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智能装备新型测试保障模式——无人化测试

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01

研究背景

近年来,智能技术得到了长足发展,各类无人化智能装备逐渐应用于军事各个领域,无人化智能装备的保障也逐渐向无人、快速、准确、高效的装备精确保障发展,这样可以确保智能装备作战能力的迅速再生和持续稳固,达成装备保障效益的最大化。与此同时,未来无人化战场中,针对各种无人化智能装备,其测试同样需要向无人、快速、准确和高效转变,即转变为无人化测试保障模式。

无人化测试是指为满足装备保障和其他任务的需要,在人极少参与或不参与(无人化)的情况下,利用先进的智能技术、测试技术、控制技术等自动地对装备的技术状态、资源状态等数据进行感知获取的过程,它是一种区别于传统有人测试的新型测试保障模式。

从目前国内外的研究现状看,一方面,无人化测试的一些单项技术在工程中已有一定的应用,例如机内测试(Built-In Test,BIT)技术、遥测技术、无人值守测试技术等。但从系统的角度来看,这些技术手段和真正意义的无人化测试尚有一定距离,还不能全面满足智能化无人装备的测试保障需求。另一方面,无人化测试技术能否落地的关键在于其与智能装备开展同步并行设计,而在目前的工程领域,设计师们在智能装备设计时,关注的重点还是如何设计智能装备本身的性能和功能,对于无人化测试手段的同步设计的关注度还不够。

02

无人化保障与测试技术需求

未来战争集中体现为核威慑下的信息化战争,战争形态将表现为包括信息力、火力、机动力、防护力和保障力在内的整个武器装备体系的攻防对抗,战场将更加透明,作战决策行动更接近实时,非接触的精确攻击正在成为现实,无人作战将部分取代有人作战功能,协同作战与体系对抗将更强。与此同时,战场毁伤效果更强,消耗性与破坏性更大,作战人员的生命在战争中面临的威胁也更大。因此,未来的作战,特别是在战争初期可能要尽量减少作战人员直接介入高风险战斗,或者说是作战人员自身身体脱离接触战场,以减少战场对作战人员的直接伤害,也使得未来战争更文明,未来的战争将从有人战争向无人化战争逐步转变。而当前无人化智能装备的发展恰恰适应了这种战场模式转变的需求,相关技术的发展又为发展无人化智能装备提供了必要的技术支撑,像无人机、无人潜水器和军用机器人等无人化智能装备将越来越受到重视,未来战场中的有人装备及系统将逐步被大量的无人化智能装备所替代。与此同时,伴随无人化战场和无人化智能装备的发展,未来智能装备测试保障模式的无人化转变也势在必行,即智能装备新型测试保障模式是无人化测试。

2.1    无人化保障的概念

保障是战争胜负的基础,而装备保障甚至可以说是现代战争保障的核心。“作战牵引保障,保障服务作战”,伴随着未来无人化作战军事变革以及无人化智能装备的保障需求,保障的模式也将随之发生变化。未来无人化作战的本质出发点就是减少人员在战场上的直接参与,如果无人化智能装备的保障仍然采用有人保障模式,这就失去了无人化作战的本身优势。因此,在未来的无人化战场中,各种无人化智能装备的有人保障模式将被无人化保障模式所替代。

与传统的装备保障不同,无人化保障是指为满足部队遂行作战、训练、执勤和其他任务的需要,在人极少参与或不参与(无人化)的情况下,利用先进的智能技术、测试技术、控制技术等自动地对装备实施技术性保证措施及相应的组织活动时所采取的方法、技能、手段及相关理论的统称。由于无人化保障全过程由计算机、无人化保障装备等自动执行,不需要保障实施的培训、训练等过程,因此无人化保障具有无人化、快捷化、精确化、智能化、费用低等特点。

