智能测试”（artificial intelli-gence test，AITEST）工具［87，88］、法国系统结构分析实验室（ Laboratoire d’ Analyseet d’Architetures des Stytè mes，LAAS）开发的“诊断树自适应生成”（automaticgeneration of diagnosis trees，AGENDA）工具［89］ 等。
《装备测试性建模与设计技术》编辑推荐：现代装备功能越来越先进，结构越来越复杂，测试与诊断问题越来越突出。装备测试性设计是传统测试机制的革新。它是按照并行工程思想，在装备设计阶段并行考虑测试问题，综合应用BIT、自动测试、人工测试等测试资源，通过优化设计用最小的测试代价获得充分、准确的测试，实现装备测试能力的“优生”和测试的总体优化，以快速、全面、准确地测试装备状态。测试性设计技术是目前提高装备测试水平的最佳技术途径，是国内外装备综合保障领域研究和应用的热点之一。因此，系统地开展测试性设计技术研究具有重要的学术价值和工程实际应用价值。《装备测试性建模与设计技术》可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的参考书，也可供装备测试性、维修性及测试诊断等领域的科研人员与工程技术人员参考。
书的内容确实很充实，理论和实例讲解很详细，适合专门进行测试性设计技术研究的人员参考学习！
很快，态度好