自行火炮综合测试仪的设计与实现

刘白林，顿建华，姜 飞，高小雅

（1.西安工业大学，陕西 西安 710032；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；3.中国兵器工业信息中心，北京 100089）

自行火炮武器系统是一种结构复杂及光、机、电等高技术的复杂系统［1］。对自行火炮进行经常性的检查维修，对保持火炮系统良好的工作状态具有非常重要的意义。由于目前我军装备的发展速度远远高于装备应用人才的发展速度，特别是随着新型自行火炮的装备，作战使用单位维修保障人才严重滞后，直接影响到自行火炮武器系统的正常使用和战斗力的形成。故障诊断专家系统的在装备方面的应用已经很多［2－4］。考虑某型自行火炮部队装备保障需求的现状，针对某自行火炮武器系统单体多、技术复杂，单一故障诊断方法通用性和可靠性差等问题，结合装备特点，研制了一种针对自行火炮性能和故障检测的综合测试系统。它集经验、实时数据和原理知识及信息管理于一体，将测试与控制、故障诊断和专家系统有机结合，对提高部队装备保障效率有着积极的意义。

1 综合测试仪结构

综合测试仪包括两部分：故障诊断专家系统和信号处理装置。信号处理装置主要是接收专家系统发来的检测命令，给相应单体发送信息，采集自行火炮参数，并传送回故障诊断专家系统；故障诊断专家系统采用经验、在线和原理诊断的方法，对自行火炮的故障进行诊断，并给出维修建议和诊断报表。根据火炮系统测试应用需求，某自行火炮检测数据分为开关量、模拟量和数字量数据。对于供输弹控制系统、操瞄控制箱和随动系统的开关量和模拟量数据，通过I／O和AD数据采集板采集并处理；对于火控系统等数字量数据以CAN总线方式传输数据。

故障诊断专家系统由人机交互、知识库维护、故障诊断推理、推理机、串行通信和知识库部分组成；信号处理装置由主控程序、串口通信、AD数据采集和CAN通信等部分组成。其中，故障诊断推理调用串行通信模块，与信号处理装置进行通信，发送检测命令，接收信号处理装置检测的自行火炮各单体检测结果，如图1所示。

1.1 信号处理装置

信号处理装置是综合测试系统的数据采集设备，选用X86架构处理器，其硬件系统平台主要由信号调理板和Diamond System公司Hercules II型EBX单板机所构成，该主板集成有±10V宽范围16路双极性／32路单极性的16位高精度A／D输入接口、4路12位D／A输出接口、40路可兼容3.3V／5.0V逻辑电平的可编程数字I／O接口、两路计数器／定时器接口及具有可添加诸如符合CAN 2.0B协议总线通信模块且具有5～28V的宽电压输入范围PC104外部扩展接口。

信号处理装置软件处理流程如下：

信号处理装置软件从RS232串行接口获取故障诊断专家系统发送过来的控制命令字，信号处理装置应用软件依据通信协议对该命令进行数据解析后分解相应的开关量和模拟量，按相应流程启动IO信号检测模块、AD数据采集模块，采集对应的数字I／O和模拟A／D信号数据；如果是CAN总线上的故障单体数据，则向CAN总线网络单体发送状态查询命令；然后将获取到的自行火炮单体在线检测数据通过RS232串行接口发送给故障诊断专家系统进行数据告警显示和故障诊断推理。

1.2 故障诊断专家系统

故障诊断专家系统安装在军用笔记本电脑里。故障诊断专家系统软件将自行火炮系统的自检功能与通用检测仪器和专用检测仪一起共同完成自行火炮武器系统设备的故障诊断和定位，并提供相应的维修措施。故障诊断专家系统功能主要包括在线诊断、经验诊断和原理诊断等功能。专家系统根据自行火炮数字化的应用需求，通过RS232串行口与信号处理装置进行通信，采集自行火炮单体的开关量、模拟量和CAN总线网络传输的状态信息，实时感知并获取火炮当前状态与工作参数，结合在线检测数据进行相关分析后，进行故障诊断和在线推理，找出故障源，从而给出维修措施或建议。

2 综合故障诊断模型

综合测试仪将系统按照层次诊断模型［5］，对诊断对象的故障进行抽象描述，形成经验、在线和原理3种知识。诊断时3种知识可分别使用也可集成使用，且经验诊断在先运行，在线诊断其次，对于经验诊断和在线诊断不能确定的故障，两者的诊断结果可作为原理诊断的启发性信息，加快原理诊断的速度，提高故障诊断的效率和成功率。