2.2    无人化保障的基本流程

结合当前装备保障的基本流程和未来无人化战场和无人化智能装备的特点,未来智能装备无人化保障的基本流程如图1所示。

图1  无人化保障的基本流程

2.3   无人化保障与测试的发展趋势

在当前有人装备和无人化智能装备的有人保障模式基础上,图2给出了未来无人化智能装备保障及无人化测试发展整体趋势。

图2 未来智能装备保障及无人化测试的发展趋势

从图2可以看出,伴随智能技术的不断发展,在装备层面,当前有人装备将逐渐向无人化智能装备转化;在保障层面,有人保障将逐渐向无人化保障转型,具体可分为有人装备的无人化保障和无人装备的无人化保障;在装备的测试层面,作为未来无人化智能装备无人化保障的基石,装备的测试也必将向无人化测试转变。同样,无人化测试也可分为有人装备的无人化测试和无人装备的无人化测试。但从长远看,随着技术的发展及智能装备的不断投入应用,无人化智能装备的无人化测试将是未来无人化智能装备测试技术发展的必由和终极之路。

03

无人化测试技术特征与现状

3.1    无人化测试技术特征

无人化测试与传统有人测试的区别主要体现在测试的各个环节几乎没有人工参与。无人化测试的测试规划、测试实施的方法/手段、数据采集与决策等各个环节具有无人化、智能化、精确化和自动化等特征。因此,从整体上看,无人化测试是当前有人测试技术的衍生和拓展,其技术特征及与有人测试技术相互关系如图3所示。

图3  有人测试与无人化测试

3.2    无人化测试方法/手段现状

从图3可以看出,无人化测试的核心还在于无人化的测试方法/手段方面。当前在装备测试领域应用较多的测试方法/手段是自动测试技术。目前,自动测试的各项新技术已经取得了长足发展,在装备测试领域发挥了重要作用,但从自动测试技术在工程中应用的实际情况看,当前的大部分自动测试设备还是需要人员对设备进行简单的操作和控制,本质上属于有人测试技术范畴。

在自动测试技术基础上,针对复杂装备、特殊装备、特殊环境等无人化测试需求,装备测试领域发展了一系列无人化(或少人参与)的测试方法和手段,主要体现在以下几个方面。

(1) BIT技术。

传统的有人测试主要是利用外部的测试设备(External Test Equipment,ETE)对被测设备进行测试。由于ETE费用高、种类多、操作复杂、人员培训困难,而且只能离线检测,随着装备复杂度及维修性要求的提高,迫切需要装备本身具备检测、隔离故障的能力,以缩短维修时间,因此,BIT技术应运而生。

近年来,BIT技术发展呈现两个主要趋势。

趋势一:BIT技术下沉,回归BIT技术的源头,即微小尺度集成芯片的内建自测试(On-Chip Built-In Self-Test,简称On-Chip BIST)。

趋势二:BIT技术由元件级、功能电路级、板级、可更换单元级、常规系统级向复杂综合系统、分布式系统等复杂巨型系统延伸,并且BIT技术出现与物联网技术和人工智能技术深度融合的新态势,网络化在线BIT初现端倪。

(2) 遥测(远程测试)技术。

遥测技术也称远程测试技术,它是指将对象参量的近距离测试值传输至远距离的测试站来实现远距离测试的技术。目前的大多无人装备(如卫星、无人机等)都需要该技术,它是现代装备维修保障技术的最新发展方向之一。近年来,随着无线电信息技术的发展,国内外遥测新技术研究与应用已取得了较大进展,包括新的数字调制技术和新传输方式的成功应用,为遥测系统的发展开创了新的技术途径。

(3) 无人值守测试技术。

无人值守测试技术是指利用智能机器人等无人化测试平台,在无人值守和干预的模式下进行自动测试的技术,它是一种在当前BIT技术、自动测试技术、遥测技术和智能机器人技术基础上集成而形成的智能化测试技术。相对于BIT技术和遥测技术而言,无人值守测试技术更接近于严格意义的无人化测试技术,其测试过程中直接人工参与的工作量相对更少。一般来说,无人值守测试技术涉及的关键技术主要包括:智能机器人技术、特殊环境中的新型传感技术、接近/定位/装卸技术、无线信息传输技术、测试远程控制技术、信息融合技术、排故技术等。近年来,伴随航空航天技术、海洋技术的发展,无人值守测试技术已经逐步拓展到航空、水下等各种工作于恶劣环境的装备中。

