火炮控制系統健康管理①

張 原,王棟才

(西北工業大學 電子信息學院,西安 710072)

火炮是海陸空三軍重要的武器裝備,作戰需求是促使火炮多樣化的任務使命,大量新型技術的應用,極大的提高了火炮的性能.隨著火炮復雜度的提高,故障的發生概率也同步提高,致使裝備的保障難度增大.武器裝備的保障性對裝備快速形成并保持戰斗力有著至關重要的作用.當前,火炮維修主要是事后維修和計劃維修,這兩種維修方式造成維修不足與維修過剩,一旦在關鍵時段發生故障,將嚴重影響作戰任務.事實表明,事后維修與計劃維修均不能對火炮有效可靠的保障.對武器裝備進行視情維修可以很好的解決事后維修與計劃維修的弊端,基于視情維修的一項關鍵技術就是故障預測與健康管理技術(PHM).裝備健康管理以事后維修與預防性維修為基礎,基于狀態維修的理論,深入到裝備的數字化、信息化、無人化管理中.通過分析健康狀態的影響因素,結合監測、使用等環境信息,對裝備健康狀態檢測,預報失效以及關鍵部件剩余壽命,對裝備健康狀態進行評估與預測,選擇合理的維修策略,進行裝備高效的保障活動,極大的提高了裝備的保障性[1,2].

美軍在20世紀60年代開始提出了武器系統的故障預測與健康管理技術.最先應用于航空航天領域,對航天器綜合健康管理.隨后,在各軍種中具有針對性的開發健康管理系統,如在陸軍直升機中的使用和狀態管理系統(HUMS),美國海軍的綜合狀態評估系統(ICAS)和預測診斷系統(PEDS),陸軍的診斷改進計劃(ADIP)[3,4].國內關于故障預測與健康管理技術的研究起步雖晚,但已經受到國家各單位重視,國家在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》明確指出:重大產品和重大設施壽命預測技術是提高運行可靠性、安全性、可維護性的關鍵技術[5].故障預測與健康管理技術是未來復雜裝備保障維護的重點發展方向.我國對PHM 技術的研究與應用取得一些成果.如先進戰斗機配備的PHM 系統,新研直升機搭載的HUMS系統,我國首型大型客機C919 正式搭載的具有自主知識產權的PHM 系統.本文研究了可應用于新型火炮控制系統的健康管理系統的設計與相關技術的實現.有助于對火炮系統的視情維修,提高火炮系統的可靠性、安全性、維修性、測試性、經濟性與保障性.

1 系統總體設計

火炮控制系統的系統框架圖如圖1所示.

火炮控制系統CAN 總線網絡節點由隨動系統、發射控制系統、裝填與供彈系統、火炮監控臺以及健康管理系統節點組成.除健康管理系統外,各系統間通過周期性數據發送方式,在每個周期內,各節點在固定時間區段內發送數據.在火炮監控臺中配置系統定時管理設備,CAN 總線上的各節點使用上機系統的時統信號作為時間基準,向CAN 總線上各有關節點提供固定時間的控制系統統一數據采樣脈沖,各有關節點使用該脈沖進行接口傳輸數據采樣,并作為接口數據傳輸的對準時刻,以及作為各有關節點新周期的開始標記.火炮控制系統CAN 總線網絡節點除健康管理系統外其他節點可以互相進行數據通訊.

健康管理系統屬于火炮控制系統的一個子系統,在火炮控制系統CAN 總線數據通訊節點屬于非常備在線節點,只接收不發送數據,在實際應用中,用戶可根據實際情況進行接入或脫離.健康管理系統設備通過CAN 總線接口獲取火炮控制系統中節點之間的通信數據.健康管理系統設備示意圖如圖2所示.

