美军的综合测试与综合诊断策略及其发展.docx

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1、美军的综合测试与综合诊断策略及其发展张宝珍为了改善性能，现代武器装备大量采用各种先进的电子设备，使装备变得日益复杂，给使用、维修和保障带来了严重的问题。早在20世纪7080年代，复杂武器装备在长期的外场使用中已暴露出测试性差、故障诊断时间长、机内测试（BIT）虚警率高、使用和保障费用高、维修人力不足等各种问题，引起美英等国军方和工业部门的重视。美军及工业界有关部门分别针对各诊断要素相继独立地采取了很多措施，力图解决自动测试设备（ATE）、技术资料、BIT及测试性问题，但由于在测试和诊断策略上缺乏综合考虑，结果是虽从某些方面局部地解决了武器装备的诊断问题，对提高装备的战备完好性起到了一定作用，但

2、并未从根本上解决上述问题，并带来一些新的问题。比如，美国军方在20世纪80年代投入巨资开发各种专用ATE，结果开发出的ATE硬件和软件种类繁多，缺少通用化、标准化，致使装备的使用与保障费用急剧上升，且严重影响多兵种间的联合作战能力。美军总结这一阶段的经验教训，提出了新的测试和诊断策略，即综合测试和综合诊断策略。这些新的策略在美空军的F-22、F-35战斗机，美海军的SSN-21攻击核潜艇和美陆军的M1A2主战坦克等新一代武器装备中应用后，获得了显著的经济和军事效益。一、综合测试和综合诊断策略的内涵1. 综合测试综合测试策略包括纵向综合测试和横向综合测试两方面内容。纵向综合测试策略是设计-制造-

3、维修综合测试策略的简称，是指武器装备设计过程中的验证试验测试、制造过程中故障分析和验收试验测试以及使用维修中的故障诊断测试均采用相同标准的、相互间可通用的测试设备硬件和软件。也就是说，武器装备的设计、制造和使用维修中使用通用的测试硬件平台、统一的编程语言和测试软件平台进行测试。在没有推行纵向综合测试策略之前，设计和方案验证、制造以及使用维护三个阶段之间没有什么联系或者联系不密切，所有的测试设备和软件互不通用，就好像一道道“砖墙”把它们隔离开来，彼此互不相通，如图1所示。纵向综合测试策略就是要拆掉这些“砖墙”，如图2所示，不但实现了各阶段的测试设备和软件的相互通用，而且还实现了各阶段的测试数据共

4、享，减少不必要的重复试验和测试。图1. 传统测试方法图2. 纵向综合策略要实现这一新策略，除了需要解决思想认识、传统习惯和管理体制等问题以外，还须解决并行工程和标准化两大问题。在纵向测试策略的基础上，美军方又提出了横向综合测试策略。这一测试策略是指对不同型号的武器系统（如歼击机、轰炸机、直升机、侦察机等）和不同军种（海、陆、空）的武器系统，甚至民用系统（如民机）均采用标准化、通用化的测试设备和软件。如图3所示，海、陆、空三军使用的各种军机与民飞采用通用的自动测试设备（ATE）。图3. 横向综合测试策略示意图横向综合测试策略是一种高层次的测试策略。它的实现基础也是测试体系，包括测试系统硬件、软件

5、体系结构及其各组成要素的标准化，需要高层组织的推动才有可能实现。通过采用纵、横向综合测试策略，可以实现测试软件的一次性开发、逐步添加、相互移植、数据共享等。这种综合的优点可以初步概括为“五减少两方便”：减少软件开发量，减少对专用测试设备的需求，减少维修人员及培训费用、减少测试设备的备份储备，方便测试资源共享，方便测试设备之间的替代。其最终效果将体现在测试系统的开发费用降低、使用和维修方便以及武器系统的出勤率和战备完好性大大提高等方面。2. 综合诊断的内涵综合诊断（integrated diagnostics）通常定义为通过考虑和综合测试性、自动和人工测试、维修辅助手段、技术信息、人员和培训等构

