艦船電子裝備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷*

殷海俊 黃惠寧

(92823部隊 三亞 572021)

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艦船電子裝備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷*

殷海俊 黃惠寧

(92823部隊 三亞 572021)

現(xiàn)代艦船電子裝備迅猛發(fā)展,推動了裝備檢測技術(shù)的不但進步。論文從艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷維修的特點出發(fā),提出了實現(xiàn)艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的基本構(gòu)想與設(shè)計方案以及實現(xiàn)途徑,指出了系統(tǒng)的優(yōu)點與發(fā)展方向。

電子裝備; 狀態(tài)監(jiān)測; 故障診斷; 裝備維修

Class Number TP206

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭中,如何提高艦船電子裝備的技術(shù)保障能力,充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能,是目前十分突出的任務(wù)。為了滿足艦船電子裝備技術(shù)保障需要,亟待建立艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng),本文將從監(jiān)測和故障診斷理論與技術(shù)發(fā)展,以及系統(tǒng)的可測性和設(shè)計性兩方面入手,結(jié)合電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù),對艦船電子裝備的監(jiān)測與故障診斷進行研究,以期優(yōu)化。

2 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測與診斷的 基本技術(shù)

2.1 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測的意義

艦船電子裝備具有高度的自動化、集成化、一體化特點,任何微小的故障都可能會導(dǎo)致整個電子裝備系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)內(nèi)部的電氣部件、電子部件、機械部件之間存在著復(fù)雜的、抽象的聯(lián)系,許多設(shè)備采用計算機芯片去完成過去由大量的機械部件或電氣部件所完成的功能,同時電氣故障很難捕捉,不便于查找,絕大多數(shù)故障必須在帶電運行狀態(tài)下才能被檢測。因此,通過觀察故障的外部現(xiàn)象來分析排除故障的傳統(tǒng)方法已不適應(yīng)現(xiàn)代電子裝備系統(tǒng)的維修,有必要設(shè)計一種監(jiān)測裝置[1～2]。

2.2 艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的基本方法

現(xiàn)代艦船電子裝備采用操作檢測機內(nèi)一體化設(shè)計,很好地解決了上述問題,實現(xiàn)了在通電狀態(tài)下,通過操作運行武器系統(tǒng),來監(jiān)控、檢測系統(tǒng)的性能。并通過人機對話把各種狀態(tài)下系統(tǒng)或部件的性能顯示在操作桌面上。操作檢測機內(nèi)一體化設(shè)計具有以下特點: 1) 裝備系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前,通過通電自檢確保系統(tǒng)準備狀態(tài)完全透明,以便不失時機的采取應(yīng)對措施。這對于保證操作人員具有良好的心態(tài)和自信,保證任務(wù)的繼續(xù)執(zhí)行是至關(guān)重要的。 2) 裝備系統(tǒng)在工作過程中,通過實時監(jiān)控可以發(fā)現(xiàn)和糾正參數(shù)配置和系統(tǒng)工作中可能出現(xiàn)的誤操作以及指令未到位的偶然現(xiàn)象。監(jiān)視、監(jiān)聽系統(tǒng)在工作過程中可能發(fā)生的故障報警,以便采取措施保證系統(tǒng)正常運行。 3) 實現(xiàn)裝備系統(tǒng)的全功能測試,通過對各分系統(tǒng)或者設(shè)備進行首末端大跨度的全功能測試,運用故障可發(fā)現(xiàn)率最高的測試方法,對系統(tǒng)所有的器件包括軟件和硬件,電子類和非電子類全部功能的總測試,把故障定位到初始約定的介面上,以保證維修人員能全面掌握裝備系統(tǒng)的狀況,及時組織維修保障工作[3～4]。

