閆 戈,吳 婷,楊 誠,汪 浩,譚艾迪
(中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院,北京 100081)
艦炮通常分為電氣和火炮系統(tǒng)兩部分,是一種集光機電液于一體的復(fù)雜武器,須在短時間內(nèi)連續(xù)、不間斷地高速射擊,對可靠性要求高。目前對艦炮系統(tǒng)的保障方式仍以“事后維修”和“定期維修”為主,不能實時判斷艦炮系統(tǒng)的工作狀態(tài),且少量的監(jiān)測系統(tǒng)及也是以狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷為目的[1-3],無法準確預(yù)測故障發(fā)生時間,難以保證艦炮執(zhí)行訓(xùn)練或者任務(wù)時的可靠性和安全性,且設(shè)備的過度維保造成資源的浪費,也不能避免突發(fā)性故障[4]。隨著戰(zhàn)場對艦炮性能需求的提高,艦炮性能退化和故障導(dǎo)致的風(fēng)險在加大的同時,其維修成本也大幅提高,如何在節(jié)約維修保障成本的同時,提高艦炮系統(tǒng)的能力成為迫切解決的問題[5]。
故障預(yù)測技術(shù)是在故障診斷的基礎(chǔ)上發(fā)展得到的一種更為精準的維護保障方式。故障預(yù)測的最大價值在于剩余生命的預(yù)測,技術(shù)人員利用設(shè)備的設(shè)計數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息,采用合適的方法,預(yù)測對象在未來的一段時間內(nèi)何時發(fā)生故障以及發(fā)生什么故障,提前制定維護保障方案,實現(xiàn)基于狀態(tài)的維護,可以有效地保障設(shè)備的工作效率。
故障預(yù)測技術(shù)的出現(xiàn)為提高艦炮武器的可靠性和維修保障能力提供了一種新的手段。故障預(yù)測技術(shù)在艦炮系統(tǒng)維護窗口期內(nèi)選擇最合適的維護策略和維修計劃,在統(tǒng)籌全系統(tǒng)維護內(nèi)容的基礎(chǔ)上,制定全局最優(yōu)的維護方案,節(jié)省人力物力,保障系統(tǒng)的工作能力,目前在船舶主推進系統(tǒng)[6]、柴油機[7]、民用飛機[8]、航空電子及裝甲車輛等方向[9-10]已經(jīng)取得了較好的使用效果。
傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)一般都是將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行統(tǒng)一處理。隨著接入監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的增加,系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸帶寬和處理的實時性均提出了更高的要求。邊緣計算作為新興技術(shù),可以很好地解決傳輸數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高的問題[11-12]。
邊緣計算核心在于可將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)前移至靠近物或者數(shù)據(jù)源的一側(cè)。邊緣計算可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心壓力、提高應(yīng)用服務(wù)的實時響應(yīng)能力、增強數(shù)據(jù)安全性[13-14]。
邊緣計算主要由設(shè)備層、邊緣主機層和終端層組成,其技術(shù)架構(gòu)[15]如圖1所示,功能分別如下:
1)設(shè)備層,包括各種需要監(jiān)測的設(shè)備、系統(tǒng)、部件和其他監(jiān)測系統(tǒng),主要是監(jiān)測對象,并對其進行信號數(shù)據(jù)得收集;
2)邊緣主機層,對收集的各類信號進行處理,該層基本完成必須的數(shù)據(jù)處理工作,僅將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳至終端層;
3)終端層,主要用于查看邊緣主機層數(shù)據(jù)處理結(jié)果,此外,當需要查看某一設(shè)備某一時段的工作數(shù)據(jù)時,可以通過控制軟件將階段數(shù)據(jù)上傳,進行進一步分析,有效地降低了數(shù)據(jù)量的傳輸。
圖1 邊緣計算技術(shù)參考架構(gòu)
本文針對艦炮基于狀態(tài)的維護保障需求,設(shè)計了一種艦炮故障預(yù)測系統(tǒng),考慮艦炮系統(tǒng)及其搭載的艦船平臺特殊使用環(huán)境,引入了邊緣計算技術(shù)架構(gòu),將計算和存儲資源前移到數(shù)據(jù)采集前端,在平臺端實時進行預(yù)測和健康狀態(tài)評估,實現(xiàn)自主式維護保障。
艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)從功能上分為三部分,包括基于windows平臺的人機交互界面,用于故障預(yù)測系統(tǒng)的管理與控制;基于Linux RT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流管理軟件,用于采樣數(shù)據(jù)流的處理分析;基于傳感器及機內(nèi)自檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知系統(tǒng),用于艦炮工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集。
圖2 艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)架構(gòu)圖
根據(jù)功能需求,艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示,系統(tǒng)分為三層子系統(tǒng),包括數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及上位機子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)通過安裝振動、壓力、溫度傳感器以及接入機內(nèi)自檢系統(tǒng)的電壓、電流、溫度信號實現(xiàn)艦炮的狀態(tài)參數(shù)感知,并傳送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進行分析處理;數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要用于信號數(shù)據(jù)的特征提取、狀態(tài)識別(健康評估)、故障預(yù)測、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的上傳、采樣配置的下載、信號數(shù)據(jù)的儲存等,是艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。系統(tǒng)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成故障預(yù)測計算故障,并將預(yù)測結(jié)果上傳至上位機;上位機主要用于系統(tǒng)采樣參數(shù)的配置、狀態(tài)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)分析等。