6、成诊断能力的所有要素，使装备诊断能力达到最佳的结构化设计和管理过程。其目的是以最少的费用最有效地检测、隔离武器装备内已知的或预期发生的所有故障，以满足装备任务要求。在这一过程中，诊断功能被划分到机内或机外的诊断组元。将测试和诊断过程中有关的信息与诊断功能和部件进行有效的通信是这一过程的基础。综合诊断不是一种新技术或新特性，而是一种新的思路和新的途径。综合诊断的内涵包括了如下几个核心要求：首先，诊断必须是正在进行的系统工程过程的一个组成部分。它包括产品整个寿命周期内通常所需要的技术改造工程过程。其次，综合诊断过程中关键的一步是将诊断功能划分到机内或机外的诊断组元，因为这牵涉到对各诊断组元间接口的

7、定义，而如何定义这些接口关系到系统结构的开放性。再次，综合诊断作为一个过程，必须贯穿于产品的整个寿命周期，即应不断改进诊断性能从而使之趋于成熟。最后，最佳诊断能力的获得不仅靠各种诊断功能和组元的相互衔接，还取决于它们彼此之间信息的共享和再利用。综合诊断实施的基本途径在于“综合”，即通过有效的组织和配置使各组成单元成为一个整体地协同起作用，具体包括各诊断要素的综合、各维修级别的综合和寿命周期各阶段的综合三方面的内容。综合诊断的实施必须从装备设计开始，并贯穿于其寿命周期的各个阶段。二、综合测试与综合诊断策略的发展1. 开放性（1）开放式体系结构开放式体系结构如图4所示。开放式体系结构是系统升级和引

8、入各种来源的新技术、防止过时淘汰所必需的。其中，“使用（作战）体系结构”是由用户（客户）定义所需的功能，即它是一种“功能结构”。以建造一所房屋为例，“使用结构”定义房屋的间数，房间向外的风景等。“技术体系结构”定义设计人员可用来使其设计决策容易做出的“共识”或“一致性”准则。仍以建造房屋为例，“共识”准则是地基所使用的水泥的厚度；“一致性”准则是房门的尺寸。“系统体系结构”定义了落实系统设计的内容，如定义了建房所使用的材料、水管设备配置路线、电线的线路等。图4. 开放系统结构一个有效的开放系统体系结构将依赖于硬件和软件的模块化设计和功能划分。模块化设计和功能划分应使其排列成在更换其中分系统或部

9、件时不会影响其他部分。如果硬件和软件被有效地划分，用新技术更新硬件无需修改应用软件。同时，修改应用软件也能够不改变硬件。模块化设计是开放系统方法的基础，但开放系统方法不只意味着一种模块化结构。它要求利用标准的“开放”接口规范综合各个单一的功能部件形成模块化系统。开放系统方法强调使用已被认可的工业标准去规定体系结构组成部分的性能和接口要求。 这里“标准”的定义是：在一致同意的基础上建立起来的、用来定义接口、服务、协议或数据格式规范等公开可用的文件。不是所有的标准都适用于所有的情况，有时是数个标准一起工作才能满足应用需求。（2）美国国防部体系结构框架随着技术的发展和实践的深人，美军越来越认识到体系

10、结构的重要性。20世纪90年代，美国国防部总结了海湾战争的经验教训，提出所谓“联合设想2010”。其主要内容是在未来的战争中如何提高各军种的联合、协同作战的能力。为落实这一设想，美国国防部于1996年6月建立了DoD体系结构框架（DoDAF）（当时又称C4ISR信息系统框架）, 由三种体系结构组成，即作战体系结构(OA)、系统体系结构(SA)和技术体系结构(TA)。作战体系结构是对作战任务和行动、各作战要素及完成和支援作战的信息、信息流的描述。其作用是定义作战任务、行动、要素及信息交换要求，确定作战人员的关系并提出信息需求；系统体系结构：对作战或支援作战功能的各系统及其相互连接关系的描述(包括

11、各种图形)。其作用是定义各系统如何连接和实现互操作，以及确定组成单元的可靠性、维修性等性能指标，以满足作战需求；技术体系结构：是决定组成系统的各部件或各组成要素之间互连、互通、互操作，特别是互操作的剧限度一套标准和约定。其作用是确保组成的系统能实现互操作，满足作战要求。这三种体系结构相互依存，构成了一个有机的整体。其相互关系如图5所示。其中的技术体系结构又称联合技术体系结构（JTA），对作战体系结构提供技术支持能力，对系统体系结构提供技术标准的支持和制约，实现信息交换安全等级的技术性能要求。是美国国防部信息系统建设的标准化技术纲要。图5. DoDAF三种体系结构的关系视图（3）ATS开放式技术

