原创 飞机机电​系统​测试

机电​系统​可​将​能量​转换​为​机械​运动，​反之亦然。 它们​包含​运行​专用​软件​的​控制​电子​设备​（例如，​电子​控制​单元）​或​嵌入式​控制器​（例如，​可​更换​线路​单元），​使用​来自​传感器​和​其他​系统​的​输入​来​控制​机械、​驱动​和​物理​组​件。 机电​系统​为​飞机、​地面​车辆​和​船舶​提供​推进​力​以及​各种​其他​功能。

图​1.​交通工具​类别​示例​及其​中​常见​的​机电​系统​类型

虽然​这些​系统​的​功能、​操作​方法​和​设计​要求​可能​截然不同，​但​交通​机电​系统​的​开发​和​测试​遵循​相同​的​工作​流程。 系统​工程​师​设计​车辆/​飞机/​船舶​以及​确定​这些​交通工具​的​系统、​子​系统​和​组​件​必须​满足​的​要求。 独立​的​团队​通过​按照​规范​开发​适当的​控制​电子​设备、​软件​和​机械​组​件​来​满足​这些​要求。 这些​团队​遵循​他们​自己​的​开发​流程​（通常​是​针对​特定​组织​需求​的​常见​方法，​如​Agile）​来​完成​机电​系统​特定​部分​的​设计​和​验证​步骤。 然后，​通过​迭代​方式​建立​和​集成​系统​并​分​阶段​测试，​以​生产​真​车/​真​机/​真船。

图​2.​机电​系统​的​常规​产品​开发​过程

从​需求​到​设计​和​验证​的​过程​可以​以​各种​方式​表示，​其中​一种​方式​就是​V​模型​（图​3）。 即使​V​模型​及其​许多​变体​和​解释​还​存在​诸​多​疑点，​但是​该​模型​仍是​用于​检测​通用​测试​架构​是否​能够​满足​整个​设计​过程​中的​测试​需求​的​一个​有用​框架。

图​3.​表示​开发​过程​和​相关​测试​类型​的​V​模型​方法

一般​而言，​V​模型​的​左侧​通过​渐进​式​设计​决策​将​高级​需求​细​分为​较​低​级别​的​规范。 越来越​多​的​决策​采用​基于​模型​的​设计​方法​进行​制定，​该​方法​包含​各种​计算​机​辅助​工程​（CAE）​工具，​具体​取决​于​正在​开发​的​系统​类型。 有关​此​主题​的​更多​讨论，​请​参阅​有关​数字​转换​和​数字​结​对​的​相关​文献。 在​V​模型​底部，​系统​已​被​分解​为​最低​级别​的​基础​组​件，​设计​可​随时​转换​为​具体​实现，​组​件​原型​已​随时​可以​开始​构​建​（并且​代码​部署​到​运行​软件​的​原型​中），​因此​V​底端​有时​也​称为“部署”。 V​的​右侧​显示​的是​将​这些​不同​的​组​件​集成​在一起、​根据​规格​验证​其​操作，​并​根据​基本​组​件​到​整​车​级别​的​每​个​集成​步骤​的​要求​验证​性能。

注意：​在​确定​系统、​子​系统​和​组​件​的​详细​信息​后，​软件、​电气​组​件​和​机械​组​件​的​开发​将​并行​进行，​如​图​2​所​示。​通常​由​具有​必要​领域​专业​知识​的​独立​设计​和​测试​团队​来​负责​这个​开发​过程。

注意：​术语“验证​（verification）”和“确认​（validation）”有时​无​区别​使用，​有时​使用​总括​性​术语“V​＆​V”。 通常，​验证​要​解决​的​问题​是：“我​是否​正确​构​建​了​这个​系统？” 并​根据​规范​要求​确保​系统​按​预期​运行​（是否​在​公差​或​范围​内）。 但​确认​要​解决​的​问题​是：“我​是否​正在​构​建​正确​的​系统？”在​系统​开发​完成后， 您​需要​确保​系统​可以​执行​预期​的​任务，​并​根据​需求​测量​系统​是否​具备​可​接受​的​性能。

