戰(zhàn)車車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)

李田科，李　偉，沙衛(wèi)曉，于仕財

(中國人民解放軍91980部隊，山東 煙臺　264000； 2.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺　264000)

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戰(zhàn)車車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)

李田科1，李偉1，沙衛(wèi)曉1，于仕財2

(中國人民解放軍91980部隊，山東 煙臺264000； 2.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺264000)

為滿足編隊行軍時的車速規(guī)劃和安全需求，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃和底盤故障預(yù)警決策支持系統(tǒng)；通過分析系統(tǒng)目標(biāo)和內(nèi)容，制定總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)框架，優(yōu)化系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)及手段，建立系統(tǒng)模型；該系統(tǒng)可借助數(shù)據(jù)處理技術(shù)實時給出最優(yōu)行軍車速建議和底盤故障預(yù)警、報警信息，可提高車隊機動能力、行軍安全性和戰(zhàn)斗力。

戰(zhàn)車；車速規(guī)劃；安全監(jiān)測

本文引用格式：李田科，李偉，沙衛(wèi)曉，等.戰(zhàn)車車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(8):20-22.

戰(zhàn)車底盤主要實現(xiàn)戰(zhàn)車越野機動功能。目前，戰(zhàn)車編隊機動行軍時主要有兩方面問題，一是車速超過60 km/h速度行軍時需反復(fù)檢測一些部位(分動器、主減速器、輪邊減速器、轉(zhuǎn)向油箱等)溫度和壓力(胎壓、制動總缸出口壓力等)，防止溫度過高或壓力超差導(dǎo)致裝備損壞或出現(xiàn)安全事故。二是駕駛室儀表盤顯示了大量監(jiān)測信息(缸頭溫度、機油溫度、機油壓力、轉(zhuǎn)速表、液力油溫表、燃油油量表等)，駕駛員在行軍中需集中精力專注駕駛，無法準(zhǔn)確及時觀察到大量的異常信息。每次戰(zhàn)車編隊行軍時，需根據(jù)經(jīng)驗值決定車速，行軍中反復(fù)停車用紅外測溫儀檢查各部位溫度，編隊每次停車檢查溫度、繼續(xù)行軍過程至少需要30 min，行軍中耗費大量時間，導(dǎo)致貽誤戰(zhàn)機，而且行軍過程中涉及安全的胎壓和制動總缸出口壓力等信息也需要實時掌握，否則易出現(xiàn)安全問題。

戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)通過對各部位加裝溫度和壓力傳感器，采集各部位數(shù)據(jù)，并結(jié)合以往歷史數(shù)據(jù)進行綜合處理，采用智能推理算法規(guī)劃出最優(yōu)行軍車速，既可避免多次停車檢查，又可充分發(fā)揮底盤的使用效能。對大量底盤信號實時采集、記錄底盤關(guān)重信息，并采用智能算法對數(shù)據(jù)變化趨勢進行預(yù)判，給出故障預(yù)警信息，超出正常閾值時蜂鳴報警，由副駕駛員觀察并提醒駕駛員進行相應(yīng)處理。提高裝備和人員的安全性，儲存的歷史數(shù)據(jù)亦可復(fù)現(xiàn)并作為底盤修理的依據(jù)，縮短維修時間。研制戰(zhàn)車車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)，一方面可最大限度發(fā)揮底盤的潛能，提高作戰(zhàn)編隊的機動速度，利于作戰(zhàn)中搶占先機。另一方面充分利用已有底盤數(shù)據(jù)信息，給出故障預(yù)警信息，可提高行軍安全性，給出故障預(yù)警和報警信息。

1　戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)研制目標(biāo)和內(nèi)容[1-2]

1.1系統(tǒng)研制目標(biāo)

針對戰(zhàn)車機動任務(wù)需求，充分分析影響戰(zhàn)車車速和底盤安全的瓶頸環(huán)節(jié)，研制基于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃和底盤故障預(yù)警決策支持系統(tǒng)，充分發(fā)揮戰(zhàn)車的機動潛力，提高部隊快速反應(yīng)能力和行軍安全性。

