基于狀態(tài)監(jiān)測的裝備保障特性評估系統(tǒng)研究

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(中國人民解放軍92228部隊，北京 102442)

0 引言

裝備保障特性是與裝備保障相關(guān)的設(shè)計特性及其綜合體現(xiàn)，是裝備功能發(fā)揮或性能劣化的度量，包括可靠性、維修性、測試性、保障性以及綜合特性等。裝備保障特性直接關(guān)系到裝備是否可靠耐用、操作簡便，是否易于維護(hù)、檢測、修理，保障資源配備是否配發(fā)及時，品種是否配套完備、數(shù)量是否經(jīng)濟(jì)合理等基礎(chǔ)[1-2]。

岸防裝備系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取途徑主要是裝備定期檢查、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試、全系統(tǒng)加電測試和分系統(tǒng)加電測試、BITE測試等方式，測試項和數(shù)據(jù)主要關(guān)注裝備功能測試，有關(guān)裝備性能狀態(tài)相關(guān)的信息獲取不足，難以直觀評價裝備的當(dāng)前狀態(tài)以及狀態(tài)的變化趨勢，缺乏對裝備的預(yù)見性和及時性維修的支持。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可通過各種測試測量手段，獲取目標(biāo)對象的技術(shù)狀態(tài)，并采用各種傳輸途徑和警示手段，實現(xiàn)對裝備當(dāng)前狀態(tài)的總體掌握，通過狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，實現(xiàn)岸防裝備保障特性的評估，可及時、準(zhǔn)確地掌握裝備的技術(shù)狀態(tài)，快速、精準(zhǔn)地響應(yīng)各類保障需求，適時、主動優(yōu)化裝備性能，從而充分發(fā)揮裝備作戰(zhàn)效能[3-4]。

1 面向狀態(tài)監(jiān)測的岸防裝備特性分析

1.1 岸防裝備結(jié)構(gòu)特性分析

以雷達(dá)等典型岸防裝備為例，其通常由天饋、收發(fā)、信號處理、錄取終端、監(jiān)控、伺服和電源等分系統(tǒng)組成。為適應(yīng)不同作戰(zhàn)任務(wù)需要，增強(qiáng)對不同類型目標(biāo)的探測能力，雷達(dá)系統(tǒng)可設(shè)置多種工作狀態(tài)、多種工作模式，以適應(yīng)不同的使用要求[5]。作為大型復(fù)雜電子裝備，雷達(dá)裝備具有如下特點：

1)系統(tǒng)的復(fù)雜性：雷達(dá)裝備高新技術(shù)密集，更新?lián)Q代快，特別是新型雷達(dá)裝備體系龐大、技術(shù)復(fù)雜度、器件集成度高，集光、機(jī)、電、液、聲于一體，涉及多個維修專業(yè)，對裝備狀態(tài)保持提出很高的要求。

2)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性：雷達(dá)裝備的系統(tǒng)呈階梯分布式結(jié)構(gòu)，各子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)具有并行性；裝備各子系統(tǒng)的控制信息和故障信息之間存在或強(qiáng)或弱的相關(guān)性，因此，系統(tǒng)通常為近似可分解系統(tǒng)。

3)壽命分布的復(fù)雜性：20世紀(jì)50～60年代，普遍認(rèn)為所有裝備的故障率都符合“浴盆曲線”，即都有早期故障期、偶然故障期和損耗故障期。隨著裝備的日益復(fù)雜和維修理論的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除“浴盆曲線”以外，還有五種故障曲線，均與壽命周期分布有關(guān)。雷達(dá)裝備的特點決定了其壽命分布的復(fù)雜性，這是開展維修性工程必須面對的問題[6]。

4)狀態(tài)的復(fù)雜性：岸防裝備型號多、數(shù)量大，不同的環(huán)境下都有若干個可能的運行狀態(tài)，裝備的工作過程直接影響著裝備的運行狀態(tài)。因此，岸防裝備狀態(tài)的復(fù)雜性是影響裝備修理時機(jī)決策合理與否的一個重要因素。

