王 紅， 潘安君， 楊占才， 封錦琦

航空工業(yè)北京長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)研究所,北京 101111)

航空機(jī)載系統(tǒng)智能測(cè)試監(jiān)控主要指利用宿主于機(jī)載產(chǎn)品內(nèi)部的智能機(jī)內(nèi)測(cè)試(Built-in-Test,BIT)設(shè)備、機(jī)上嵌入式智能專用監(jiān)控芯片/模塊和機(jī)上預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)系統(tǒng)為維護(hù)保障提供機(jī)載產(chǎn)品自身狀態(tài)檢查和健康管理信息的相關(guān)測(cè)試活動(dòng)。目前，我國(guó)對(duì)航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控的核心關(guān)鍵技術(shù)缺乏全面、系統(tǒng)的了解和掌握，對(duì)機(jī)載監(jiān)控頂層架構(gòu)不清晰，對(duì)關(guān)鍵瓶頸測(cè)試技術(shù)缺乏有效梳理，這嚴(yán)重影響了我國(guó)航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)智能化發(fā)展。未來(lái)航空機(jī)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得越來(lái)越復(fù)雜，這就要求測(cè)試監(jiān)控技術(shù)發(fā)展必須與之相適應(yīng)。從國(guó)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)及國(guó)內(nèi)機(jī)載產(chǎn)品維護(hù)保障需求來(lái)看，為從根本上提升航空機(jī)載系統(tǒng)機(jī)上測(cè)試監(jiān)控能力，必須從全機(jī)級(jí)/系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控體系架構(gòu)創(chuàng)新、機(jī)載BIT與機(jī)上PHM融合、成員級(jí)專用監(jiān)控模塊開發(fā)、板級(jí)嵌入式專用監(jiān)控芯片研制等方面成體系開展科研攻關(guān)，只有這樣才能從監(jiān)控架構(gòu)、監(jiān)控流程、監(jiān)控手段和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等方面為PHM系統(tǒng)熟化提供支撐，才有可能真正實(shí)現(xiàn)航空裝備視情維修和智能保障。

1 國(guó)外機(jī)載系統(tǒng)智能測(cè)試監(jiān)控技術(shù)發(fā)展

為了提升航空機(jī)載系統(tǒng)機(jī)上測(cè)試監(jiān)控能力，歐美等國(guó)不但從航空電子系統(tǒng)架構(gòu)、機(jī)載數(shù)據(jù)總線、測(cè)試儀器總線等全機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控層面開展了大量原始創(chuàng)新工作，而且在智能BIT技術(shù)、邊界掃描技術(shù)、嵌入式專用監(jiān)控芯片研發(fā)等模塊級(jí)、板級(jí)監(jiān)控層面進(jìn)行創(chuàng)新研究，形成了大量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐監(jiān)控產(chǎn)品應(yīng)用，從根本上提升了航空裝備自主保障能力和水平。

1.1 具有自主重構(gòu)、健康監(jiān)控、測(cè)試與維修能力融合的機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控體系架構(gòu)技術(shù)

