某型步兵戰(zhàn)車導(dǎo)彈綜合集成智能故障診斷系統(tǒng)

楊 軍，張 增，趙 磊

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院信息工程系，北京100072)

信息化戰(zhàn)爭要求裝備維修保障體系具有敏捷的反應(yīng)能力、快速的機動能力、實時的控制能力和綜合的保障能力［1］。這對維修保障設(shè)備的研制提出了新的更高的要求，隨著各種新型裝備陸續(xù)研制成功和裝備部隊，新裝備在技術(shù)上日益復(fù)雜，隨之帶來的維修技術(shù)保障也顯得越來越重要。因此，研制武器裝備綜合集成檢測與故障診斷系統(tǒng)是研制維修保障設(shè)備的發(fā)展方向［2］。它有利于解決部隊所面臨的實際問題，是提高裝備維修保障能力和效率，尤其是提高戰(zhàn)場搶修能力的有效方法和手段，對裝備形成戰(zhàn)斗力和保障能力具有重要的現(xiàn)實意義。目前武器裝備的性能檢測和故障診斷大多只有性能測試和一些簡單的故障判定功能，也就是說針對某一型號的全武器系統(tǒng)還未實現(xiàn)故障的自動判斷與識別診斷，特別是在裝甲機械化部隊，還沒有用于維修的導(dǎo)彈自動故障診斷設(shè)備。因此，筆者按照保障裝備的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、綜合化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求，以及構(gòu)建平戰(zhàn)兼容的基于基本保障單元的保障力量組配模式和維修作業(yè)方式，對某型步兵戰(zhàn)車導(dǎo)彈系統(tǒng)自動、快速、在線和實時故障診斷設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計與研制。

1 總體方案設(shè)計

1.1 診斷對象

診斷對象是某型步兵戰(zhàn)車導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，主要包括制導(dǎo)控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈和發(fā)射系統(tǒng)3大部分。其中，制導(dǎo)控制系統(tǒng)又由指令形成系統(tǒng)、控制電壓信號輸出系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和導(dǎo)彈動態(tài)發(fā)射點火系統(tǒng)以及全套聯(lián)接電纜組成。該系統(tǒng)共有3類可獲取的基本故障診斷特征信號:動態(tài)電壓和電流信號;各種技術(shù)性能參數(shù);動態(tài)波形信號和瞬態(tài)波形信號及其性能參數(shù)。除此以外還有視覺征兆信息和聽覺征兆信息等。

1.2 系統(tǒng)功能

該設(shè)備主要用于某型步兵戰(zhàn)車導(dǎo)彈武器系統(tǒng)標(biāo)稱參數(shù)的自動檢測(可替代現(xiàn)有的檢測設(shè)備)，技術(shù)維護(hù)和自動、快速、實時、在線故障診斷與維修，并診斷到系統(tǒng)的最小可更換單元(下位機獨立使用時診斷到部件級)。該設(shè)備的主要功能如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)主要功能

該設(shè)備為2級體系結(jié)構(gòu)，可分別裝備到裝甲機械化部隊中修機構(gòu)、維修分隊、大修廠、院校和研究所等單位，能夠獨立使用的下位機能滿足野戰(zhàn)技術(shù)條件下的基層級的使用要求。

1.3 總體構(gòu)成

該設(shè)備由主控計算機、下位機、控制系統(tǒng)輔助診斷模塊、配電系統(tǒng)輔助診斷模塊、校驗器和專用量角設(shè)備構(gòu)成，如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)輔助診斷模塊、配電系統(tǒng)輔助診斷模塊、校驗器和專用量角設(shè)備為附件系統(tǒng)。

圖2 智能故障診斷設(shè)備硬件系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)采用4級模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計:主控計算機作為第1級模塊;下位機的智能控制、測試與信號處理系統(tǒng)作為第2級模塊;下位機的制導(dǎo)控制系統(tǒng)測試模塊、發(fā)射系統(tǒng)測試模塊、導(dǎo)彈測試模塊作為第3級模塊;控制系統(tǒng)輔助診斷模塊、配電系統(tǒng)輔助診斷模塊、校驗器和專用量角設(shè)備作為第4級模塊。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使得智能故障診斷設(shè)備在步兵戰(zhàn)車導(dǎo)彈裝備不解體(不開蓋)的情況下，完成對該導(dǎo)彈武器系統(tǒng)所有故障的故障診斷，并且診斷到最小可更換單元。