以下​大致​按照​产品​设计​过程​的​顺序​简要​描述​了​各个​测试​的​定义，​这些​测试​在​实际​应用​中​具有​高度​迭代​性。 快速​有效​地​通过​V​模型​进行​设计​迭代​的​能力​是​领先​测试​组织​的​竞争​优势​和​关键​能力。 一种​批判​V​模型​的​说法​是​它的​开发​过程​顺序​与​瀑布​开发​模型​一样。

MIL​测试​需要​使用​软件​对​控制器​和​测试​对象​进行​建​模。​您​可以​在​设计​过程​的​早期​进行​此类​测试，​以​在​软件​仿真​环境​中​测试​控制器​策略​和​系统​行为。 您​可以​在​设计​过程​的​早期​进行​此类​测试，​以​在​软件​仿真​环境​中​测试​控制器​策略​和​系统​行为。

SIL​测试​需要​对​测试​对象​进行​建​模，​但是​该​模型​需要​连接​到​使用​所​选​语言​编写​并​在​开发​机​（有时​是​虚拟​机）​上​编译​和​执行​的​实际​控制​代码。

PIL​测试​类似​于​SIL​测试，​但是​控制​代码​是​针对​要​在​已​部署​系统​中​使用​的​特定​处理​器​架构​和​操作​系统​编写​和​编译​的。 例如，​如果​您​在​具有​特定​设置​的​特定​FPGA​上​运行​代码，​则​可以​针对​这​一​特定​场景​编译​代码，​以​确保​实际​处理​架构​正常​运行​并​保证​足够​的​资源​可用性。 这​是​一个​单独​命名​的​测试​步骤，​因为​实现​所​部署​的​处理​架构​和​硬件​可能是​非常​棘手​且​耗​时，​尤其是​在​电子​控制​单元​（ECU）​的​设计​优​化​会​导致​软件​功能​和​特性​受限​且​需要​取舍​时。

RCP​用于​快速​迭代​可能​的​控制​方案，​使用​的​是在​实​时​控制器​上​和/​或是​在​通过​真实​I/​O​连接​到​实际​测试​对象​的​FPGA​上​运行​的​数学​模型。

HIL​是​使用​仿真​的​物理​组​件​和​传感器​在​实际​嵌入式​控制器​上​进行​的​软件​测试，​因此​ECU​是​通过​信号​调理，​在​真实​的​负载​水平​下​执行​真正​的​电气​I/​O，​并​具有​插入​故障​的​能力。

物理​测试​应用​使用​基于​传感器​的​测量​（例如​温度、​压力、​应力/​应变、​声音、​加速度、​位移​等）​来​测试​被​测​组​件​或​系统​的​物理​特性。 应用​示例​包括​噪声、​振动​和​粗糙​度​（NVH）​测试，​其中​涉及​需要​使用​麦克​风​和​加速度​计​进行​声音​和​振动​测量。 另​一个​例子​是​耐久性​测试/​生命​周期​测试​（高​加速​寿命​测试​或​HALT，​以及​高​加速​应力​筛选​或​HASS），​其​重点​在于​确定​DUT​在​各种​不同​的​预期​操作​条件下​的​行为。

1. V​模型​的​整个​右侧​强调​不同​级别​集成​测试。​集成​通常​涉及​使用​两​种​主要​类型​的​系统： 集成​通常​涉及​使用​两​种​主要​类型​的​系统：​测试​台​用于​进行​各种​组​件​集成​到​单​个​（子）​系统​的​系统​级​测试。
   测试​台​非常​适合​处理​各种​可能​的​测试，​因为​它们​将​各种​基础​组​件​集成​到​一个​正常​运行​的​系统​中。 使用​正常​运行​的​系统​有助​于​进行​测试​设置​和​执行。
2. 系统​集成​实验​或“铁​鸟”，​即​用于​将​多个​子​系统​集成，​以​进行​整​车/​机/​船​级​测试，​近似于​实际​的​车辆/​飞机/​船舶​布局​和​系统​连接。 “铁​鸟”用于​系统​群​测试​和​系统​间​通信/​交互/​边界​条件​测试。 某些​测试​用例​只能​使用​这么​大规模​的​基础​架构​才能​进行​测试。 这​是在​为​实际​现场/​飞行​测试/​试​航​开发​原型​车/​机/​船​之前​的​最后​一​级​测试。