1.2系統(tǒng)研制內(nèi)容

1) 戰(zhàn)車機動任務(wù)監(jiān)測參數(shù)和底盤監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。根據(jù)戰(zhàn)車機動和底盤監(jiān)測需求，分析建立任務(wù)剖面，確定機動途中戰(zhàn)車的速度和底盤監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線，采用FMEA(Failure Modes Effect Analysis，故障模式影響分析)方法分析影響因素，根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果確定影響機動和安全的瓶頸環(huán)節(jié)，確定需要實時監(jiān)測的戰(zhàn)車關(guān)鍵部位參數(shù)。

2) 根據(jù)任務(wù)需求確定系統(tǒng)的主要功能，分別進行傳感器、顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、連接網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)計，建立以監(jiān)測參數(shù)和歷史信息為輸入，速度、可行駛時間和故障預(yù)、報警信息為輸出的決策支持模型，確定軟件方案，通過編程實現(xiàn)軟件設(shè)計。

2　戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測系統(tǒng)方案[3-4]

深入分析戰(zhàn)車機動狀態(tài)，包括任務(wù)剖面、戰(zhàn)技要求、軟硬件狀態(tài)等信息，研究和總結(jié)軟硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)要素，構(gòu)建戰(zhàn)車機動決策支持系統(tǒng)技術(shù)框架，確定系統(tǒng)的目標(biāo)、總體結(jié)構(gòu)及技術(shù)框架，設(shè)計總體技術(shù)框架如圖1所示。

圖1　總體技術(shù)框架

2.1影響因素分析

通過調(diào)研分析，建立如圖2所示戰(zhàn)車機動途中的速度曲線，分析其內(nèi)在機理，確定不同行進速度的確定方法、原則，為影響因素分析和輔助決策系統(tǒng)研制提供基礎(chǔ)。

圖2　戰(zhàn)車機動途中速度曲線

在此基礎(chǔ)上分析速度、路況、環(huán)境溫度、戰(zhàn)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(底盤、輪胎等)對戰(zhàn)車機動任務(wù)的影響，通過對戰(zhàn)車機動任務(wù)的FMEA分析，分析可能引起機動故障的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每一個故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度予以分類歸納分析，找出影響戰(zhàn)車機動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進行重點監(jiān)控，為機動方案決策提供知識索引和推理依據(jù)。FMEA分析是一個反復(fù)迭代的過程，隨著研究的深入，還要進行更加全面、細致的FMEA分析，其結(jié)果可以不斷為系統(tǒng)的研發(fā)提供合理化建議。

2.2監(jiān)測參數(shù)確定

目前，在戰(zhàn)車上有一定數(shù)量的傳感器，用于對戰(zhàn)車上的重大部件進行故障判斷，但是現(xiàn)有的檢測手段不足以滿足監(jiān)測方案的要求(例如分動器溫度、主減速器溫度、輪邊減速器溫度嚴(yán)重制約著機動速度)，需要設(shè)計添加額外的傳感器，用以監(jiān)測參數(shù)的獲取。

制定傳感器確定準(zhǔn)則、分析監(jiān)測手段，主要是傳感器的選擇、數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備及供電設(shè)備的選擇、網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建等。戰(zhàn)車機動狀態(tài)監(jiān)測首先采用車輛自帶的傳感器(主要用于測定包括底盤總成上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機怠速、發(fā)動機缸頭溫度、發(fā)動機機油溫度、發(fā)動機機油壓力、油位傳感器、變矩器液壓油溫、制動氣壓、輪胎氣壓等)獲取相應(yīng)的信息，將其變換為系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)格式；其次，針對機動狀態(tài)監(jiān)測的需求分析需要監(jiān)測的參數(shù)方案，其他監(jiān)測參數(shù)(如溫度、濕度、振動等)選用體積、質(zhì)量較小的微型傳感器。各種傳感器獲取的信息以有線傳輸?shù)姆绞剑鶕?jù)現(xiàn)有傳輸總線特點合理構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，傳感器選取流程如圖3所示[5]。

圖3　傳感器選取流程

然后，根據(jù)戰(zhàn)車實際結(jié)構(gòu)特點，按照信號的敏感性、易測性與成本控制準(zhǔn)則，對參數(shù)監(jiān)測方案進行優(yōu)化，在測點布局優(yōu)化方面，采用逐級遞減的方式，在確定完備監(jiān)測參數(shù)需求方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化分析，盡可能選用能夠監(jiān)測和便于數(shù)據(jù)采集和分析的參數(shù)。

