摘要：
在總結(jié)自動測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，以目前國際上正在開展的下一代自動測試系統(tǒng)的研究為背景，分析了下一代自動測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與標準，重點討論了下一代自動測試系統(tǒng)開發(fā)所涉及的并行測試技術(shù)、合成儀器技術(shù)、儀器可互換技術(shù)、TPS可移植與互操作技術(shù)、智能測試診斷技術(shù)及測試診斷信息的表達等關(guān)鍵技術(shù)，希望以此能促進我國下一代通用自動測試系統(tǒng)的研制與開發(fā)。
關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)；
1 引言
隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天設備、軍用武器系統(tǒng)等高技術(shù)產(chǎn)品的復雜程度日益提高，傳統(tǒng)的人工檢測維護手段已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化裝備的支持保障要求，自動測試系統(tǒng)（ATS）正逐步成為復雜系統(tǒng)與設備可靠運行的必要保證。目前自動測試系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于從產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、存儲到使用維護的各個環(huán)節(jié)，在航空、航天、國防、交通、能源等重要領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵的支持保障作用。
由于高技術(shù)復雜設備與系統(tǒng)往往可靠性要求高、使用壽命長、還可能需要不斷改型與升級，相應的測試系統(tǒng)設計、開發(fā)與維護的難度大、費用高昂。從上世紀八十年代中后期開始以美國為代表的西方主要發(fā)達國家就開始致力于自動測試系統(tǒng)的通用化，并逐步形成了軍用測試系統(tǒng)以軍種為單位的通用化標準系列。但目前通用自動測試系統(tǒng)依然存在應用范圍有限，開發(fā)和維護成本高，系統(tǒng)間缺乏互操作性，測試診斷新技術(shù)難以融入已有系統(tǒng)等諸多不足。從上世紀九十年代中后期開始在美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局（DoD ATS EAO）的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，美國陸、海、空、海軍陸戰(zhàn)隊與工業(yè)界聯(lián)合開展命名為“NxTest”的下一代自動測試系統(tǒng)的研究工作，并于1996年提出了下一代自動測試系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)[1]，同時進行了名為“敏捷快速全球作戰(zhàn)支持”（ARGCS）的演示驗證系統(tǒng)的開發(fā)工作[2]。本文以此為背景著重分析了下一代通用自動測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)。
2 下一代自動測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
2.1 下一代自動測試系統(tǒng)的研制背景
美國軍方從上世紀八十年代中期開始研制針對多種武器平臺和系統(tǒng)，由可重用公共測試資源組成的通用自動測試系統(tǒng)，并形成了四大標準測試系統(tǒng)系列（海軍的CASS、陸軍的IFTE、海軍陸戰(zhàn)隊的TETS和電子戰(zhàn)設備標準測試系統(tǒng)JSECST），但現(xiàn)有以軍種為單位的通用測試系統(tǒng)仍然存在以下不足：
（1）生命周期內(nèi)使用、維護費用較高
現(xiàn)有通用測試系統(tǒng)廣泛采用商業(yè)貨架產(chǎn)品（COTS），以CASS系統(tǒng)為例，其采用的商業(yè)成件總量超過85%，商業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代快（典型周期為5年），而武器系統(tǒng)的使用壽命往往超過二十年，隨著測試系統(tǒng)硬件的過時，系統(tǒng)的維護費用將不斷攀升。
（2）應用范圍有限、適應能力不足
現(xiàn)有通用測試系統(tǒng)以各軍種為單位，針對不同的武器維護級別（現(xiàn)場、中間、基地），缺乏系統(tǒng)間的互操作性，無法適應現(xiàn)代多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)對多武器系統(tǒng)、多級維護的需要。