在航空電子系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用方面，綜合模塊化航空電子(Integrated Modular Avionics,IMA)已成功應(yīng)用在國(guó)外新一代飛機(jī)中，例如F-22、F-35、波音777、空客A380等。綜合航電與傳統(tǒng)的聯(lián)合航電最大的區(qū)別在于其各個(gè)分系統(tǒng)共用統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，突破了聯(lián)合航電中各個(gè)分系統(tǒng)通過(guò)外總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的模式。它不僅便于系統(tǒng)的優(yōu)化，而且極大地節(jié)約了系統(tǒng)的物理空間和質(zhì)量，也使得以往的三級(jí)維護(hù)變?yōu)槎?jí)維護(hù)，由外場(chǎng)可更換單元(Line Replaceable Unit,LRU)變?yōu)橥鈭?chǎng)可更換模塊(Line Replaceable Module,LRM)。IMA除了采用模塊化、通用化體系結(jié)構(gòu)外，還對(duì)高速航電總線技術(shù)、背板總線和測(cè)試與維護(hù)總線有新的要求，并對(duì)系統(tǒng)健康監(jiān)控、余度管理和測(cè)試能力提出了更高的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，IMA技術(shù)也在不斷更新，新一代IMA已經(jīng)是目前的研究熱點(diǎn)。新一代IMA采用成熟的高性能商用計(jì)算機(jī)資源及相關(guān)技術(shù)，例如重構(gòu)技術(shù)、自修復(fù)技術(shù)、多核技術(shù)、片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)技術(shù)等[1-2]。作為F-22飛機(jī)航電系統(tǒng)中的核心組成部件，共用綜合處理器(CIP)中除了采用并行接口總線(PI Bus)用于傳輸數(shù)據(jù)外，還采用測(cè)試和維修總線(TM Bus)用于連接數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等模塊，其可用于錯(cuò)誤的檢測(cè)和恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載數(shù)據(jù)總線與測(cè)試維修總線的有效融合，極大地提高了航空電子系統(tǒng)的自主重構(gòu)和維護(hù)能力。JSF F-35戰(zhàn)斗機(jī)是“寶石臺(tái)”計(jì)劃的典型代表，主要由綜合核心處理器(ICP)和綜合射頻(IRF)系統(tǒng)組成，其中ICP與F-22的CIP基本類似，但更強(qiáng)調(diào)COTS和開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用統(tǒng)一航空電子互連網(wǎng)絡(luò)(UAN)，代替了F-22高速數(shù)據(jù)總線、1553B總線、TM總線等多種互連接口。JSF F-35的航電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了資源的高度共享、綜合系統(tǒng)管理和預(yù)測(cè)與健康管理，提供了子系統(tǒng)的自檢、故障隔離和重構(gòu)能力，具備更高的可靠性和可維護(hù)性[1]。此外，為了有效降低航空電子系統(tǒng)保障費(fèi)用，國(guó)外在基于失效物理模型、環(huán)境因素模型、監(jiān)測(cè)參數(shù)相融合的健康監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域不斷成熟?？傊?，自主重構(gòu)、健康監(jiān)控、測(cè)試與維修能力融合、資源共享將成為未來(lái)機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控體系架構(gòu)的重要發(fā)展方向。

1.2 具有分布式、高速、故障容錯(cuò)特征的機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)

在航空機(jī)載數(shù)據(jù)總線應(yīng)用方面，歐美等國(guó)相繼研制了MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD-1773、STANAG3910、ARINC629、線性令牌傳輸總線(LTPB)、AFDX和FC等通用機(jī)載數(shù)據(jù)總線[3-4]。國(guó)外著名航空電子系統(tǒng)供應(yīng)商霍尼韋爾公司與羅克韋爾柯林斯公司也分別研制了用于自身航空電子系統(tǒng)互聯(lián)的IMB/ADB和CSDB等專用總線。此外，美國(guó)JAST計(jì)劃(聯(lián)合先進(jìn)攻擊技術(shù))中統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的首選協(xié)議——商用互聯(lián)總線SCI(Scalable Coherent Interface,可伸縮一致性接口)技術(shù)在航空領(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景[5]。2018年，美國(guó)Teradyne公司通過(guò)設(shè)計(jì)全新的光纖連接器以實(shí)現(xiàn)速率高達(dá)25 Gbit/s的串行總線數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，并進(jìn)行了原理性測(cè)試和驗(yàn)證，為未來(lái)高速航空電子系統(tǒng)機(jī)載測(cè)試監(jiān)控應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[6]。從機(jī)載數(shù)據(jù)總線性能發(fā)展來(lái)看，以分布式機(jī)載系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，在追求高速、高實(shí)時(shí)、高同步能力的同時(shí)，安全有效的故障容錯(cuò)、故障恢復(fù)機(jī)制也是其發(fā)展重點(diǎn)。從航空機(jī)載數(shù)據(jù)總線技術(shù)發(fā)展來(lái)看，將逐步向數(shù)據(jù)傳輸高速化、數(shù)據(jù)傳輸延遲最小化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分布式、傳輸協(xié)議多樣化、通信介質(zhì)光纖化等方向發(fā)展。

1.3 具有低延時(shí)、高帶寬、高采樣速率特征的測(cè)試儀器總線技術(shù)

