基于狀態監測的裝備保障特性評估系統研究

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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的設計特性及其綜合體現，是裝備功能發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系到裝備是否可靠耐用、操作簡便，是否易于維護、檢測、修理，保障資源配備是否配發及時，品種是否配套完備、數量是否經濟合理等基礎[1-2]。

岸防裝備系統狀態信息獲取途徑主要是裝備定期檢查、系統聯調聯試、全系統加電測試和分系統加電測試、BITE測試等方式，測試項和數據主要關注裝備功能測試，有關裝備性能狀態相關的信息獲取不足，難以直觀評價裝備的當前狀態以及狀態的變化趨勢，缺乏對裝備的預見性和及時性維修的支持。狀態監測技術可通過各種測試測量手段，獲取目標對象的技術狀態，并采用各種傳輸途徑和警示手段，實現對裝備當前狀態的總體掌握，通過狀態監測應用，實現岸防裝備保障特性的評估，可及時、準確地掌握裝備的技術狀態，快速、精準地響應各類保障需求，適時、主動優化裝備性能，從而充分發揮裝備作戰效能[3-4]。

1 面向狀態監測的岸防裝備特性分析

1.1 岸防裝備結構特性分析

以雷達等典型岸防裝備為例，其通常由天饋、收發、信號處理、錄取終端、監控、伺服和電源等分系統組成。為適應不同作戰任務需要，增強對不同類型目標的探測能力，雷達系統可設置多種工作狀態、多種工作模式，以適應不同的使用要求[5]。作為大型復雜電子裝備，雷達裝備具有如下特點：

1)系統的復雜性：雷達裝備高新技術密集，更新換代快，特別是新型雷達裝備體系龐大、技術復雜度、器件集成度高，集光、機、電、液、聲于一體，涉及多個維修專業，對裝備狀態保持提出很高的要求。

2)結構的復雜性：雷達裝備的系統呈階梯分布式結構，各子系統的功能實現具有并行性；裝備各子系統的控制信息和故障信息之間存在或強或弱的相關性，因此，系統通常為近似可分解系統。

3)壽命分布的復雜性：20世紀50～60年代，普遍認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。隨著裝備的日益復雜和維修理論的發展，發現除“浴盆曲線”以外，還有五種故障曲線，均與壽命周期分布有關。雷達裝備的特點決定了其壽命分布的復雜性，這是開展維修性工程必須面對的問題[6]。

4)狀態的復雜性：岸防裝備型號多、數量大，不同的環境下都有若干個可能的運行狀態，裝備的工作過程直接影響著裝備的運行狀態。因此，岸防裝備狀態的復雜性是影響裝備修理時機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，新型岸防裝備在進行測試性設計的過程中，采取機內自檢(BITE)實現各分系統技術狀態參數的測試、分析處理和故障隔離。通過選取某三種型典型雷達裝備，對裝備的BIT結構和數據傳輸模式進行分析可知，當前岸防裝備BITE技術可以在動態、靜態BITE檢測過程中完成預定的狀態監測和故障隔離定位功能，但存在各型號岸防裝備BITE內部總線設計、編碼規范不統一，故障隔離軟件設計定位精度不準、標準化程度低等問題，特別是大多BITE僅顯示裝備最終狀態，不具備各功能模塊參數輸出功能。

2 岸防裝備狀態監測與評估系統設計

2.1 總體架構

狀態監測主要進行岸防裝備關鍵系統部件狀態的實時獲取，是保障特性評估研究和系統實現的基礎和重點部分，整個系統包括：車載系統(如雷達指揮車等)和地面系統兩個部分。狀態監測系統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，車載系統進行數據采集，完成初級故障判讀與報警，并將必要信息進行傳送以及原始數據存儲；地面系統接收車上傳送的數據，進行在線監測、故障診斷、故障預測以及健康綜合管理等工作，完成對岸防裝備的健康狀態管理。岸防裝備狀態監測與健康管理整體部署架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

1)車載系統：負責提供車載的采集、處理、診斷以及報警等功能，包括車載數據采集單元、故障診斷單元、數據存儲轉發單元以及相應的車載軟硬件。

2)地面系統：旨在建立一套開放式的、綜合的狀態監測、健康管理以及保障特性評估系統，為維修保障、運營維護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絡或者數傳電臺等將數據實時傳送至地面系統，供維護人員、技術專家進行監控和分析。

在完成一次行駛之后，外場人員將行駛過程中存儲的數據通過存儲卡或有線傳輸的方式將記錄的數據傳送至基地站服務平臺數據服務器中，供岸防裝備維護人員、岸防裝備專家進行處理和分析。同時，生成行駛報告交由行駛員確認之后，將行駛報告內容錄入基地站服務平臺中。