1.2 岸防裝備測試性分析

目前，新型岸防裝備在進(jìn)行測試性設(shè)計的過程中，采取機(jī)內(nèi)自檢(BITE)實現(xiàn)各分系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)參數(shù)的測試、分析處理和故障隔離。通過選取某三種型典型雷達(dá)裝備，對裝備的BIT結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行分析可知，當(dāng)前岸防裝備BITE技術(shù)可以在動態(tài)、靜態(tài)BITE檢測過程中完成預(yù)定的狀態(tài)監(jiān)測和故障隔離定位功能，但存在各型號岸防裝備BITE內(nèi)部總線設(shè)計、編碼規(guī)范不統(tǒng)一，故障隔離軟件設(shè)計定位精度不準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題，特別是大多BITE僅顯示裝備最終狀態(tài)，不具備各功能模塊參數(shù)輸出功能。

2 岸防裝備狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

狀態(tài)監(jiān)測主要進(jìn)行岸防裝備關(guān)鍵系統(tǒng)部件狀態(tài)的實時獲取，是保障特性評估研究和系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)和重點部分，整個系統(tǒng)包括：車載系統(tǒng)(如雷達(dá)指揮車等)和地面系統(tǒng)兩個部分。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)前期完成工作包括車上單元部署以及傳感器的安裝，以及算法、模型的加載。在運行過程中，車載系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，完成初級故障判讀與報警，并將必要信息進(jìn)行傳送以及原始數(shù)據(jù)存儲；地面系統(tǒng)接收車上傳送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行在線監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測以及健康綜合管理等工作，完成對岸防裝備的健康狀態(tài)管理。岸防裝備狀態(tài)監(jiān)測與健康管理整體部署架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)車載系統(tǒng)：負(fù)責(zé)提供車載的采集、處理、診斷以及報警等功能，包括車載數(shù)據(jù)采集單元、故障診斷單元、數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)單元以及相應(yīng)的車載軟硬件。

2)地面系統(tǒng)：旨在建立一套開放式的、綜合的狀態(tài)監(jiān)測、健康管理以及保障特性評估系統(tǒng)，為維修保障、運營維護(hù)以及深層次保障特性分析提供一套完整的解決方案。

岸防裝備通過專用傳輸網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)傳電臺等將數(shù)據(jù)實時傳送至地面系統(tǒng)，供維護(hù)人員、技術(shù)專家進(jìn)行監(jiān)控和分析。

在完成一次行駛之后，外場人員將行駛過程中存儲的數(shù)據(jù)通過存儲卡或有線傳輸?shù)姆绞綄⒂涗浀臄?shù)據(jù)傳送至基地站服務(wù)平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器中，供岸防裝備維護(hù)人員、岸防裝備專家進(jìn)行處理和分析。同時，生成行駛報告交由行駛員確認(rèn)之后，將行駛報告內(nèi)容錄入基地站服務(wù)平臺中。

當(dāng)裝備系統(tǒng)專家診斷知識或配置需要更新時，外場人員通過基地系統(tǒng)編輯并生成車載配置文件，通過車載存儲卡片(SD/PC卡)或有線/無線網(wǎng)絡(luò)傳送至車載系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對車載信息采集與診斷系統(tǒng)的更新與擴(kuò)展，提高系統(tǒng)的靈活性。

2.2 工作原理

車載系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)提供給中央處理單元進(jìn)行處理，然后，通過特征提取、信號分析等方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和故障診斷，并利用便攜式維護(hù)終端(VPED)完成車載實時顯示。同時，按照一定的格式將采集數(shù)據(jù)及相關(guān)處理結(jié)果進(jìn)行存儲，供基地站服務(wù)平臺進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.3 功能組成

岸防裝備狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)軟件由車載系統(tǒng)軟件和基地站服務(wù)平臺兩大部分組成。車載系統(tǒng)軟件由車載數(shù)據(jù)采集軟件、車載故障診斷軟件和數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)軟件組成，完成車載數(shù)據(jù)采集、故障診斷或數(shù)據(jù)存儲功能。地面系統(tǒng)由知識管理軟件、在線監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)處理分析軟件、故障診斷軟件、預(yù)測軟件、健康管理軟件、保障特性評估與權(quán)衡軟件和車載系統(tǒng)配置軟件等組成。