在測(cè)試儀器總線方面，歐美等國(guó)相繼研制了GPIB、Serial、IEEE 1394(FireWire)、USB、LAN和LXI等儀器外部總線，以及VME、VXI、PCI/PXI、PCI Express、PXI Express和AXIe等儀器內(nèi)部總線，為提升機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試能力提供重要保障[7-11]。儀器總線除了追求高可靠性、實(shí)時(shí)性外，對(duì)大數(shù)據(jù)量傳輸和存儲(chǔ)、高速和復(fù)雜的分析處理能力提出了更高的要求。儀器總線技術(shù)針對(duì)多通道、多樣化信號(hào)源、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集的需求，向高速采樣、高帶寬、低延時(shí)、便攜性方向不斷發(fā)展。測(cè)試儀器總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。從未來(lái)發(fā)展和型號(hào)研制需求來(lái)看，除了不斷提高儀器總線本身性能，高速串行總線、混合測(cè)試儀器總線應(yīng)用、設(shè)計(jì)非標(biāo)專用總線，以及測(cè)試儀器總線與機(jī)載數(shù)據(jù)總線融合應(yīng)用將成為未來(lái)重要的發(fā)展方向。

圖1 測(cè)試儀器總線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.4 滿足不同種類電路、不同層級(jí)監(jiān)控需求的邊界掃描技術(shù)

在邊界掃描技術(shù)應(yīng)用方面，1985年，歐美一些公司成立了聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組織(JTAG)，提出了一種結(jié)構(gòu)化的測(cè)試性設(shè)計(jì)技術(shù)——邊界掃描技術(shù)。1990年初，IEEE發(fā)布了IEEE Std 1149.1(測(cè)試訪問(wèn)端口及邊界掃描設(shè)計(jì))這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)在不斷完善和規(guī)范過(guò)程中，先后發(fā)展出IEEE Std 1149.4(模擬及數(shù)?；旌闲盘?hào)電路測(cè)試)、IEEE Std 1149.5(模塊測(cè)試與維護(hù)總線協(xié)議)、IEEE Std 1149.6(交流耦合信號(hào)測(cè)試)、IEEE Std 1149.7(多內(nèi)核集成芯片及板級(jí)測(cè)試)和IEEE Std 1450(測(cè)試接口語(yǔ)言)、IEEE Std 1500(嵌入式芯核測(cè)試)、IEEE Std 1522(可測(cè)性與診斷性特征和度量)以及IEEE Std 1532(可編程設(shè)備的系統(tǒng)內(nèi)配置)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]，極大地促進(jìn)了邊界掃描技術(shù)在BIT中的實(shí)際應(yīng)用，為集成電路的測(cè)試和故障診斷發(fā)揮了重要作用。國(guó)外于2014年頒布了IEEE Std 1687(嵌入在半導(dǎo)體設(shè)備中的儀器訪問(wèn)和控制的方法)標(biāo)準(zhǔn)，解決了復(fù)雜芯片SoC的嵌入式測(cè)試難題[13]。2018年，國(guó)外學(xué)者提出了在BIT設(shè)計(jì)中將基于JTAG的邊界掃描測(cè)試組件嵌入到模板中，不需要額外的物理探針、電纜和接口，能夠解決原有BIT系統(tǒng)可靠性低、頻繁失效，以及虛警率高等實(shí)際問(wèn)題[14]。目前，新的邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)IEEE Std 1149.7研究將原來(lái)的4線改為2線，并在芯片內(nèi)部增加電壓監(jiān)控、總線監(jiān)測(cè)、總線配置、邏輯BIST、處理器監(jiān)控、緩沖跟蹤等功能，其將掀起新的可測(cè)試性設(shè)計(jì)和智能測(cè)試監(jiān)控技術(shù)發(fā)展狂潮。

實(shí)現(xiàn)高覆蓋率、高準(zhǔn)確度和高效的機(jī)載智能測(cè)試監(jiān)控是未來(lái)VLSI、多核、SoC等復(fù)雜電子裝備技術(shù)發(fā)展和自主保障工程應(yīng)用的關(guān)鍵。美國(guó)和西歐一些航空強(qiáng)國(guó)為了增強(qiáng)機(jī)載測(cè)試監(jiān)控能力，利用邊界掃描技術(shù)開展了板級(jí)智能在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、LRU級(jí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，并取得了較大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)模式和方法的創(chuàng)新，解決了傳統(tǒng)的BIT/BITE設(shè)備診斷覆蓋率不高、診斷準(zhǔn)確率低等實(shí)際問(wèn)題，提升了裝備在線監(jiān)測(cè)診斷能力，減少了對(duì)地面檢測(cè)設(shè)備的依賴，極大地降低了保障規(guī)模和費(fèi)用。