 

总之,上述已有无人化测试方法和手段(如BIT、遥测、无人值守测试等)已经趋近于无人化,初步具有了无人化测试的本质特征,是装备无人化测试的初级形式,尚不能完全实现无人化和智能化,主要体现在:

① 在测试的大回路中还或多或少需要人员的参与。以遥测技术为例,遥测技术在测试的远程后端,通常也需要人员的测试指令控制,或对测试数据进行人工分析。

② 缺乏对装备任务、环境及状态的自我认知能力。以BIT技术为例,虽然当前的大多数BIT的测试过程不需要人员的参与(实现了无人化),但无法实现对装备任务、环境及状态等的自我认知。

③ 缺乏对测试机制的自组织、自学习能力。目前的BIT、遥测、无人值守测试等技术方法的测试模式、测试机制等已完全固定,无法针对不同的装备任务、环境及状态对装备的测试机制等进行自主规划,即缺少无人化测试技术的智能化测试规划特征。

④ 自主数据处理与智能决策能力较低。对于未来智能装备的无人化测试来说,测试的无人化决定了其测试定位、故障诊断隔离、健康状态评估等过程必须实现自主化和智能化。

因此,针对未来智能装备无人化保障无人化测试的这一需求,同时结合智能装备的特点及智能技术的发展远景,在当前复杂装备中应用较多的智能BIT技术基础上,笔者提出一种新的可集成设计在智能装备内部的测试方法/手段——认知BIT技术,为无人化测试技术的研究发展提供参考。

04

认知BIT技术

4.1    认知BIT概念与原理

从概念上讲,认知是指人们认识活动的过程,即个体对感知信号接收、检测、转换、简约、合成、编码、储存、提取、重建、概念形成、判断和问题解决的信息加工处理过程。

将认知概念引入装备测试领域,将其与BIT技术的相关概念结合分析,提出了认知BIT的概念。所谓认知BIT,是指设计在装备内部,能够实时感知装备任务模式、任务环境、装备历史技术状态等信息,通过对历史数据和实时数据的自组织学习,实时地调整装备测试机制(包括测试模式、测试控制、测试激励、数据分析与诊断方法等),自主实现测试信号接收、转换、合成、编码、储存、数据处理、特征提取、智能诊断决策等全过程的一种无人化测试技术手段。

认知BIT是传统智能BIT的延伸,与智能BIT相比,除智能决策以外,认知BIT还体现在自组织、自学习、自主测试控制等几个方面,其实现无人化测试的基本原理如图4所示。

图4  认知BIT无人化测试基本原理

4.2    认知BIT关键技术

认知BIT的关键技术主要包括以下几个方面。

(1) 认知BIT的体系构建与设计技术。

与传统BIT的概念不同,认知BIT是一个由多个智能BIT有机配合完成装备自主测试的智能体系框架,其测试体系的构建与设计直接关系到其完成测试任务的有效性。因此,如何针对不同的被测装备,依据装备特点、测试任务、测试历程与测试目标等构建装备认知BIT的体系框架是一个首要的关键技术。

(2) BIT测试机制自学习与测试模式优化技术。

认知BIT利用实时感知获得的装备任务模式信息、装备任务环境等信息,同时结合装备无人化保障方案以及装备技术状态历史等信息,采用自组织学习的方式,认知获得当前装备需要采用的测试目标和测试机制,实时优化调整装备当前的测试模式,以实现最优的测试效果。

(3) BIT自主测试激励与测试优化调度技术。

认知BIT是一种无人化的测试机制。因此,一方面,针对部分需要在特定模式下(如维护BIT)对装备进行激励的测试项目,认知BIT自主地采用特定的测试激励技术对被测试对象进行隔离、激励与控制。另一方面,不同的任务模式和保障模式下,装备采用的测试模式不尽相同,认知BIT需要依据当前对装备状态的认知,实时调度可用的机内测试资源,以实现装备全寿命周期内合理高效的无人化测试目标。

