航空机载系统智能测试监控技术

王 红， 潘安君， 杨占才， 封锦琦

航空工业北京长城航空测控技术研究所,北京 101111)

航空机载系统智能测试监控主要指利用宿主于机载产品内部的智能机内测试(Built-in-Test,BIT)设备、机上嵌入式智能专用监控芯片/模块和机上预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)系统为维护保障提供机载产品自身状态检查和健康管理信息的相关测试活动。目前，我国对航空机载系统监控的核心关键技术缺乏全面、系统的了解和掌握，对机载监控顶层架构不清晰，对关键瓶颈测试技术缺乏有效梳理，这严重影响了我国航空机载系统监控技术智能化发展。未来航空机载系统结构将变得越来越复杂，这就要求测试监控技术发展必须与之相适应。从国外发展经验及国内机载产品维护保障需求来看，为从根本上提升航空机载系统机上测试监控能力，必须从全机级/系统级监控体系架构创新、机载BIT与机上PHM融合、成员级专用监控模块开发、板级嵌入式专用监控芯片研制等方面成体系开展科研攻关，只有这样才能从监控架构、监控流程、监控手段和监控数据等方面为PHM系统熟化提供支撑，才有可能真正实现航空装备视情维修和智能保障。

1 国外机载系统智能测试监控技术发展

为了提升航空机载系统机上测试监控能力，欧美等国不但从航空电子系统架构、机载数据总线、测试仪器总线等全机级、系统级监控层面开展了大量原始创新工作，而且在智能BIT技术、边界扫描技术、嵌入式专用监控芯片研发等模块级、板级监控层面进行创新研究，形成了大量标准规范支撑监控产品应用，从根本上提升了航空装备自主保障能力和水平。

1.1 具有自主重构、健康监控、测试与维修能力融合的机载系统监控体系架构技术

在航空电子系统架构应用方面，综合模块化航空电子(Integrated Modular Avionics,IMA)已成功应用在国外新一代飞机中，例如F-22、F-35、波音777、空客A380等。综合航电与传统的联合航电最大的区别在于其各个分系统共用统一的计算机平台，突破了联合航电中各个分系统通过外总线进行数据交换的模式。它不仅便于系统的优化，而且极大地节约了系统的物理空间和质量，也使得以往的三级维护变为二级维护，由外场可更换单元(Line Replaceable Unit,LRU)变为外场可更换模块(Line Replaceable Module,LRM)。IMA除了采用模块化、通用化体系结构外，还对高速航电总线技术、背板总线和测试与维护总线有新的要求，并对系统健康监控、余度管理和测试能力提出了更高的要求。随着计算机技术的发展，IMA技术也在不断更新，新一代IMA已经是目前的研究热点。新一代IMA采用成熟的高性能商用计算机资源及相关技术，例如重构技术、自修复技术、多核技术、片上系统(System on Chip,SoC)技术等[1-2]。作为F-22飞机航电系统中的核心组成部件，共用综合处理器(CIP)中除了采用并行接口总线(PI Bus)用于传输数据外，还采用测试和维修总线(TM Bus)用于连接数据处理器、数据服务器等模块，其可用于错误的检测和恢复，实现了机载数据总线与测试维修总线的有效融合，极大地提高了航空电子系统的自主重构和维护能力。JSF F-35战斗机是“宝石台”计划的典型代表，主要由综合核心处理器(ICP)和综合射频(IRF)系统组成，其中ICP与F-22的CIP基本类似，但更强调COTS和开放式系统结构，采用统一航空电子互连网络(UAN)，代替了F-22高速数据总线、1553B总线、TM总线等多种互连接口。JSF F-35的航电系统实现了资源的高度共享、综合系统管理和预测与健康管理，提供了子系统的自检、故障隔离和重构能力，具备更高的可靠性和可维护性[1]。此外，为了有效降低航空电子系统保障费用，国外在基于失效物理模型、环境因素模型、监测参数相融合的健康监控技术领域不断成熟。总之，自主重构、健康监控、测试与维修能力融合、资源共享将成为未来机载系统监控体系架构的重要发展方向。