1.5 嵌入式監(jiān)控芯片與模塊技術(shù)

嵌入式監(jiān)控技術(shù)是在芯片或模板內(nèi)部設(shè)計(jì)具有采集、激勵(lì)、存儲(chǔ)、處理、診斷、輸出等多功能于一體的專用模塊，用于對(duì)該芯片、模板內(nèi)部的器件、組件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷等功能。隨著裝備復(fù)雜程度的不斷提高，以及對(duì)裝備自主保障能力需求的不斷增加，裝備在實(shí)現(xiàn)功能性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，同步設(shè)計(jì)專用監(jiān)控模塊，這將對(duì)未來(lái)裝備維護(hù)保障能力的提升起到重要作用[15]。

嵌入式監(jiān)控芯片是美國(guó)國(guó)防部基于產(chǎn)品性能項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容之一，使得BIST、故障預(yù)測(cè)和診斷成為產(chǎn)品的組成部分，確保了關(guān)鍵電子系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性。1995年，IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)的測(cè)試技術(shù)學(xué)會(huì)(TTTC)開始研究嵌入式芯片的測(cè)試問(wèn)題，并于2005年正式發(fā)布了IEEE Std 1500標(biāo)準(zhǔn),建立了IP核提供者和使用者之間的標(biāo)準(zhǔn)接口,實(shí)現(xiàn)了SoC中芯核的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試。2007年，IEEE組織發(fā)布了P1581白皮書。IEEE P1581是一種測(cè)試存儲(chǔ)器件的標(biāo)準(zhǔn)，它使得存儲(chǔ)器無(wú)須再添加邊界掃描電路和額外的引腳來(lái)進(jìn)行測(cè)試。2018年，國(guó)外學(xué)者提出了基于處理器的功能測(cè)試技術(shù)(Processor-Based Functional Test,PFT)和受控FPGA測(cè)試技術(shù)(FPGA-Controlled Test,FCT)等模板測(cè)試監(jiān)控技術(shù)，PFT技術(shù)主要通過(guò)處理器代理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)板載內(nèi)存和其他高速組件的在線監(jiān)控測(cè)試，F(xiàn)CT技術(shù)主要通過(guò)嵌入式FPGA儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)模板組件的功能和性能測(cè)試[16]。

在嵌入式專用監(jiān)控芯片和模塊研發(fā)方面，國(guó)外研制了芯片級(jí)和模塊級(jí)的嵌入式專用監(jiān)控產(chǎn)品，例如ARM公司的STM32系列監(jiān)控芯片等具有發(fā)送激勵(lì)、接收反饋、綜合數(shù)據(jù)處理、大容量存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口等功能，用戶可在機(jī)載產(chǎn)品上嵌入該專用監(jiān)控芯片，并可根據(jù)監(jiān)控需求自行開發(fā)監(jiān)控程序，不但極大地提高了機(jī)載產(chǎn)品監(jiān)控診斷能力，而且用戶集成開發(fā)也非常方便。

1.6 機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控技術(shù)

機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控技術(shù)是機(jī)載總線技術(shù)、BIT技術(shù)、邊界掃描技術(shù)、監(jiān)控芯片/模塊技術(shù)、PHM技術(shù)、CMS技術(shù)等傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)與智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是將人工智能理論應(yīng)用到機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)、檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、健康管理、決策等方面，使機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備具有自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自修復(fù)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策等能力或相關(guān)活動(dòng)的總稱[17]。與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，機(jī)載系統(tǒng)智能監(jiān)控系統(tǒng)是利用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等非傳統(tǒng)方法，形成以智能決策與判斷為目標(biāo)的監(jiān)控系統(tǒng)。它在監(jiān)控過(guò)程中能夠執(zhí)行諸如感知、采集、交換、決策、執(zhí)行等智能活動(dòng)。從監(jiān)控信號(hào)流向?qū)用?，機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控設(shè)備應(yīng)由智能傳感、智能采集、智能交換、智能決策、智能執(zhí)行和智能監(jiān)控綜合協(xié)調(diào)等部分構(gòu)成。同樣，從監(jiān)控設(shè)備研發(fā)所需技術(shù)層面，機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控技術(shù)主要由智能傳感、智能采集、智能交換、智能決策、智能執(zhí)行和智能監(jiān)控綜合協(xié)調(diào)等相關(guān)技術(shù)構(gòu)成。從物化的監(jiān)控設(shè)備層面，機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控設(shè)備主要由智能機(jī)載總線、智能BIT、智能邊界掃描、智能監(jiān)控芯片/模塊、智能PHM、智能CMS等部分構(gòu)成。