2.1 层次诊断模型

按复杂系统的结构和功能分层原理，将其分为若干层次，由粗到细按层次逐一确定故障的部位和原因，直到要求的深度（电子设备到插件板，机械设备到战场二级维修可更换的部件或单体）。在每一层次上，故障诊断可分为故障征兆收集、故障检测、假设故障源和假设验证等几个步骤。

首先通过对被诊断系统的检测，可确认故障和故障类型，然后提出下层故障位置和故障类型的假设，最后验证其中哪些为真假设，依次进行，上下层结点相连，层层深入搜索故障源。在每一层次的诊断中，可用征兆分析法、功能分析法和综合信号分析法等方法来分析上下层间故障的因果关系。用故障征兆作为条件来驱动由上层往下层的深入分析。层次诊断模型将一个复杂系统的诊断分解为一个个分系统、设备和部件，组织成一棵逻辑树，对故障进行隔离并分别进行诊断，这种模型对复杂系统的故障诊断有明显的效果。图2所示是基于层次诊断模型的逻辑故障树［6］，树中上层结点对应着故障结点，树叶子结点对应着故障源；故障结点包含当前状态和检测分离信息，分别用状态结点Si和测试结点Ti表示。故障源用叶子结点表示，对应有维修信息，不再含有分离信息。

2.2 知识表示

综合测试仪诊断专家系统用对象式框架知识模型［7］来表示知识，将逻辑故障树中的每一结点信息状态［8］都用对象式框架来表示知识。经验诊断、在线诊断和原理诊断的知识都统一到对象式框架。一个对象式框架有唯一的对象编号，由状态对象、测试对象、规则对象、维修对象和图表对象构成，每个知识项对象的结点编号是与对象式框架编号相同的。

对象式框架知识表示方法是一种综合的知识表示法，该方法结合了专家系统中的框架技术和产生式系统规则。一个对象式框架知识表示逻辑故障树的一个结点。知识对象的管理采用双向链表数据结构，知识库采用关系数据库，为推理策略的实施奠定了基础，提供了方便。

2.3 诊断过程

故障诊断专家系统在对象式框架知识表示的基础上，将专家经验分析、自行火炮状态信息和原理分析的思想集成到专家系统的诊断维修过程中。诊断过程如图3所示，图中给出了故障诊断的关键流程。诊断第1步是经验诊断，即简单查找或匹配是否有相应的维修知识，如有诊断成功，转入第4步，如不成功，进入第2步；第2步，运行在线检测，获取自行火炮相关分系统或单体的开关量、模拟量和状态信息，然后在线诊断（如成功，转入第4步）或作为启发式信息转原理诊断；第3步原理诊断，收集故障征兆，检测分离故障范围，进行决策，直到找到故障源，转入第4步，这是个递归过程；第4步给出维修措施，对故障设备进行维修处理，并启动设备管理，对维修所用的部件进行相应的出库管理。该诊断过程将经验、在线和原理诊断相结合，体现了专家在分析、解决问题的思路。

3 系统实现

综合测试仪信号处理装置软件采用面向对象的分析与设计方法，用C／C＋＋语言编程工具，以VxWorks 5.5嵌入式实时多任务操作系统为运行平台，充分利用任务执行过程的并发功能、任务优先级抢占和阻塞特性以及利用信号量进行任务间同步与临界资源互斥操作等技术来完成信息处理，同时以全局变量和管道通信方式来处理参数传递，在Tornado 2.2集成开发环境下实现了软件设计、编程和测试。故障诊断专家系统软件采用 Windows操作系统平台，开发工具采用Visual C＋＋6.0，知识库采用数据库存贮，实现了软件的开发和系统实装运行调试。

4 结 论

本文针对某自行火炮武器系统单体多、技术复杂、单一故障诊断方法通用性差和诊断结果不理想等问题，结合装备特点，研制了一种自行火炮故障检测的综合测试系统。它集经验、实时数据和原理知识及信息管理于一体，将测试与控制、故障诊断和专家系统有机结合，对提高部队装备保障效率有着积极的意义。论文工作的创新点是在原有离线诊断的基础上，将实时检测的开关量、模拟量数据和CAN自检信息用于专家系统诊断，实现了故障的在线诊断，对于部分不能确定的故障，其结果作为原理诊断的启发性信息，加速原理诊断的速度，提高了综合测试仪的诊断效率和成功率。实践结果表明，该综合测试仪是有效的，具有很好的针对性和适用性，对其他类似的系统具有参考价值。

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