系统可测性设计技术,第二部分 计划学时：总20 航空航天学院 何羚 heling,前言,可测性是什么？,1,相关技术发展历程,2,授课内容,3,要求和期望,4,1. 什么是可测性（测试性）,定义 可测性（Testability，亦称测试性）：“系统及设备能及时、准确地确定其工作状态(可工作、不可工作或工作性能下降)并隔离其内部故障的一种设计特性”。通常用故障检测率(FDR)、故障隔离率(FIR)、虚警率(FAR)度量。广义角度上，可测性的内涵主要包括：自动测试设备（Automatic Test Equipment，ATE）、机内测试（Built-In Test，BIT） 重要性 可测性与维修性、可靠性密切相关。具有良好的测试性将减少故障检测及隔离时间，进而减少维修时间，改善维修性。系统可测性与系统可靠性共同决定了系统的可信性 应用 测试性设计（DFT）是实现电子系统、电子设备故障检测和故障隔离的重要手段，在复杂系统中的应用可极大地提高系统的可靠性、可维修性。如要求系统具有高可靠性，测试性设计是系统开发的关键,Why & How DFT ?,Why 测试和评价复杂系统是困难的事。仅由输入/输出特性检测来评估系统整体性能的方法不适于复杂系统 没有可测试性设计的后果：使用前难以发现产品的设计缺陷；工作时难以检测和诊断故障 采用可测试性设计可增加系统的可靠性，提高产品质量，并减少产品投放市场的时间及测试费用 How 从规范开始：必须在规范中增加系统级测试要求，以增加可控性和可观性。而后，将独立的测试要求转变为实际的软、硬件要求 系统划分：明确分离系统的功能和实际软、硬件的运行 插入测试功能：单个模块测试模块间交互测试系统测试,Design For Testability,2. 相关技术的发展历程,20世纪 80年代,提出 “测试性” 概念,测试性成为与可靠性、维修性并列的独立学科,在复杂系统、大型装备的研制、生产和使用中，运用测试性设计技术对系统进行总体测试性分析、设计与验证，已经成为通信、导航、航空航天等技术领域的必然。,20世纪 70年代,F.Liour等. 设备自动测试性设计.1975年,国外研究历程,20世纪70年代以后，半导体集成电路及数字技术迅速发展，设备诊断能力、机内测试（BIT）成为测试性设计的重要内容， BIT技术也成为改进电子设备维修性的重要途径，国外广泛开展了测试性/BIT方面的研究： 1978.12：美国防部颁发设备或系统的BIT、外部测试故障隔离和测试性特性要求的验证及评价（MIL-STD-471通告2） 20世纪80年代以后，计算机部件小型化和集成化程度越来越高，可测性设计和BIT技术迅速发展并获得广泛应用 1985：美国防部颁发电子系统及设备的测试性大纲（MIL-STD-2165）1993.2颁发系统和设备的测试性大纲（MIL-STD-2165A） 美、英等国相继开展诊断和人工智能技术应用的研究，以提高武器系统的故障诊断能力,国内研究现状,国内开展测试性/BIT的研究与推广应用比国外晚、近年来进步速度快 开展测试性/BIT设计分析工作；开发测试性计算机辅助分析软件 开展了较系统的研究。除数字电路测试性/BIT领域外的文献： 系统级可测试性理论研究：邵高平. 系统级可测试性设计的研究J；申宇皓等. 系统级可测试性设计J 航空设备和电子设备领域：杨冬健等. 航空设备的测试性设计和验证技术概述J；魏忠林等. 电子设备测试性设计及系统划分的研究J；张向荣. 电子系统维修性,测试性分析与设计方法讨论J；王立梅等. 航空电子系统的测试性及仿真研究J；黄考利等. 地空导弹系统可测试性设计J 军用装备领域装备可测性设计与维修诊断一体化方面：连光耀等. 装备测试性设计关键技术研究J；连光耀等. 复杂电子装备智能测试性设计技术J；连光耀等. 