自行火炮綜合測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)

劉白林，頓建華，姜 飛，高小雅

（1.西安工業(yè)大學，陜西 西安 710032；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；3.中國兵器工業(yè)信息中心，北京 100089）

自行火炮武器系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)復雜及光、機、電等高技術(shù)的復雜系統(tǒng)［1］。對自行火炮進行經(jīng)常性的檢查維修，對保持火炮系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)具有非常重要的意義。由于目前我軍裝備的發(fā)展速度遠遠高于裝備應(yīng)用人才的發(fā)展速度，特別是隨著新型自行火炮的裝備，作戰(zhàn)使用單位維修保障人才嚴重滯后，直接影響到自行火炮武器系統(tǒng)的正常使用和戰(zhàn)斗力的形成。故障診斷專家系統(tǒng)的在裝備方面的應(yīng)用已經(jīng)很多［2－4］。考慮某型自行火炮部隊裝備保障需求的現(xiàn)狀，針對某自行火炮武器系統(tǒng)單體多、技術(shù)復雜，單一故障診斷方法通用性和可靠性差等問題，結(jié)合裝備特點，研制了一種針對自行火炮性能和故障檢測的綜合測試系統(tǒng)。它集經(jīng)驗、實時數(shù)據(jù)和原理知識及信息管理于一體，將測試與控制、故障診斷和專家系統(tǒng)有機結(jié)合，對提高部隊裝備保障效率有著積極的意義。

1 綜合測試儀結(jié)構(gòu)

綜合測試儀包括兩部分：故障診斷專家系統(tǒng)和信號處理裝置。信號處理裝置主要是接收專家系統(tǒng)發(fā)來的檢測命令，給相應(yīng)單體發(fā)送信息，采集自行火炮參數(shù)，并傳送回故障診斷專家系統(tǒng)；故障診斷專家系統(tǒng)采用經(jīng)驗、在線和原理診斷的方法，對自行火炮的故障進行診斷，并給出維修建議和診斷報表。根據(jù)火炮系統(tǒng)測試應(yīng)用需求，某自行火炮檢測數(shù)據(jù)分為開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)。對于供輸彈控制系統(tǒng)、操瞄控制箱和隨動系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)，通過I／O和AD數(shù)據(jù)采集板采集并處理；對于火控系統(tǒng)等數(shù)字量數(shù)據(jù)以CAN總線方式傳輸數(shù)據(jù)。

故障診斷專家系統(tǒng)由人機交互、知識庫維護、故障診斷推理、推理機、串行通信和知識庫部分組成；信號處理裝置由主控程序、串口通信、AD數(shù)據(jù)采集和CAN通信等部分組成。其中，故障診斷推理調(diào)用串行通信模塊，與信號處理裝置進行通信，發(fā)送檢測命令，接收信號處理裝置檢測的自行火炮各單體檢測結(jié)果，如圖1所示。

1.1 信號處理裝置

信號處理裝置是綜合測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，選用X86架構(gòu)處理器，其硬件系統(tǒng)平臺主要由信號調(diào)理板和Diamond System公司Hercules II型EBX單板機所構(gòu)成，該主板集成有±10V寬范圍16路雙極性／32路單極性的16位高精度A／D輸入接口、4路12位D／A輸出接口、40路可兼容3.3V／5.0V邏輯電平的可編程數(shù)字I／O接口、兩路計數(shù)器／定時器接口及具有可添加諸如符合CAN 2.0B協(xié)議總線通信模塊且具有5～28V的寬電壓輸入范圍PC104外部擴展接口。

