靶場設備狀態監測實現方法

文 海

（中國華陰兵器試驗中心 陜西華陰）

一、問題

近年來，靶場試驗設備具有任務密度高、轉換節奏快、質量要求高的特點，及時、準確地掌握設備狀態，對各級指揮人員、管理人員和技術人員來說十分重要。比如，指揮人員可據此高效協調參試設備，掌握測試結果的可信度；管理人員可據此快速做好人員、時間、經費和物資等保障工作；技術人員可據此全面掌握信息，加強預測和控制，減少故障停機時間。

然而，靶場還沒有建立集中統一的設備狀態監測管理系統，狀態信息大多停留在基層，依靠逐級上報處置，信息傳遞緩慢、甚至失真，很難滿足靶場試驗需求。

提出一種方法，希望解決3方面問題。一是普適于靶場現役、改造或在研設備；二是實現狀態的及時感知；三是確保狀態得到科學評估。

二、國內外情況

美軍《2020聯合設想》提出“主宰機動、精確交戰、聚焦后勤和全維防護”等4種作戰概念，認為信息優勢只有被轉化為優勢知識和優勢決策時，才能為聯合部隊提供競爭優勢。為實現聚焦后勤的目標，要求大幅度縮小后勤保障規模，實現敏捷、準確和經濟的全球保障。尤其是隨著武器裝備復雜性、信息化和綜合化程度的大幅提高，美軍裝備維修工作重點已逐步轉變為以信息的獲取、處理和傳輸并做出維修決策為主。近年來，美軍主推狀態維修CBM（Condition Based Maintenance），強調將以信息技術為代表的各種高新技術應用到維修的全過程，具體是在武器平臺上配備具有預測“感知”和支持后勤保障行動“響應”能力的嵌入式預測與診斷監控管理系統，作為自主式保障感知和響應后勤的激勵器，以確定最佳維修時機，提高部件的可靠性，縮減維修工時，提高整個裝備的可用度和任務可靠性。

目前，國內設備狀態監測技術的成熟應用，主要集中在電力、采礦、石化等領域。比如在智能電網監視體系中，參考OSACBM標準構建的電氣設備狀態檢修系統，收集設備狀態數據，對數據進行分析挖掘，對狀態劣化和趨勢不良的設備及時發布狀態預警消息，以健康評價結果為參考，通過智能決策，動態調整檢修周期和檢修項目，降低檢修成本、縮短檢修停電時間、延長設備壽命，并能為設備檢修、電網調度、營銷等部門提供相關決策輔助信息。在采油領域，把精細管理、安全生產作為主要目標，開展以設備狀態監測技術為核心的預防維修，確保設備處于優良工況運轉。另外，許良柱等就服務于各類人員，實現集中監視、集約管理和綜合分析等功能，給出全景狀態監測系統的設計；王德文等依據最新IEC 61850第2版，建立變電站狀態監測IED的功能與設備模型，為實現變電站狀態的在線監測奠定了基礎；于見剛等建立狀態維修的實施模型，開發了一個融合狀態監測診斷技術的設備管理系統。

當前，軍隊維修體制正在向以可靠性維修為指導的狀態維修和設備健康狀態管理方式過渡。在國內OSA-CBM標準的成功案例不多和研究報告較簡單的情況下，周圣林提出在新一代型號飛機使用OSA-CBM標準的建議；毛京明等提出裝備保障從狀態監控向狀態管理轉變；陳春良等描述了基于主動式保障的裝備維修保障系統的功能模型；徐玉國等從維修保障網絡建模與分析、維修保障行為觸發與響應策略、維修決策優化以及維修保障資源網絡的動態重構與資源配置等方面，闡述了裝備自主維修保障技術體系；董保良等分析了通信設備狀態監測的基本方法，探討了智能在線監測的基本思路。

三、解決思路

1.OSA-CBM標準概述

由于設備狀態監測極大地依賴CBM的技術發展，而CBM又涉及傳感器、人工智能和計算機軟件等眾多學科，設備廠家紛紛推出了自己的CBM系統。但這些系統功能單一、互不兼容，不能很好地解決問題。同時，封閉的系統模式限制了技術應用和發展。正是在這種需求的推動下，2001年一個由美國海軍提供部分資助，由波音、卡特皮拉、洛克韋爾自動化、洛克韋爾科學公司等聯合組建的工業小組，制定了OSA-CBM標準。該標準以組件形式，為分布式CBM軟件模塊制定了一個開放的標準化體系結構，分成數據采集、數據處理、狀態監測、健康評估、預診斷、決策支持等層次不同的技術模塊，定義了CBM系統組成及數據交互標準，實現了來自不同廠商CBM組件間的互換性和互操作性。不同廠家可據此發揮各自專業優勢，充分實現技術整合，共同推進CBM技術發展。目前，該標準于2010-6-29發布了3.3.1版本。

2.體系結構

單個設備或部分設備實現狀態監測，對于靶場來說，沒有太大意義，只有實現設備狀態信息的匯聚，并將其轉變為優勢知識或優勢決策才有價值。為此，參照OSA-CBM標準，構建適應靶場特點的設備狀態監測體系結構，實現靶場所有設備的集成接入。