（3）故障診斷的效率和準確性有待提高
現(xiàn)有的自動測試程序中，診斷軟件是以預定義的故障字典或故障樹為依據(jù)的，被測對象的內(nèi)置測試數(shù)據(jù)、維修人員的經(jīng)驗、維修履歷資料、被測對象的設計知識等相關(guān)測試診斷信息與知識無法得到充分的利用，測試控制計算機強大的計算、存儲能力也遠未得到充分的發(fā)揮，不僅不能適應復雜故障的診斷需要，而且測試診斷的效率較低。
針對現(xiàn)有通用自動測試系統(tǒng)的不足，特別是上世紀90年代初投入使用的CASS、IFTE等標準測試系統(tǒng)到2006年左右面臨升級換代，已不能適應新的武器裝備的維護保障需要。1996年美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局召集陸、海、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊及工業(yè)部門聯(lián)合開發(fā)新一代自動測試系統(tǒng)，其最終目的是：（1）顯著降低自動測試系統(tǒng)的維護和使用費用（2）通過提高測試系統(tǒng)的互操作能力，使最終用戶獲得最大限度的測試靈活性。(3)實現(xiàn)被測對象全壽命周期中各個階段測試診斷信息的共享和重用，提高測試診斷效率和準確性。
下一代自動測試系統(tǒng)研制將達到的主要目標包括[3]：
（1）改善測試系統(tǒng)儀器的互換性；
（2）提高測試系統(tǒng)配置的靈活性，滿足不同測試用戶需要；
（3）提高自動測試系統(tǒng)新技術(shù)的注入能力；
（4）改善測試程序集（TPS）的可移植性和互操作能力；
（5）實現(xiàn)基于模型的測試軟件開發(fā)；
（6）推動測試軟件開發(fā)環(huán)境的發(fā)展；
（7）確定便于驗證、核查的TPS性能指標；
（8）進一步擴大商用貨架產(chǎn)品在自動測試系統(tǒng)中的應用；
（9）綜合運用被測對象的設計和維護信息，提高測試診斷的有效性；
（10）促進基于知識的測試診斷軟件的開發(fā)；
（11）明確定義測試系統(tǒng)與集成診斷框架的接口，便于實現(xiàn)集成測試診斷。
2.2 下一代自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
現(xiàn)有的自動測試系統(tǒng)大多是自成一體的封閉結(jié)構(gòu)體系，主要表現(xiàn)在：（1）測試系統(tǒng)軟/硬件結(jié)構(gòu)缺乏通用性和標準化，這樣不僅增加了使用和維護費用，而且降低了測試系統(tǒng)間的互操作性；（2）無法有效地與外部環(huán)境實現(xiàn)測試診斷信息的交互，阻礙了診斷信息的共享和重用，使得診斷效率和準確性低下。美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局與工業(yè)界聯(lián)合成立了多個技術(shù)工作組分析了自動測試系統(tǒng)（包括：TPS 測試程序集、ATE自動測試設備）及UUT（被測對象）中影響測試系統(tǒng)互操作性和使用維護費用的24個關(guān)鍵接口，并以此為基礎建立了下一代自動測試系統(tǒng)開放式體系結(jié)構(gòu)，[8]。目前24個關(guān)鍵接口中已有7個確定了相應的國際標準，其余17個接口的標準也在制定過程中。
下一代自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)首先是信息共享和交互的結(jié)構(gòu)，能夠滿足測試系統(tǒng)內(nèi)部各組件間、不同測試系統(tǒng)之間、測試系統(tǒng)與外部環(huán)境間信息的共享與無縫交互能力。該結(jié)構(gòu)以VXI Plug&Play（VPP，即插即用）確定的“系統(tǒng)接口”和IEEE P1226（ABBET，A Broad-Based Environment for Test廣域測試環(huán)境）確定的“信息框架”為主體，其它關(guān)鍵接口均以上述兩個核心接口為基礎，如：診斷信息系統(tǒng)方面遵循IEEE P1232標準（AI-ESTATE，適用于所有測試環(huán)境的人工智能信息交換與服務），在構(gòu)成分布式綜合測試診斷系統(tǒng)時，則遵循TCP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。
3 下一代自動測試系統(tǒng)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)
伴隨著測試診斷技術(shù)迅猛發(fā)展，下一代自動測試系統(tǒng)中將采用的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：
●并行測試技術(shù)（Parallel Test）
