某型步兵戰車導彈綜合集成智能故障診斷系統

楊 軍，張 增，趙 磊

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

信息化戰爭要求裝備維修保障體系具有敏捷的反應能力、快速的機動能力、實時的控制能力和綜合的保障能力［1］。這對維修保障設備的研制提出了新的更高的要求，隨著各種新型裝備陸續研制成功和裝備部隊，新裝備在技術上日益復雜，隨之帶來的維修技術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是研制維修保障設備的發展方向［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，尤其是提高戰場搶修能力的有效方法和手段，對裝備形成戰斗力和保障能力具有重要的現實意義。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還未實現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彈自動故障診斷設備。因此，筆者按照保障裝備的標準化、系列化、綜合化、智能化和網絡化的要求，以及構建平戰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方式，對某型步兵戰車導彈系統自動、快速、在線和實時故障診斷設備進行了設計與研制。

1 總體方案設計

1.1 診斷對象

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

1.2 系統功能

該設備主要用于某型步兵戰車導彈武器系統標稱參數的自動檢測(可替代現有的檢測設備)，技術維護和自動、快速、實時、在線故障診斷與維修，并診斷到系統的最小可更換單元(下位機獨立使用時診斷到部件級)。該設備的主要功能如圖1所示。

圖1 故障診斷系統主要功能

該設備為2級體系結構，可分別裝備到裝甲機械化部隊中修機構、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技術條件下的基層級的使用要求。

1.3 總體構成

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

圖2 智能故障診斷設備硬件系統構成

該系統采用4級模塊化結構設計: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作為第2級模塊;下位機的制導控制系統測試模塊、發射系統測試模塊、導彈測試模塊作為第3級模塊;控制系統輔助診斷模塊、配電系統輔助診斷模塊、校驗器和專用量角設備作為第4級模塊。采用模塊化結構設計可以使得智能故障診斷設備在步兵戰車導彈裝備不解體(不開蓋)的情況下，完成對該導彈武器系統所有故障的故障診斷，并且診斷到最小可更換單元。

當下位機獨立使用時，控制系統輔助診斷模塊、配電系統輔助診斷模塊、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，專用量角設備作為相對獨立的部分由操作人員操作使用;當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通訊，其他組成部分的連接關系不變。

2 系統硬件設計

主控計算機實現對下位機的控制，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，從數據庫中獲取專家經驗，從而實現對導彈全系統的故障診斷。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 下位機硬件系統構成

下位機由智能控制［3－5］、測試與信號處理系統，制導控制系統測試模塊，發射架測試模塊、導彈測試模塊和電源單元構成，如圖3所示。其中，智能控制、測試與信號處理系統包括多個CPU、專用鍵盤、VFD顯示屏、狀態與電平指示和外部接口。專用鍵盤、VFD顯示屏和狀態與電平指示通過多個CPU構成測控人機界面，進行輸入輸出。多個CPU在各種指令控制下完成對其他4個模塊的控制，并通過制導控制系統測試模塊、發射架測試模塊、導彈測試模塊獲取的測試信息診斷系統故障，通過VFD顯示屏和狀態與電平指示輸出;制導控制系統測試模塊可完成制導控制系統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、綜合參數檢測單元、動態參數檢測單元、輔助電路(掛彈、點火電路、24 V檢測電路)單元和制導控制系統故障征兆獲取單元;發射系統測試模塊包括導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射系統故障征兆獲取單元，實現對發射架的電性能(導通狀態，絕緣狀態)和機械性能檢測;導彈測試模塊包括導彈信號源單元、導彈檢測單元和導彈故障征兆獲取單元，完成對導彈信號源的輸出幅度以及導彈各參數的檢測，并實現交、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，也可用步兵戰車中的+24 V電池供電。

控制系統輔助診斷模塊的功能是獲取被測制導控制系統上電、導彈掛彈(發射準備)、導彈發射等過程中的故障診斷特征信號。

配電系統輔助診斷模塊的功能是獲取被測制導控制系統的指令形成系統供電、導彈發射、指令傳輸等過程中的故障診斷特征信號，同時也為指令形成系統供電。

校驗器實現對被測發射架的電性能參數(導通電阻、絕緣電阻)及機械性能(發射架導軌平直度、與導彈插座對接可靠性)的檢測。

專用量角設備是測量不同制導控制指令(指令系數)時的輔助測試設備。

3 系統軟件設計

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

系統管理模塊對各功能子模塊進行統一管理，為各功能子模塊提供各種數據接口，并負責接收各功能子模塊的數據、進行數據轉換及流程管理。

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

圖4 主控計算機系統功能模塊構成

標稱參數測試模塊完成導彈武器系統所有規定的標稱參數的測試。

技術維護模塊完成導彈武器系統的日常維護、一級技術維護、二級技術維護和特定技術維護所規定的全部內容，并完成下位機自身的日常維護、一級技術維護和二級技術維護所規定的全部內容。

故障診斷模塊可以在裝備不解體的情況下，完成對導彈武器系統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、診斷對象動態工作過程故障診斷系統以及基于神經網絡的故障診斷專家系統通用平臺。其中，嵌入的基于神經網絡的故障診斷專家系統通用平臺，采用了統一基本診斷結構構建多種武器裝備故障診斷系統的設計思想，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習模型，構建了不同類型的知識庫和推理機制，并建立了神經網絡與專家系統相結合的集成智能診斷系統模型，具有通用性、擴展性和可移植性。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;診斷對象動態工作過程故障診斷系統可以實時動態監測診斷對象的工作狀態，運用在線測試和動態比較法實現在線實時診斷;故障模式自動診斷識別系統實時獲取被測系統的波形及其參數，并根據波形識別庫提供的標準信號時域波形和互相關系數進行相關度和幅度特征量(頻率因子、相位因子、幅度因子)分析，并通過基于神經網絡的故障診斷專家系統通用平臺實現系統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的通用模塊，如數據庫模塊、知識庫模塊、報表模塊、與下位機串口的通信模塊等，為系統提供接口，便于系統靈活調用，以達到便于維護和擴展的目的。

顯示模塊通過用戶界面向操作員提供監測結果和分析判斷的依據，利于測試與診斷任務的執行。

［1］焦冰.裝備維修保障體系改革研究［J］.裝甲兵工程學院學報，2010，24(5):1 －4.

［2］曹玉坤，馮輔周，王戰軍，等.研制綜合集成的檢測試驗設備推進通用裝備保障轉型建設［J］.裝甲兵工程學院學報，2008，22(4):1 －5.

［3］劉小偉，劉宇，溫培和.Altium Designer 6.0電路設計實用教程［M］.北京:電子工業出版社，2007:56－68.

［4］梅麗鳳，任國臣，藍和慧.單片機原理及接口技術［M］.北京:北京交通大學出版社，2009:98－106.

［5］李行善，左毅，孫杰.自動測試系統集成技術［M］.北京:電子工業出版社，2004:1－200.

［6］楊軍，馮振聲，黃考利.裝備智能故障診斷技術［M］.北京:國防工業出版社，2004:77－122.