1.2 具有分布式、高速、故障容错特征的机载数据总线技术

在航空机载数据总线应用方面，欧美等国相继研制了MIL-STD-1553B、ARINC429、MIL-STD-1773、STANAG3910、ARINC629、线性令牌传输总线(LTPB)、AFDX和FC等通用机载数据总线[3-4]。国外著名航空电子系统供应商霍尼韦尔公司与罗克韦尔柯林斯公司也分别研制了用于自身航空电子系统互联的IMB/ADB和CSDB等专用总线。此外，美国JAST计划(联合先进攻击技术)中统一网络的首选协议——商用互联总线SCI(Scalable Coherent Interface,可伸缩一致性接口)技术在航空领域具有更为广泛的应用前景[5]。2018年，美国Teradyne公司通过设计全新的光纤连接器以实现速率高达25 Gbit/s的串行总线数据的可靠稳定数据传输，并进行了原理性测试和验证，为未来高速航空电子系统机载测试监控应用奠定基础[6]。从机载数据总线性能发展来看，以分布式机载系统架构为基础，在追求高速、高实时、高同步能力的同时，安全有效的故障容错、故障恢复机制也是其发展重点。从航空机载数据总线技术发展来看，将逐步向数据传输高速化、数据传输延迟最小化、网络拓扑结构分布式、传输协议多样化、通信介质光纤化等方向发展。

1.3 具有低延时、高带宽、高采样速率特征的测试仪器总线技术

在测试仪器总线方面，欧美等国相继研制了GPIB、Serial、IEEE 1394(FireWire)、USB、LAN和LXI等仪器外部总线，以及VME、VXI、PCI/PXI、PCI Express、PXI Express和AXIe等仪器内部总线，为提升机载系统测试能力提供重要保障[7-11]。仪器总线除了追求高可靠性、实时性外，对大数据量传输和存储、高速和复杂的分析处理能力提出了更高的要求。仪器总线技术针对多通道、多样化信号源、网络化数据采集的需求，向高速采样、高带宽、低延时、便携性方向不断发展。测试仪器总线技术发展趋势如图1所示。从未来发展和型号研制需求来看，除了不断提高仪器总线本身性能，高速串行总线、混合测试仪器总线应用、设计非标专用总线，以及测试仪器总线与机载数据总线融合应用将成为未来重要的发展方向。

图1 测试仪器总线技术发展趋势

1.4 满足不同种类电路、不同层级监控需求的边界扫描技术

在边界扫描技术应用方面，1985年，欧美一些公司成立了联合测试行动组织(JTAG)，提出了一种结构化的测试性设计技术——边界扫描技术。1990年初，IEEE发布了IEEE Std 1149.1(测试访问端口及边界扫描设计)这一行业标准。后来在不断完善和规范过程中，先后发展出IEEE Std 1149.4(模拟及数模混合信号电路测试)、IEEE Std 1149.5(模块测试与维护总线协议)、IEEE Std 1149.6(交流耦合信号测试)、IEEE Std 1149.7(多内核集成芯片及板级测试)和IEEE Std 1450(测试接口语言)、IEEE Std 1500(嵌入式芯核测试)、IEEE Std 1522(可测性与诊断性特征和度量)以及IEEE Std 1532(可编程设备的系统内配置)等行业标准[12]，极大地促进了边界扫描技术在BIT中的实际应用，为集成电路的测试和故障诊断发挥了重要作用。国外于2014年颁布了IEEE Std 1687(嵌入在半导体设备中的仪器访问和控制的方法)标准，解决了复杂芯片SoC的嵌入式测试难题[13]。2018年，国外学者提出了在BIT设计中将基于JTAG的边界扫描测试组件嵌入到模板中，不需要额外的物理探针、电缆和接口，能够解决原有BIT系统可靠性低、频繁失效，以及虚警率高等实际问题[14]。目前，新的边界扫描标准IEEE Std 1149.7研究将原来的4线改为2线，并在芯片内部增加电压监控、总线监测、总线配置、逻辑BIST、处理器监控、缓冲跟踪等功能，其将掀起新的可测试性设计和智能测试监控技术发展狂潮。