現(xiàn)有通用自動測試系統(tǒng)雖然能夠覆蓋多種被測對象的測試需求，但受測試接口容量和測試軟件運行模式的限制，大多沿用串行測試工作模式，不能同時對多臺（套）UUT進行測試，所以測試吞吐量并不比專用測試系統(tǒng)高，在強調(diào)測試保障效率的場合，現(xiàn)有的通用自動測試系統(tǒng)往往無法真正替代多臺專用測試系統(tǒng)的工作。
為提高測試吞吐量，在自動測試平臺上實現(xiàn)并行測試非常必要，目前并行測試主要包括軟/硬件實現(xiàn)兩種方式：
1．硬件實現(xiàn)：采用多通道同時并行模擬測試技術(shù)（Multiple Simultaneous Parallel Analog Test），代表產(chǎn)品如Teradyne公司的Ai7，在C尺寸單槽VXI模塊上同時集成了32路并行測試通道，而每個測試通道又可根據(jù)需要獨立地配置成數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、數(shù)字化儀、邏輯電平測試和計數(shù)器等6種不同的儀器，這樣就極大地提高測試系統(tǒng)的集成度和測試吞吐量，目前配置了三塊Ai7模塊的CASS升級系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足原來專用測試系統(tǒng)才能實現(xiàn)的F/A18飛機的測試任務需要[1]。
2．軟件實現(xiàn)：在測試資源和信號接口容量滿足要求的前提下，NI公司的TestStand、TYX公司的TestBase等軟件采用多線程技術(shù)來實現(xiàn)測試資源的動態(tài)分配與優(yōu)化調(diào)度，可以滿足多UUT并行測試需要。在現(xiàn)有測試系統(tǒng)的基礎上采用大容量的信號開關(guān)系統(tǒng)、大容量的信號接口和足夠的電源容量，改變軟件開發(fā)與運行模式來實現(xiàn)并行測試也是今后自動測試系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點。
●合成儀器技術(shù)（Synthetic Instruments）
傳統(tǒng)測試儀器往往是一些功能單一的專用儀器，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的日臻成熟，近年來出現(xiàn)了以軟件控制的、以功能組合方式實現(xiàn)的合成儀器技術(shù)，其基本做法是：以高速A/D、D/A和DSP芯片為基礎組成通用的測試儀器硬件系統(tǒng)，而測試/測量任務的實現(xiàn)以及系統(tǒng)升級完全依靠軟件來實現(xiàn)。合成儀器技術(shù)是測試測量技術(shù)的革命性進步，下一代自動測試系統(tǒng)中將大量采用合成儀器，目前美國海軍CASS測試系統(tǒng)升級過程中已將頻譜分析儀、射頻功率計、波形分析儀、時間/頻率測試儀和AC/DC電壓測量等七種儀器的功能由一個VXI總線合成儀器模塊來實現(xiàn)，而美國陸軍的IFTE、海軍陸戰(zhàn)隊的TETS系統(tǒng)也將進行相應的升級改造。合成儀器技術(shù)進一步推進了軟件就是儀器的虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。
●公共測試接口（Common Test Interface）
測試系統(tǒng)接口的標準化和統(tǒng)一是TPS可移植和互操作的基礎，目前各類通用自動測試系統(tǒng)都定義了嚴格的機械、電氣標準的信號接口規(guī)范。為滿足下一代自動測試系統(tǒng)的研制需要，美國國防部正著手制定SATS[4]（Standard Automatic Test System，標準自動測試系統(tǒng)）硬件接口標準，該標準將實現(xiàn)測試系統(tǒng)內(nèi)部VXI儀器前面板、功率模塊接口、開關(guān)矩陣模塊接口、信號接卡器與測試夾具等硬件接口的標準化。1999年RFI（Receiver Fixture Interface，接卡器與測試夾具接口）聯(lián)盟制定了測試系統(tǒng)信號接口標準IEEE P1505[5]，實現(xiàn)了信號接口裝置電氣和機械連接的標準化。
●先進測試軟件開發(fā)技術(shù)
（1）軟件體系結(jié)構(gòu)與ABBET標準（廣域測試環(huán)境）
