特種車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)技術探討

劉 勇，胡建軍，夏詠梅

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

目前特種車輛的故障診斷技術有以下幾個特點:

1)故障診斷技術水平還處于外部測試到機內測試 (Build-In Test縮寫為BIT)轉變的階段，應用還只局限于某些分系統(tǒng)中，尚未形成系統(tǒng)化的設計與應用.

2)BIT診斷能力比較弱，外場排查故障主要依靠技術人員和一些簡單的通用設備，難以滿足基層級維修的快速機動、排故迅速和維修簡單便捷的需求.

3)研制和生產階段的外部測試設備比較落后，種類多，操作復雜.

4)裝備部隊的測試設備綜合化、自動化、通用化程度較低，測試功能的覆蓋度低，故障診斷能力有限，對操作人員要求較高，戰(zhàn)場保障跟進困難.

1 綜合電子系統(tǒng)使用與維修等級分析

車輛BIT故障診斷與健康管理功能與車輛綜合電子系統(tǒng)密不可分，車輛綜合電子系統(tǒng)為車輛BIT故障診斷與健康管理提供硬件、軟件資源及運行平臺.車輛綜合電子系統(tǒng)維修性設計目標與整車維修性目標一致，即:使工作和維修的費用以及維修時間達到最小，并能方便地完成維修活動，并且車輛綜合電子系統(tǒng)維修性設計應對整車維修性提供支撐.車輛綜合電子系統(tǒng)維修等級與整車一致，分為基層級、中繼級和基地級.

1.1 基層級

車輛綜合電子系統(tǒng)基層級計劃維修是隨整車計劃維修進行，以定期檢測和視情修理為主.主要使用BIT來檢測電子類系統(tǒng)和設備是否可正常工作，并給出“正?！被颉肮收稀钡娘@示，當有故障時應能把故障定到現(xiàn)場可更換單元 (Line Replaceable Unit縮寫為LRU).主要維修活動有:

1)出車前進行BIT檢查，確認系統(tǒng)的完好性;

2)系統(tǒng)工作中，利用BIT進行故障的自動檢測，檢測到故障后能把故障隔離到規(guī)定模糊度的LRU上;

3)更換有故障的LRU，并重新進行功能測試;

4)出車后進行維護檢查，更新維護記錄;

5)按基層級計劃定期檢測和視情維修，如需要進行修理，則按照更換LRU方法進行;

6)復雜的外部測試設備和工具應盡可能少，必要的情況下，可以使用靈巧輕便的測試設備在原位進行少量故障維修;

7)對拆下來的LRU的簡單故障進行維修.

1.2 中繼級

車輛綜合電子系統(tǒng)中繼級計劃維修是隨整車計劃維修進行，以定期檢測和視情修理為主.利用BIT和自動測試設備對LRU進行端到端的“通過和不通過”測試，并隔離故障到規(guī)定模糊度的車間可更換單元 (Shop Replaceable Unit縮寫為SRU)，然后進行維修后的檢驗.主要維修活動有:

1)利用自動測試設備或專用外部測試設備進行LRU的故障檢測，并把故障隔離到規(guī)定模糊度的SRU上;更換有故障的SRU;

2)利用自動測試設備或專用外部測試設備對修復后的LRU進行檢查、功能測試、調整和校準;

3)按中繼級計劃定期檢測和視情維修，維修項目比基層級更廣泛;

4)對拆下來的SRU的簡單故障進行維修.

1.3 基地級

應選用或設計自動測試設備或配備專用外部測試設備，加上BIT和人工測試，對故障的SRU進行檢測和隔離故障，修復失效的功能組件和元器件，對修復的SRU進行檢驗、功能測試、調整和校準等工作.

2 車輛BIT故障診斷與健康管理功能需求

1)車輛的外部測試和BIT設計應支持3個維修等級，其中以支持基層級維修為重點，盡量減少基層級維修以及相關的保障設備.車輛綜合電子系統(tǒng)應對整車BIT的實現(xiàn)提供資源保障.