实现高覆盖率、高准确度和高效的机载智能测试监控是未来VLSI、多核、SoC等复杂电子装备技术发展和自主保障工程应用的关键。美国和西欧一些航空强国为了增强机载测试监控能力，利用边界扫描技术开展了板级智能在线状态监测、LRU级在线监测技术研究，并取得了较大进展，实现了监测模式和方法的创新，解决了传统的BIT/BITE设备诊断覆盖率不高、诊断准确率低等实际问题，提升了装备在线监测诊断能力，减少了对地面检测设备的依赖，极大地降低了保障规模和费用。

1.5 嵌入式监控芯片与模块技术

嵌入式监控技术是在芯片或模板内部设计具有采集、激励、存储、处理、诊断、输出等多功能于一体的专用模块，用于对该芯片、模板内部的器件、组件实现状态监测、故障诊断等功能。随着装备复杂程度的不断提高，以及对装备自主保障能力需求的不断增加，装备在实现功能性能设计的同时，同步设计专用监控模块，这将对未来装备维护保障能力的提升起到重要作用[15]。

嵌入式监控芯片是美国国防部基于产品性能项目的研究内容之一，使得BIST、故障预测和诊断成为产品的组成部分，确保了关键电子系统战备完好性。1995年，IEEE计算机学会的测试技术学会(TTTC)开始研究嵌入式芯片的测试问题，并于2005年正式发布了IEEE Std 1500标准,建立了IP核提供者和使用者之间的标准接口,实现了SoC中芯核的标准化测试。2007年，IEEE组织发布了P1581白皮书。IEEE P1581是一种测试存储器件的标准，它使得存储器无须再添加边界扫描电路和额外的引脚来进行测试。2018年，国外学者提出了基于处理器的功能测试技术(Processor-Based Functional Test,PFT)和受控FPGA测试技术(FPGA-Controlled Test,FCT)等模板测试监控技术，PFT技术主要通过处理器代理单元实现对板载内存和其他高速组件的在线监控测试，FCT技术主要通过嵌入式FPGA仪器实现对模板组件的功能和性能测试[16]。

在嵌入式专用监控芯片和模块研发方面，国外研制了芯片级和模块级的嵌入式专用监控产品，例如ARM公司的STM32系列监控芯片等具有发送激励、接收反馈、综合数据处理、大容量存储、标准化通信接口等功能，用户可在机载产品上嵌入该专用监控芯片，并可根据监控需求自行开发监控程序，不但极大地提高了机载产品监控诊断能力，而且用户集成开发也非常方便。

1.6 机载系统智能化监控技术

机载系统智能化监控技术是机载总线技术、BIT技术、边界扫描技术、监控芯片/模块技术、PHM技术、CMS技术等传统监控技术与智能技术相结合的产物，是将人工智能理论应用到机载系统监控设备的设计、检测、诊断、预测、健康管理、决策等方面，使机载系统监控设备具有自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自适应、自学习和自决策等能力或相关活动的总称[17]。与传统的监控系统相比，机载系统智能监控系统是利用人工智能、神经网络、模糊理论等非传统方法，形成以智能决策与判断为目标的监控系统。它在监控过程中能够执行诸如感知、采集、交换、决策、执行等智能活动。从监控信号流向层面，机载系统智能化监控设备应由智能传感、智能采集、智能交换、智能决策、智能执行和智能监控综合协调等部分构成。同样，从监控设备研发所需技术层面，机载系统智能化监控技术主要由智能传感、智能采集、智能交换、智能决策、智能执行和智能监控综合协调等相关技术构成。从物化的监控设备层面，机载系统智能化监控设备主要由智能机载总线、智能BIT、智能边界扫描、智能监控芯片/模块、智能PHM、智能CMS等部分构成。