當裝備系統專家診斷知識或配置需要更新時，外場人員通過基地系統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/無線網絡傳送至車載系統中，以實現對車載信息采集與診斷系統的更新與擴展，提高系統的靈活性。

2.2 工作原理

車載系統通過數據采集模塊采集數據提供給中央處理單元進行處理，然后，通過特征提取、信號分析等方法實現數據的實時監測和故障診斷，并利用便攜式維護終端(VPED)完成車載實時顯示。同時，按照一定的格式將采集數據及相關處理結果進行存儲，供基地站服務平臺進行進一步的分析。

2.3 功能組成

岸防裝備狀態監測與評估系統軟件由車載系統軟件和基地站服務平臺兩大部分組成。車載系統軟件由車載數據采集軟件、車載故障診斷軟件和數據存儲轉發軟件組成，完成車載數據采集、故障診斷或數據存儲功能。地面系統由知識管理軟件、在線監測軟件、數據處理分析軟件、故障診斷軟件、預測軟件、健康管理軟件、保障特性評估與權衡軟件和車載系統配置軟件等組成。

2.4 互連接口設計

車載系統主要包含三類接口，一類是系統內部接口，二類系統外部接口。

1)車載總線接口：外部接口，實現與車上CAN總線、1553B或232/422總線設備的數據收集；

2)無線工作接口：外部接口，實現與外部裝備系統維護人員所使用的手持式維護終端的數據交互等；

3)顯示報警接口：預留外部接口，實現車載采集處理與報警系統與車載顯示系統之間的數據傳輸；

4)存儲卡：通過存儲卡實現裝備系統運行數據到遠程平臺的離線傳輸；

5)無線通信接口：預留接口，通過數傳電臺、3G、4G等無線通信方式實現裝備系統運行數據到遠程平臺的實時傳輸。

3 基于狀態監測的保障特性評估系統實現與驗證

3.1 車載系統設計實現

3.1.1 車載數據采集與監測終端

系統總體原理如圖2所示。它由振動傳感器、轉速傳感器、壓力傳感器等感知并測量對應的參量信號，然后將其傳送到車載測試終端采集系統中。車載測試終端系統主機由外來車載直流18～36V電源供電，其中設置軟硬件相關資源，在系統嵌入式計算機的管理下，完成對信號的調理、采集、計算、存儲以及卸載等功能。同時系統可將內部狀態輸出，并接收外界其它相關狀態信號，完成對應工作模式的轉換、資源的調配；同時為了便于開發調試，設置必要的測試調試端口。

圖2 系統原理框圖

1)總線架構設計：主體采用PCI-104總線結構形式，PCI-104總線是一種成熟的總線；模塊化結構方便系統功能的擴展，通道增減，方便維護和更換。

2)硬件設計：硬件功能模塊采用導冷結構、后走線方式。設備以PCI-104嵌入式計算機系統為平臺進行構建，主要模塊包括：嵌入式控制主機模塊、多功能測量模塊、動態信號分析模塊、轉速測量模塊、CAN總線模塊，調理模塊、電源模塊。其中，嵌入式控制主機模塊用于整個系統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、數字量以及實現數字量輸出；動態信號分析模塊用來實現外接振動傳感器的信號采集；轉速采集模塊用于采集系統中涉及的轉速信號；調理模塊實現車載測試終端內部信號和外部信號匹配調理；電源模塊用于將外界的24 V(18～36 V)等電源轉換為系統內所需的電源。

3)軟件設計：軟件選擇采用實時該系統的軟件以Windows XP / Windows 7或Linux操作系統為軟件平臺，在此平臺上進行底層驅動程序的開發、文件系統的開發，上層應用程序根據狀態監測與健康管理系統功能應用進行開發。主要包括：

a) 數據采集與處理：主要包括車上已有總線數據的監聽和獲取，以及通過加裝傳感器進行數據采集，并且將所采集的信號提供基本的信號調理以及預處理等功能，轉化為有意義的工程值。數據采集與處理模塊同時實現對采集信號進行信號基本特征的提取，包括時域特征、頻域特征等。

b)超限監控：通過加載XML閾值配置文件，獲取關鍵參數判讀規則、門限值，監控特征參量，判斷是否超限，實現對裝備各系統的故障監控，主要對裝備典型系統特征值進行監控。

c)存儲轉發模塊：主要完成采集數據、超限結果的存儲以及轉發，通過車載數據通信接口，實現采集、處理后數據的存儲與交互。

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

e)知識更新及數據同步：接收知識更新XML數據文件，實現對監控知識、采集頻率等的控制與更新；同時，支持利用便攜式維護終端，將歷史數據同步至終端存儲設備中。

4)結構設計：車載電子設備所處的力學環境、熱環境、機械環境以及電磁環境等都比較復雜、惡劣，采用恰當的整機結構形和合理布局，對于解決振動沖擊、電磁屏蔽、散熱以及可靠性和維護性等諸多矛盾，提高設備的防振動、抗沖擊能力，使其適應車載的各種振動、沖擊環境起著關鍵的作用[7]。因此，車載數據采集與監測終端在結構上采用符合GJB 441-88標準的ATR加固機箱外形尺寸，采用熱設計技術、抗振動沖擊設計技術以及電磁兼容技術等，確保系統在良好的工作環境正常可靠運行，同時兼顧小型化、輕量化、快速安裝及維護設計。