2.4 互連接口設(shè)計

車載系統(tǒng)主要包含三類接口，一類是系統(tǒng)內(nèi)部接口，二類系統(tǒng)外部接口。

1)車載總線接口：外部接口，實現(xiàn)與車上CAN總線、1553B或232/422總線設(shè)備的數(shù)據(jù)收集；

2)無線工作接口：外部接口，實現(xiàn)與外部裝備系統(tǒng)維護(hù)人員所使用的手持式維護(hù)終端的數(shù)據(jù)交互等；

3)顯示報警接口：預(yù)留外部接口，實現(xiàn)車載采集處理與報警系統(tǒng)與車載顯示系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；

4)存儲卡：通過存儲卡實現(xiàn)裝備系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程平臺的離線傳輸；

5)無線通信接口：預(yù)留接口，通過數(shù)傳電臺、3G、4G等無線通信方式實現(xiàn)裝備系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程平臺的實時傳輸。

3 基于狀態(tài)監(jiān)測的保障特性評估系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

3.1 車載系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

3.1.1 車載數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端

系統(tǒng)總體原理如圖2所示。它由振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器等感知并測量對應(yīng)的參量信號，然后將其傳送到車載測試終端采集系統(tǒng)中。車載測試終端系統(tǒng)主機(jī)由外來車載直流18～36V電源供電，其中設(shè)置軟硬件相關(guān)資源，在系統(tǒng)嵌入式計算機(jī)的管理下，完成對信號的調(diào)理、采集、計算、存儲以及卸載等功能。同時系統(tǒng)可將內(nèi)部狀態(tài)輸出，并接收外界其它相關(guān)狀態(tài)信號，完成對應(yīng)工作模式的轉(zhuǎn)換、資源的調(diào)配；同時為了便于開發(fā)調(diào)試，設(shè)置必要的測試調(diào)試端口。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

1)總線架構(gòu)設(shè)計：主體采用PCI-104總線結(jié)構(gòu)形式，PCI-104總線是一種成熟的總線；模塊化結(jié)構(gòu)方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，通道增減，方便維護(hù)和更換。

2)硬件設(shè)計：硬件功能模塊采用導(dǎo)冷結(jié)構(gòu)、后走線方式。設(shè)備以PCI-104嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)為平臺進(jìn)行構(gòu)建，主要模塊包括：嵌入式控制主機(jī)模塊、多功能測量模塊、動態(tài)信號分析模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊、CAN總線模塊，調(diào)理模塊、電源模塊。其中，嵌入式控制主機(jī)模塊用于整個系統(tǒng)的各種資源的管理與配置，并具有多種接口，如SD/CF卡、USB和無線通信等；多功能測量模塊用于采集所涉及的模擬量、數(shù)字量以及實現(xiàn)數(shù)字量輸出；動態(tài)信號分析模塊用來實現(xiàn)外接振動傳感器的信號采集；轉(zhuǎn)速采集模塊用于采集系統(tǒng)中涉及的轉(zhuǎn)速信號；調(diào)理模塊實現(xiàn)車載測試終端內(nèi)部信號和外部信號匹配調(diào)理；電源模塊用于將外界的24 V(18～36 V)等電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)所需的電源。

3)軟件設(shè)計：軟件選擇采用實時該系統(tǒng)的軟件以Windows XP / Windows 7或Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，在此平臺上進(jìn)行底層驅(qū)動程序的開發(fā)、文件系統(tǒng)的開發(fā)，上層應(yīng)用程序根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測與健康管理系統(tǒng)功能應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)。主要包括：

a) 數(shù)據(jù)采集與處理：主要包括車上已有總線數(shù)據(jù)的監(jiān)聽和獲取，以及通過加裝傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且將所采集的信號提供基本的信號調(diào)理以及預(yù)處理等功能，轉(zhuǎn)化為有意義的工程值。數(shù)據(jù)采集與處理模塊同時實現(xiàn)對采集信號進(jìn)行信號基本特征的提取，包括時域特征、頻域特征等。

b)超限監(jiān)控：通過加載XML閾值配置文件，獲取關(guān)鍵參數(shù)判讀規(guī)則、門限值，監(jiān)控特征參量，判斷是否超限，實現(xiàn)對裝備各系統(tǒng)的故障監(jiān)控，主要對裝備典型系統(tǒng)特征值進(jìn)行監(jiān)控。