靶場設備狀態監測系統的體系結構見圖1。

第一維為功能維。遵循OSA-CBM標準模型，自底向上分別為數據采集層、數據處理層、狀態監測層、健康評估層、預診斷層、決策支持層。功能維是標準化特征維，是整個體系結構的重要基礎，為開發支持標準化網絡平臺、建設實際應用系統確定了功能模型。

第二維是系統維，是針對具體應用需求利用標準化網絡平臺所構建的應用系統，自后向前分別由設備單元、崗位監測終端、基層監控系統和靶場監測中心等四部分構成。

第三維是服務維：自左向右分別為通信層、服務層、應用層，服務維是網絡化特征維，為開發支持標準化網絡平臺、建設實際應用系統確定了分布式模型。

3.功能維的實現

靶場設備來源于不同廠家，功能不同、用途各異，既有現役設備，也有正在改造或新研設備。綜合靶場設備現狀，雖然有部分設備已配發了CBM系統，但還有部分設備由于沒有自動化處理設備根本不可能按要求配備CBM系統，這極不利于靶場集成實現所有設備的狀態監測管理。

圖1 靶場設備狀態監測系統的體系結構

從建立集中統一的設備狀態監測系統的角度，須將靶場設備狀態監測簡化為一種具有普適性的單設備狀態監測模型，從而確保功能維得到實現。

靶場設備最終都是面向科研試驗任務，為便于信息采集，本文提出將任何一臺套靶場設備簡化為由量值特性、功能特性和外部可監測特性描述的信息模型。具體見圖2所示。其中，量值特性是保證為試驗提供準確可信的試驗數據或結論，可以通過周期的檢定、校準或測試等計量工作獲得是否合格的狀態，也可以在每次測試中或在規定間隔內啟動核查程序獲得是否受控的狀態。功能特性則是完成試驗任務的前提，可以通過人工按照標準程序檢查或設備自身提供的自檢工具獲得是否合格的狀態。外部可監測特性則是通過有關的專業單位或廠家提供的組件，采集外部信息，進行模態分析獲得狀態。上述3種特性，很容易實現數據采集、數據處理、狀態監測和健康評估，有關人員可據上述信息，對故障進行預診斷作出維修決策，對完好狀態作出參加科研訓練和作戰參試決策，對故障前狀態可作出維護保養決策。

圖2 單設備狀態監測的簡化模型

4.系統維的實現

要實現將靶場所有設備狀態及時感知，遵照崗位、基層和中心等三級靶場管理體制，可以按圖3所示的拓撲圖，展開系統維，建立起一個集中統一的管理系統。

其中，被管設備單元主要是指獨立存在的被管對象，可以通過IP化改造或外部信息以及人工錄入等方式實現狀態采集；崗位則是靶場試驗的一個基本單元，崗位可以利用操控終端管理控制多個被管設備單元，在完成試驗工作的同時，完成狀態信息的采集上報，并根據基層監控系統的調度進行管理；基層監控系統主要負責調度和管理所轄范圍內的所有崗位，實現在線監測設備的集中管控，對上傳靶場監測中心的狀態信息進行審核，并接受靶場監測中心的調度；靶場監測中心主要負責全靶場范圍內被管設備單元的入網管理，對各基層監控系統、直至崗位操作終端的運行進行管理。

系統可以通過WEB終端、桌面終端或移動終端，向各類人員提供設備狀態信息的分級展現。比如在任務實施過程中，可在指揮大廳部署在線監測客戶端，以方便指揮人員實時獲得所有參試設備的運行狀態，以利于指揮決策。各級管理人員可對所轄范圍內的設備進行保障決策。各類技術人員可掌握設備信息和設備的最新狀態，以協調本人工作或支持其論證、研究、改進等工作。

5.服務維的實現

服務維是該系統是否具有良好的兼容性、擴展性和有效性的基礎，它的實現離不開基于XML/SOAP的通信模型、基于Web Services的支撐服務和標準化網絡平臺等3大要素的支持。前兩項要素，目前已有十分成熟的標準支持，在實現中沒有難度。標準化網絡平臺，雖然在硬件、軟件平臺、信息傳輸與存貯等方面已經有成熟標準，但參照OSA-CBM標準構建的靶場設備狀態監測系統，還需結合靶場具體應用特點進行修改與完善，形成靶場設備狀態監測的標準體系。比如在研設備IP化接口規范、現役設備狀態監測規范、用戶認證接口規范、狀態評估規范、決策干預策略等。

圖3 靶場設備狀態監測系統

另外，故障診斷技術、故障預測技術、性能趨勢預測分析技術以及維修策略技術在國內外已經投入實際應用，有大量成熟的模型和算法成果，可通過借鑒這些先進經驗，結合靶場設備特點，提出多種通用的故障診斷、故障預測、性能趨勢預測分析以及維修策略，以供系統應用。

四、結束語

提出的設備狀態監測方法，通過在靶場實際應用，緊貼靶場指揮、管理與保障現狀，為靶場設備狀態監測系統的規劃建設打下技術基礎。但一個系統能否滿足精細化管理、科學化決策、高效化指揮、精確化保障的期望，離不開人機交互界面優秀的信息系統，更少不了使用單位“一號”的主導作用和有關激勵機制與管理手段。因此，還需從應用場合、激勵機制、時機和效果等方面去研究分析，給出靶場制度機制建議，確保系統發揮應有效能。