【摘要】針對航電測試領(lǐng)域?qū)Ｓ米詣訙y試系統(tǒng)通用性差、故障診斷難等問題，本文提出了一種通用自動測試平臺設(shè)計方案。通過儀器驅(qū)動層分層設(shè)計及建立指令轉(zhuǎn)換模型，有效解決了程控儀器時驅(qū)動與指令的兼容性問題。除此之外，依托持久化存儲機制基于FTA構(gòu)建平臺故障診斷模塊，利用測試項異常事件代碼及最小割集算法確定導(dǎo)致故障發(fā)生的基本事件集合及相應(yīng)概率，最后獲取數(shù)據(jù)庫設(shè)備故障診斷信息表中每種事件集合所對應(yīng)的診斷信息，根據(jù)概率排序依次給出用戶排故、維修建議，有效降低了故障診斷的門檻及難度。經(jīng)實際功能驗證，相較于傳統(tǒng)專用自動測試系統(tǒng)，本平臺在通用性、故障診斷等多維度均具有較好的優(yōu)勢，可滿足航電系統(tǒng)測試的快速擴展需求，具有良好的實用價值。

【關(guān)鍵詞】航電測試|通用自動測試|FTA|故障診斷|最小割集

航電系統(tǒng)是飛機至關(guān)重要的核心系統(tǒng)，其技術(shù)水平的高低直接影響飛機的整體性能[1]。作為檢驗其可靠性保障的地面測試環(huán)節(jié)則顯得尤為重要。傳統(tǒng)測試方式主要以人工測試為主，近年來，航電測試領(lǐng)域自動化程度愈來愈高，人工測試逐步被自動測試系統(tǒng)所取代。然而，現(xiàn)有測試系統(tǒng)大多為針對某個特定任務(wù)研發(fā)的專用定制系統(tǒng)，其架構(gòu)設(shè)計缺乏有效的頂層設(shè)計，當(dāng)業(yè)務(wù)需求發(fā)生更迭時，不得不對系統(tǒng)進行二次開發(fā)，造成資源的極大浪費。除此之外，專用系統(tǒng)在故障診斷方面多數(shù)并未涉及，排故方式仍然依賴專業(yè)人員個人經(jīng)驗從而導(dǎo)致故障診斷門檻較高且效率低下。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，本文將通過硬件、軟件兩方面設(shè)計來解決自動測試系統(tǒng)通用性差問題，同時采用故障樹分析法[2]（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）來構(gòu)建故障診斷模塊。

一、平臺概述

（一）平臺的通用性設(shè)計主要體現(xiàn)在以下兩部分

硬件設(shè)計：采用通用化的工控電腦，與之相連的測試儀器則被集成在標(biāo)準(zhǔn)化機柜中，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要進行快速組合搭建，布局靈活且擴展性強。

軟件設(shè)計：通過對儀器驅(qū)動層分層設(shè)計及建立指令轉(zhuǎn)換模型從而實現(xiàn)對不同儀器驅(qū)動及指令兼容，完成儀器資源的高效擴展利用。

（二）在故障診斷設(shè)計方面

本文根據(jù)測試設(shè)備相關(guān)設(shè)計文檔、專家知識及歷史測試數(shù)據(jù)，基于FTA建立設(shè)備典型故障樹并以此為基礎(chǔ)進行故障樹定性分析，借助算法尋找故障樹最小割集，查找故障發(fā)生的基本事件集合，最終根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的設(shè)備故障診斷信息表獲取每種事件集合所對應(yīng)的診斷信息并依據(jù)概率排序依次給出用戶排故、維修建議。

二、總體設(shè)計

（一）通用性設(shè)計

硬件設(shè)計部分非本文重點，相關(guān)內(nèi)容不再詳述，本節(jié)將主要從儀器驅(qū)動層架構(gòu)和儀器指令轉(zhuǎn)換機制兩方面來闡述平臺在軟件部分的通用性設(shè)計。

1.儀器驅(qū)動層架構(gòu)設(shè)計

本文基于應(yīng)用邏輯采用分層架構(gòu)重新設(shè)計儀器驅(qū)動層，將其劃分為驅(qū)動統(tǒng)一接口層、驅(qū)動實例層和物理接口層三個層次，儀器驅(qū)動層架構(gòu)圖如圖1所示。