从监控技术未来发展来看，机载系统智能化监控技术应逐步向自校准、自补偿、自检测、自诊断、自监控、自修复、自适应、自学习和自决策等方向发展。其中，航空机载系统智能化监控系统中的传感器单元应逐步向低成本、低功耗、多功能和小型化方向发展，以满足机载安装使用要求；航空机载系统智能化监控系统中的数据采集单元应逐步向嵌入式智能高速数据处理和高精度、高速、高实时性、高同步能力等方向发展；航空机载系统智能化监控系统中的数据交换单元应逐步向传输高速化、延迟最小化、介质光纤化等方向发展；航空机载系统智能化监控系统中的决策执行单元应逐步向自适应、自学习和自决策等方向发展。

2 国内机载系统测试监控技术现状

近年来，随着装备自主保障能力需求的不断增加，国内针对部分型号机载产品开展了大量的测试性验证、自动测试设备(Automatic Test Equipment，ATE)鉴定、PHM系统验证等工作，为机载系统测试保障工程应用提供了重要支撑，但这些工作大多是在产品定型之后进行的验证熟化工作，并没有完全解决国内航空机载系统测试保障方面存在的诸多问题：① 机上BIT设计标准性不强，部分产品的虚警率降低难度较大，存在找不到故障的实际情况；② 机上PHM系统缺乏完善的监控手段和有效的监控数据，阻碍了进一步工程化应用；③ 地面自动测试系统(Automatic Test System，ATS)规模较大，部分LRU需拆下检测，仍然存在重测合格(Retest Okay，RTOK)、不能复现(Cannot Duplicate，CND)等问题，而且维护时间较长。

目前，国内机载系统机上测试监控技术发展现状分析如下。

① 在航空机载系统监控技术发展方面，以航电系统为例，在综合模块化航空电子系统(IMA)架构应用领域，国内主要参考借鉴国外波音、空客、洛马等公司先进飞机综合航电系统发展经验。国内军机航空电子系统大多为国产化产品，除少数先进机型外，部分还是采用硬件独立的模块化方式。国内民机航空电子系统大多依赖进口(主要是通用电气、霍尼韦尔、罗克韦尔柯林斯等公司)，国产化航空电子系统尚需加速开展工程化应用工作。

② 在机载数据总线方面，我国从20世纪80年代开始对ARINC429(HB6096)和MIL-STD-1553B(GJB289A)总线进行研究和使用，技术己经成熟，其成为我国第二代、第三代作战飞机的主流总线。虽然国内航空数据总线系统的研制工作已取得一定的成绩，但是与欧美国家先进水平相比，还有一定的差距(如在数据处理、网络传输速度、数据融合、传感器综合等方面)，进而导致系统可靠性、稳定性和精度等多个方面落后。另外，国内光纤网络、AFDX等先进技术的应用较晚，总线技术在数据传输机制、分布式处理能力和吞吐率等方面也与国外存在一定差距，因此制约了我国航空电子系统综合技术的发展。虽然国内C919、ARJ21等飞机使用了AFDX、ARINC429、ADB/IMB等先进总线技术，但还需要借鉴和参考国外相关总线技术和相关标准，大多仅针对国内需求在接口定义、传输内容等方面进行修改完善，目前国内还没有研制出一种国产化且可大规模工程应用的机载数据总线。

③ 在测试仪器总线方面，与欧美发达国家相比，我国的测试仪器总线技术一直处于引进和应用状态，主要依赖国外标准和相应产品，国内相关高校虽然开展了一些原理性研究工作，但至今没有一种被全球广泛认可并广泛采用的国产化的仪器总线问世。仪器总线在国内应用上主要是跟踪国外发展趋势，针对一些已经得到普及的技术进行大规模的应用开发。当前国内出货量最大的总线产品是基于PXI、CPCI总线标准的模块，因为这些模块的设计和生产技术目前已经在国内得到普及，大多公司可以自行研发各类不同用途的新型模块，也能利用各类模块集成各类用途的大型测试系统。但是，由于一些模块的核心元器件(如CPU、FPGA等)大多依赖进口，一旦发生禁运情况，对国内测控产业和应用会产生很大冲击。