信號處理裝置軟件處理流程如下：

信號處理裝置軟件從RS232串行接口獲取故障診斷專家系統(tǒng)發(fā)送過來的控制命令字，信號處理裝置應(yīng)用軟件依據(jù)通信協(xié)議對該命令進行數(shù)據(jù)解析后分解相應(yīng)的開關(guān)量和模擬量，按相應(yīng)流程啟動IO信號檢測模塊、AD數(shù)據(jù)采集模塊，采集對應(yīng)的數(shù)字I／O和模擬A／D信號數(shù)據(jù)；如果是CAN總線上的故障單體數(shù)據(jù)，則向CAN總線網(wǎng)絡(luò)單體發(fā)送狀態(tài)查詢命令；然后將獲取到的自行火炮單體在線檢測數(shù)據(jù)通過RS232串行接口發(fā)送給故障診斷專家系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)告警顯示和故障診斷推理。

1.2 故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)安裝在軍用筆記本電腦里。故障診斷專家系統(tǒng)軟件將自行火炮系統(tǒng)的自檢功能與通用檢測儀器和專用檢測儀一起共同完成自行火炮武器系統(tǒng)設(shè)備的故障診斷和定位，并提供相應(yīng)的維修措施。故障診斷專家系統(tǒng)功能主要包括在線診斷、經(jīng)驗診斷和原理診斷等功能。專家系統(tǒng)根據(jù)自行火炮數(shù)字化的應(yīng)用需求，通過RS232串行口與信號處理裝置進行通信，采集自行火炮單體的開關(guān)量、模擬量和CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，實時感知并獲取火炮當前狀態(tài)與工作參數(shù)，結(jié)合在線檢測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析后，進行故障診斷和在線推理，找出故障源，從而給出維修措施或建議。

2 綜合故障診斷模型

綜合測試儀將系統(tǒng)按照層次診斷模型［5］，對診斷對象的故障進行抽象描述，形成經(jīng)驗、在線和原理3種知識。診斷時3種知識可分別使用也可集成使用，且經(jīng)驗診斷在先運行，在線診斷其次，對于經(jīng)驗診斷和在線診斷不能確定的故障，兩者的診斷結(jié)果可作為原理診斷的啟發(fā)性信息，加快原理診斷的速度，提高故障診斷的效率和成功率。

2.1 層次診斷模型

按復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能分層原理，將其分為若干層次，由粗到細按層次逐一確定故障的部位和原因，直到要求的深度（電子設(shè)備到插件板，機械設(shè)備到戰(zhàn)場二級維修可更換的部件或單體）。在每一層次上，故障診斷可分為故障征兆收集、故障檢測、假設(shè)故障源和假設(shè)驗證等幾個步驟。

首先通過對被診斷系統(tǒng)的檢測，可確認故障和故障類型，然后提出下層故障位置和故障類型的假設(shè)，最后驗證其中哪些為真假設(shè)，依次進行，上下層結(jié)點相連，層層深入搜索故障源。在每一層次的診斷中，可用征兆分析法、功能分析法和綜合信號分析法等方法來分析上下層間故障的因果關(guān)系。用故障征兆作為條件來驅(qū)動由上層往下層的深入分析。層次診斷模型將一個復雜系統(tǒng)的診斷分解為一個個分系統(tǒng)、設(shè)備和部件，組織成一棵邏輯樹，對故障進行隔離并分別進行診斷，這種模型對復雜系統(tǒng)的故障診斷有明顯的效果。圖2所示是基于層次診斷模型的邏輯故障樹［6］，樹中上層結(jié)點對應(yīng)著故障結(jié)點，樹葉子結(jié)點對應(yīng)著故障源；故障結(jié)點包含當前狀態(tài)和檢測分離信息，分別用狀態(tài)結(jié)點Si和測試結(jié)點Ti表示。故障源用葉子結(jié)點表示，對應(yīng)有維修信息，不再含有分離信息。