2.3 艦船電子裝備系統(tǒng)故障診斷基本方法

1) 電子裝備系統(tǒng)裝備故障特點

裝備故障是指不能完成預(yù)定功能的事件或狀態(tài),它通常以各種異常的現(xiàn)象反映出來。電子裝備系統(tǒng)是一個涉及控制論、微電子和計算機技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程,它由眾多分系統(tǒng)和設(shè)備組成,每一分系統(tǒng)或設(shè)備故障的發(fā)生都可能導(dǎo)致系統(tǒng)失靈或癱瘓,因此系統(tǒng)的故障特點表現(xiàn)為復(fù)雜性、相關(guān)性、層次性、延時性和隨機性[5]。

2) 電子裝備系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

電子裝備故障診斷系統(tǒng)主要是進行電子裝備各分系統(tǒng)和設(shè)備信號傳遞的正確性檢查,系統(tǒng)控制與裝備的工作協(xié)調(diào)性檢查,通過對各設(shè)備接口信號的實時采集與檢測,便可實現(xiàn)故障的實時診斷與處理。

故障診斷技術(shù)是一門綜合性技術(shù),它不僅與診斷對象的性能和運行規(guī)律密切相關(guān),而且還涉及多門學(xué)科,如現(xiàn)代控制理論、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計、模糊集理論、信號處理、模式識別和人工智能等學(xué)科理論。故障診斷技術(shù)發(fā)展至今,已提出許多方法,其中基于知識的智能化故障診斷專家系統(tǒng)已成為現(xiàn)代武器裝備故障診斷技術(shù)的一個最有前途的發(fā)展方向,它能充分利用專家的經(jīng)驗和各方面的知識,快速準確地判斷導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的性能狀況,對出現(xiàn)的問題及時進行評價與決策,提高武器裝備的維修保障能力[6]。

3 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障診 斷的系統(tǒng)設(shè)計

3.1 艦船電子裝備系統(tǒng)采用技術(shù)

1) 操作檢測一體化設(shè)計

電子裝備運用操作檢測機內(nèi)一體化設(shè)計后,經(jīng)初步檢測能把故障定位到分系統(tǒng)或者部件上,但對故障具體的診斷和排除要靠維修保障人員的理論知識和實踐經(jīng)驗。通常的故障報告對故障情況的描述還不能給予準確的定位,有的缺少或忽略了一些重要數(shù)據(jù)。在這種情況下,利用電子裝備故障診斷專家系統(tǒng)幫助人工進行決策分析,就能迅速找到解決問題的答案。

2) 電子裝備系統(tǒng)的自動檢測技術(shù)

電子裝備系統(tǒng)具有模塊化、插件式的結(jié)構(gòu),通過更換模塊或插件即可進行快速修復(fù)。根據(jù)電子裝備的維修特征,故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障運行狀態(tài),并將故障定位到可更換的部件,通過繼續(xù)對部件診斷,故障診斷系統(tǒng)將故障進一步定位到可更換元件。

近年來,自動測試技術(shù)得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用,自動測試技術(shù)的應(yīng)用大大提高了測試的速度和準確性。將專家系統(tǒng)和自動測試技術(shù)結(jié)合起來,建立電子裝備檢測診斷系統(tǒng)對裝備進行快速檢測和診斷,根據(jù)自動測試獲得的數(shù)據(jù),完成自動測試系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的故障診斷和故障定位功能。

利用該系統(tǒng)可以預(yù)防或消除故障,通過狀態(tài)監(jiān)測,及時、正確地對電子系統(tǒng)單機的各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷,提高故障診斷的迅速性和有效性,從而提高電子裝備的技術(shù)保障能力[7～8]。

3) 專家診斷系統(tǒng)

電子裝備故障診斷專家系統(tǒng)是一種高級而復(fù)雜的計算機程序,是人工智能的具體應(yīng)用。它將眾多專家在電子系統(tǒng)領(lǐng)域里分析和解決問題的經(jīng)驗和知識建成一個大型的綜合數(shù)據(jù)庫,只要輸入所需解答的問題,計算機就可以利用軟件進行分析判斷,模擬專家解答問題的過程,最后在數(shù)據(jù)庫中尋找到正確答案。