當(dāng)下位機獨立使用時，控制系統(tǒng)輔助診斷模塊、配電系統(tǒng)輔助診斷模塊、校驗器均通過電纜與下位機連接，其與主控計算機的通信端口可作為打印機的輸出端口使用，專用量角設(shè)備作為相對獨立的部分由操作人員操作使用;當(dāng)下位機非獨立使用時，將主控計算機與下位機通過電纜連接實現(xiàn)通訊，其他組成部分的連接關(guān)系不變。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控計算機實現(xiàn)對下位機的控制，并從下位機獲取所有的故障征兆信息，從操作者處獲取視覺和聲音信息，從數(shù)據(jù)庫中獲取專家經(jīng)驗，從而實現(xiàn)對導(dǎo)彈全系統(tǒng)的故障診斷。主控計算機還提供打印機接口，將獲取的測試與診斷報表通過打印機輸出。

圖3 下位機硬件系統(tǒng)構(gòu)成

下位機由智能控制［3－5］、測試與信號處理系統(tǒng)，制導(dǎo)控制系統(tǒng)測試模塊，發(fā)射架測試模塊、導(dǎo)彈測試模塊和電源單元構(gòu)成，如圖3所示。其中，智能控制、測試與信號處理系統(tǒng)包括多個CPU、專用鍵盤、VFD顯示屏、狀態(tài)與電平指示和外部接口。專用鍵盤、VFD顯示屏和狀態(tài)與電平指示通過多個CPU構(gòu)成測控人機界面，進(jìn)行輸入輸出。多個CPU在各種指令控制下完成對其他4個模塊的控制，并通過制導(dǎo)控制系統(tǒng)測試模塊、發(fā)射架測試模塊、導(dǎo)彈測試模塊獲取的測試信息診斷系統(tǒng)故障，通過VFD顯示屏和狀態(tài)與電平指示輸出;制導(dǎo)控制系統(tǒng)測試模塊可完成制導(dǎo)控制系統(tǒng)全部故障診斷特征信號的檢測，包括信息信號控制與測量單元、綜合參數(shù)檢測單元、動態(tài)參數(shù)檢測單元、輔助電路(掛彈、點火電路、24 V檢測電路)單元和制導(dǎo)控制系統(tǒng)故障征兆獲取單元;發(fā)射系統(tǒng)測試模塊包括導(dǎo)通電阻測量信號變換單元、絕緣電阻測量信號變換單元和發(fā)射系統(tǒng)故障征兆獲取單元，實現(xiàn)對發(fā)射架的電性能(導(dǎo)通狀態(tài)，絕緣狀態(tài))和機械性能檢測;導(dǎo)彈測試模塊包括導(dǎo)彈信號源單元、導(dǎo)彈檢測單元和導(dǎo)彈故障征兆獲取單元，完成對導(dǎo)彈信號源的輸出幅度以及導(dǎo)彈各參數(shù)的檢測，并實現(xiàn)交、直流測試時阻抗匹配;電源單元為下位機供電，可采用交流供電或直流供電，也可用步兵戰(zhàn)車中的+24 V電池供電。

控制系統(tǒng)輔助診斷模塊的功能是獲取被測制導(dǎo)控制系統(tǒng)上電、導(dǎo)彈掛彈(發(fā)射準(zhǔn)備)、導(dǎo)彈發(fā)射等過程中的故障診斷特征信號。

配電系統(tǒng)輔助診斷模塊的功能是獲取被測制導(dǎo)控制系統(tǒng)的指令形成系統(tǒng)供電、導(dǎo)彈發(fā)射、指令傳輸?shù)冗^程中的故障診斷特征信號，同時也為指令形成系統(tǒng)供電。