驅(qū)動統(tǒng)一接口層提供各類儀器（標(biāo)準(zhǔn)儀器和自研儀器）的驅(qū)動配置及執(zhí)行接口。主要功能可分為兩方面：一方面獲取當(dāng)前儀器資源并向驅(qū)動管理模塊傳遞外部連接指令。例如，在連接標(biāo)準(zhǔn)儀器時，首先使用VISA庫中viOpenDefaultRM方法創(chuàng)建與儀器通信的會話句柄以打開資源管理器，接著通過viFindRsrc和viFindNext函數(shù)枚舉并查找當(dāng)前可用儀器資源[3]；另一方面向測試應(yīng)用層提供驅(qū)動管理模塊中可用的儀器資源接口。其中，驅(qū)動管理模塊包含多種驅(qū)動管理庫，每種庫管理特定的資源容器，如功率計管理單元、信號發(fā)生器管理單元等，而管理單元則按類型負責(zé)加載和釋放各種驅(qū)動實例庫。

驅(qū)動實例層集成各種類型、型號的儀器驅(qū)動庫，例如頻譜分析儀驅(qū)動庫（4051Driver.dll、FPL1000Driver.dll）、功率計驅(qū)動庫（N1911Driver.dll、E4419BDriver.dll）等，每種驅(qū)動庫即為一個與實體儀器進行交互的獨立實體。

物理接口層融合多種通信接口，如COM接口、LAN接口、RS232接口、GPIB接口等，作為應(yīng)用層軟件與設(shè)備硬件之間交互的橋梁，主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

綜上所述，驅(qū)動統(tǒng)一接口層對外提供統(tǒng)一配置接口，平臺在其與驅(qū)動實例之間內(nèi)置驅(qū)動管理模塊，將上層儀器指令與底層驅(qū)動進行解耦，從而通過物理接口層中的總線接口實現(xiàn)不同類型、型號儀器的統(tǒng)一調(diào)用。各層之間獨立行使職責(zé)，功能耦合性低，有效地實現(xiàn)了應(yīng)用層與驅(qū)動層的分離。用戶測試前僅需從平臺指定位置加載相應(yīng)驅(qū)動文件即可，無須考慮底層驅(qū)動開發(fā)細節(jié)。

2.儀器指令轉(zhuǎn)換機制設(shè)計

航電測試領(lǐng)域使用的儀器按類型可分為標(biāo)準(zhǔn)儀器和自研儀器。標(biāo)準(zhǔn)儀器支持SCPI（Standard Commands for Programmable Instrument，可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令）指令集[4]，而自研儀器指令集則不同于SCPI指令結(jié)構(gòu)，通常采用字節(jié)碼通信協(xié)議，我們稱為SDIIS（Self-Developed Instrument Instruction Set，自研儀器指令集）。

（1）指令差異。SCPI指令是基于ASCII字符集、分層結(jié)構(gòu)的命令語言[5]，例如“：ACPower：SWEep：TIME”和“：CALCulate：MARKer1：REFerence？”。指令由根節(jié)點和系統(tǒng)相關(guān)命令組成樹形結(jié)構(gòu)，遵循路徑“AA：BB：CC”。命令行通常以“：”開頭，關(guān)鍵字間用“：”分隔，參數(shù)緊跟在命令后的空格內(nèi)。相比之下，SDIIS指令使用字節(jié)碼通信，以幀頭開始、幀尾結(jié)束，與SCPI指令格式完全不同。另外，即使同類型標(biāo)準(zhǔn)儀器，不同廠商或型號儀器指令之間仍可能存在差異。為了實現(xiàn)對不同儀器指令差異的兼容，本文進行了指令轉(zhuǎn)換機制設(shè)計。

（2）儀器指令轉(zhuǎn)換機制設(shè)計。平臺在儀器指令與偽指令之間內(nèi)置指令轉(zhuǎn)換模塊，測控過程中儀器調(diào)用指令均以偽指令形式出現(xiàn)。測試開始前，用戶可利用平臺提供的指令集自定義功能，根據(jù)儀器類型和型號錄入指令。一個完整的指令集文件包含偽指令、真實指令及備注三部分，以XML格式存儲于本地。測試開始后，平臺會通過測試項綁定的儀器型號定位其對應(yīng)的指令集文件，然后以偽指令形式解析此文件并提取相應(yīng)的真實指令。與此同時，搜索與當(dāng)前測試項鏈接的參數(shù)配置文件并解析提取上述指令中包含的數(shù)值和單位。最后再將指令、數(shù)值及單位三者拼接生成最終的儀器指令，從而借助該指令完成儀器的程控操作。