(4) BIT数据分析与诊断方法实时优化技术。

在不同的测试机制下,认知BIT测试所获取的数据类型和数据量是不同的。因此,认知BIT需要实时依据当前的测试机制和模式,优化配置先进的BIT数据分析与诊断方法。

(5) BIT智能诊断与决策技术。

与传统智能BIT一样,认知BIT的诊断决策也是一个智能化的过程,但它融合的信息比单独一个智能BIT的信息数据量大,认知BIT的智能诊断与决策是一个多源数据优化的综合决策过程,该过程需要集成多种数据融合和智能诊断方法,能够有效减少测试过程中由于测试、环境等带来的测试不确定性,减少认知BIT的虚警,提高对装备状态感知的准确性。

从无人化测试的概念范畴来看,上述认知BIT技术只是无人化测试众多手段的一种,是一种适用于未来无人化装备无人化保障的机内测试手段,具有无人、自主、智能、高效等特点,是智能技术与BIT技术的融合产物。但目前,认知BIT仅是一个概念和框架,其技术本身还需要该领域的专家学者针对不同对象和测试需求进一步深入研究。

05

无人化测试技术发展建议

结合上述无人化测试技术的当前现状,同时针对未来智能装备的保障特点及无人化测试需求,对未来无人化测试技术的发展建议如下。

① 当前的无人化测试方法和手段(如BIT、遥测、无人值守测试等)还只是无人化测试的初级阶段。伴随当前大数据、物联网、5G等技术的快速发展,逐渐给无人化测试领域注入了新的活力,学术和工程界需要结合这些信息技术、智能技术新进展以及智能装备保障的特点开展深入研究,将当前的无人化测试技术推向适应未来智能装备测试保障模式的新阶段。

② 未来的智能装备是一种智能的、具有自主控制能力的装备,其测试模式也应该以装备自我测试为主体,即应该采用以机内自主测试(如认知BIT技术等)为主、机外无人化测试(无人值守测试技术等)为辅的测试模式。

③ 基于未来智能装备机内自主测试为主的测试模式,未来智能装备在设计时需要充分对其无人化测试系统进行同步并行设计。也就是说,智能装备设计师们需要有这样一种设计理念:智能装备的设计不仅是其自身功能、性能的设计,装备自身所具有的无人化测试手段(如认知BIT)也是装备的必要组成部分,即在设计智能装备的同时,将现有的需要人员操作的测试需求,采用各种无人化测试方案,尽可能设计到装备里面去。

06

结束语

未来的战争将从有人战争向无人化战争逐步转变,以此为牵引,无人化智能装备将越来越受到重视,未来战场中的有人装备将逐步被大量的无人化智能装备所替代,进而导致装备的测试模式也将随之发生变化,即各种无人化智能装备的有人测试模式将逐渐向无人化测试模式转换,同时各种有人化的测试手段也将被无人化的测试手段所替代。

目前的装备测试模式中,虽在某些技术点上已经呈现出无人化测试的趋势,但尚未形成较系统的无人化测试模式,其关键技术也尚未理清,离实现真正意义上的无人化测试还有一定的距离。同时,无人化测试还是一门系统工程,由于涉及的无人化智能装备类型繁多,与机械、电子、光电、测试、装备保障、人工智能等多学科门类都密切相关。因此,需要在相关领域开展基础研究,实施无人化测试与空天、微纳系统、光电、信息、计算机控制、管理和军事方面等的交叉研究计划,推进无人化测试与军事科学、社会科学、管理科学的交叉融合,培育一个支撑未来无人化智能装备发展广泛应用的新兴交叉学术研究方向。

作者简介

 

吕克洪

男,博士,副研究员,主要研究方向为装备测试性、测试与故障诊断,以及故障预测与健康管理。





原文发表在《测控技术》2020年第39卷第3期,欢迎阅读!


引文格式

 


 

吕克洪,邱 静,刘冠军,等.智能装备新型测试保障模式——无人化测试[J].测控技术,2020,39(3):1-8.

LV K H, QIU J, LIU G J, et al. A Novel Test Logistics Support Mode of the Intelligent Equipment—Unmanned Test[J].   Measurement & Control Technology,  2020, 39(3): 1-8.




 

 

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