2.3方案設(shè)計

通過系統(tǒng)研制，主要實現(xiàn)功能包括：溫度超限報警、輪胎氣壓過低報警；預(yù)測以額定速度行駛給定時間后的溫度值；預(yù)測以額定速度行駛溫度超限前的最大可行駛時間；監(jiān)測參數(shù)的預(yù)、報警；決策分析最優(yōu)機動車速。

硬件系統(tǒng)組成部分有：新增傳感器(溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器)；信號采集卡(電流模擬信號采集卡、電壓模擬信號采集卡和數(shù)字信號采集卡)；電源系統(tǒng)；車載終端。系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計如圖4所示。

如圖4所示，在該硬件系統(tǒng)中，分為現(xiàn)有監(jiān)測信號采集、新增傳感器信號采集和車載平板電腦3部分。監(jiān)測信號采集部分中：NI 9205電壓模擬信號采集卡用來采集已有和新增的電壓模擬信號，NI 9421數(shù)字信號采集卡用來采集已有和新增的數(shù)字信號。車載平板電腦部分：車載平板電腦通過以太網(wǎng)線接收來自機箱采集卡的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)進行評估分析，然后將關(guān)鍵數(shù)據(jù)實時顯示出來，進行狀態(tài)監(jiān)測；根據(jù)各部件狀態(tài)給出最優(yōu)的機動方案。

圖4　系統(tǒng)硬件總體方案

2.4構(gòu)建評估模型

車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測分析主要依靠戰(zhàn)車狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)的分析和推理，推理機的模型設(shè)計采用基于規(guī)則的推理。戰(zhàn)車機動策略推理依據(jù)戰(zhàn)車狀態(tài)，建立戰(zhàn)車各部件機動信息專家?guī)旌椭R庫，給出相應(yīng)的機動策略。給出先導(dǎo)式的3R(即在準(zhǔn)確的時間，對準(zhǔn)確的部位，采取準(zhǔn)確的活動)機動策略，以實現(xiàn)戰(zhàn)車的最優(yōu)機動方案，從而提高機動能力和安全性。

針對戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃與底盤安全監(jiān)測的自身任務(wù)產(chǎn)生的應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力引起的制約機理，基于數(shù)據(jù)參數(shù)、失效物理(PoF)、專家知識等方法，建立各關(guān)鍵環(huán)節(jié)相應(yīng)的狀態(tài)評估模型。假定同一批次各設(shè)備的初始狀態(tài)相同，根據(jù)每輛車所經(jīng)歷的不同任務(wù)歷程，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正誤差的ARIMA模型預(yù)測的溫度預(yù)測方法，借助各種智能推理算法(如模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、物理模型等)評定戰(zhàn)車當(dāng)前的機動狀態(tài)。機動狀態(tài)是基于戰(zhàn)車功能性能指標(biāo)和安全要求得出的，能夠定量的反映戰(zhàn)車當(dāng)前所處的狀態(tài)，可通過試驗驗證確定，并可根據(jù)使用中反饋的數(shù)據(jù)對評估模型加以修正。根據(jù)發(fā)射車機動狀態(tài)評估模型，能夠確定發(fā)射車當(dāng)前已處于健康、亞健康或是故障狀態(tài)，可及時排除隱患或調(diào)整車速并給出維修和車速建議。通過判斷，建立一定的準(zhǔn)則進行匹配，確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方法，選擇將其存入歷史數(shù)據(jù)庫，抑或?qū)⑵鋪G棄用以釋放空間。根據(jù)研究成果，對其流程圖進行分析，對軟件化實現(xiàn)的可行性進行分析和根據(jù)數(shù)據(jù)存在方式的規(guī)范，開發(fā)狀態(tài)評估軟件模塊，根據(jù)其監(jiān)測狀態(tài)，利用內(nèi)置的評估模型和算法實現(xiàn)狀態(tài)評估的功能。

2.5構(gòu)建發(fā)射車綜合數(shù)據(jù)庫，規(guī)范數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)