根據(jù)常見的故障類型以及故障模式,考慮機內(nèi)自檢系統(tǒng)現(xiàn)有狀態(tài)參數(shù)無法足夠表征關(guān)鍵部件的退化狀態(tài),在不影響艦炮結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上,新增振動、溫度、壓力傳感器抓取部件的狀態(tài)信息,并對傳感器布局進行優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)利用最少數(shù)量的傳感器獲取艦炮系統(tǒng)的全面狀態(tài)信息。
數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng),如圖1,包括數(shù)據(jù)采集模塊以及總線數(shù)據(jù)獲取模塊,用于對艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)進行采集,并將采集的實時信號數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理平臺。關(guān)鍵系統(tǒng)包括自動機、火炮控制柜、隨動電機、隨動變頻器、電源機柜、炮床;數(shù)據(jù)采集模塊包括振動、溫度、壓力傳感器,分別用于采集艦炮炮架的振動信號、隨動變頻器的溫度信號以及自動機的壓力信號;總線數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取艦炮系統(tǒng)火炮控制柜的電壓電流信號、隨動電機的溫度信號以及電源機柜的電壓信號。
數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的核心組成,包括CompactRIO集成式控制器、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊。
數(shù)據(jù)輸入模塊用于解析BIT總線信號數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號數(shù)據(jù)進行異常點剔除、降噪濾波、時間對準處理等;數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲采集的信號和特征數(shù)據(jù);電源模塊為控制器提供電源;控制器負責(zé)數(shù)據(jù)的特征提取、狀態(tài)識別、故障預(yù)測、預(yù)測結(jié)果的上傳、配置參數(shù)的下載等,各模塊集成為CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺,安裝于加固機箱內(nèi),如圖3所示。艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)采用Labview作為上位機軟件及數(shù)據(jù)采集硬件平臺的控制程序開發(fā)環(huán)境。
圖3 信號處理分析子系統(tǒng)硬件平臺
其中,CompactRIO集成式控制器主要功能包括裝載數(shù)據(jù)輸入及通信模塊;利用機箱上的FPGA核心實現(xiàn)基于硬件的時序控制(精確定時、嚴格觸發(fā)等)、數(shù)據(jù)采集、信號處理、結(jié)果輸出操作;運行應(yīng)用程序,連接外圍設(shè)備、記錄數(shù)據(jù);將數(shù)據(jù)經(jīng)信號線存入儲存硬盤中;數(shù)據(jù)處理結(jié)果的上傳及實時顯示;參數(shù)配置、系統(tǒng)調(diào)試等。信號輸入模塊主要功能包括利用模擬輸入通道采集傳感器信號;利用同步觸發(fā)機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集等。
CompactRIO集成式控制器負責(zé)特征提取、狀態(tài)識別、故障預(yù)測等數(shù)據(jù)處理內(nèi)容以及下載上位機指令和上傳數(shù)據(jù)處理結(jié)果等,是數(shù)據(jù)采集平臺的核心組成部件,其功能單元組成如圖4所示,包括:1)功能配置單元,用于接收上位機的控制指令,為硬件系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)采樣通道、采樣率、模型關(guān)鍵參數(shù)等;2)特征提取單元,進行數(shù)據(jù)時域、頻域、時頻域的分析處理,完成特征提取,并構(gòu)建特征向量,用于狀態(tài)識別單元和故障預(yù)測單元的輸入;3)狀態(tài)識別(健康評估)單元,利用艦炮數(shù)據(jù)構(gòu)建狀態(tài)識別模型,實現(xiàn)艦炮系統(tǒng)關(guān)鍵部件的實時運行狀態(tài)識別;4)故障預(yù)測單元,利用艦炮數(shù)據(jù)構(gòu)建故障預(yù)測模型,計算得到實時預(yù)測結(jié)果,并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù),對算法模型訓(xùn)練、迭代和管理,不斷提高模型適應(yīng)性,確保故障預(yù)測結(jié)果的準確率;5)結(jié)果輸出單元,用于將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳至上位機進行顯示及管理。CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺具備體積小、穩(wěn)定性高、寬溫、可配置性強的特點,可以滿足不同工作任務(wù)下的數(shù)據(jù)采集需求。
圖4 集成式控制器功能單元組成
考慮到艦炮工作環(huán)境惡劣、便于數(shù)據(jù)管理以及結(jié)果觀測性要求高的特點,艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)選用高配置平板電腦作為上位機。為滿足實際的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測需求,共設(shè)置4個模塊,分別為:
1)參數(shù)配置模塊,參數(shù)配置模塊包括通道配置和信號采集模塊采樣率的配置,可以滿足不同數(shù)據(jù)采集任務(wù)下,不同通道數(shù)量和不同采樣率的組合需求。
2)數(shù)據(jù)管理模塊,將下位機儲存在硬盤里的數(shù)據(jù)上傳至上位機電腦中,便于后期的分析。