從監(jiān)控技術(shù)未來(lái)發(fā)展來(lái)看，機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)逐步向自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自修復(fù)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策等方向發(fā)展。其中，航空機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器單元應(yīng)逐步向低成本、低功耗、多功能和小型化方向發(fā)展，以滿足機(jī)載安裝使用要求；航空機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)逐步向嵌入式智能高速數(shù)據(jù)處理和高精度、高速、高實(shí)時(shí)性、高同步能力等方向發(fā)展；航空機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換單元應(yīng)逐步向傳輸高速化、延遲最小化、介質(zhì)光纖化等方向發(fā)展；航空機(jī)載系統(tǒng)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中的決策執(zhí)行單元應(yīng)逐步向自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策等方向發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著裝備自主保障能力需求的不斷增加，國(guó)內(nèi)針對(duì)部分型號(hào)機(jī)載產(chǎn)品開展了大量的測(cè)試性驗(yàn)證、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(Automatic Test Equipment，ATE)鑒定、PHM系統(tǒng)驗(yàn)證等工作，為機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試保障工程應(yīng)用提供了重要支撐，但這些工作大多是在產(chǎn)品定型之后進(jìn)行的驗(yàn)證熟化工作，并沒有完全解決國(guó)內(nèi)航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試保障方面存在的諸多問(wèn)題：① 機(jī)上BIT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性不強(qiáng)，部分產(chǎn)品的虛警率降低難度較大，存在找不到故障的實(shí)際情況；② 機(jī)上PHM系統(tǒng)缺乏完善的監(jiān)控手段和有效的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，阻礙了進(jìn)一步工程化應(yīng)用；③ 地面自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(Automatic Test System，ATS)規(guī)模較大，部分LRU需拆下檢測(cè)，仍然存在重測(cè)合格(Retest Okay，RTOK)、不能復(fù)現(xiàn)(Cannot Duplicate，CND)等問(wèn)題，而且維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)載系統(tǒng)機(jī)上測(cè)試監(jiān)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析如下。

① 在航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方面，以航電系統(tǒng)為例，在綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(IMA)架構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)主要參考借鑒國(guó)外波音、空客、洛馬等公司先進(jìn)飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)軍機(jī)航空電子系統(tǒng)大多為國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，除少數(shù)先進(jìn)機(jī)型外，部分還是采用硬件獨(dú)立的模塊化方式。國(guó)內(nèi)民機(jī)航空電子系統(tǒng)大多依賴進(jìn)口(主要是通用電氣、霍尼韋爾、羅克韋爾柯林斯等公司)，國(guó)產(chǎn)化航空電子系統(tǒng)尚需加速開展工程化應(yīng)用工作。

② 在機(jī)載數(shù)據(jù)總線方面，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始對(duì)ARINC429(HB6096)和MIL-STD-1553B(GJB289A)總線進(jìn)行研究和使用，技術(shù)己經(jīng)成熟，其成為我國(guó)第二代、第三代作戰(zhàn)飛機(jī)的主流總線。雖然國(guó)內(nèi)航空數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的研制工作已取得一定的成績(jī)，但是與歐美國(guó)家先進(jìn)水平相比，還有一定的差距(如在數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、數(shù)據(jù)融合、傳感器綜合等方面)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和精度等多個(gè)方面落后。另外，國(guó)內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)、AFDX等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用較晚，總線技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、分布式處理能力和吞吐率等方面也與國(guó)外存在一定差距，因此制約了我國(guó)航空電子系統(tǒng)綜合技術(shù)的發(fā)展。雖然國(guó)內(nèi)C919、ARJ21等飛機(jī)使用了AFDX、ARINC429、ADB/IMB等先進(jìn)總線技術(shù)，但還需要借鑒和參考國(guó)外相關(guān)總線技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大多僅針對(duì)國(guó)內(nèi)需求在接口定義、傳輸內(nèi)容等方面進(jìn)行修改完善，目前國(guó)內(nèi)還沒有研制出一種國(guó)產(chǎn)化且可大規(guī)模工程應(yīng)用的機(jī)載數(shù)據(jù)總線。