2)性能監(jiān)測功能.對于非電子系統(tǒng)，測試性工作重點是進行可測試性設計.通過設置必要的傳感器來連續(xù)或定期地監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵特性參數(shù)，以確定系統(tǒng)的狀態(tài)，記錄和追蹤失效的過程和時間;同時參與關鍵系統(tǒng)的余度管理，并提出諸如繼續(xù)運行、需要維修、降級運行等建議;

3)故障診斷功能.電子系統(tǒng)的測試性工作重點是進行BIT軟硬件設計、盡量擴大BIT覆蓋范圍.對反映被測單元狀態(tài)的各種信號和參數(shù)進行準確的采集和測量，當發(fā)生故障時，能夠快速自動地檢測與隔離故障到規(guī)定的現(xiàn)場可更換單元;

4)故障預測.借助系統(tǒng)模型、積累的經驗數(shù)據(jù)和信息融合技術，精確檢測和隔離系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件的故障或失效狀態(tài)，構建BIT增強診斷方案，預計即將發(fā)生的故障，并估計部件剩余使用壽命，具體內容包括:早期檢測部件或子單元的故障癥候或故障初始狀態(tài)，并根據(jù)材料特性預計剩余使用壽命;預計在部件初始故障狀態(tài)向最終失效發(fā)展過程中的任一時間的剩余使用壽命;積累發(fā)動機、火炮等的壽命消耗情況.

5)狀態(tài)管理.其目的是:(1)在車輛功能降級的情況下，能夠保證最大程度地完成車輛任務;(2)根據(jù)車輛實際和預計的工作狀況進行保養(yǎng)、維修、供應和其他后勤保障活動[1].

6)測試結果輸出及與其他診斷測試手段兼容.測試結果應滿足即時查看和后期處理分析的要求，為維護決策提供數(shù)據(jù)支持，如形成維修信息和供乘員使用的知識信息、更新維修履歷，等等.故障信息顯示給乘員要保證信息的一致和關聯(lián)，保證乘員操作和使用的統(tǒng)一.被測系統(tǒng)與外部測試設備接口應具有兼容性，保證各種診斷測試輸出結果具有一致性.

3 車輛BIT故障診斷與健康管理研究內容

3.1 系統(tǒng)組成構想

對車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)構想如圖1所示.

圖1 車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)構想方框圖

3.2 車輛固有測試性和BITE設計

固有測試性是指僅取決于產品硬件設計，不依賴于測試激勵和相應數(shù)據(jù)的測試性，它既支持BIT，也支持外部測試，是達到測試性和定量診斷要求的基礎;BITE(Build-In Test Equipment的縮寫)是指完成BIT功能的硬件模塊.提高系統(tǒng)和設備的測試性水平，主要途徑和方法是進行固有測試性設計和BITE設計.固有測試性和BITE設計也是設計人員直接涉及的測試性設計工作.

固有測試性設計包括功能和結構的合理劃分、測試可控性和可觀測性、初始化、元器件選用以及與測試設備的兼容性，等等.BITE設計與性能設計同時進行，因功能不同而有差異，機械系統(tǒng)和機電設備通常需要增設傳感器，即通過設置必要傳感器、對關鍵功能進行監(jiān)控，電子系統(tǒng)通常進行BIT軟/硬件設計.

車輛綜合電子系統(tǒng)主要包括總線通信分系統(tǒng)、乘員分系統(tǒng)1、乘員分系統(tǒng)2、乘員分系統(tǒng)3、自動裝彈控制分系統(tǒng)、推進控制分系統(tǒng)、電源電氣控制分系統(tǒng)、光電對抗分系統(tǒng)、三防滅火抑爆控制分系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)又包括若干個LRU，LRU內部包括若干個SRU.

3.3 BIT工作配置和類型

BIT按啟動和執(zhí)行特點分為連續(xù)BIT、周期BIT(PBIT)、啟動BIT(IBIT)，啟動BIT又分為通電BIT(PUBIT)和執(zhí)行BIT;BIT按運行時機和目的分為任務前 BIT、任務中 BIT、維修 BIT(MBIT);BIT按激勵方式分為主動BIT和被動BIT;系統(tǒng)BIT按配置形式分為集中式BIT、分布式 BIT、分布式/集中式 BIT[2].