從下一代自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)劃可以看出，未來通用測試系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)將以IEEE制定的ABBET標準為基礎實現(xiàn)測試診斷信息的共享和重用。ABBET標準由IEEE P1226.3 ~12等一整套測試領(lǐng)域信息接口標準組成，覆蓋與測試信息相關(guān)的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到維護的各個環(huán)節(jié)[9]。采用ABBET標準將實現(xiàn)產(chǎn)品設計和測試維護信息的共享和重用，實現(xiàn)測試儀器的可互換、TPS的可移植與互操作，使集成診斷測試系統(tǒng)的開發(fā)更方便、快捷。ABBET標準定義了基于框架的模塊化測試軟件結(jié)構(gòu)，支持軟件資源的重用。ABBET標準的核心思想是：將測試軟件合理分層配置，實現(xiàn)測試軟件與測試系統(tǒng)硬件、軟件運行平臺的無關(guān)性，滿足測試軟件可移植、重用與互操作的要求。
（2）儀器可互換技術(shù)與IVI（可互換虛擬儀器）系列規(guī)范
為了降低開發(fā)成本、縮短研制周期，自動測試系統(tǒng)中大量采用商業(yè)貨架產(chǎn)品，而商用產(chǎn)品更新?lián)Q代快，為了延長測試系統(tǒng)的使用壽命，儀器更換往往是不可避免的。另一方面，隨著通用測試系統(tǒng)應用范圍的擴大，為適應被測對象測試需求的變化，也要求測試儀器能夠方便地升級換代。由于儀器型號、種類和產(chǎn)生廠商的不同將給儀器更換帶來一系列兼容性問題，儀器可互換技術(shù)就是要最大限度地屏蔽儀器間差異，為用戶提供靈活的儀器互換機制。
IVI規(guī)范作為美國國防部公布的下一代自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)真正意義的儀器可互換的關(guān)鍵。IVI-C、IVI-COM提供了同類儀器的互換機制，實現(xiàn)了同類儀器驅(qū)動器函數(shù)形式和參數(shù)的完全統(tǒng)一，使最終用戶不再被束縛于特定廠家的特定型號的儀器設備。1999年HP公司（現(xiàn)為Agilent公司）提出了IVI-MSS（IVI測量激勵子系統(tǒng)）規(guī)范，在儀器驅(qū)動與測試應用之間加入了中間層，形成針對特定應用的新的編程接口。而中間層又提供了插入特定代碼的位置，用來補償因儀器互換造成的測試結(jié)果的差異，這樣就實現(xiàn)了“魯棒性”的儀器互換機制，并能夠支持不同類儀器的互換及多儀器組合成互換，還可實現(xiàn)面向應用的復雜測試/激勵模型的重用。新的IVI-Signal Interface（IVI信號接口）規(guī)范[6]除提供魯棒性的儀器互換能力外，又規(guī)范了信號驅(qū)動器組件的定義，IVI信號接口與面向信號的組件庫ATLAS 2000相結(jié)合則構(gòu)成未來通用測試軟件體系結(jié)構(gòu)的基礎。
（3）TPS（測試程序集）可移植與互操作技術(shù)
TPS可移植和互操作技術(shù)是實現(xiàn)測試軟件可重用，擴大測試系統(tǒng)的應用范圍，提高開發(fā)效率和降低測試開發(fā)成本的關(guān)鍵。
實現(xiàn)測試軟件可移植與互操作的兩個基本條件是：
1）測試系統(tǒng)信號接口的標準化
2）測試程序與具體測試資源硬件的無關(guān)
測試軟件從結(jié)構(gòu)上可分為：面向儀器、面向應用和面向信號三種形式，而面向信號的開發(fā)是測試軟件互操作的前提。面向信號的開發(fā)使測試需求反映為針對UUT端口的測量/激勵信號要求，TPS中不包含任何針對真實物理資源的控制操作。當測試資源模型也是圍繞“信號”而建立時，則只要通過建立虛擬信號資源向真實信號資源的映射機制，就可以實現(xiàn)TPS在不同配置的測試系統(tǒng)上運行。目前軍用和航空測試領(lǐng)域廣泛采用面向信號的ATLAS語言進行測試開發(fā)，而隨著面向信號的組件庫ATLAS 2000的制定，最終用戶的測試開發(fā)語言將不再局限于ATLAS語言。
（4）AI-ESTATE標準（適用于所有測試環(huán)境的人工智能信息交換與服務）與ATML（自動測試標注語言）
隨著被測對象的日益復雜，以數(shù)據(jù)處理為基礎的傳統(tǒng)測試診斷制方法已經(jīng)無法適應復雜設備的維護需要，應用以知識處理為基礎的人工智能技術(shù)將是自動測試系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，IEEE制定AI-ESTATE標準的目的正是為了規(guī)范智能測試診斷系統(tǒng)的知識表達與服務，確保診斷推理系統(tǒng)相互兼容且獨立于測試過程，測試診斷知識可移植和重用[7]。在美國軍方的資助下，Hamilton軟件公司已于1999年開始研制基于AI-ESTATE標準的智能診斷測試軟件，并初步實現(xiàn)了在分布環(huán)境下的機載武器系統(tǒng)板級智能診斷測試[10]。