装备测试性设计与维修诊断一体化关键技术研究J ,国内研究现状（续1）,在重要系统和设备研制中明确提出了测试性要求，使其故障率降低、检测率提高，并延长全寿命周期、降低全寿命周期费用 80年代中期，对新研武器装备提出测试性设计要求；90年代后期，对所有武器装备提出测试性要求，特别是军用飞机上电子设备 国军标：装备测试性大纲（GJB-2547-95）、测试与诊断术语（GJB-3385-98）等 行业标准：QJ-3050航天产品故障模式、影响及危害性分析指南、QJ-3051航天产品测试性设计准则等,国内研究现状（续2）,目前国内测试性/BIT技术知识尚不够普及，软件工具开发和实用经验方面与先进国家还有差距 大部分针对数字电路领域，对于军用装备以及航空航天等复杂系统的系统级可测性设计的研究仍然嫌少 尤应在人工智能应用、计算机辅助工具开发和自动化测试性验证技术方面开展研究 以航天产品为例，系统测试性设计存在的问题： 在顶层设计中对系统测试性有总体考虑，但缺乏明确的技术途径，少有具体的设计要求和指标 部分分系统或单机的设计人员自发进行测试性设计，而非有系统、有组织，未发挥系统测试性设计的优势 未形成系统的测试性工作流程，测试性设计研制程序与产品设计不同步 未形成有效的测试性设计集成环境，设计中更多依赖于设计师的重视程度、设计水平和经验,本课程“可测性设计部分”所讨论的中心问题,在系统设计过程中，应采用怎样的设计思路和方法，才能最大限度地为故障检测和诊断提供方便，以提高系统的测试性水平？,Stories about surviving from accidents.,前苏联：上升2号人类首个太空英雄的戏剧经历 美：阿波罗12号雷神之吻 美：阿波罗13号失败的成功 中：神舟七号虚惊一场的假火灾 ,When & How should we fulfill DFT ?,测试性设计工作流程：,功能、性能设计与测试性设计并行,3. 本部分课程的主要内容,1. 概述（故障、诊断及测试性等常用术语基本概念） 2. 系统测试性设计及其通则（指南性质） 3. BIT设计技术 系统BIT技术 常用BIT设计技术 测试点的选择与设置 4. 系统级BIT 系统级测试性设计技术综述 故障模式、影响及危害性分析（FMECA） 一种适用的系统级BIT架构方案 测试性分配 5. 测试性验证技术 测试性验证概述 故障样本优化选取方法 故障注入方法与注入策略优化 测试性综合评估方法,主要参考书籍及论文资料,田仲, 石君友. 系统测试性设计分析与验证M. 北京航空航天大学出版社, 2009年10月. 张威, 王仲. 电子系统测试原理M. 机械工业出版社, 2007年1月. 曾天翔. 电子设备测试性及诊断技术M. 航空工业出版社, 1996年. GJB-1391-2006. 故障模式、影响及危害性分析指南S. 中华人民共和国国家军用标准. GJB-2547-95装备测试性大纲S. 中华人民共和国国家军用标准. 朱敏. 电子系统内建自测试技术研究D. 哈尔滨工业大学, 2010年. 罗志勇. 雷达系统智能故障诊断技术研究D. 西北工业大学, 2006年. 李天梅. 装备测试性验证试验优化设计与综合评估方法研究D. 国防科技大学, 2010年. ,4. 要求和希望,作为系统工程相关专业的硕士研究生，在学习电路与系统的仿真及设计的同时，理应了解测试性概念、并掌握系统级测试性设计的基本方法 理论与工程实际相结合，通过对如机载电子系统、通信系统等复杂电子系统的FMECA应用实例，给出完整的系统可测性设计的基本方法和实现过程 启发培养分析解决工程问题的能力；为今后复杂电子系统研究和设计打下良好的基础,认 真 、主 动 耕 耘 必 有 收 获 ！,1. 概述（计划学时：2）,1.1 故障、诊断及测试性的基本概念 1.1.1 故障及其后果 1.1.2 故障诊断 1.1.3 测试性和机内测试 1.1.4 测试性验证 1.2 测试性及诊断技术的发展 1.2.1 由外部测试到机内测试 1.2.2 综合诊断、人工智能及CAD的应用 1.3 常用测试性与诊断术语,1.1 故障、诊断及测试性的基本概念,故障（Fault）：产品不能执行规定功能的状态。