3)數(shù)據(jù)顯示模塊,配合數(shù)據(jù)管理模塊,對同步到上位機的數(shù)據(jù)進行觀測,在展示波形的同時還能夠?qū)Ω鱾€通道采集信號進行簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。方便用戶實時監(jiān)測采樣信號,及時發(fā)現(xiàn)待測信號的異常狀態(tài),在必要時及時調(diào)整測試任務(wù)。
4)數(shù)據(jù)分析模塊,配合數(shù)據(jù)管理模塊,歷史數(shù)據(jù)分析模塊對同步到上位機的數(shù)據(jù)進行運行趨勢、狀態(tài)識別、故障預(yù)測等數(shù)據(jù)分析。
系統(tǒng)采用LabVIEW軟件作為開發(fā)工具,完成了艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā),安裝于上位機平板電腦,通過觸摸屏對系統(tǒng)進行操作控制,實現(xiàn)艦炮運行狀態(tài)信號的實時在線監(jiān)測、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)管理以及歷史數(shù)據(jù)分析等。
軟件選用NI公司的Labview軟件,以NI硬件結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ),結(jié)合模塊化、多線程的軟件設(shè)計思想進行開發(fā),使其具備數(shù)據(jù)采集、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)管理及任務(wù)配置的功能。對于數(shù)據(jù)的任務(wù)配置,測試人員可以根據(jù)需求,在上位機上靈活的進行采集通道的選擇和采樣率的設(shè)置。對于數(shù)據(jù)存儲,采用文件的形式進行存儲,存儲的文件格式支持.dat、.txt等多種文件格式,軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 軟件平臺結(jié)構(gòu)
本文基于邊緣計算技術(shù)架構(gòu),將數(shù)據(jù)處理前移至設(shè)備端即靠近數(shù)據(jù)源頭,邊緣主機層負責(zé)數(shù)據(jù)處理工作,日常工作時,上位機只負責(zé)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的查看。當對歷史數(shù)據(jù)有分析需要時,通過控制指令將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)上傳至上位機,并進行進一步的數(shù)據(jù)處理分析。
首先系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊和總線數(shù)據(jù)獲取模塊負責(zé)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集,完成數(shù)據(jù)的第一次預(yù)處理如AD轉(zhuǎn)換等;將數(shù)據(jù)輸送至CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺進行數(shù)據(jù)的第二次預(yù)處理如野點剔除和歸一化處理等,完成預(yù)處理后數(shù)據(jù)進行特征提取及儲存,一方面將特征提取數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳至上位機顯示,另一方面結(jié)合歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建特征矩陣,用于訓(xùn)練狀態(tài)識別、故障診斷和故障莫測模型,用于歷史數(shù)據(jù)的分析,系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程
軟件界面如圖7~10所示。系統(tǒng)啟動后,登錄客戶端自動接入?yún)?shù)配置界面,包括界面選擇欄、控制按鈕欄、通道欄、數(shù)據(jù)曲線顯示欄、通道自檢狀態(tài)欄等。其中,界面選擇欄用于選擇用戶配置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)分析界面;控制按鈕欄實現(xiàn)程序開始運行、停止等功能。通道欄用于顯示波形的通道;數(shù)據(jù)曲線顯示欄顯示當前選中通道的數(shù)據(jù)曲線。
圖7 系統(tǒng)配置界面
圖8 數(shù)據(jù)顯示界面
圖9 數(shù)據(jù)管理界面
圖10 數(shù)據(jù)分析界面
本文提出并設(shè)計了一種基于邊緣計算的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng),在傳統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷的基礎(chǔ)上同時引入了故障預(yù)測技術(shù)和邊緣計算技術(shù)。故障預(yù)測技術(shù)可以實現(xiàn)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析,準確預(yù)測故障發(fā)生時間,提前規(guī)劃維修任務(wù);系統(tǒng)引入的邊緣計算技術(shù)架構(gòu),將艦炮系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)處理工作下移至下位機,上位機負責(zé)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示及管理,便于用戶的觀測,也更有利于現(xiàn)場的實施。設(shè)計的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)較傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢明顯,詳細對比見表1。
表1 設(shè)計系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)勢對比
基于邊緣計算的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)通過采集艦炮系統(tǒng)的溫度、振動、壓力、電壓、電流信號,完成艦炮狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與儲存,不斷積累有效的運行數(shù)據(jù),并實現(xiàn)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的運行趨勢監(jiān)測、狀態(tài)識別、故障預(yù)測,可以提前規(guī)劃維護保障方案,保證艦炮執(zhí)行訓(xùn)練或任務(wù)時的可靠性和安全性,提高艦炮系統(tǒng)的工作效能,同時可以對備品備件優(yōu)化,降低維護保障成本。通過邊緣計算技術(shù)架構(gòu),可以有效地提高了數(shù)據(jù)處理的實時性、降低了數(shù)據(jù)傳輸量以及系統(tǒng)軟硬件的要求,更便于與其他系統(tǒng)的集成。