系統(tǒng)級BIT以子系統(tǒng)/部件BIT設計為基礎，根據(jù)不同子系統(tǒng)/部件的特性和測試要求，應選用不同的BIT模式.對于簡單的子系統(tǒng)、LRU或機電設備可以將幾種BIT合并，復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)級BIT應采用多種方式，以滿足使用和診斷的要求.

系統(tǒng)BIT配置選擇由系統(tǒng)構成和復雜程度決定.在計算機控制系統(tǒng)中，采用集中式BIT能較好地在系統(tǒng)運行時進行交叉測試，而且所需要的測試用硬件較少，還可以進行必要的系統(tǒng)級信息分析處理工作;采用分布式BIT可以減少隔離的模糊度和隔離錯誤，各分系統(tǒng)BIT可以脫機運行，與其他分系統(tǒng)隔離，可與分系統(tǒng)功能保持某種形式的同步.分布/集中BIT是針對復雜系統(tǒng)的配置.由圖1可看出，車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的BIT配置為分布/集中式BIT.

綜合考慮運行時機、目的和運行特點，工程實際中的BIT類型可分為上電BIT、周期BIT和維修BIT3種類型.上電BIT由系統(tǒng)加電啟動，全面檢查系統(tǒng)功能是否正常，檢測到故障給出正?；蚬收系闹甘?(GO和NOGO);周期BIT屬于非侵入式測試，不干擾部件的正常工作，系統(tǒng)正常啟動后周期性地自動運行，檢測到故障后給出相應的指示和報警;維修BIT啟動后能自動運行，只是需要維修人員在給定測試程序的策略分析點進行交互，用于進一步確認、消除或減少所探測到的一組故障的模糊度.

3.4 BIT測試順序

車輛總線通信架構采用管理總線和控制總線雙總線架構，管理總線為通信數(shù)據(jù)管理總線，控制總線為面向設備的控制總線，管理總線和控制總線分別為雙余度形式[3].3個乘員計算機及顯控終端是整車信息的人機交互平臺，是系統(tǒng)級BIT運行的平臺.

車輛綜合電子系統(tǒng)BIT測試順序如下:

1)各分系統(tǒng)按照規(guī)定的上電順序加電，運行上電BIT，正常啟動后將對各接口進行檢測，通過各接口對各設備發(fā)送詢問信息，并接收應答信息，測試并記錄各分系統(tǒng)狀態(tài)，準備將分系統(tǒng)狀態(tài)信息匯總上報給乘員計算機及顯控終端1;

2)乘員計算機1和綜合處理裝置2上電后，運行上電BIT，進行總線運行狀態(tài)查詢，測試并記錄管理總線和控制總線通信狀態(tài)，通過管理總線和控制總線接收并監(jiān)控各個分系統(tǒng)節(jié)點工作狀態(tài)，獲得整車設備工作狀態(tài)的診斷結果，在相應的乘員終端上顯示;

3)乘員計算機1和綜合處理裝置2在系統(tǒng)運行過程中周期性地向各個節(jié)點發(fā)送詢問信息，接收并記錄各個節(jié)點的應答信息，以此監(jiān)控總線各節(jié)點的通信狀況和工作狀況.

3.5 系統(tǒng)余度管理和降級功能

1)管理總線主控制器功能由乘員計算機1完成，備用控制器功能由綜合處理裝置1完成;控制總線主控制器由綜合處理裝置2組成，備用控制器由綜合處理裝置1組成.當主控制器通信控制功能有故障時，在規(guī)定的時間內總線控制權自動轉到備份控制器上.

2)乘員儀表顯示降級功能.車況信息既可以通過管理總線傳輸，也可以通過控制總線傳輸;既可以通過乘員計算機處理進行正常顯示，也可以當乘員計算機CPU板有故障時，通過硬件電路實現(xiàn)應急情況下的儀表顯示、綜合報警及狀態(tài)顯示、三防滅火控制的部分功能.降級功能在軟件控制下自動完成.