3.2 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與診斷框圖

電子裝備監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài),當運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時,能迅速地進行故障定位及故障的早期預(yù)防。一般來說,故障實時診斷系統(tǒng)包括信號實時采集部分、故障診斷計算機、相關(guān)電纜以及故障診斷軟件、專家知識庫和信號模擬器等組成,系統(tǒng)[9]結(jié)構(gòu)如圖1所示。

· 數(shù)據(jù)采集處理模塊:接收、轉(zhuǎn)換現(xiàn)場武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中輸出的各種狀態(tài)數(shù)據(jù),送數(shù)據(jù)采集單元進行采集處理,輸出給系統(tǒng)計算機,同時面板顯示。

· 裝備狀態(tài)監(jiān)測模塊:監(jiān)測武器裝備的運行狀態(tài),顯示運行參數(shù),回答用戶對系統(tǒng)的提問,跟蹤記錄推理過程,對所得出的結(jié)論給以解釋。

· 裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫:主要存放數(shù)據(jù)采集單元得到的武器系統(tǒng)輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)推理得出的中間結(jié)果以及通過人機接口輸入的對話信息。

· 故障診斷模塊:在一定的推理和控制策略下,根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的已知狀態(tài)數(shù)據(jù),選擇知識庫中的相關(guān)知識,進行邏輯推理與判斷,直至最終得出故障結(jié)論。

· 專家數(shù)據(jù)庫:用于存貯求解問題的專家知識,包括導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的原理性知識(聯(lián)調(diào)的方法、測試手段、電路圖、數(shù)據(jù)表格等)、故障診斷的原則和方法以及相關(guān)事實等。數(shù)據(jù)庫為故障模塊提供求解問題所需要的技術(shù)支撐,同時數(shù)據(jù)庫中所包含知識的數(shù)量和質(zhì)量也決定了系統(tǒng)故障診斷性能的優(yōu)劣。

4 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障診 斷的實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)建立

1) 建立科學(xué)裝備數(shù)據(jù)庫。通過對故障現(xiàn)象進行分類和整理,建立故障現(xiàn)象的樹型分支結(jié)構(gòu),以最科學(xué)合理的劃分方式建立艦船電子裝備故障數(shù)據(jù)庫和裝備工作原理知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2) 實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)信號的在線剝離。對裝備系統(tǒng)輸出的狀態(tài)信號既要實現(xiàn)在線檢測,又不能對裝備系統(tǒng)的性能造成影響,因而可通過相關(guān)的信號調(diào)節(jié)技術(shù)(如高阻抗輸入、光電耦合隔離技術(shù)等),實現(xiàn)檢測信號的在線分離、轉(zhuǎn)換、采集。

3) 系統(tǒng)軟件要采用開放式的設(shè)計思想、組合式的設(shè)計方法,充分利用當前最優(yōu)軟件開發(fā)技術(shù),保證系統(tǒng)軟件的先進性、可繼承性和可擴展性。

4) 要通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)小型化,便于移動攜帶,并且人機界面友好,故障診斷過程具有可視性和可操作性。

4.2 信號的采集與轉(zhuǎn)換

艦船電子裝備系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中,輸入、輸出的狀態(tài)信號主要是開關(guān)量,故信號轉(zhuǎn)換的功能主要是把接收到的信號通過光電耦合器轉(zhuǎn)換為計算機采集信號,同時送面板顯示電路予以顯示。

數(shù)據(jù)采集單元為高性能的單片機。其CPU執(zhí)行一個功能很強、尋址方式靈活的指令系統(tǒng)。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)信號通過光電耦合器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,CPU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換鎖存,并經(jīng)過總線驅(qū)動后接收,輸出至系統(tǒng)計算機。