12、体系结构框架美军和北约都十分重视体系结构建设，近年来北约构建了开放式技术体系结构（NATOC3TA），并将美军的联合技术体系结构（JTA）也纳入其中，而ATS开放式体系结构框架亦在JTA之列。ATS技术体系框架定义和提供一种通用的技术框架，为构建、分类和组织ATS体系结构提供指导和准则，促进ATS体系结构的落实是建立在行业范围内公认的标准和规范基础上，以支持系统互操作性的实现。该框架是1996年开始制定的，并随着测试技术的发展而不断更新。它是国防部采办所有ATS时都要遵循的一种强制性要求，用于指导未来ATS设计满足国防部上述的ATS目标。如图6所示，DoD ATS框架包含构成DoD ATS开放

13、体系结构的24个关键元素和相关的最少的一组开放性标准。通过在ATS的采办中强制采用和遵守框架中定义的要素和相应的标准，可以产生美军各军种和联盟伙伴可互操作且能支持其各自特殊的ATS要求和策略的测试系统。图注：AFP-适配器功能和参数信息；BTD-机内测试数据；CTI-通用测试接口；CXE-计算机至外部环境；NET-数据网络化；DIAD-诊断数据；DIAS-诊断服务；DTF-数字测试格式；DNE-分布式网络环境；ICM-仪器通信管理器；DRV-仪器驱动；IFP-仪器功能和参数信息；MTD-维修测试数据和服务；MCI-一致性主指标；MMF-多媒体格式；PDD-产品设计数据；RAI-资源适配器接口；

14、RMS-资源管理服务；RTS-运行时服务；SFP-开关功能和参数信息；FRM-系统框架；TPD-测试程序文档；UDI -UUT设备接口；UTR -UUT测试需求。图6. ATS技术框架要素ATS框架随着测试技术的发展而不断发展演变。如今，ATS框架的24个关键元素中有7个要素及其相关的标准已作为强制性要求公布在美国国防部信息技术标准库（DISR）（取代了美国国防部原先的联合技术体系结构（JTA）中，另有14个要素作为“正在形成的”（emerging）要求纳入DISR。完善ATS框架的工作正在加速进行，目标是到2009-2010年完成ATS框架所有要素的标准化工作。（3）基于信息的综合诊断开放式

15、体系结构鉴于冷战结束后军费的缩减，军方认识到，综合诊断发展和推广应用的关键是要通过快速吸收新技术和民用现成（COTS）技术，保证其目标的实现。而吸纳外界技术成果的最好办法就是自身要具有开放系统结构。为此，1999年美国国防部长办公厅（OSD）启动了“综合诊断开放系统方法演示验证”（OSAIDD）研究，探讨统一的、通用的综合诊断功能实现方法的可行性。该项研究的最终成果是，提出了以信息为基础的一种综合诊断开放系统结构（如图7），并制定了实施路线图。构建综合诊断开放系统结构，旨在借助在相关的测试与诊断信息间建立通信，来降低系统成本，改进互用性，加速技术嵌入。图7. 基于信息的综合诊断开放式体系结构这

16、种开放系统结构的特点是网络化，组成综合诊断的各要素只是网络中的一个节点。网络化的基础是信息，综合诊断过程建立在信息模型和开放系统互联模型基础上。它的实施目标是：定义关键接口和组元；开发统一的测试与诊断信息模型；研制可互换的传感器和测试仪器（硬件）；开发可互换的诊断算法（软件）；确定统一的可度量的诊断过程和指标；将诊断综合到设计和工程过程中；应用先进的通信技术。综合诊断开放式体系结构能有效地支持诊断组元、功能和寿命周期各阶段间的信息共享。该方法的主要作用是：有效地获取和使用诊断信息；防止技术和元器件过时淘汰；不断改进综合诊断过程，适用于在研系统和旧有系统。2. 网络化随着网络中心战和一体化联合作

17、战等信息化战争模式的提出，网络化测试和诊断技术得到英、美等军事强国的高度重视。2003年美国国防部制定了以网络为中心的数据策略（Net-Centric Data Strategy）规划，把基于应用的网络系统，改变成基于服务的网络系统，并提出了网络中心性的概念（Net-centricity）。后来，为将测试和诊断综合到网络为中心的数据环境中，提出了网络为中心的测试（Net-Centric Test）、网络为中心的诊断（Net-Centric Diagnostics）等概念。另外，基于网络化测试的相关标准也应运而生，IEEE SCC20及其他的工业协会制定一系列相关标准，如IEEE 1232、IE