圖2 健康管理系統設備示意圖

健康管理系統的硬件采用主板加擴展板的方式,主板采用可運行嵌入式操作系統的基于X86 結構的處理器,通過PC/104-PLUS 總線擴展CAN 模塊.對外接口有電源接口、CAN 接口、VGA 接口、USB 接口、以太網接口.健康管理系統通過CAN 數據接口接入火炮控制系統CAN 總線,對火炮控制系統CAN 總線上節點之間的通信數據采集獲取,而后通過系統軟件對數據做進一步的詳細處理.在火炮控制系統工作過程中,依據CAN 總線通信協議,區分火炮控制系統CAN總線節點間的通信,健康管理系統將火炮工作的實時數據進行錄取保存,同時將火炮工作的重要實時數據通過VGA 接口在特定的顯示器進行顯示.健康管理系統的以太網接口完成設備中數據的上傳與設置功能,另外,以太網接口用于開發者對健康管理系統功能調試.USB 接口用于開發過程中對系統的調試.通過開發基于硬件的板級支持包,完成嵌入式操作系統VxWorks的移植.利用嵌入式軟件完成對通信數據的處理分析.健康管理系統的功能框架圖如圖3所示.

圖3 健康管理系統功能框架圖

健康管理系統軟件系統完成的功能包括火炮控制系統CAN 總線數據處理、以太網數據處理、實時數據可視化、數據存儲與履歷信息記錄、故障診斷與預警.健康管理系統依據火炮控制系統CAN 總線協議獲取數據后,對數據按照節點發送與接收的方向對數據進行封裝.通過健康管理系統軟件完成原始數據錄取與分析.

2 基于嵌入式操作系統VxWorks 的多任務程序設計

VxWorks 操作系統是美國Wind River System 公司推出的一個實時操作系統,具有高效的任務管理功能,支持多任務,可分配256 個優先級,支持優先級搶占式調度和時間片輪轉調度.VxWorks 被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域.VxWorks 6.9 操作系統支持內核模式與用戶模式兩種模式開發,同時支持多核處理,并使用vxbus 取代傳統的驅動模型.根據系統總體設計,健康管理系統軟件功能模塊之間的關系如圖4所示.

圖4 火炮健康管理系統功能關系圖

CAN 總線數據獲取模塊:數據采集模塊通過硬件接口函數間火炮控制系統CAN 總線上所有的通信數據收集,存放至環形緩存中,數據處理任務提供原始CAN 數據.

數據處理任務模塊:通過環形緩存中讀取板卡采集的CAN 通信數據,根據CAN 總線報文協議對報文中發送方、接收方對應的數據報文進行解析.將解析后的數據報文存儲至與其他模塊的接口中,供其他模塊獲取數據.將各報文原始數據存儲為文件,將重點部件數據以及履歷信息存儲至數據庫中.接口使用實時性好、效率高的共享內存實現.同時,數據處理模塊完成原始報文數據格式化存儲.

網絡數據處理模塊:網絡數據處理任務接收指令,完成數據庫表中數據查詢與修改.PC 機通過傳輸效率高、傳送速率快等特點的UDP 協議發送相應功能的指令,完成對數據庫進行本地化更新以及設備履歷信息的查詢與設置.

數據庫模塊:為方便完成重要數據、設備不同工作狀態時間信息以及關鍵部件使用等履歷信息的結構化記錄及查詢,在系統中進行數據庫設計,通過數據庫結構化管理節點間通信的關鍵數據信息以及設備履歷信息.通過看門狗定時器定時對數據庫中數據更新.

界面可視化軟件模塊:界面可視化任務負責各節點實時在線狀態監測、關鍵數據信息以直觀有效的圖表或指示燈的形式進行顯示.

故障診斷與預警模塊:數據處理任務將接收的CAN 數據幀按照協議格式進行解析,得到節點之間的報文通信數據,故障診斷與預警模塊通過對實時報文數據進行診斷,得到部件的狀態,根據部件的健康狀態顯示于可視化界面.

任務間的接口關系如表1所示.

在健康管理系統多任務設計過程中,所遵循的原則如下:

模塊化:根據需求分析文檔,采用分而治之的原則,將需求進行功能任務劃分,使每個模塊能夠獨立開發、測試,使程序結構清晰,容易理解、調試以及后期維護.

