論彈藥自動(dòng)裝填子系統(tǒng)動(dòng)作可靠性與故障診斷分析

唐茂華

（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207）

1 火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)概述

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)是火炮武器系統(tǒng)當(dāng)中十分重要的組成部分，其一方面可有效加快火炮的速度，增強(qiáng)火炮的威懾性，另一方面也在一定程度上轉(zhuǎn)變了以往火炮結(jié)構(gòu)以及作戰(zhàn)的方式，且在火炮發(fā)展中，彈藥自動(dòng)裝填也成為了當(dāng)前科技現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)主要由自動(dòng)彈倉(cāng)、彈藥協(xié)調(diào)器、輸彈機(jī)和檢測(cè)與控制子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，自動(dòng)彈藥倉(cāng)能夠完成彈藥的自動(dòng)裝卸、貯存，并且還可將其傳遞到彈藥協(xié)調(diào)器上，這里的彈藥協(xié)調(diào)器主要的作用是接收彈丸和裝藥模塊，并將其輸送到炮尾的后方，之后再將其與炮膛軸線對(duì)齊校正。另外輸彈機(jī)能夠從炮尾輸入炮膛，同時(shí)還可自動(dòng)檢查其在任意位置的準(zhǔn)確性。

檢測(cè)與控制子系統(tǒng)主要的功能效用就是將獲取信息實(shí)行全方位的檢測(cè)，并第一時(shí)間發(fā)送動(dòng)作指令。另外彈藥裝填是較為復(fù)雜的工作，首先要完成選彈和推彈，彈倉(cāng)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定彈距，由推彈器將彈藥送入?yún)f(xié)調(diào)器，之后還要利用協(xié)調(diào)器將彈藥向火炮射角協(xié)調(diào)，接著協(xié)調(diào)器上的擺彈裝置再旋轉(zhuǎn)托盤(pán)和彈丸，彈丸通過(guò)輸彈機(jī)送入炮膛。之后，輸彈機(jī)再進(jìn)行收鏈操作，擺彈返回時(shí)托彈盤(pán)需回到原始的位置。最后是協(xié)調(diào)返回，即協(xié)調(diào)器必須返回到接彈口的位置。該過(guò)程的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都會(huì)直接導(dǎo)致任務(wù)的失敗。因此要對(duì)彈藥裝填進(jìn)行建模處理，并且還要對(duì)故障進(jìn)行全方位動(dòng)態(tài)的分析與診斷。

2 彈藥裝填系統(tǒng)典型子系統(tǒng)動(dòng)作可靠性評(píng)估及優(yōu)化

動(dòng)作可靠性主要指的是機(jī)械系統(tǒng)定位在規(guī)定精度內(nèi)的概率。該系統(tǒng)的可靠性評(píng)估與其他機(jī)械有著諸多相似之處，但是其也有區(qū)別于其他機(jī)械可靠性評(píng)估的方面。

首先，在該系統(tǒng)的可靠性分析中，主要以不確定性傳播分析和機(jī)械動(dòng)作誤差分析為主要的基礎(chǔ)和前提。其次，失效的條件不能滿足動(dòng)作性能指標(biāo)的要求，雖然一些指標(biāo)在沒(méi)有滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，也不會(huì)造成故障或損壞，但其也會(huì)被列入到危險(xiǎn)因素之中。再次，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，動(dòng)作的可靠性是人們最為關(guān)注的內(nèi)容，這主要是由于運(yùn)動(dòng)性對(duì)特殊性設(shè)備的研究具有不可忽視的影響力，但從實(shí)際角度分析，系統(tǒng)動(dòng)作的可靠性與其他設(shè)備相比，依然存在較為明顯的不足。

為了保證系統(tǒng)的每個(gè)部分均得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)所有操作的運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)都做出了較為明確的規(guī)定，且為了讓彈藥裝填的順利完成，每個(gè)動(dòng)作都必須符合指標(biāo)的要求。這就是本文章所說(shuō)的動(dòng)作可靠性。如在協(xié)調(diào)動(dòng)作中，就對(duì)協(xié)調(diào)定位的精度指標(biāo)做出了十分明確的規(guī)定。如果協(xié)調(diào)定位的誤差超出規(guī)定范圍，雖然對(duì)協(xié)調(diào)動(dòng)作并無(wú)明顯影響，但對(duì)后續(xù)的輸彈環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生較為顯著的負(fù)面影響。比如，輸彈時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)彈丸與身管中心偏離，進(jìn)而影響輸彈速度；或者彈丸卡膛無(wú)法到達(dá)指定位置，從而無(wú)法完成彈藥的裝填和火炮發(fā)射工作。