以標(biāo)準(zhǔn)儀器Ceyear4051E頻譜儀的帶參指令為例，假如偽指令為“設(shè)置中心頻率100MHz”，其對應(yīng)的指令格式是“[：SENSe]：FREQuency：CENTER ”，其中，為需設(shè)置的中心頻率值，當(dāng)前測試場景下此處應(yīng)該為100MHZ。而在Ceyear4051E頻譜分析儀指令集文件中，當(dāng)前偽指令對應(yīng)的真實指令存儲形式為：“：FREQuency：CENTER {value}{unit}”?？梢钥闯鰯?shù)值和單位分別用字符串“{value}”與“{unit}”代替。當(dāng)平臺指令轉(zhuǎn)換模塊收到上述偽指令后，會根據(jù)儀器類型和型號（頻譜分析儀Ceyear4051E）在本地指令庫中解析提取指令集文件中對應(yīng)的真實指令（含占位符）并前往參數(shù)配置文件庫對當(dāng)前測試項的參數(shù)預(yù)設(shè)值（數(shù)值和單位）進行動態(tài)提取。雙向提取成功后，指令轉(zhuǎn)換模塊會將真實指令（：FREQuency：CENTER {value}{unit}）和參數(shù)預(yù)設(shè)值（100MHz）融合得到最終的儀器指令：“：FREQuency：CENTER 100MHz”，然后下發(fā)給4051E頻譜儀完成中心頻率設(shè)置操作。SCPI的帶參指令轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

基于此設(shè)計，平臺可實現(xiàn)對不同儀器指令的兼容，當(dāng)指令出現(xiàn)變動時，僅需更新指令集、參數(shù)配置文件中的部分真實指令和參數(shù)預(yù)設(shè)值，即可完成對已有配置文件的復(fù)用，從而避免了程序的二次開發(fā)。

（二）故障診斷設(shè)計

FTA是一種以故障樹為工具對復(fù)雜系統(tǒng)安全及可靠性評估的圖形化分析方法[6-7]，本文利用FTA進行故障診斷設(shè)計。首先，對航電設(shè)備進行全面系統(tǒng)分析，確定容易出現(xiàn)故障的子系統(tǒng)或子模塊，并基于專家經(jīng)驗和技術(shù)資料，建立設(shè)備典型故障知識庫，包括故障模式、原因、排故方法及維修建議等信息；其次，將知識庫中的內(nèi)容以故障樹的形式存儲于平臺數(shù)據(jù)庫中，并為故障樹及其事件分配編號，設(shè)備測試項異常與故障樹中的頂事件相對應(yīng)。測試過程中設(shè)備出現(xiàn)異常并被確認為故障時，平臺根據(jù)當(dāng)前測試項對應(yīng)的事件代碼定位具體的故障樹。然后，利用算法查找當(dāng)前故障樹的最小割集，即導(dǎo)致當(dāng)前故障發(fā)生的基本事件集合；再次，利用歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息對最小割集中每種獨立事件組合的發(fā)生概率進行估算并降序排序以圖表形式展示；最后，獲取數(shù)據(jù)庫設(shè)備故障診斷信息表中每種事件集合所對應(yīng)的診斷信息，依次給出用戶排故及維修建議。

1.構(gòu)造設(shè)備典型故障樹

（1）確立故障樹頂事件。測試項一般檢驗的都是設(shè)備最為關(guān)注的功能、性能指標(biāo)，意味著出現(xiàn)問題會造成比較嚴重的后果，因此，本文將測試項異常定為故障樹的頂事件；（2）明確故障原因。根據(jù)故障模式找出所有會導(dǎo)致當(dāng)前故障發(fā)生的事件；（3）建立邏輯關(guān)系。自上而下確定事件之間的邏輯關(guān)系，并使用邏輯門符號來描述，包括“與門”（AND）、“或門”（OR）等。（4）建立故障樹數(shù)據(jù)表。將故障樹中事件代碼、門類型、子節(jié)點等信息存儲到數(shù)據(jù)表中。故障樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