测试​MRO​或​场​站​测试​提供​了​交通工具​系统​在​其​长期​（通常​是​多年​和​代）​服役​期间​所需​的​服务、​维修​和​升级。 有时，​系统​测试​台​使用​相同​的​设备​或​其​改良​版。 MRO​测试​的​一个​挑战​是在​面对​测试​仪​硬件​和​软件​过时​问题、​人员​更替​以及​由于​定期​系统​升级​而​导致​需求​变化​的​情况​下​仍​能够​在​整个​项目​周期​中​有效​地​维持​测试​能力。

用于​现场​测试​的​交通工具​通常​装备​大量​仪器，​以​在​这类​昂贵​的​测试​中​提供​尽可能​多​关于​车/​机/​船​的​运行​数据。 主要​的​考量​因素​包括​重量/​大小、​为​测试​设备​供电​的​能力​以及​数据​存储​和​检索。 虽然​现场​测试​需要​大量​时间​而且​成本​高，​但​其​仍然是​产品​开发​过程​的​关键​部分，​因为​模型​永远​不可能​完美​无缺，​系统​之间​和​内部​的​交互​非常​复杂，​并且​可能​会​出现​前面​测试​过程​中​未​涉及​的​意外​行为。 现场​测试​有助​于​确定​车/​机/​船​是否​可以​投入​运行。

在​熟悉​了​开发​过程​和​相关​的​测试​类型，​我们​就​非常​清楚​统一​测试​架构​的​潜在​优势。 使用​一个​测试​平台​即可​满足​整个​设计​周期​内​（从​早期​原型​设计​到​软件、​电气​和​机械​验证，​再到​系统​级​测试​单元​和​系统​集成​实验）​的​各种​测试​需求​的​能力​可​实现​更​快​的​测试​开发​和​更​高效​的​资源​利用。 整个​V​模型​各​阶段​之间​和​项目​之间​的​设备​和​人员​也​更​具​互​操作性​和​可​互换​性。 从​测试​能力​和​迭代​方面​来说，​这种​更​快速、​更​轻松​地​完成​V​模型​每​个​阶段​的​能力​非常​有​价值。

统一​的​测试​架构​提供​的​好处​类似​于​面向​对象​编​程​模型。 如果​您​知道​需要​使用​类似​方法​开发​相同​类型​的​系统，​则​可以​投资​到​可以​跨​项目​使用​并且​可以​根据​每​个​项目​的​独特​要求​进行​自​定义​的​核心​构​建​模​块。

这种​基于​平台​的​测试​方法​更加​强大，​因为​借助​由​灵活​且​可​扩展​的​平台​支撑​的​测试​架构，​您​可以​确信，​就​系统​功能​和​测试​能力​方面​而言，​您​绝对​可以​满足​不断​变化​的​需求​和​适应​未​预期​的​系统​需求。 或者，​换句话说，​通过​这种​方法，​您​无​需​非常​明确​地​设计​功能，​以便​为​未知​做好​准备​以及​预测​未来​的​需求。 这​比​专门​构​建​的​固定​功能​系统​要​好得​多，​因为​在​这种​系统​中，​您​需要​明确​地​设计​您​认为​将来​可能​需要​的​灵活​性​和​可​扩展​性。 这些​固定​功能​系统​迫使​您​在​时间​和​成本​以及​功能​和​性能​之间​进行​权衡。

