基于單套慣導(dǎo)狀態(tài)的針對(duì)性修理保障技術(shù)研究

宋文瑰 岳永凱 張廣鵬 田曉鳳

摘? 要：針對(duì)軍用飛機(jī)平臺(tái)式慣導(dǎo)產(chǎn)品外場(chǎng)故障多發(fā)，內(nèi)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程煩瑣的現(xiàn)狀，開(kāi)展基于單套慣導(dǎo)狀態(tài)的針對(duì)性修理保障模式研究。依托歷史調(diào)試數(shù)據(jù)，提煉總結(jié)慣導(dǎo)調(diào)試過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)并建立有效數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行編程以對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析及可視化呈現(xiàn)，將分析結(jié)果與已有數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比對(duì)分析，識(shí)別其差異點(diǎn)和相同點(diǎn)，從而形成適用于單套慣導(dǎo)修理的方案，可提升慣導(dǎo)產(chǎn)品的修理效率、可靠性，提高部隊(duì)用戶(hù)的使用體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：基于狀態(tài)的維修;慣導(dǎo)維修;數(shù)據(jù)可視化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0141-04

Abstract： Aiming at the current situation of frequent external field faults and cumbersome inner field debugging process of platform inertial navigation products in military aircraft， the targeted repair support mode based on single inertial navigation state is studied. Based on the historical debugging data， refine and summarize the key parameters of inertial navigation debugging process and establish an effective data model， program with MATLAB software to monitor， analyze and visualize the process data， compare and analyze the analysis results with the existing data model， and identify the differences and similarities between them， so as to form a scheme suitable for single inertial navigation repair， which can improve the repair efficiency and reliability of inertial navigation products and improve the use experience of military users.

Keywords： state-based maintenance; inertial navigation maintenance; data visualization

0? 引? 言

裝備維修是保持、恢復(fù)乃至提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要因素，對(duì)于武器系統(tǒng)效能的發(fā)揮或軍事、經(jīng)濟(jì)效益的保持起著至關(guān)重要的作用。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)械加工制造技術(shù)的跨越式發(fā)展，微電子機(jī)電產(chǎn)品在作戰(zhàn)武器裝備中的占比日趨增加，航空機(jī)載設(shè)備也呈現(xiàn)出百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的良好勢(shì)頭。由于航空機(jī)載設(shè)備對(duì)可靠性的嚴(yán)格要求，以及其對(duì)使用維修及時(shí)性、準(zhǔn)確性的特殊需要，使得現(xiàn)代集成化機(jī)載設(shè)備的維修技術(shù)在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的作用愈發(fā)明顯和重要。慣導(dǎo)產(chǎn)品作為當(dāng)前軍用飛機(jī)的主要機(jī)載產(chǎn)品之一，其在飛機(jī)上的作用就好比浩瀚天際中為飛行員引領(lǐng)航跡的向?qū)?，飛行員對(duì)慣導(dǎo)產(chǎn)品的依賴(lài)與當(dāng)下人們對(duì)導(dǎo)航的依賴(lài)如出一轍，無(wú)形中提升了慣導(dǎo)產(chǎn)品的使用頻次。近年來(lái)，成熟軍用飛機(jī)配裝的平臺(tái)式慣導(dǎo)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，嚴(yán)重阻礙部隊(duì)?wèi)?zhàn)訓(xùn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，質(zhì)量提升需求緊迫?，F(xiàn)實(shí)條件下，航空修理工廠身處航空產(chǎn)業(yè)鏈的末端，承修產(chǎn)品的軟硬件往往滯后于當(dāng)下科學(xué)一兩個(gè)代次，盡管當(dāng)下在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域捷聯(lián)慣導(dǎo)發(fā)展勢(shì)頭平穩(wěn)，但要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)式慣導(dǎo)產(chǎn)品的全部替代是不經(jīng)濟(jì)也是不現(xiàn)實(shí)的，故對(duì)平臺(tái)式慣導(dǎo)修理模式的深入研究仍是慣導(dǎo)修理廠不可回避的課題。