④ 在测试性设计方法和BIT检测方法方面，国内仍沿用传统的思想和技术，通常BIT仅测试某功能是否正常，仅具有二值信息，大多没有具体参数测试数据。航空电子系统故障诊断大多仅依靠BIT测试结果和简单逻辑分析进行故障判断，对系统综合化情况下故障的相互交联、影响和传播等因素考虑较少，因此系统存在故障检测率和隔离率低、虚警率和重测合格率高等问题[18]。虽然国内各个高校、研究所已经对BIT检测方法开展了大量研究，例如采用神经网络、模糊逻辑、专家系统等智能方法对故障进行检测，但成果大多停留在实验室阶段，目前还没有在飞机上直接应用的报道。因此，国内迫切需要在测试性设计优化条件下，研究新的机载测试监控方法，并运用综合诊断技术和人工智能技术，通过融合系统各种有用信息，运用综合诊断推理实现对故障检测和隔离能力的提升。

⑤ 在机载BIT系统工程研制方面，传统BIT技术应用较多，智能BIT技术应用较少，虽然大多机载产品具有机内自检能力，但由于机上BIT设计标准化不强，测试性验证一次达标率不高，且边界扫描、智能BIT等先进技术应用还不深入，使得自检测深度、故障检测覆盖率、故障隔离准确性等方面很难有较大提升，降低虚警率更是难上加难。国内航空机载BIT系统一直存在BIT适应性差、识别关联故障能力较弱、虚警率居高不下等实际问题，除了设计水平不高、测试性验证能力不足等原因外，主要还是由于存在环境应力、间歇故障、诊断模型验证不充分等情况[19]。国内在BIT降虚警研究方面，各个高校和研究所开展了大量理论研究工作。2005年，柳新民等[20]对机电系统BIT间歇故障虚警抑制技术开展了研究，提出了基于HMM-SVM和无监督1-DISVM模型的间歇故障诊断与虚警抑制技术。2008年，刘冠军等[21]提出一种适用于直升机航向姿态系统机内测试降虚警的HMM方法。2019年，罗海明等[22]针对综合模块化航空电子系统的BIT防虚警设计开展了研究，采用一种基于模型的系统级BIT虚警识别算法,用于识别虚警和确认真实的故障指示。国内虽然在BIT降虚警方面进行了大量理论研究，但距离实际应用到机载系统中还有一定差距。

⑥ 国内边界扫描技术在航空机载系统方面的研究与应用基本上还处于起步阶段，国内的北京航天测控技术有限公司、电子科技大学、国防科技大学、桂林电子工业学院和西安微电子技术研究所等相关高校和研究所于20世纪90年代开始关注边界扫描技术，基本成功地开发了边界扫描测试系统原型机，取得了一定成果。1994年，我国参照IEEE Std 1149.1标准制定了中国电子行业标准SJ/T 10566—94《可测试性总线 第一部分：标准测试存取口与边界扫描结构》[23]。尽管国内测试界专家以及一些电子设备生产厂家都已认识到边界扫描技术的重要性，但由于缺乏国产成熟的扫描测试工具以及相关技术，只能大量依赖进口设备，目前国内边界扫描技术的应用还很局限和落后。因此对边界扫描测试技术的研究具有很现实的意义，设计研制国产化的小型化边界扫描测试设备并实现机载智能监控应用具有广泛的应用前景和实用价值。

总之，在现有机载产品机上测试监控能力没有较大提升的情况下，机载BIT的虚警率难以降低，机载PHM系统难以实现工程应用，地面ATS系统规模难以缩减，更难以实现真正意义上的航空装备视情维修和智能化的自主保障。