2.2 知識表示

綜合測試儀診斷專家系統(tǒng)用對象式框架知識模型［7］來表示知識，將邏輯故障樹中的每一結(jié)點信息狀態(tài)［8］都用對象式框架來表示知識。經(jīng)驗診斷、在線診斷和原理診斷的知識都統(tǒng)一到對象式框架。一個對象式框架有唯一的對象編號，由狀態(tài)對象、測試對象、規(guī)則對象、維修對象和圖表對象構(gòu)成，每個知識項對象的結(jié)點編號是與對象式框架編號相同的。

對象式框架知識表示方法是一種綜合的知識表示法，該方法結(jié)合了專家系統(tǒng)中的框架技術(shù)和產(chǎn)生式系統(tǒng)規(guī)則。一個對象式框架知識表示邏輯故障樹的一個結(jié)點。知識對象的管理采用雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，知識庫采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，為推理策略的實施奠定了基礎(chǔ)，提供了方便。

2.3 診斷過程

故障診斷專家系統(tǒng)在對象式框架知識表示的基礎(chǔ)上，將專家經(jīng)驗分析、自行火炮狀態(tài)信息和原理分析的思想集成到專家系統(tǒng)的診斷維修過程中。診斷過程如圖3所示，圖中給出了故障診斷的關(guān)鍵流程。診斷第1步是經(jīng)驗診斷，即簡單查找或匹配是否有相應(yīng)的維修知識，如有診斷成功，轉(zhuǎn)入第4步，如不成功，進入第2步；第2步，運行在線檢測，獲取自行火炮相關(guān)分系統(tǒng)或單體的開關(guān)量、模擬量和狀態(tài)信息，然后在線診斷（如成功，轉(zhuǎn)入第4步）或作為啟發(fā)式信息轉(zhuǎn)原理診斷；第3步原理診斷，收集故障征兆，檢測分離故障范圍，進行決策，直到找到故障源，轉(zhuǎn)入第4步，這是個遞歸過程；第4步給出維修措施，對故障設(shè)備進行維修處理，并啟動設(shè)備管理，對維修所用的部件進行相應(yīng)的出庫管理。該診斷過程將經(jīng)驗、在線和原理診斷相結(jié)合，體現(xiàn)了專家在分析、解決問題的思路。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

綜合測試儀信號處理裝置軟件采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計方法，用C／C＋＋語言編程工具，以VxWorks 5.5嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為運行平臺，充分利用任務(wù)執(zhí)行過程的并發(fā)功能、任務(wù)優(yōu)先級搶占和阻塞特性以及利用信號量進行任務(wù)間同步與臨界資源互斥操作等技術(shù)來完成信息處理，同時以全局變量和管道通信方式來處理參數(shù)傳遞，在Tornado 2.2集成開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)了軟件設(shè)計、編程和測試。故障診斷專家系統(tǒng)軟件采用 Windows操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)工具采用Visual C＋＋6.0，知識庫采用數(shù)據(jù)庫存貯，實現(xiàn)了軟件的開發(fā)和系統(tǒng)實裝運行調(diào)試。

4 結(jié) 論

本文針對某自行火炮武器系統(tǒng)單體多、技術(shù)復雜、單一故障診斷方法通用性差和診斷結(jié)果不理想等問題，結(jié)合裝備特點，研制了一種自行火炮故障檢測的綜合測試系統(tǒng)。它集經(jīng)驗、實時數(shù)據(jù)和原理知識及信息管理于一體，將測試與控制、故障診斷和專家系統(tǒng)有機結(jié)合，對提高部隊裝備保障效率有著積極的意義。論文工作的創(chuàng)新點是在原有離線診斷的基礎(chǔ)上，將實時檢測的開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)和CAN自檢信息用于專家系統(tǒng)診斷，實現(xiàn)了故障的在線診斷，對于部分不能確定的故障，其結(jié)果作為原理診斷的啟發(fā)性信息，加速原理診斷的速度，提高了綜合測試儀的診斷效率和成功率。實踐結(jié)果表明，該綜合測試儀是有效的，具有很好的針對性和適用性，對其他類似的系統(tǒng)具有參考價值。

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