4.3 知識庫的建立

知識的獲取是一件比較困難的工作,它是建立知識庫的“瓶頸”問題。由于知識的自動獲取還有許多理論和技術(shù)上的困難問題,因此目前采用領(lǐng)域?qū)＜液椭R工程師相結(jié)合的人工獲取知識的方式。對于艦船電子裝備系統(tǒng),由設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和使用等單位的有關(guān)專家向維修工程師提供相關(guān)的原理知識和故障征兆、故障模式、可能的故障原因及其相應(yīng)的排除方法、原理、步驟等領(lǐng)域知識,技術(shù)專家了解武器系統(tǒng)的工作原理,收集與故障有關(guān)的運行參數(shù),在對獲取的知識進行檢測和求精,最終形成一定的結(jié)構(gòu)和規(guī)則,建立起診斷系統(tǒng)的知識庫[10]。

4.4 系統(tǒng)輸入輸出流程

在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中,采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想,按照自頂向下模塊化設(shè)計思路,充分利用了當前最優(yōu)的軟件開發(fā)工具,并采用了動態(tài)鏈接庫、動態(tài)內(nèi)存存取、線程、計算機多媒體編程等先進的軟件編程技術(shù),完成了全部相關(guān)軟件的開發(fā)調(diào)試工作。艦船電子裝備系統(tǒng)檢測流程如圖2所示。

圖2 艦船電子裝備系統(tǒng)檢測流程

5 艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的特點

1) 系統(tǒng)監(jiān)測與故障分析判斷準確。由于故障監(jiān)測、分析和判斷是利用計算機通過預(yù)先編制的診斷系統(tǒng)自動完成,可以排除現(xiàn)場的干擾和人為失誤,因此其分析范圍更趨于全面,判斷結(jié)果更趨于準確。

2) 大大縮短維修時間。診斷系統(tǒng)可在很短時間內(nèi)完成故障定位,并可自動完成故障的分析與判斷,大大縮短了系統(tǒng)修復(fù)時間,提高了裝備系統(tǒng)的戰(zhàn)備率。

3) 提前預(yù)測故障,減少和避免重大事故。故障診斷系統(tǒng)對艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)實施監(jiān)測,研究裝備系統(tǒng)的故障特征,判斷裝備故障,以此決定是否需要維修,因此故障診斷技術(shù)屬于狀態(tài)維修,它可以提前預(yù)測故障。

6 結(jié)語

目前,各種以計算機為主體的綜合故障監(jiān)測與診斷的專家系統(tǒng)相繼問世并投入使用,反映了當前故障診斷技術(shù)發(fā)展的前進方向。它利用人工智能技術(shù),將許多專家的經(jīng)驗智慧和思想方法同計算機的巨大存貯、運算和分析能力相結(jié)合,組成共享的知識庫,根據(jù)專家提供的知識、經(jīng)驗進行推理和判斷,來解決需要專家們決定的復(fù)雜問題,具有全系統(tǒng)診斷功能和準確、方便、快捷等優(yōu)點。因此,可以預(yù)料,隨著計算機應(yīng)用開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用專家系統(tǒng)的艦船電子裝備系統(tǒng)監(jiān)測與診斷技術(shù)在故障診斷的領(lǐng)域中必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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Status Monitoring and Failure Diagnosis of Electronic Equipments in Ships

YIN Haijun HUANG Huining

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

There is a great advancement of electronic equipments in modern ships, which accelerates the continuous progress of equipments detection technology. Starting from the characteristic of status monitoring and failure diagnosis of the electronic equipments in ships, an idea about the technology on monitoring online and failure diagnosis, an design scheme and implement approach is put forward, and the merit and developing direction of the system are pointed out.

electronic equipments, status monitoring, failure diagnosis, equipment maintaining

2014年7月10日,

2014年8月27日

殷海俊,男,碩士,高級工程師,研究方向:裝備技術(shù)保障。黃惠寧,男,助理工程師,研究方向:裝備技術(shù)保障。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.037