c)存儲轉(zhuǎn)發(fā)模塊：主要完成采集數(shù)據(jù)、超限結(jié)果的存儲以及轉(zhuǎn)發(fā)，通過車載數(shù)據(jù)通信接口，實現(xiàn)采集、處理后數(shù)據(jù)的存儲與交互。

d)車載數(shù)據(jù)通信接口：主要提供有線(如通過以太網(wǎng))或無線(如通過WIIF/3G/4G等)等方式的通信功能，實現(xiàn)對其采集數(shù)據(jù)的外部傳輸，以及與車載便攜式維護(hù)終端VPED、地面系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)交互。

e)知識更新及數(shù)據(jù)同步：接收知識更新XML數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)對監(jiān)控知識、采集頻率等的控制與更新；同時，支持利用便攜式維護(hù)終端，將歷史數(shù)據(jù)同步至終端存儲設(shè)備中。

4)結(jié)構(gòu)設(shè)計：車載電子設(shè)備所處的力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境、機(jī)械環(huán)境以及電磁環(huán)境等都比較復(fù)雜、惡劣，采用恰當(dāng)?shù)恼麢C(jī)結(jié)構(gòu)形和合理布局，對于解決振動沖擊、電磁屏蔽、散熱以及可靠性和維護(hù)性等諸多矛盾，提高設(shè)備的防振動、抗沖擊能力，使其適應(yīng)車載的各種振動、沖擊環(huán)境起著關(guān)鍵的作用[7]。因此，車載數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端在結(jié)構(gòu)上采用符合GJB 441-88標(biāo)準(zhǔn)的ATR加固機(jī)箱外形尺寸，采用熱設(shè)計技術(shù)、抗振動沖擊設(shè)計技術(shù)以及電磁兼容技術(shù)等，確保系統(tǒng)在良好的工作環(huán)境正常可靠運行，同時兼顧小型化、輕量化、快速安裝及維護(hù)設(shè)計。

3.1.2 便攜式維護(hù)終端

車載數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端通過便攜式維護(hù)終端(VPED)進(jìn)行顯示與維護(hù)。VPED終端既可長期安裝于車上，通過以太網(wǎng)或無線等方式，與車載數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端連接，用于車載數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視終端的監(jiān)視、報警及數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，也可實現(xiàn)對岸防車輛裝備的便攜式移動維護(hù)。此外，還可利用WIFI、3G、4G等網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對車輛采集數(shù)據(jù)的回傳和遠(yuǎn)程分析。

便攜式維護(hù)終端VPED的軟件功能主要包括：

1)狀態(tài)監(jiān)控：提供對裝備采集數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控功能，將監(jiān)控過程中出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行報警提醒。

2)故障診斷：采用故障案例與故障樹方法，對用戶輸入的故障現(xiàn)象、測試數(shù)據(jù)異常值等進(jìn)行推理、分析，提供故障診斷結(jié)果，并按照相似度進(jìn)行多個診斷結(jié)果排序。用戶通過連接查看具體診斷、排故信息。

3)電子手冊：提供用于車輛維護(hù)、車輛拆裝、維修排故等技術(shù)資料的查看，手冊資源包括了文字、圖片等信息，輔助駕駛員對車輛維修保障。

4)維修記錄：為駕駛員等用戶提供現(xiàn)場維修信息的填寫、保存以及遠(yuǎn)端發(fā)送功能，達(dá)到有效監(jiān)控維修過程，提高后續(xù)維修排故信息支撐的目的。填寫的維修記錄信息包括：車輛、地點、時間、故障現(xiàn)象、故障分析、故障診斷結(jié)論、排故過程、排故體會等。在具備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的條件下，維修記錄可通過上傳遠(yuǎn)端可形成后續(xù)的案例知識，支撐其它車輛裝備排故。

5)系統(tǒng)管理：提供系統(tǒng)診斷知識升級、車載監(jiān)控配置下傳、數(shù)據(jù)同步下載、遠(yuǎn)程通信IP端口設(shè)置等基礎(chǔ)維護(hù)功能。

3.2 地面系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

地面系統(tǒng)主要為狀態(tài)監(jiān)測與健康管理基地站服務(wù)平臺，擬采用C/S架構(gòu)模式，服務(wù)器部署在基地站信息中心，客戶端可同時安裝在便攜式維護(hù)設(shè)備VPED或其他地面分析終端(如PC等)中。地面服務(wù)平臺主要實現(xiàn)岸防裝備狀態(tài)監(jiān)測與診斷、狀態(tài)預(yù)測與健康分析等功能。