2.查找最小割集算法

本文基于下行法[8]設(shè)計MinCutsetAlgorithm算法實現(xiàn)查找最小割集。選用結(jié)構(gòu)體（包含節(jié)點代號、門類型、子節(jié)點數(shù)）來存儲故障樹節(jié)點信息，如圖3所示為一個典型故障樹示例圖，其中，T代表頂事件，M1～M4為中間事件，E1～E6則對應(yīng)故障1～故障6。MinCutsetAlgorithm算法基本思路如下：

（1）首先定義一個鏈表來存儲自上而下遍歷得到的故障樹中的各節(jié)點信息：listft_List，鏈表ft_List內(nèi)部存儲節(jié)點圖如圖4所示。再定義數(shù)組ft_CutSet來存放故障樹分析過程中的割集array，210> ft_ CutSet，即ft_CutSet存放了210個鏈表，具體大小可根據(jù)實際需求進行調(diào)整。

（2）將頂事件T節(jié)點添加到數(shù)組ft_CutSet[ 0 ]中，初始化num作為已使用數(shù)組數(shù)量。然后使用三層for循環(huán)來完成整個故障樹的割集構(gòu)建過程。具體來講，由外層到內(nèi)層分別用i、j、k來控制，i循環(huán)遍歷數(shù)組ft_CutSet，j遍歷i為m值時ft_CutSet[m]中的節(jié)點，最內(nèi)層k則通過搜索ft_List來查找ft_CutSet[m]中節(jié)點對應(yīng)的子節(jié)點。

（3）自上而下開始掃描，邏輯操作主要分為兩種。第一種，當(dāng)掃描節(jié)點門類型為“OR”（或門）時，并且存在子節(jié)點（即此時子節(jié)點數(shù)為cNum）時，在ft_CutSet[m]中復(fù)制cNum個當(dāng)前節(jié)點的ft_CutSet[m]至ft_CutSet[num+1]、ft_CutSet[num+2]、……、ft_CutSet[num+cNum]中，然后刪除當(dāng)前節(jié)點并將其對應(yīng)子節(jié)點分別添加至數(shù)組ft_CutSet[num+1]、ft_CutSet[num+2]、……、ft_ CutSet[num+cNum]中；第二種，當(dāng)掃描節(jié)點門類型為“AND”（與門）時，需復(fù)制該節(jié)點至ft_CutSet[num+1]，然后刪除該節(jié)點并將其對應(yīng)的所有子節(jié)點全部添加到ft_ CutSet[num+1]中。i繼續(xù)循環(huán)直至完成對新鏈表的分析。以圖3中典型故障樹為例，平臺查找最小割集循環(huán)過程中數(shù)組ft_CutSet的內(nèi)部存儲圖如圖5所示。其中，紫色代表待分析節(jié)點，紅色代表分析完需刪除節(jié)點，淺藍色代表已分析完成的底層節(jié)點。

（4）分析完成后所得到的鏈表需進行是否為空判斷，非空則認為該鏈表是其中一個割集，但割集之間有可能存在包含關(guān)系，因此，需要再進行集合判斷，丟棄包含其他集合的割集，最終留下的即是故障樹的最小割集。上述故障樹經(jīng)過MinCutsetAlgorithm算法掃描得出最小割集為{E1，E2，{E3，E4，E5}，{E3，E4，E6}}。

3.故障診斷流程

（1）測試過程中某測試項出現(xiàn)異常經(jīng)確認為故障后，平臺會立即根據(jù)該測試項異常事件代碼前往數(shù)據(jù)庫搜索其對應(yīng)的設(shè)備故障樹節(jié)點信息表，然后自上而下遍歷獲取節(jié)點信息并將其存入ft_List 鏈表，借助MinCutsetAlgorithm算法找出當(dāng)前故障樹的最小割集，即導(dǎo)致該故障發(fā)生的基本事件集合。

（2）根據(jù)平臺對故障事件的歷史統(tǒng)計信息，給出上述基本事件集合中每種組合所發(fā)生的概率估算。假設(shè)圖3故障樹中的事件E1、E2、E3、E4、E5、E6的發(fā)生概率分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6，則該故障樹對應(yīng)的最小割集中的基本事件組合概率分別為P1、P2、P3P4P5、P3P4P6。最后依照概率大小進行降序排序，排序靠前的優(yōu)先進行排故處理。