3)自動裝彈機控制降級功能.自動裝彈機控制分為正常和應急兩種工況.當裝彈機出現(xiàn)故障時，裝彈機中央處理單元能夠自動檢測到故障狀態(tài)，并將故障編碼上傳到乘員終端，并可自動或通過手動轉入應急狀態(tài)，完成裝彈動作.

4)武器系統(tǒng)控制降級功能.火控系統(tǒng)工作分為正常、戰(zhàn)斗、應急和手動等工況，當檢測到故障時，系統(tǒng)能夠自動或通過人工轉到低一級的工況.

3.6 關鍵部件BIT測試內容

1)中央處理單元的測試屬于上電BIT測試類型.測試內容包括處理器測試、FLASH(或NVRAM)存儲器測試、SDRAM存儲器測試、中斷功能測試、看門狗報警測試、看門狗正常測試、定時器定時功能測試、超時中斷測試、RS422串行口測試、管理總線接口測試、控制總線接口測試、模擬輸入和數(shù)字輸入測試.

2)中央處理單元的測試屬于周期BIT測試類型.測試內容包括管理總線通信測試、控制總線通信測試、節(jié)點中央處理單元工作功能監(jiān)測、分系統(tǒng)功能/性能監(jiān)測.

3)部件內各級電源監(jiān)測.部件內各級電源監(jiān)測通過硬件設計完成，一般通過控制盒體上的指示燈提示.

4)傳感器故障檢測.傳感器故障檢測 (包括傳感器電源斷路或短路故障)通過硬件設計完成.

3.7 車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)軟件

車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)是一個基于傳統(tǒng)測試性和BIT設計基礎上的軟件密集型系統(tǒng)，采用分層智能推理結構，綜合多個設計層次上的多種推理機軟件，從部件級到系統(tǒng)級綜合應用故障診斷技術和預測技術.車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的體系結構是由車載系統(tǒng)和車外遠程故障診斷專家系統(tǒng)構成的一體化系統(tǒng)，車載系統(tǒng)屬于系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件層次，應具有故障檢測、故障隔離、性能監(jiān)控及關鍵系統(tǒng)和部件的狀態(tài)預測功能;車外遠程故障診斷專家系統(tǒng)具有進一步執(zhí)行故障隔離、狀態(tài)預測、增強診斷及零部件壽命跟蹤等功能.

車輛BIT故障診斷與健康管理軟件的車載部分分為以下3個層次，完成功能如下:

1)最底層的各分系統(tǒng)或部件中的軟硬件監(jiān)控程序.

該層是識別故障的信息源，借助傳感器、BITE或模型等檢測故障，將有關信息直接提交給中間層的區(qū)域管理器[1].

2)中間層的區(qū)域管理器.

該層完成信號處理、信息融合和區(qū)域推理機的功能，是連續(xù)監(jiān)控車輛相應分系統(tǒng)運行狀況的實時執(zhí)行機構，該機構自動分析來自傳感器或BITE的信號和其他數(shù)據(jù)源的信息，確定該分系統(tǒng)的設備、部件或零件工作是否正常，分析可能導致故障的特征，預測關鍵部件的剩余使用壽命和完成任務的能力，完成系統(tǒng)故障重構管理功能，然后將區(qū)域故障信息傳給頂層的車輛平臺管理器軟件模塊.區(qū)域管理器包括車輛底盤支持系統(tǒng)和上裝任務系統(tǒng)兩大區(qū)域管理器軟件模塊，它們嵌入在車輛綜合處理裝置內.

3)頂層的車輛平臺管理器.