1)狀態(tài)監(jiān)測：狀態(tài)監(jiān)測診斷軟件模塊主要實現(xiàn)對岸防裝備的測試數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等的在線監(jiān)測、顯示，以及對參數(shù)超限等信息的顯示報警等功能。

2)故障診斷：故障診斷模塊主要提供岸防裝備基于規(guī)則、案例等的診斷功能，實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確定位。

3)健康分析：健康分析軟件模塊包括參數(shù)預(yù)測和健康評估兩部分內(nèi)容，參數(shù)預(yù)測針對各個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行趨勢的分析、預(yù)測，健康評估利用健康評估模型對目前車輛的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，并結(jié)合當(dāng)前車輛的健康狀態(tài)和未來車輛的關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測值對車輛未來的健康走勢情況進(jìn)行預(yù)測，針對車輛從現(xiàn)在到未來一定時期內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行分析評估，指導(dǎo)維護(hù)維修工作的開展。

4)保障特性評估：綜合裝備測試性、維修性、戰(zhàn)備完好性等各類保障性指標(biāo)，實現(xiàn)保障特性的綜合評定。進(jìn)一步，綜合權(quán)衡分配裝備測試性、維修性、戰(zhàn)備完好性等各類保障性指標(biāo)，以實現(xiàn)在特定目標(biāo)下的保障性能最優(yōu)。

5)配置管理：提供用戶對數(shù)據(jù)導(dǎo)入、配置的生成以及診斷等知識的升級等功能。

4 系統(tǒng)驗證與分析

以某部隊岸防武器系統(tǒng)的電子電器2為驗證對象，驗證并分析該系統(tǒng)下的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康評估等情況。

4.1 狀態(tài)監(jiān)測模塊的驗證

電子電器2部位監(jiān)測參數(shù)有：發(fā)動機(jī)電流、環(huán)境溫度、發(fā)動機(jī)電壓、發(fā)動機(jī)溫度等，該系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測主要監(jiān)測并顯示以上狀態(tài)參數(shù)的變化，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測模型和算法，初級預(yù)測出當(dāng)前狀態(tài)評分和健康狀態(tài)等級。

圖3 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷

4.2 故障診斷模塊驗證

故障診斷模塊主要是利用匹配故障樹根據(jù)故障現(xiàn)象，診斷出某系統(tǒng)故障，或者利用匹配案例法，根據(jù)案例種類，診斷出系統(tǒng)故障，給出維修建議。

4.3 健康分析模塊驗證

健康分析模塊是對裝備當(dāng)前及未來的健康狀況和健康走勢情況進(jìn)行分析。根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測初級預(yù)測以及故障診斷，評估電子電器2的當(dāng)前健康狀態(tài)，根據(jù)健康評估結(jié)果明確指導(dǎo)維護(hù)維修工作。

健康預(yù)測是加載ARMA、AR、多項式擬合等數(shù)據(jù)預(yù)測模型，選擇數(shù)據(jù)點的范圍和預(yù)測點的數(shù)量，對電子電器2進(jìn)行健康趨勢預(yù)測，預(yù)測得到設(shè)定數(shù)量的數(shù)據(jù)點時間序列，預(yù)測點離原始數(shù)據(jù)點的時間越近，預(yù)測就越準(zhǔn)確。

圖4 狀態(tài)預(yù)測與保證特性評估

5 結(jié)束語

基于狀態(tài)監(jiān)測的裝備保障特性評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了岸防武器系統(tǒng)健康狀態(tài)的全面監(jiān)測、健康評估，可診斷岸防武器系統(tǒng)自身故障，給出維修策略和方法。另外，在改變評估模型與算法的基礎(chǔ)上，本研究的研究成果可廣泛應(yīng)用于其它裝備的綜合診斷和健康狀態(tài)監(jiān)測，對開展視屏維修，實現(xiàn)精確化保障，具有十分重要的意義；對未來其他型號裝備系統(tǒng)保障綜合診斷和健康管理的研究提供一定的參考與借鑒，可有效提供岸防武器系統(tǒng)保障能力和未來信息化作戰(zhàn)能力。