18、EE1636、IEEE1671、IEEE1451等陆续推出。（1）网络化测试的军事需求源于武器装备的综合诊断网络化测试和诊断最基本的目标是通过网络，实现测试和诊断资源的互联和共享。美国军方在90年代末期提出的综合诊断开放式体系结构就是借助在相关的测试与诊断信息间建立有效通信，实现信息共享。综合诊断的核心是综合诊断信息系统（如图6），它通过网络把各诊断要素，包括服务、知识、数据和设备（机内、机旁、离机测试设备）链接起来。它也派生出远程测试和诊断、异地会诊等技术。（2）网络化诊断与测试研究的内容不断扩展和深化综合诊断信息系统主要在数据和服务一级通过网络实现测试和诊断的共享。随着计算机和网路技术的发

19、展，通过网络实现测试资源的互联，包括测试仪器和传感器，也成为测试领域的一个研究热点。典型的例子是LXI仪器和传感器网络。近年来，蓝牙技术也在无线传感器网络中得到应用。以网络为中心的测试还涉及到：多机互联技术、分级测试技术、横向融合（Horizontal Fusion）技术、数据挖掘技术、可视化数据表示技术等。3企业健康管理框架自20世纪90年代末以来，随着信息技术突飞猛进的发展和广泛应用，综合诊断系统向测试、监控、诊断、预测和维修管理一体化方向发展，并从最初侧重考虑电子系统扩展到综合考虑电子、机械、结构、动力等各种主要分系统，形成平台一级的综合的诊断、预测与健康管理(PHM) 系统。借助JSF

20、项目实现自主式保障方案为契机，美国军方、政府机构、工业界和学术界各自纷纷开展了大量PHM相关技术项目的研究和开发工作。然而，由于缺少统一顶层规划，在一定程度上造成了重复研究、资源浪费、重视技术开发，忽视技术转化成能力等问题。为此，2008年2月，在美国国防工业协会（NDIA）系统工程委员会综合诊断分委会小组会议上，JSF项目办公室的飞机PHM主管Tom Dabney先生提出一种“企业健康管理框架”，旨在建立一种在美国政府、盟国伙伴、工业界和学术界的健康管理机构之间使用的“通用框架”，以协调健康管理的技术规划、研发、资源规划以及向使用项目的转化工作，最大程度地实现技术共享和协作。所谓企业健康管理

21、（EHM）是指，基于健康管理数据或信息、可用资源、采办策略和使用需求，对跨企业的设计、后勤保障、维修和使用活动作出基于可靠信息的、明智的适当决策的能力。PHM与企业健康管理的区别在于，PHM更多关注技术而没有关注更广泛的转化和使用问题，即企业关注的问题。在EHM中用“管理”一词代替“监测”传达了通过改善对用户重要领域的监控来为用户提供服务的思想，即管理武器系统的健康来确保任务完成，而非仅仅告诉用户什么地方将故障。受JSF项目和美国国防部办公厅（OSD）的委托，NDIA综合诊断（ID）委员会正在帮助OSD构建企业健康管理“支柱过程”（Pillar Process）框架（如图8）。通过按类别（即支

22、柱Pillar：包括业务、体系结构、科学技术能力、基础设施、实施几方面）确定的需求、差距及障碍等几方面，该支柱过程将技术开发人员、用户、采办和保障团体的不同关注点（兴趣）综合起来，并在项目早期当其还能对结果产生影响时制定出解决方案。图8. CBM+/EHM框架支柱方案为了更好地服务于用户的需求，NDIA综合诊断（ID）委员会扩大了其工作范围，将ID过程视为一种端到端的“企业”（Enterprise）工作，并将其名称更改为企业健康管理委员会。三、结论通过贯彻综合测试和综合诊断策略所开发的通用测试技术、通用测试平台和综合测试与诊断系统，可以在研制、生产、使用维修各阶段跨阶段使用，甚至可以跨军兵种使用，从而能够大大减少测试系统和设备的数量和品种，并在一定程度上降低了装备和装备保障系统的复杂性，提高了装备系统的战备完好性和经济可承受性；同时综合测试与诊断技术以其低成本和广泛的适用性在军、民用领域中得到普遍应用，简化了武器装备的使用和维修过程，并帮助实现基于状态的维修和自主式保障。