1? 平臺(tái)式慣導(dǎo)修理現(xiàn)狀

1.1? 平臺(tái)式慣導(dǎo)修理現(xiàn)狀及背景

典型的平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)由平臺(tái)（包含陀螺儀、加速度計(jì)）、加速度計(jì)、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等部分組成，如圖1所示。目前飛機(jī)大修廠在維修保障過(guò)程中，受維修人員技術(shù)水平、設(shè)備自動(dòng)化程度、器材供應(yīng)渠道、工藝方法成熟度等因素影響，很難達(dá)到原設(shè)計(jì)單位細(xì)化到部件級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)的維修標(biāo)準(zhǔn)。尤其是當(dāng)部隊(duì)承擔(dān)突發(fā)或緊急戰(zhàn)備任務(wù)時(shí)，原設(shè)計(jì)制造單位的鑒定驗(yàn)收試驗(yàn)就顯得過(guò)于煩瑣。修理的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)儀表系統(tǒng)性能的綜合測(cè)試，掌握儀表當(dāng)期使用后系統(tǒng)誤差變化的規(guī)律，重新建立起儀表使用后的誤差模型，再應(yīng)用測(cè)試軟件對(duì)儀表系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而提高儀表的使用精度。實(shí)際條件下，要求慣性?xún)x表在沖擊、振動(dòng)、高機(jī)動(dòng)以及惡劣的溫度、電磁干擾環(huán)境條件下都不受影響保持高精度穩(wěn)定輸出是不可能的。而提高儀表自身的精度則需付出極高昂的代價(jià)，特別是慣性級(jí)高精度儀表，其性能幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限，若要再提高10%的精度，可能需要付出10倍的投入。為此，修理過(guò)程中認(rèn)真測(cè)試，建立準(zhǔn)確的誤差模型是一個(gè)極為重要的提高慣性?xún)x表使用精度的途徑。測(cè)試的目的還在于發(fā)現(xiàn)慣性?xún)x表在設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)固有的缺陷，從而為改進(jìn)儀表的設(shè)計(jì)和制造工藝提供重要的依據(jù)。

1.2? 平臺(tái)式慣導(dǎo)修理流程優(yōu)化

為適應(yīng)當(dāng)下部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練中對(duì)裝備完好性的衍生需求，大修廠在機(jī)載設(shè)備的修理過(guò)程中注重對(duì)產(chǎn)品過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、外場(chǎng)使用數(shù)據(jù)等信息的收集和整理，探索在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上尋找基于單個(gè)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性維修的方法。該方法擬從產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境出發(fā)，根據(jù)各個(gè)產(chǎn)品的不同狀態(tài)和故障情況，從可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面來(lái)確定其實(shí)際的維修流程。維修流程的確定取決于不同產(chǎn)品的可靠性，并根據(jù)產(chǎn)品各組件的損壞程度確定。

1.3? 平臺(tái)式慣導(dǎo)調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)

平臺(tái)式慣導(dǎo)核心傳感器組件為陀螺儀和加速度計(jì)，二者精度和性能的優(yōu)劣直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。實(shí)際上，陀螺儀和加速度計(jì)等關(guān)鍵傳感器從使用穩(wěn)定性角度可分為高、中、低三個(gè)等級(jí)，設(shè)計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)，往往需要選用與系統(tǒng)性能相匹配的慣性?xún)x表，同時(shí)不斷研發(fā)性能更優(yōu)的儀表。但單純地依靠?jī)?yōu)化儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)所帶來(lái)的收益與投入往往相距甚遠(yuǎn)。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，誤差補(bǔ)償技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于慣導(dǎo)產(chǎn)品系統(tǒng)精度的提高。

修理工廠維修產(chǎn)品的過(guò)程就是對(duì)產(chǎn)品原有狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)的過(guò)程，涉及故檢、分解、修理、裝配、調(diào)試、驗(yàn)收等多個(gè)環(huán)節(jié)，其中調(diào)試環(huán)節(jié)是平臺(tái)式慣導(dǎo)修理的關(guān)鍵。調(diào)試過(guò)程需要借助大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析、補(bǔ)償、確認(rèn)慣導(dǎo)原始狀態(tài)的恢復(fù)程度。試驗(yàn)中對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)的高效解讀和利用是提升修理效率的關(guān)鍵。實(shí)踐表明，憑借慣導(dǎo)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)可直接預(yù)測(cè)慣導(dǎo)預(yù)期使用效果。通過(guò)觀察有無(wú)跳數(shù)跳臺(tái)階現(xiàn)象，觀察對(duì)準(zhǔn)50狀30-01狀態(tài)的Fi（i=x，y，z），導(dǎo)航后的Ni（i=x，y），隨時(shí)間變化應(yīng)是一條較為平滑的曲線(xiàn)，來(lái)回跳動(dòng)稱(chēng)為跳數(shù)，出現(xiàn)階躍稱(chēng)為跳臺(tái)階。如何從成百上千條數(shù)據(jù)中高效讀取有用數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形化顯現(xiàn)是本文研究的重點(diǎn)。

2? 慣導(dǎo)基于狀態(tài)維修的關(guān)鍵技術(shù)

GJB 150作為最典型的機(jī)載設(shè)備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了20多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，幾乎涵蓋各類(lèi)機(jī)載設(shè)備預(yù)期可能經(jīng)歷的全部使用環(huán)境。對(duì)修理行業(yè)而言，相關(guān)的試驗(yàn)在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)已經(jīng)進(jìn)行了選取和試驗(yàn)及驗(yàn)證，單純的復(fù)試產(chǎn)品理論上無(wú)須進(jìn)行相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)。但常規(guī)的修理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類(lèi)試驗(yàn)的篩選并無(wú)統(tǒng)一的原則，一些需要環(huán)境長(zhǎng)期作用才能產(chǎn)生不利影響的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可列為一次性考核指標(biāo)，如：霉菌、鹽霧、沙塵、電磁兼容。實(shí)際上，如何取舍相關(guān)環(huán)境的試驗(yàn)也是維修人員需要根據(jù)單個(gè)產(chǎn)品特點(diǎn)認(rèn)真分析和研究的內(nèi)容。本文在借鑒設(shè)計(jì)制造單位鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，充分利用已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)MATLAB軟件建立外場(chǎng)故障與內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)新承接的待修件，套入已驗(yàn)證的可靠模型，針對(duì)性地刪減不必要的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，一方面可提高環(huán)境試驗(yàn)的針對(duì)性，另一方面也可防止重復(fù)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品固有可靠性的無(wú)故消耗。