校驗器實現(xiàn)對被測發(fā)射架的電性能參數(shù)(導(dǎo)通電阻、絕緣電阻)及機械性能(發(fā)射架導(dǎo)軌平直度、與導(dǎo)彈插座對接可靠性)的檢測。

專用量角設(shè)備是測量不同制導(dǎo)控制指令(指令系數(shù))時的輔助測試設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)不僅是一個實時系統(tǒng)，而且對時序和功能的完成時間都有較高的要求。因此，軟件開發(fā)設(shè)計時必須充分考慮軟件的響應(yīng)特性及操作特性，同時還要對測試數(shù)據(jù)作實時處理、分析及管理，并為操作人員提供操作簡便、具有多種方式的數(shù)據(jù)和結(jié)果顯示界面，為正確判斷并實施智能故障診斷提供可靠的依據(jù)。系統(tǒng)主控軟件主要包括系統(tǒng)管理模塊、自檢模塊、標(biāo)稱參數(shù)測試模塊、技術(shù)維護(hù)模塊、故障診斷模塊［6］、通用組件模塊和顯示模塊，如圖4所示。

系統(tǒng)管理模塊對各功能子模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，為各功能子模塊提供各種數(shù)據(jù)接口，并負(fù)責(zé)接收各功能子模塊的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及流程管理。

自檢模塊完成主控計算機和下位機之間的自檢，以及下位機系統(tǒng)中所有測試通道和診斷通道的自檢，自檢診斷覆蓋率達(dá)到90%以上。

圖4 主控計算機系統(tǒng)功能模塊構(gòu)成

標(biāo)稱參數(shù)測試模塊完成導(dǎo)彈武器系統(tǒng)所有規(guī)定的標(biāo)稱參數(shù)的測試。

技術(shù)維護(hù)模塊完成導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的日常維護(hù)、一級技術(shù)維護(hù)、二級技術(shù)維護(hù)和特定技術(shù)維護(hù)所規(guī)定的全部內(nèi)容，并完成下位機自身的日常維護(hù)、一級技術(shù)維護(hù)和二級技術(shù)維護(hù)所規(guī)定的全部內(nèi)容。

故障診斷模塊可以在裝備不解體的情況下，完成對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工作全過程所有故障的診斷，并且診斷到最小可更換單元，其組成具體包括波形識別庫、故障模式自動診斷識別系統(tǒng)、診斷對象動態(tài)工作過程故障診斷系統(tǒng)以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)通用平臺。其中，嵌入的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)通用平臺，采用了統(tǒng)一基本診斷結(jié)構(gòu)構(gòu)建多種武器裝備故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計思想，提出了基于多種知識表示形式的深淺知識綜合使用模型以及機器學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建了不同類型的知識庫和推理機制，并建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合的集成智能診斷系統(tǒng)模型，具有通用性、擴(kuò)展性和可移植性。故障診斷模塊基于該平臺，針對具體診斷對象完成診斷任務(wù);診斷對象動態(tài)工作過程故障診斷系統(tǒng)可以實時動態(tài)監(jiān)測診斷對象的工作狀態(tài)，運用在線測試和動態(tài)比較法實現(xiàn)在線實時診斷;故障模式自動診斷識別系統(tǒng)實時獲取被測系統(tǒng)的波形及其參數(shù)，并根據(jù)波形識別庫提供的標(biāo)準(zhǔn)信號時域波形和互相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)度和幅度特征量(頻率因子、相位因子、幅度因子)分析，并通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)通用平臺實現(xiàn)系統(tǒng)故障模式的自動診斷與識別。

通用組件模塊主要集成自行開發(fā)的通用模塊，如數(shù)據(jù)庫模塊、知識庫模塊、報表模塊、與下位機串口的通信模塊等，為系統(tǒng)提供接口，便于系統(tǒng)靈活調(diào)用，以達(dá)到便于維護(hù)和擴(kuò)展的目的。

顯示模塊通過用戶界面向操作員提供監(jiān)測結(jié)果和分析判斷的依據(jù)，利于測試與診斷任務(wù)的執(zhí)行。

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