③ 在測(cè)試儀器總線方面，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的測(cè)試儀器總線技術(shù)一直處于引進(jìn)和應(yīng)用狀態(tài)，主要依賴國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)相關(guān)高校雖然開展了一些原理性研究工作，但至今沒有一種被全球廣泛認(rèn)可并廣泛采用的國(guó)產(chǎn)化的儀器總線問(wèn)世。儀器總線在國(guó)內(nèi)應(yīng)用上主要是跟蹤國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)一些已經(jīng)得到普及的技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用開發(fā)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)出貨量最大的總線產(chǎn)品是基于PXI、CPCI總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊，因?yàn)檫@些模塊的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到普及，大多公司可以自行研發(fā)各類不同用途的新型模塊，也能利用各類模塊集成各類用途的大型測(cè)試系統(tǒng)。但是，由于一些模塊的核心元器件(如CPU、FPGA等)大多依賴進(jìn)口，一旦發(fā)生禁運(yùn)情況，對(duì)國(guó)內(nèi)測(cè)控產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生很大沖擊。

④ 在測(cè)試性設(shè)計(jì)方法和BIT檢測(cè)方法方面，國(guó)內(nèi)仍沿用傳統(tǒng)的思想和技術(shù)，通常BIT僅測(cè)試某功能是否正常，僅具有二值信息，大多沒有具體參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)。航空電子系統(tǒng)故障診斷大多僅依靠BIT測(cè)試結(jié)果和簡(jiǎn)單邏輯分析進(jìn)行故障判斷，對(duì)系統(tǒng)綜合化情況下故障的相互交聯(lián)、影響和傳播等因素考慮較少，因此系統(tǒng)存在故障檢測(cè)率和隔離率低、虛警率和重測(cè)合格率高等問(wèn)題[18]。雖然國(guó)內(nèi)各個(gè)高校、研究所已經(jīng)對(duì)BIT檢測(cè)方法開展了大量研究，例如采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等智能方法對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)，但成果大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段，目前還沒有在飛機(jī)上直接應(yīng)用的報(bào)道。因此，國(guó)內(nèi)迫切需要在測(cè)試性設(shè)計(jì)優(yōu)化條件下，研究新的機(jī)載測(cè)試監(jiān)控方法，并運(yùn)用綜合診斷技術(shù)和人工智能技術(shù)，通過(guò)融合系統(tǒng)各種有用信息，運(yùn)用綜合診斷推理實(shí)現(xiàn)對(duì)故障檢測(cè)和隔離能力的提升。

⑤ 在機(jī)載BIT系統(tǒng)工程研制方面，傳統(tǒng)BIT技術(shù)應(yīng)用較多，智能BIT技術(shù)應(yīng)用較少，雖然大多機(jī)載產(chǎn)品具有機(jī)內(nèi)自檢能力，但由于機(jī)上BIT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化不強(qiáng)，測(cè)試性驗(yàn)證一次達(dá)標(biāo)率不高，且邊界掃描、智能BIT等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用還不深入，使得自檢測(cè)深度、故障檢測(cè)覆蓋率、故障隔離準(zhǔn)確性等方面很難有較大提升，降低虛警率更是難上加難。國(guó)內(nèi)航空機(jī)載BIT系統(tǒng)一直存在BIT適應(yīng)性差、識(shí)別關(guān)聯(lián)故障能力較弱、虛警率居高不下等實(shí)際問(wèn)題，除了設(shè)計(jì)水平不高、測(cè)試性驗(yàn)證能力不足等原因外，主要還是由于存在環(huán)境應(yīng)力、間歇故障、診斷模型驗(yàn)證不充分等情況[19]。國(guó)內(nèi)在BIT降虛警研究方面，各個(gè)高校和研究所開展了大量理論研究工作。2005年，柳新民等[20]對(duì)機(jī)電系統(tǒng)BIT間歇故障虛警抑制技術(shù)開展了研究，提出了基于HMM-SVM和無(wú)監(jiān)督1-DISVM模型的間歇故障診斷與虛警抑制技術(shù)。2008年，劉冠軍等[21]提出一種適用于直升機(jī)航向姿態(tài)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試降虛警的HMM方法。2019年，羅海明等[22]針對(duì)綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的BIT防虛警設(shè)計(jì)開展了研究，采用一種基于模型的系統(tǒng)級(jí)BIT虛警識(shí)別算法,用于識(shí)別虛警和確認(rèn)真實(shí)的故障指示。國(guó)內(nèi)雖然在BIT降虛警方面進(jìn)行了大量理論研究，但距離實(shí)際應(yīng)用到機(jī)載系統(tǒng)中還有一定差距。