高內聚低耦合:在模塊劃分時,任務數據盡可能地在模塊內進行有序處理,在數據處理過程中,盡可能地減少模塊之間的數據交互,嚴格管控模塊間的接口規范.保證模塊之間的獨立性.

可靠性:在系統功能任務模塊之間,將不同任務定義不同的優先級,以確保任務功能的可靠執行,提升系統指標要求.在任務中注冊Watchdog 程序,防止任務陷入死循環.

周期性:周期性執行的任務模塊,通過看門狗定時器設定時間間隔,按照規定的周期激活周期性任務執行.

表1 健康管理系統接口表

防止死鎖饑餓:在使用共享內存進行任務間通信時,必須解決的一個問題是共享內存的訪問機制,保證共享內存在某短時間只能為一個任務提供數據服務.在一塊共享地址空間用來交換數據時,需要避免沖突,使用關中斷,禁止搶占,信號量鎖定資源.

3 嵌入式數據庫設計

當前,廣泛應用的關系型數據庫有MySQL、SQLite、Microsoft Access、Oracle 數據庫等.MySQL、Microsoft Access、Oracle 數據庫使用時,需要進行安裝配置部署,運行時會消耗很大的系統資源,不適用于嵌入式系統的數據存儲.SQLite 數據庫是一個輕量級、跨平臺、高效可靠嵌入式數據庫,運行于一個進程內的庫,實現了自給自足的、無服務器的、零配置的、事務性的SQL 數據庫引擎,被廣泛應用于嵌入式系統應用開發中.SQLite 引擎不是一個獨立的進程,可以按應用程序需求進行靜態或動態連接.SQLite 可以直接訪問其存儲文件,源代碼為C 語言且源代碼完全開放、數據庫文件可以在不同字節序的機器間自由共享,數據庫支持TB 級別的數據量、存儲在單一磁盤中的一個完整的數據庫、比目前流行的大多數數據庫對數據的操作要快[6].

在健康管理系統運行中,實時通信數據的存儲以及實時數據的處理與管理對系統的運行效率和設備的性能是非常重要,針對火炮控制系統中不同的工作模式下對數據的要求不同,根據火炮控制系統CAN 總線數據通信協議,對報文數據進行分類記錄和管理,并根據數據重要性以及訪問頻率進行數據庫設計.使健康管理系統能夠在系統資源滿足的條件下能夠更好的管理數據,用嵌入式數據庫對數據進行結構化管理,設計的數據庫中部分表結構有如表2～表5所示,有部件統計表、設備工作時間表、關鍵部件統計表、設備開機記錄表等.

表2 部件統計表

表3 設備工作時間表

表4 關鍵部件工作表

表5 設備開機記錄表

部件統計表:統計了火炮相關部件使用次數以及各節點在線履歷信息;設備工作表:統計了設備在不同工作模式下的履歷信息數據;關鍵部件統計表:詳細統計了關鍵部件的歷史使用與本階段使用次數;設備開機記錄表:詳細統計了設備開關機時間、工作時長、文件記錄名以及文件大小.數據庫表設計所遵循的原則:

命名規范化:在設計數據庫表中字段的命名時,遵從易理解直觀的命名規范,方便后期維護與修改.

表結構合理化:將修改頻率高的字段建立一個表,將不經常修改的數據建立一張表,減少存儲與查詢頻率對系統資源消耗.

表之間數據完整性:通過使用觸發器來保證數據完整性.當表中某一項數據更新后,其他表中相關的數據應及時得到數據更新.例如,當設備關機時,設備記錄表中poweroff_time 字段發生變化,字段更新后觸發時間改變觸發器,完成設備開機記錄表中工作時長的同步更新,完成設備工作時間表中工作時長的同步更新,完成部件統計表中相關數據的同步更新.