2.1? 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及可視化呈現(xiàn)

慣導(dǎo)基于狀態(tài)維修需要及時(shí)完整地獲得系統(tǒng)及內(nèi)部各電路板、慣性器件的狀態(tài)數(shù)據(jù)。CBM系統(tǒng)通常采用分布式狀態(tài)監(jiān)控—集中式分析處理方案。收集已修理交付的百余套平臺(tái)式慣導(dǎo)基礎(chǔ)信息，提煉調(diào)試過(guò)程故障信息、修理?yè)Q件信息、外場(chǎng)返工信息等慣導(dǎo)修理周期內(nèi)質(zhì)量信息臺(tái)賬，識(shí)別慣導(dǎo)調(diào)試過(guò)程參數(shù)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。針對(duì)確定的調(diào)試過(guò)程參數(shù)，通過(guò)軟件編程分別實(shí)現(xiàn)對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢索監(jiān)控，為產(chǎn)品故障監(jiān)控和故障診斷提供支持。通過(guò)232串口/USB接口轉(zhuǎn)接線(xiàn)將慣導(dǎo)232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦上，再通過(guò)MATLAB軟件編輯的“573數(shù)據(jù)接收測(cè)試軟件”程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)232數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和讀取，并通過(guò)軟件對(duì)關(guān)鍵參數(shù)Nx、Ny進(jìn)行圖形化顯示，如出現(xiàn)大的跳數(shù)、跳臺(tái)階情況則可立即發(fā)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)調(diào)試過(guò)程參數(shù)圖形可視化顯示功能。以識(shí)別出的關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)將慣導(dǎo)XS3插座232數(shù)據(jù)發(fā)送插針與裝有MATLAB軟件的慣導(dǎo)外場(chǎng)用筆記本電腦連接，通過(guò)運(yùn)行自編程序（573串口通信助手），可實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，連接示意圖如圖2所示。

2.2? 對(duì)慣導(dǎo)歷史關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)

針對(duì)外場(chǎng)反饋使用效果差或調(diào)試過(guò)程中發(fā)生故障的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了慣導(dǎo)歷史數(shù)據(jù)可視化互動(dòng)窗口程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)已交付慣導(dǎo)Fi、Ni、Ti、Vi等關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)，建立關(guān)鍵數(shù)據(jù)與內(nèi)外場(chǎng)故障的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成慣導(dǎo)關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)參考量化控制指標(biāo)，作為在修慣導(dǎo)產(chǎn)品過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控的依據(jù)。通過(guò)MATLAB軟件開(kāi)發(fā)慣導(dǎo)歷史數(shù)據(jù)讀取及可視化呈現(xiàn)程序，繪圖實(shí)例如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

2.3? 歷史故障信息高效檢索

針對(duì)慣導(dǎo)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的故障情況，開(kāi)發(fā)了573系列慣導(dǎo)調(diào)試數(shù)據(jù)故障代碼檢索程序（testFile），操作者在互動(dòng)界面中輸入文件夾位置，如圖7所示，即可快速檢索慣導(dǎo)已發(fā)生過(guò)故障的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)位置，具體檢索結(jié)果如圖8、圖9所示。

3? 結(jié)? 論

隨著飛行保障設(shè)備的持續(xù)性發(fā)展，大容量、自動(dòng)化、智能化、參數(shù)化是其主要發(fā)展方向，在實(shí)際的裝備系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的背景下，所涉設(shè)備數(shù)量以及類(lèi)型也在不斷增加。本文通過(guò)對(duì)慣導(dǎo)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)與外場(chǎng)使用效果關(guān)聯(lián)規(guī)律的研究，為現(xiàn)有慣導(dǎo)開(kāi)展基于狀態(tài)維修提供了決策依據(jù)。針對(duì)傳統(tǒng)慣導(dǎo)維修千篇一律開(kāi)展高低溫試驗(yàn)、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的粗獷式維修問(wèn)題，在分析已維修交付的百余套慣導(dǎo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和外場(chǎng)使用反饋基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)單套慣導(dǎo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)估，對(duì)評(píng)估結(jié)果較差的慣導(dǎo)與歷史慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)狀態(tài)預(yù)測(cè)，判斷其狀態(tài)進(jìn)一步劣化的趨勢(shì)，為單套慣導(dǎo)后續(xù)的維修決策制定提供依據(jù)。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)單套慣導(dǎo)的狀態(tài)評(píng)估，確定單套慣導(dǎo)的實(shí)際維修需求，制定合理的維修決策方案。

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作者簡(jiǎn)介：宋文瑰（1983—），女，漢族，山東威海人，高級(jí)工程師，工程碩士，研究方向：機(jī)載設(shè)備修理技術(shù)。

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