⑥ 國(guó)內(nèi)邊界掃描技術(shù)在航空機(jī)載系統(tǒng)方面的研究與應(yīng)用基本上還處于起步階段，國(guó)內(nèi)的北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司、電子科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、桂林電子工業(yè)學(xué)院和西安微電子技術(shù)研究所等相關(guān)高校和研究所于20世紀(jì)90年代開始關(guān)注邊界掃描技術(shù)，基本成功地開發(fā)了邊界掃描測(cè)試系統(tǒng)原型機(jī)，取得了一定成果。1994年，我國(guó)參照IEEE Std 1149.1標(biāo)準(zhǔn)制定了中國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10566—94《可測(cè)試性總線 第一部分：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試存取口與邊界掃描結(jié)構(gòu)》[23]。盡管國(guó)內(nèi)測(cè)試界專家以及一些電子設(shè)備生產(chǎn)廠家都已認(rèn)識(shí)到邊界掃描技術(shù)的重要性，但由于缺乏國(guó)產(chǎn)成熟的掃描測(cè)試工具以及相關(guān)技術(shù)，只能大量依賴進(jìn)口設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)邊界掃描技術(shù)的應(yīng)用還很局限和落后。因此對(duì)邊界掃描測(cè)試技術(shù)的研究具有很現(xiàn)實(shí)的意義，設(shè)計(jì)研制國(guó)產(chǎn)化的小型化邊界掃描測(cè)試設(shè)備并實(shí)現(xiàn)機(jī)載智能監(jiān)控應(yīng)用具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

總之，在現(xiàn)有機(jī)載產(chǎn)品機(jī)上測(cè)試監(jiān)控能力沒有較大提升的情況下，機(jī)載BIT的虛警率難以降低，機(jī)載PHM系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，地面ATS系統(tǒng)規(guī)模難以縮減，更難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的航空裝備視情維修和智能化的自主保障。

3 航空機(jī)載系統(tǒng)智能測(cè)試監(jiān)控技術(shù)發(fā)展建議

縱觀國(guó)外發(fā)展及國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，為進(jìn)一步提升航空機(jī)載系統(tǒng)機(jī)上測(cè)試監(jiān)控能力，降低機(jī)載BIT虛警率，縮減地面ATS系統(tǒng)規(guī)模，減少LRU拆卸時(shí)間，提高PHM系統(tǒng)工程化水平，必須從全機(jī)級(jí)體系架構(gòu)、成員級(jí)監(jiān)控、板級(jí)監(jiān)控和標(biāo)準(zhǔn)化等方面成體系地開展工作，主要發(fā)展建議如下。

① 創(chuàng)新研制現(xiàn)有機(jī)載數(shù)據(jù)總線與測(cè)試維修總線融合的新型綜合模塊化航空電子系統(tǒng)架構(gòu)及其應(yīng)用系統(tǒng)，從頂層架構(gòu)、系統(tǒng)布局、接口標(biāo)準(zhǔn)化等方面解決機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)缺乏、檢測(cè)手段有限、診斷能力不足等諸多問(wèn)題。應(yīng)瞄準(zhǔn)國(guó)外總線先進(jìn)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，抓住時(shí)機(jī)，跟蹤、研究并制定適合于我國(guó)航空電子系統(tǒng)的一系列國(guó)產(chǎn)化總線技術(shù)、產(chǎn)品和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，為新機(jī)研制做好技術(shù)儲(chǔ)備。

② 取代傳統(tǒng)意義上的BIT系統(tǒng)，創(chuàng)新研制機(jī)載BIT與機(jī)上PHM相融合的新型航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控體系架構(gòu)，形成由全機(jī)級(jí)監(jiān)控、區(qū)域級(jí)監(jiān)控、成員級(jí)監(jiān)控構(gòu)成的分層融合監(jiān)控系統(tǒng)，并重點(diǎn)以數(shù)據(jù)積累、算法應(yīng)用驗(yàn)證、系統(tǒng)集成等方面為切入點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)分層融合監(jiān)控系統(tǒng)工程化應(yīng)用。