4 可視化界面工程設計與實現

目前,在嵌入式系統VxWorks 的可視化界面應用開發中,能夠保證可靠應用的開發環境主要有Qt 與Tilcon.Qt 是跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架,在界面開發、控制臺程序與服務器程序中得到廣泛應用.Tilcon 是美國Windriver 公司開發的多平臺界面開發工具,能夠運行于VxWorks、Linux、Windows CE 等.Tilcon 有著理想的人機界面、虛擬設備和嵌入式圖形界面開發環境,是目前最先進的VxWorks 下實時操作系統圖形開發工具,它集成了大量成熟控件,用戶只需要從工具欄中拖動控件,即可實現簡單的界面開發.Tilcon 開發的圖形應用程序具有可裁剪性強、運行效率高、顯示效果好等優點,主要用于實時、嵌入式或軍事應用領域中頻繁進行數據交互的應用.相比于QT,Tilcon 使用很少的代碼實現控件之間能夠設置關聯、觸發關系等,僅需在Tilcon 界面開發環境中設置控件的屬性表即可.在開發高質量圖形界面比較困難的系統、需要編寫大量的代碼、要求開發人員具有相應的特殊技能時,Tilcon 可以把用戶從大量編碼的圖形界面開發方式中解放出來,高效的開發出高性能的圖形界面.使用Tilcon 界面開發的工程有相當強的可移植性,在開發完成后易于修改和維護.在界面開發階段,用戶使用Tilcon 界面開發工具可以迅速完成原型的構建以及對控件功能進行測試與調試,可以顯著縮短從構想到原型再到實際產品的開發周期.健康管理系統中可視化軟件采用跨平臺、嵌入式圖形界面開發環境Tilcon5.9 開發,在VxWorks內核模式下開發示意圖如圖5所示.

圖5 Tilcon 在VxWorks 內核模式開發示意圖

首先,創建編譯DKM 媒體庫工程,DKM 媒體庫為VxWorks 啟動Tilcon 界面程序的關鍵中間插件,在DKM Tilcon 應用程序編譯和VxWorks 鏡像編譯時必須使用相同配置的DKM 媒體庫;第2 步,對Tilcon 內核裁剪與配置,按照需求選擇需要顯示的控件類型,比如Button、3D Panel 等,減少嵌入式系統資源開銷;通過編譯裁剪Tilcon 內核配置工程,將Tilcon API、Tilcon GUI Engine、Tilcon TAL 生成相應的靜態庫或動態庫文件,為Tilcon 應用程序提供應用庫支持;第3 步,通過編譯DKM Tilcon 界面應用程序生成可供VxWorks 系統鏡像加載的目標文件prj_name.out;最后,配置VxWorks 內核工程,確保任務啟動時能夠正確加載prj_name.out 工程文件.

5 健康管理系統驗證

健康管理系統實物圖如圖6.本文利用VxWorks嵌入式操作系統對健康管理系統多任務程序功能設計與實現;使用輕量級、跨平臺的嵌入式數據庫SQLite3完成設備與部件的履歷信息的存儲與管理;使用運行效率高,顯示效果好的嵌入式圖形界面開發環境Tilcon 完成實時數據可視化.健康管理系統通過接入火炮控制系統CAN 總線開始工作,接收并處理CAN總線上各節點之間的通信數據,通過可視化界面顯示火炮實時狀態以及實時數據,同時將部件以及節點通信的履歷信息存儲于嵌入式數據庫中.健康管理系統在實驗室測試環境,以及在隨火炮內外場試驗中,均能夠可靠穩定運行.

圖6 健康管理系統實物圖

6 結束語

現代智能技術的變革,武器系統的保障向智能化、信息化、集成度高的方向發展,本文針對火炮控制系統進行健康管理系統設計與實現,介紹了健康管理系統的系統多任務程序設計;針對嵌入式系統的資源限制,闡述了利用嵌入式數據庫SQLite3 對健康管理系統的數據庫設計與實現;說明了利用可靠的界面開發工具Tilcon 完成實時界面設計,并介紹Tilcon 在VxWorks 6.9 內核模式下開發的關鍵技術流程.通過在現實環境下的測試與驗證,系統能夠可靠穩定的運行,在隨火炮實驗的過程中取得較好的效果.