即，故障是产品已处于一种不合格的状况，是对产品正确状态的任何一种可识别的偏离，这种偏离对特定使用者要求来说是不合格的，已经不能完成规定功能。 故障的分类 功能故障、潜在故障 系统故障、局部故障 永久故障、间歇故障 硬件故障、软件故障 定值故障、非定值故障 单故障、多故障 不同的故障类型需要不同的检测与诊断方法。一般而言，永久故障、硬件故障、定值故障及单故障的检测和诊断相对较易（讨论对象），而对应的间歇故障、软件故障、非定值故障及多故障检查与诊断较难,故障影响的后果,安全性后果发生故障会对设备使用安全性有直接不利的影响，后果可能会引起人身伤害，甚至机毁人亡。这种后果除来源于对使用安全有直接影响的功能丧失外，还可能来自因某种功能丧失所造成的继发性二次损伤。,使用性后果故障对设备使用能力具有直接不利影响，包括间接经济损失（如工作进度拖延、停工等造成的损失）、直接修理费用。故，每当因排除故障而打断计划好的正常运行时，该故障就具有使用性后果。,非使用性后果故障对设备的使用能力没有直接的不利影响，仅影响直接的修理费用（经济性后果）。如，多余度领航系统的飞机中的1个领航装置出故障，其余领航装置仍可完成领航任务。,隐患性后果没有直接不利影响，但增加了发生多故障的可能，隐含产生直接的不利影响，属于隐蔽功能项目的故障后果。如灭火系统在无需灭火时，表现不出功能是否丧失。,所有故障后果都由系统或设备的设计特性所决定；只有从设计上采取改进措施，才能改变故障后果。,故障诊断,故障检测利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程。 故障定位在故障检测之后，进一步确定故障所在大致部位的过程。 故障隔离要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次（如可更换单元）的过程。,故障诊断是依据诊断对象运行状态信息，判断其“健康”状况和进行状态识别的过程，与设计人员密切相关。,故障诊断 = 检测 + 隔离,故障诊断的研究内容,故障分析 一般包括诊断对象的故障机理、故障模式及影响、故障发生概率和故障发展变化规律等。 检测技术 将代表系统、设备或器件特性和功能的各种参量（物理、化学）通过各种手段转变为能够说明其性能质量指标。 故障诊断理论与方法 矩阵理论、模糊数学、信息论、信号处理、状态识别、控制论及人工智能等都已应用到故障诊断中。在诊断理论的指导下，形成了各种诊断方法，涉及诊断对象描述与建模方法、故障特征的建立、诊断策略的设计、故障模式的识别等。 测试设备的综合 通用/专用测试设备、自动测试设备（ATE）和机内测试设备（BITE）等，用于获得诊断对象的状态信息和故障的特征值。,概念析义：测试性、固有测试性、兼容性,测试性：设计时赋予产品的一种固有属性 测试是确定产品某种特性的技术操作过程；测试性是产品为故障诊断提供方便的特性；测试性设计（DFT）是为了提高产品自诊断和外部诊断能力，能方便有效地确定产品状态和隔离故障而进行的设计 良好的测试性主要标志：自诊断（或自检）能力强；检查维修方便；便于使用外部测试设备进行诊断测试 固有测试性：仅取决于系统和设备的硬件设计，而不受测试激励和响应数据影响的测试性 对系统进行功能和结构划分便于隔离 一键初始化利于重复测试 提供观测特性数据、控制产品内部元器件/组件工作和输入测试激励的通路和电路便于检测内部故障 兼容性：被测试对象与外部测试设备（ETE）在信号传输、电气和机械接口上相匹配的设计特性。目的是为ATE/ETE测试提供方便，减少或消除大量专用接口装置 提高系统和设备的测试性主要途径和方法：进行固有测试性设计、兼容性设计、机内测试（BIT）设计,概念析义：机内测试（BIT）