（3）前往平臺數(shù)據(jù)庫搜索設(shè)備對應(yīng)的故障診斷表，若上述基本事件組合的診斷信息存在，則可根據(jù)其中的診斷建議進行針對性排故。反之，則需尋求工程師或?qū)＜医o出排故建議。

（4）故障解決后，更新數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)設(shè)備的故障樹節(jié)點信息表和故障診斷信息表，提高診斷準(zhǔn)確性，以備后續(xù)排故使用。平臺故障診斷詳細流程圖如圖6所示。

三、功能驗證

經(jīng)過全流程規(guī)范性測試，本平臺在軟件功能測試環(huán)節(jié)通過全部測試用例，測試結(jié)果符合預(yù)期。以某型放大器模塊無輸出電平為例來驗證平臺的故障診斷功能。該故障樹如圖7所示，當(dāng)該模塊輸出電平測試出現(xiàn)異常后，平臺會根據(jù)該事件代碼立即前往數(shù)據(jù)庫搜索其對應(yīng)的故障樹節(jié)點信息，然后利用MinCutsetAlgorithm算法找出該故障樹的最小割集。因為該故障樹邏輯門類型只有“或門”，故最終得出最小割集為所有底事件組成的集合{E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8}。平臺基于故障事件的歷史統(tǒng)計信息給出各事件的發(fā)生概率排序，最后，根據(jù)該模塊故障診斷信息表中相關(guān)內(nèi)容給出排故和維修建議。平臺診斷結(jié)果如圖8所示。

四、結(jié)語

本文提出了一種儀器驅(qū)動層分層設(shè)計方案，有效地實現(xiàn)了應(yīng)用層與驅(qū)動層分離，解決了平臺調(diào)用儀器時的驅(qū)動兼容問題。同時，建立了一種儀器指令轉(zhuǎn)換模型，調(diào)用儀器時基于該模型以偽指令形式解析出真實指令來實現(xiàn)程控儀器，從而解決了調(diào)用儀器時的指令兼容問題。依靠上述設(shè)計，使得平臺具備了良好的通用性。另外，基于FTA將測試項異常作為頂事件建立設(shè)備的典型故障樹及診斷信息庫。異常出現(xiàn)時，利用事件代碼定位具體故障樹，并啟動查找最小割集算法獲取導(dǎo)致當(dāng)前故障發(fā)生的基本事件集合及相應(yīng)發(fā)生概率，最終根據(jù)故障診斷信息表獲取每種事件集合所對應(yīng)的診斷信息并依據(jù)概率排序依次給出用戶排故及維修建議。有效地降低了排故門檻及難度。經(jīng)驗證，相較于傳統(tǒng)專用自動測試系統(tǒng)，本平臺在通用性、故障診斷等多維度均具有較好的優(yōu)勢，可滿足航電系統(tǒng)測試的快速擴展需求，具有良好的實用價值。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻

[1]錢魯森.航電系統(tǒng)自動化測試關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2018：1-3.

[2]劉鵬.基于AHP與FTA的汽車制動系統(tǒng)故障分析[D].西安科技大學(xué)，2018：37-39.

[3]許倩文.LXI-VXI零槽控制器VISA庫的設(shè)計與實現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)，2017：10-20.

[4]朱興邦，李兵.IEEE488與SCPI解釋[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量，2007（01）：15-16，26.

[5]郭威.TCAS測試設(shè)備的SCPI程控命令集設(shè)計[D].電子科技大學(xué)，2022：7-10.

[6]吳盡哲，馬知遠，郭月婷，等.基于故障樹分析法的艦載武器裝備電子元器件及PCB的失效研究[J].裝備環(huán)境工程，2024，21（01）：19-25.

[7]李鵬飛.基于故障樹分析的柴油機燃油系故障診斷研究[D].長安大學(xué)，2017：18-21.

[8]孫紅梅，牟明明，高磊.故障樹分析法的定性和定量分析研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2023，41（03）：22-26.

（作者簡介：王龍濤，中國電子科技集團公司第二十研究所，工程師，碩士研究生，研究方向為自動測試系統(tǒng)設(shè)計）