針對底盤設(shè)備的現(xiàn)有使用信息和維修保障信息，對其進行知識表述和模型構(gòu)建，使其適合計算機語言編程。運用PowerBuilder、Oracle Developer或其他語言設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫，針對發(fā)射車特點，以分系統(tǒng)為單位分別建立信息子庫，其中各子庫的信息應(yīng)包括溫度信息和安全監(jiān)測信息。監(jiān)測數(shù)據(jù)在一定程度上反映發(fā)射車狀態(tài)，監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是各傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。各子庫應(yīng)規(guī)范各種信息記錄表、接口規(guī)范和信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)等。

按照系統(tǒng)開發(fā)的總體設(shè)計，對信息子庫建設(shè)提出標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)的維護與使用奠定基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)指的是其底層結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，包括存儲表的構(gòu)建和主鍵的存在形式，各相關(guān)表之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和相互之間的調(diào)用關(guān)系等，同時表中底層數(shù)據(jù)的存儲格式、類型、大小、在數(shù)據(jù)庫調(diào)入調(diào)出方式等等都需要進行規(guī)范。此外，綜合數(shù)據(jù)庫需要預(yù)留開放式優(yōu)化接口，采取通用化的接口模塊，便于后續(xù)的擴展和優(yōu)化開發(fā)。

2.6研制難點

研制難點是影響戰(zhàn)車機動的主要環(huán)節(jié)，由于目前并不存在監(jiān)測傳感器，因此在傳感器的安裝設(shè)計中需進行總體論證。在研制過程中，可以結(jié)合戰(zhàn)車健康管理系統(tǒng)的部分監(jiān)控參數(shù)，減少重復(fù)安裝。同時，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏，對于數(shù)學(xué)模型缺乏驗證措施，可在項目開展初期同步進行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，為后期決策支持模型提供盡可能多的數(shù)據(jù)。

3　結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測的戰(zhàn)車行軍車速規(guī)劃和底盤故障預(yù)警決策支持系統(tǒng)，可實時給出最優(yōu)行軍車速建議和底盤故障預(yù)警、報警信息，既可滿足作戰(zhàn)編隊行軍時的車速規(guī)劃和安全需求，又能充分發(fā)揮戰(zhàn)車的機動潛力，進而提高部隊快速反應(yīng)能力和行軍安全。該系統(tǒng)可在改變相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用于其他類型特種車輛的車速規(guī)劃和安全監(jiān)測需求。

[1]胡冬,謝勁松,呂衛(wèi)民.故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)， 2010(4)： 24-29.

[2]李田科,于仕財,于樂.導(dǎo)彈發(fā)射車綜合診斷與健康管理系統(tǒng)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2012，39(7):71-75.

[3]李田科,于仕財,余春衛(wèi).導(dǎo)彈發(fā)射車綜合診斷與健康管理系統(tǒng)[J].兵工自動化,2012，31(4):11-14.

[4]陶來發(fā),樊煥貞,呂深等.機電系統(tǒng)故障預(yù)測技術(shù)的現(xiàn)狀與分析[J].控制工程，2011，18(4):636-639.

[5]王亮,呂衛(wèi)民,馮佳晨.導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)中的傳感器應(yīng)用研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2010，18(1):1-4.

[6]陳旭，蘭孟飛，劉慶，等．汽車底盤模塊劃分及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的建立[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2015(10)：19-23.

(責(zé)任編輯周江川)

System of Speed Planning and Chassis Safety Monitoring for Combat Vehicle

LI Tian-ke1, LI Wei1, SHA Wei-xiao1, YU Shi-cai2

(The No.91980thTroop of PLA, Yantai 264000, China; 2.Department of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical Engineering Institue, Yantai 264000, China)

In order to meet speed planning and security requirements, decision support system of speed planning and chassis fault early warming based on real-time monitor system was established. By analysing system target and content, general structure and technical framework was made. System monitoring parameter and means were optimized. System model was established. The system can give optimal marching speed suggestions and chassis fault early warming and alarm information. It can improve fleet maneuverability, marching safety and battle effectiveness.

combat vehicle; speed planning; safety monitoring

2016-02-01；

2016-03-25

國家自然科學(xué)基金(61179017)

李田科(1976—)，男，高級工程師，碩士，主要從事兵器發(fā)射理論與技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.08.005

format:LI Tian-ke, LI Wei, SHA Wei-xiao,et al.System of Speed Planning and Chassis Safety Monitoring for Combat Vehicle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):20-22.

TJ812+.6

A

2096-2304(2016)08-0020-04

【裝備理論與裝備技術(shù)】