您​需要​在​开发​过程​中​尽可能​早​地“预先​加​载”尽可能​多​的​测试，​以便​更​快​地​进行​迭代​并​确保​更​经济、​更​安全​的​测试。 您​可以​通过​使用​基于​模型​的​控制​和​仿真​来​充分​表示​实验​室​中的​激励​和​现实​条件。 这​可以​将​以前​只能​通过​现场​测试​进行​的​分析​转移​到​系统​集成​实验​或​系统​级​测试​平台​上。 我们​可以​使用​一些​技术​来​改进​这类​测试，​比如​现场​记录​真实​激励​信号​并​通过​模型​控制​的​致​动​在​系统​上“回​放”。
您​还​可以​通过​组​件​仿真​将​测试​需求​与​其他​团队​的​计划​分​离开。 但是​为了​确保​足够​的​测试​结果​保​真​度，​您​必须​花​时间​验证​组​件​仿真​所​使用​的​模型​和​方法​的​准确​性​和​有效性。
基于​模型​的​控制​和​仿真​提供​的​另​一个​好处​是​能够​更好​地​测试​难以​复制、​危险​和​极端​的​测试​用例。 这​提高​了​测试​覆盖​率，​让​工程​师​对​设计​更有​信心。

有时​要​实现​特定​功能​时，​能够​选择​的​传感器、​执行​器、​仪器​或​软件​的​类型​或​品牌​并不​多。 让​系统​的​所有​不同​部分​协同​工作​通常​占据​测试​系统​设计​成本​的​一​大部分，​尤其是​在​改造​或​重新​设计​传统​测试​仪​时​需要​处理​老化​系统​组​件​时。 内​置​有​各种​I/​O​和​第三​方​设备​功能​的​平台​可以​通过​最大​化​重用​和​最小​化​集成​工作​来​提高​效率。 可​配置/​可​扩展​的​分布​式/​同步​I/​O​架构​可​满足​整个​设计​过程​中​不同​测试​用例​的​各种​I/​O​需求，​并​实现​跨​项目​复​用。

以​更高​速率​进行​更多​的​测量​产生​了​更多​各种​格式​的​数据，​这​一​数据​量​要​比​以前​多得​多。 更多​客户​必须​在​设计​周期​中​跨​各种​类型​的​测试​访问​此​数据，​以​满足​更多​报告​需求。 确保​数据​可用性​并且​真正​使用​这些​数据​本身​就​极​具​挑战​性。 您​需要​能够​有效​地​查找​和​加​载​数据，​以​交互​方式​可​视​化​和​分析​数据，​并​通过​自动​化​报告​来​节省​时间。 统一​的​测试​架构​必须​提供​企业​级​且​IT​友好​的​数据​管理​和​系统​管理​框架，​以​改善​决策​制定，​减少​重复​测试、​报告​时间​和​工作​量，​并​通过​使​数据​成为​资产​而​非​负债​来​提高​资产​利用​率​和​正常​运行​时间。

分散​在​全球​各地​的​开发​和​测试​团队​发现​有效​管理​跨​站​点​部署​的​测试​设备​以及​将​各个​站​点​生成​的​数据​关联​起来​越来越​困难。 有效​管理​分布​式​测试​系统​和​数据​可以​提高​运营​洞察力、​减少​停​机​时间​和​提高​生成​数据​的​可信度，​从而​节省​大量​成本。

投资​基于​软件​定义​测试​平台​的​统一​测试​架构​是​团队​设计​和​测试​先进​交通​机电​系统​的​最佳​方法。 与​完全​内部​定制​开发​或​完整​的​交​钥匙​外​包​解决​方案​相比，​这种​方法​可以​加快​测试​开发​速度，​提高​测试​覆盖​率​和​运营​效率，​让​团队​更​灵活、​更​强大，​降低​资本​支出​以及​提高​长期​测试​系统​的​正常​运行​时间​和​可​维护​性。