③ 研制成員級(jí)專用監(jiān)控芯片和模塊，具備傳統(tǒng)ATE部分檢測(cè)、隔離和診斷能力(機(jī)上測(cè)試監(jiān)控與ATE功能綜合權(quán)衡后)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成員系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)LRU或LRM的機(jī)上狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障隔離和診斷，能夠大幅提升航空機(jī)載系統(tǒng)成員級(jí)機(jī)上測(cè)試監(jiān)控能力。

④ 在傳統(tǒng)的時(shí)序電路掃描路徑法、內(nèi)建自測(cè)試(Built-in-Self-Test,BIST)法應(yīng)用的基礎(chǔ)上，加速提升邊界掃描技術(shù)在機(jī)載產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)程，重點(diǎn)研制板級(jí)/模塊級(jí)嵌入式專用監(jiān)控芯片，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念(如監(jiān)控能力、診斷能力與功能/性能同步設(shè)計(jì)等)、功能布局、監(jiān)控接口、通信標(biāo)準(zhǔn)化等方面根本地解決板級(jí)產(chǎn)品監(jiān)控能力不足的問(wèn)題。

⑤ 在積累大量機(jī)載測(cè)試監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，推進(jìn)智能BIT工程化所需的方法、流程、規(guī)范研究及驗(yàn)證工具和方法建設(shè)，逐步提升智能BIT技術(shù)驗(yàn)證能力，解決環(huán)境適應(yīng)性差、間歇故障頻發(fā)、BIT模型驗(yàn)證不充分等突出問(wèn)題，加速智能BIT技術(shù)的工程化應(yīng)用，以提高傳統(tǒng)BIT的故障檢測(cè)率，并降低虛警率，為航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)智能化發(fā)展提供技術(shù)保障。

⑥ 逐步實(shí)現(xiàn)智能技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控技術(shù)的深入融合，從測(cè)試技術(shù)未來(lái)發(fā)展來(lái)看，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與并行計(jì)算、數(shù)字孿生等新技術(shù)在航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控過(guò)程中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[9]。人工智能技術(shù)是根基，是實(shí)現(xiàn)航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控過(guò)程智能化應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)技術(shù)是助推器，是完善航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控過(guò)程智能化工程的知識(shí)源泉。云計(jì)算技術(shù)是賦能器，是提高航空機(jī)載系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)控過(guò)程智能化應(yīng)用效率的根本保障。數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可視化智能測(cè)試監(jiān)控和虛擬驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)。

⑦ 推進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控能力提升標(biāo)準(zhǔn)化支撐工作，在構(gòu)建分層融合監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系牽引下，在產(chǎn)品研制過(guò)程中同步推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作，為原理驗(yàn)證、技術(shù)熟化、工程研制提供標(biāo)準(zhǔn)化支撐。結(jié)合主機(jī)單位在研型號(hào)改型和新型號(hào)需求，從典型機(jī)載電子產(chǎn)品(如機(jī)載計(jì)算機(jī))開始測(cè)試監(jiān)控技術(shù)研究和驗(yàn)證應(yīng)用，明確實(shí)施途徑和研究路線圖，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，形成工程樣機(jī)，為我國(guó)航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控能力提升和航空裝備自主保障提供技術(shù)儲(chǔ)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)國(guó)外航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的分布式、層次化、自主重構(gòu)、健康監(jiān)控、故障容錯(cuò)、測(cè)試與維修能力融合、嵌入式監(jiān)控等主要特征及智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，分析了國(guó)內(nèi)目前還存在BIT設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性不強(qiáng)、PHM系統(tǒng)缺乏完善的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、邊界掃描技術(shù)應(yīng)用不夠深入、國(guó)產(chǎn)化航空電子系統(tǒng)尚需加速開展工程化等主要問(wèn)題。為提升國(guó)內(nèi)航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)能力和水平，提出了國(guó)內(nèi)必須從全機(jī)級(jí)體系架構(gòu)、成員級(jí)監(jiān)控、板級(jí)監(jiān)控及標(biāo)準(zhǔn)化等方面系統(tǒng)開展工作的建議，希望能夠?yàn)槲覈?guó)航空機(jī)載系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的智能化發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。