3.1.2 便攜式維護終端

車載數據采集與監測終端通過便攜式維護終端(VPED)進行顯示與維護。VPED終端既可長期安裝于車上，通過以太網或無線等方式，與車載數據采集與監測終端連接，用于車載數據采集與監視終端的監視、報警及數據分析應用，也可實現對岸防車輛裝備的便攜式移動維護。此外，還可利用WIFI、3G、4G等網絡，實現對車輛采集數據的回傳和遠程分析。

便攜式維護終端VPED的軟件功能主要包括：

1)狀態監控：提供對裝備采集數據的顯示、監控功能，將監控過程中出現的異常狀態進行報警提醒。

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象、測試數據異常值等進行推理、分析，提供故障診斷結果，并按照相似度進行多個診斷結果排序。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、車輛拆裝、維修排故等技術資料的查看，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場維修信息的填寫、保存以及遠端發送功能，達到有效監控維修過程，提高后續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、故障現象、故障分析、故障診斷結論、排故過程、排故體會等。在具備網絡環境的條件下，維修記錄可通過上傳遠端可形成后續的案例知識，支撐其它車輛裝備排故。

5)系統管理：提供系統診斷知識升級、車載監控配置下傳、數據同步下載、遠程通信IP端口設置等基礎維護功能。

3.2 地面系統設計實現

地面系統主要為狀態監測與健康管理基地站服務平臺，擬采用C/S架構模式，服務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設備VPED或其他地面分析終端(如PC等)中。地面服務平臺主要實現岸防裝備狀態監測與診斷、狀態預測與健康分析等功能。

1)狀態監測：狀態監測診斷軟件模塊主要實現對岸防裝備的測試數據、工作狀態等的在線監測、顯示，以及對參數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則、案例等的診斷功能，實現對故障的準確定位。

3)健康分析：健康分析軟件模塊包括參數預測和健康評估兩部分內容，參數預測針對各個關鍵參數進行趨勢的分析、預測，健康評估利用健康評估模型對目前車輛的健康狀態進行評估，并結合當前車輛的健康狀態和未來車輛的關鍵參數的預測值對車輛未來的健康走勢情況進行預測，針對車輛從現在到未來一定時期內的健康狀態進行分析評估，指導維護維修工作的開展。

4)保障特性評估：綜合裝備測試性、維修性、戰備完好性等各類保障性指標，實現保障特性的綜合評定。進一步，綜合權衡分配裝備測試性、維修性、戰備完好性等各類保障性指標，以實現在特定目標下的保障性能最優。

5)配置管理：提供用戶對數據導入、配置的生成以及診斷等知識的升級等功能。

4 系統驗證與分析

以某部隊岸防武器系統的電子電器2為驗證對象，驗證并分析該系統下的狀態監測、故障診斷、健康評估等情況。

4.1 狀態監測模塊的驗證

電子電器2部位監測參數有：發動機電流、環境溫度、發動機電壓、發動機溫度等，該系統狀態監測主要監測并顯示以上狀態參數的變化，根據狀態監測模型和算法，初級預測出當前狀態評分和健康狀態等級。

圖3 狀態監測與故障診斷

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故障現象，診斷出某系統故障，或者利用匹配案例法，根據案例種類，診斷出系統故障，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前及未來的健康狀況和健康走勢情況進行分析。根據狀態監測初級預測以及故障診斷，評估電子電器2的當前健康狀態，根據健康評估結果明確指導維護維修工作。

健康預測是加載ARMA、AR、多項式擬合等數據預測模型，選擇數據點的范圍和預測點的數量，對電子電器2進行健康趨勢預測，預測得到設定數量的數據點時間序列，預測點離原始數據點的時間越近，預測就越準確。

圖4 狀態預測與保證特性評估

5 結束語

基于狀態監測的裝備保障特性評估系統，實現了岸防武器系統健康狀態的全面監測、健康評估，可診斷岸防武器系統自身故障，給出維修策略和方法。另外，在改變評估模型與算法的基礎上，本研究的研究成果可廣泛應用于其它裝備的綜合診斷和健康狀態監測，對開展視屏維修，實現精確化保障，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保障能力和未來信息化作戰能力。