此外，動(dòng)作失效與運(yùn)動(dòng)誤差的不確定性有著十分密切的聯(lián)系，系統(tǒng)內(nèi)多種不確定因素都是運(yùn)動(dòng)誤差的主要來(lái)源，而我們將不確定性因素稱(chēng)之為不確定性參數(shù)。為了有效完善可靠性評(píng)估的效果，增強(qiáng)彈藥填裝動(dòng)作的可靠性，在設(shè)計(jì)中需要科學(xué)選擇設(shè)計(jì)變量，同時(shí)還要優(yōu)化動(dòng)作的可靠性。為了有效減少優(yōu)化設(shè)計(jì)中所消耗的時(shí)間和資金，需要相關(guān)人員采用科學(xué)有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)背景下的故障診斷的方法

診斷機(jī)主要指的是獲得樣本和特征參數(shù)之后，所創(chuàng)建的特征參數(shù)到不確定性變量之間的映射，從本質(zhì)上來(lái)看，其屬于監(jiān)督回歸問(wèn)題。在故障判斷中，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種當(dāng)前比較先進(jìn)，而且大眾也相對(duì)認(rèn)可的方法。支持向量機(jī)以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常是人們的首選，雖然RBF的優(yōu)勢(shì)較為明顯，但是因?yàn)槠渑c其他的技術(shù)相比還不是十分創(chuàng)新，所以也有一些負(fù)面評(píng)價(jià)。BP網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時(shí)容易出現(xiàn)局部極值，再加上其收斂的速度不是很快，且逼近精度上也存在著明顯的不足。

本文所研究的是復(fù)雜度較低的機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題，不需要大容量的樣本，所以對(duì)學(xué)習(xí)速度并無(wú)非常嚴(yán)格的要求，因此可以用BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這一問(wèn)題。

BP網(wǎng)絡(luò)主要是指采用多層感知機(jī)結(jié)構(gòu)和反響傳播訓(xùn)練算法的網(wǎng)絡(luò)，單向感知機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，Xi表示感知器輸入，wi表示輸入權(quán)值，b表示偏置，a表示輸出，z為加權(quán)和表示激活函數(shù)，為單個(gè)感知機(jī)函數(shù)。另外多層次的感知機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要指的是具有前后次序的多層次結(jié)構(gòu)，每一層當(dāng)中都涵蓋多個(gè)感知機(jī)，上一層的輸出可直接作為下一層感知機(jī)的輸入。在多層感知機(jī)中，表示第l層上的神經(jīng)元i到i+1層上神經(jīng)元j的權(quán)值。bi(l)表示第l層上的神經(jīng)元i的偏置值，表示的是第l+1層上的神經(jīng)元j的輸出值，而則表示l+1層上神經(jīng)元j的加權(quán)和。

圖1 單個(gè)感知機(jī)

假設(shè)容量為N的樣本集{(X1,Y1），（X2,Y2）…，（XN,YN）}，W、b為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣和偏置矩陣，可采用樣本輸出均方網(wǎng)速差的方式，來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)孔性及可靠性。

式中：netW，b（Xn）表示輸入向量為Xn的網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練實(shí)際上涉及到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題，應(yīng)科學(xué)選擇W、b，從而保證g（W，b）達(dá)到最小值，并且為了更好地展示最終的效果，可選擇梯度下降法來(lái)更新W和b。

式中：α表示學(xué)習(xí)速率，并采用鏈?zhǔn)轿⒎e分法來(lái)計(jì)算偏導(dǎo)數(shù)得到：

則（3）式可變?yōu)椋?/p>

針對(duì)隱藏層l可依據(jù)l+1層的結(jié)果來(lái)計(jì)算，則得出：

在計(jì)算的過(guò)程中可由最后一層推算出前一層，這也是該算法被稱(chēng)作反向傳播的重要原因。在計(jì)算后可得出全部敏感性系數(shù)，從而結(jié)束所有的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練環(huán)節(jié)。在這一過(guò)程中需要注意的一點(diǎn)是，（1）式并不是凸函數(shù)，因此其可能出現(xiàn)局部極值。因此在BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，我們也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳的改進(jìn)版本。除此之外，在抽樣、仿真、特征提取和計(jì)算的過(guò)程中，輸入是一種具有不確定性的變量，輸出的是特征參數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其方向恰好相反。特征函數(shù)是輸入的主要內(nèi)容，其輸出的是不確定性變量。因此在診斷時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練實(shí)際上就是求反函數(shù)的過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合上述所說(shuō)，彈藥自動(dòng)填裝系統(tǒng)的可靠性直接決定了系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量及整體運(yùn)行水平，故而人們必須加大對(duì)系統(tǒng)可靠性的重視程度。又因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行中由于受到多種因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的故障，而為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，需要相關(guān)人員采取有效措施，做好系統(tǒng)的故障診斷分析工作，這樣才能有效維護(hù)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，最大限度的增大工作的安全系數(shù)。