正在制定的ATML標準[11]是XML（可擴展標注語言）的一個子集，采用ATML表達測試診斷信息，將實現(xiàn)分布開放環(huán)境中測試診斷信息的無縫交互。ATML繼承了XML適用于多種運行環(huán)境，便于與各種編程語言交互的優(yōu)點，是目前最適合描述AI-ESTATE標準定義的各種測試診斷知識模型的語言。采用ATML表示測試診斷知識，將實現(xiàn)測試診斷知識與測試過程的分離，便于測試診斷知識的共享和可移植。而在測試執(zhí)行過程中，還可以根據(jù)測試診斷知識來動態(tài)地調(diào)度測試運行步驟，實現(xiàn)更有效的故障定位，從而縮短診斷排故時間。
4 結(jié)束語
鑒于目前國內(nèi)軍用自動測試系統(tǒng)的開發(fā)尚無統(tǒng)一的規(guī)劃和標準，以武器系統(tǒng)的研制方為主進行分散開發(fā)，已經(jīng)無法適應現(xiàn)代化戰(zhàn)爭環(huán)境對武器裝備支持保障的要求，為全面發(fā)展我國的自動測試系統(tǒng)技術(shù)，縮小與國際先進水平的差距，跟蹤和借鑒國際自動測試系統(tǒng)的發(fā)展方向，深入開展下一代自動測試系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的研究是十分必要的。作者：于勁松, 李行善
參考文獻：
[1] William A. Ross. The Impact of Next Generation Test Technology on Aviation Maintenance [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2003: 2－9.
[2] Bill Ross. ARGCS Update, 21 September 2003. http://proceedings.ndia.org/311C/
[3] Bill Ross. NxTest: DoD Nest Step in Automatic Testing, 10 March 1999. http://www.acq.osd.mil.
[4] M.J.Stora. Standard automatic test system (SATS) hardware interface standards for SATS frameworks, VXI instrument front panels, power module interface, augmentation module interface, receiver fixture interface, pin map configuration [A] IEEE AUTOTESTCON [C]. 1998: 627－638.
[5] M.J.Stora. IEEE P1505 receiver fixture interface(RFI) system standard update 6.0 [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 27－33.
[6] Narayanan Ramachandran, Roger P.Oblad. The role of a signal interface in supporting instrument interchangeability [A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2000: 403-416.
[7] IEEE Std 1232-1995, IEEE Trial-Use Standard for Artificial Intelligence and Expert System Tie to Automatic Test Equipment (AI-ESTATE): Overview and Architecture, 1995.
[8] Bill Ross. DoD Automatic Test Systems Strategy Refresh. IEEE AUTOTESTCON [C]. 2004: Plenary session presentation. http://www.acq.osd.mil/ats.
[9] IEEE Standard 1226-1998, IEEE Trial-Use Standard for A Broad Based Environment for Test (ABBET), Overview and Architecture, 1998.
[10] Amanda Jane Giarla. Implementing AI-ESTATE in a component based architecture phase-Ⅰ[A]. IEEE AUTOTESTCON [C]. 1999: 438¬—449.
[11] Requirements Document for Automatic Test Markup Language Diagnostic Schemata Specification. Draft 0.1 March 10, 2004. http://atml.org/project.htm.