該層軟件模塊也嵌入在車輛綜合處理裝置內，以一定的診斷策略去掉關聯(lián)故障，將起源于同一故障的數(shù)個故障報告歸并成系統(tǒng)級單一故障信息，與相應級別的告警關聯(lián)，形成維修信息和供乘員使用的知識信息，同時能夠傳給車外后勤保障信息系統(tǒng)，車外后勤保障信息系統(tǒng)據(jù)此判斷車輛的完好狀態(tài)、安排戰(zhàn)斗任務、實施技術狀態(tài)管理、更新車輛狀態(tài)記錄、調整使用計劃、生成保養(yǎng)和維修工作項目以及對作戰(zhàn)車輛群狀態(tài)進行分析，等等.

3.8 故障顯示與綜合告警

1)故障顯示與綜合告警分系統(tǒng)功能及組成.

故障顯示與綜合告警分系統(tǒng)是用來向車輛乘員提供來自車輛外部的威脅告警信息;提供來自車輛內部各系統(tǒng)、設備的故障告警信息和提供車輛重要系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，以及故障清單和處置清單信息的系統(tǒng).該分系統(tǒng)是一個與車輛乘員顯示和控制分系統(tǒng)相關的分系統(tǒng)，其顯示符號是利用車輛乘員顯示和控制分系統(tǒng)的顯示設備產生，其音響告警利用綜合處理機硬件的多媒體模塊和耳機及告警蜂鳴器產生，其燈光告警信號是利用綜合處理機控制的告警燈光控制模塊和燈光部件產生.

為確保乘員對告警信息進行有效的接收和處理，顯示與綜合告警分系統(tǒng)采用了集中管理、統(tǒng)一分級，按不同告警等級進行控制和處理的原則，采用單獨或組合燈光、顯示和音響 (話音告警和音調告警)綜合告警方式，以及采用標識字符、顏色、閃爍頻率、字符位置、頻率、間斷時間和語速等信號對告警信息進行編碼.

當車輛主要系統(tǒng)和設備發(fā)生故障或處于非正常工作狀態(tài)或重要系統(tǒng)接通時，通過顯示器、耳機和相應的告警燈向乘員發(fā)出告警，并在顯示器上顯示故障清單和應急處置清單.

告警燈包括車外告警燈、主告警燈盒、告警燈盒、狀態(tài)指示燈盒.車外告警燈用于開窗駕駛車輛時提示乘員有故障時告警，有故障時燈亮;主告警燈盒用于1級和2級故障信息告警;告警燈盒用于3級信息告警;狀態(tài)指示燈盒用于4級信息顯示.

2)車輛告警信息等級定義.

定義故障和告警的目的是為了向車輛乘員通報有故障存在并提供故障的詳細情況.告警信息等級是按照車輛乘員對事件或故障作出反應的緊急程度及故障對車輛行車安全和任務完成情況的影響劃分為4級，如表1所示.

表1 車輛告警信息等級劃分

4 結束語

特種車輛BIT故障診斷與健康管理利用車輛綜合電子系統(tǒng)自身提供的硬件和軟件資源，通過對車輛的測試性/BIT設計，實現(xiàn)對車輛關鍵系統(tǒng)的功能測試和性能監(jiān)控，提高基層級BIT故障診斷能力;應用系統(tǒng)故障模型、經驗數(shù)據(jù)和信息融合技術，可以預計即將發(fā)生的故障，并估計部件剩余使用壽命.

本文研究跟蹤國外先進技術水平，立足國內技術現(xiàn)狀和現(xiàn)實問題，分析和梳理了車輛的使用和維修保障要求，提出了車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的功能需求;針對這些功能需求，提出了車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的方案構想，并對總體架構、實現(xiàn)功能、軟硬件組成、關鍵技術等研究內容進行了探討，為進一步的深入研究提供了有益的參考.

[1] 張寶珍，曾天翔.PHM:實現(xiàn)F-35經濟可承受性目標的關鍵使能技術 [J].航空維修與工程，2005，(6):20-21.

[2] 田 仲，石君友.系統(tǒng)測試性設計分析與驗證[M].北京:航空航天大學出版社，2003.

[3] 陳正捷，陳志昊，張淺秋.坦克電子綜合化 [M].兵器工業(yè)出版社，2006.