3 航空机载系统智能测试监控技术发展建议

纵观国外发展及国内现状，为进一步提升航空机载系统机上测试监控能力，降低机载BIT虚警率，缩减地面ATS系统规模，减少LRU拆卸时间，提高PHM系统工程化水平，必须从全机级体系架构、成员级监控、板级监控和标准化等方面成体系地开展工作，主要发展建议如下。

① 创新研制现有机载数据总线与测试维修总线融合的新型综合模块化航空电子系统架构及其应用系统，从顶层架构、系统布局、接口标准化等方面解决机载系统监控数据缺乏、检测手段有限、诊断能力不足等诸多问题。应瞄准国外总线先进技术发展动向，抓住时机，跟踪、研究并制定适合于我国航空电子系统的一系列国产化总线技术、产品和相应标准，为新机研制做好技术储备。

② 取代传统意义上的BIT系统，创新研制机载BIT与机上PHM相融合的新型航空机载系统测试监控体系架构，形成由全机级监控、区域级监控、成员级监控构成的分层融合监控系统，并重点以数据积累、算法应用验证、系统集成等方面为切入点，逐步实现分层融合监控系统工程化应用。

③ 研制成员级专用监控芯片和模块，具备传统ATE部分检测、隔离和诊断能力(机上测试监控与ATE功能综合权衡后)，实现对成员系统内部各个LRU或LRM的机上状态监测、故障隔离和诊断，能够大幅提升航空机载系统成员级机上测试监控能力。

④ 在传统的时序电路扫描路径法、内建自测试(Built-in-Self-Test,BIST)法应用的基础上，加速提升边界扫描技术在机载产品设计中的应用进程，重点研制板级/模块级嵌入式专用监控芯片，从产品设计理念(如监控能力、诊断能力与功能/性能同步设计等)、功能布局、监控接口、通信标准化等方面根本地解决板级产品监控能力不足的问题。

⑤ 在积累大量机载测试监控数据基础上，应用数据挖掘、大数据分析等先进技术，推进智能BIT工程化所需的方法、流程、规范研究及验证工具和方法建设，逐步提升智能BIT技术验证能力，解决环境适应性差、间歇故障频发、BIT模型验证不充分等突出问题，加速智能BIT技术的工程化应用，以提高传统BIT的故障检测率，并降低虚警率，为航空机载系统测试监控系统智能化发展提供技术保障。

⑥ 逐步实现智能技术与传统测试监控技术的深入融合，从测试技术未来发展来看，人工智能、大数据、云计算与并行计算、数字孪生等新技术在航空机载系统测试监控过程中将发挥越来越重要的作用[9]。人工智能技术是根基，是实现航空机载系统测试监控过程智能化应用的前提和基础。大数据技术是助推器，是完善航空机载系统测试监控过程智能化工程的知识源泉。云计算技术是赋能器，是提高航空机载系统测试监控过程智能化应用效率的根本保障。数字孪生技术是实现可视化智能测试监控和虚拟验证的关键技术。

⑦ 推进机载系统监控能力提升标准化支撑工作，在构建分层融合监控标准体系牵引下，在产品研制过程中同步推进标准化工作，为原理验证、技术熟化、工程研制提供标准化支撑。结合主机单位在研型号改型和新型号需求，从典型机载电子产品(如机载计算机)开始测试监控技术研究和验证应用，明确实施途径和研究路线图，开展关键技术攻关，形成工程样机，为我国航空机载系统监控能力提升和航空装备自主保障提供技术储备。

4 结束语

对国外航空机载系统监控技术的分布式、层次化、自主重构、健康监控、故障容错、测试与维修能力融合、嵌入式监控等主要特征及智能化、网络化的发展趋势进行了系统阐述，分析了国内目前还存在BIT设计标准性不强、PHM系统缺乏完善的监控数据、边界扫描技术应用不够深入、国产化航空电子系统尚需加速开展工程化等主要问题。为提升国内航空机载系统监控技术能力和水平，提出了国内必须从全机级体系架构、成员级监控、板级监控及标准化等方面系统开展工作的建议，希望能够为我国航空机载系统监控技术的智能化发展起到一定的推动作用。