某型步兵战车导弹综合集成智能故障诊断系统

杨 军，张 增，赵 磊

(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072;2.装甲兵工程学院信息工程系，北京100072)

信息化战争要求装备维修保障体系具有敏捷的反应能力、快速的机动能力、实时的控制能力和综合的保障能力［1］。这对维修保障设备的研制提出了新的更高的要求，随着各种新型装备陆续研制成功和装备部队，新装备在技术上日益复杂，随之带来的维修技术保障也显得越来越重要。因此，研制武器装备综合集成检测与故障诊断系统是研制维修保障设备的发展方向［2］。它有利于解决部队所面临的实际问题，是提高装备维修保障能力和效率，尤其是提高战场抢修能力的有效方法和手段，对装备形成战斗力和保障能力具有重要的现实意义。目前武器装备的性能检测和故障诊断大多只有性能测试和一些简单的故障判定功能，也就是说针对某一型号的全武器系统还未实现故障的自动判断与识别诊断，特别是在装甲机械化部队，还没有用于维修的导弹自动故障诊断设备。因此，笔者按照保障装备的标准化、系列化、综合化、智能化和网络化的要求，以及构建平战兼容的基于基本保障单元的保障力量组配模式和维修作业方式，对某型步兵战车导弹系统自动、快速、在线和实时故障诊断设备进行了设计与研制。

1 总体方案设计

1.1 诊断对象

诊断对象是某型步兵战车导弹武器系统，主要包括制导控制系统、导弹和发射系统3大部分。其中，制导控制系统又由指令形成系统、控制电压信号输出系统、配电系统和导弹动态发射点火系统以及全套联接电缆组成。该系统共有3类可获取的基本故障诊断特征信号:动态电压和电流信号;各种技术性能参数;动态波形信号和瞬态波形信号及其性能参数。除此以外还有视觉征兆信息和听觉征兆信息等。

1.2 系统功能

该设备主要用于某型步兵战车导弹武器系统标称参数的自动检测(可替代现有的检测设备)，技术维护和自动、快速、实时、在线故障诊断与维修，并诊断到系统的最小可更换单元(下位机独立使用时诊断到部件级)。该设备的主要功能如图1所示。

图1 故障诊断系统主要功能

该设备为2级体系结构，可分别装备到装甲机械化部队中修机构、维修分队、大修厂、院校和研究所等单位，能够独立使用的下位机能满足野战技术条件下的基层级的使用要求。

1.3 总体构成

该设备由主控计算机、下位机、控制系统辅助诊断模块、配电系统辅助诊断模块、校验器和专用量角设备构成，如图2所示。其中，控制系统辅助诊断模块、配电系统辅助诊断模块、校验器和专用量角设备为附件系统。

图2 智能故障诊断设备硬件系统构成

该系统采用4级模块化结构设计:主控计算机作为第1级模块;下位机的智能控制、测试与信号处理系统作为第2级模块;下位机的制导控制系统测试模块、发射系统测试模块、导弹测试模块作为第3级模块;控制系统辅助诊断模块、配电系统辅助诊断模块、校验器和专用量角设备作为第4级模块。采用模块化结构设计可以使得智能故障诊断设备在步兵战车导弹装备不解体(不开盖)的情况下，完成对该导弹武器系统所有故障的故障诊断，并且诊断到最小可更换单元。

当下位机独立使用时，控制系统辅助诊断模块、配电系统辅助诊断模块、校验器均通过电缆与下位机连接，其与主控计算机的通信端口可作为打印机的输出端口使用，专用量角设备作为相对独立的部分由操作人员操作使用;当下位机非独立使用时，将主控计算机与下位机通过电缆连接实现通讯，其他组成部分的连接关系不变。

2 系统硬件设计

主控计算机实现对下位机的控制，并从下位机获取所有的故障征兆信息，从操作者处获取视觉和声音信息，从数据库中获取专家经验，从而实现对导弹全系统的故障诊断。主控计算机还提供打印机接口，将获取的测试与诊断报表通过打印机输出。

图3 下位机硬件系统构成

下位机由智能控制［3－5］、测试与信号处理系统，制导控制系统测试模块，发射架测试模块、导弹测试模块和电源单元构成，如图3所示。其中，智能控制、测试与信号处理系统包括多个CPU、专用键盘、VFD显示屏、状态与电平指示和外部接口。专用键盘、VFD显示屏和状态与电平指示通过多个CPU构成测控人机界面，进行输入输出。多个CPU在各种指令控制下完成对其他4个模块的控制，并通过制导控制系统测试模块、发射架测试模块、导弹测试模块获取的测试信息诊断系统故障，通过VFD显示屏和状态与电平指示输出;制导控制系统测试模块可完成制导控制系统全部故障诊断特征信号的检测，包括信息信号控制与测量单元、综合参数检测单元、动态参数检测单元、辅助电路(挂弹、点火电路、24 V检测电路)单元和制导控制系统故障征兆获取单元;发射系统测试模块包括导通电阻测量信号变换单元、绝缘电阻测量信号变换单元和发射系统故障征兆获取单元，实现对发射架的电性能(导通状态，绝缘状态)和机械性能检测;导弹测试模块包括导弹信号源单元、导弹检测单元和导弹故障征兆获取单元，完成对导弹信号源的输出幅度以及导弹各参数的检测，并实现交、直流测试时阻抗匹配;电源单元为下位机供电，可采用交流供电或直流供电，也可用步兵战车中的+24 V电池供电。

控制系统辅助诊断模块的功能是获取被测制导控制系统上电、导弹挂弹(发射准备)、导弹发射等过程中的故障诊断特征信号。

配电系统辅助诊断模块的功能是获取被测制导控制系统的指令形成系统供电、导弹发射、指令传输等过程中的故障诊断特征信号，同时也为指令形成系统供电。

校验器实现对被测发射架的电性能参数(导通电阻、绝缘电阻)及机械性能(发射架导轨平直度、与导弹插座对接可靠性)的检测。

专用量角设备是测量不同制导控制指令(指令系数)时的辅助测试设备。

3 系统软件设计

该系统不仅是一个实时系统，而且对时序和功能的完成时间都有较高的要求。因此，软件开发设计时必须充分考虑软件的响应特性及操作特性，同时还要对测试数据作实时处理、分析及管理，并为操作人员提供操作简便、具有多种方式的数据和结果显示界面，为正确判断并实施智能故障诊断提供可靠的依据。系统主控软件主要包括系统管理模块、自检模块、标称参数测试模块、技术维护模块、故障诊断模块［6］、通用组件模块和显示模块，如图4所示。

系统管理模块对各功能子模块进行统一管理，为各功能子模块提供各种数据接口，并负责接收各功能子模块的数据、进行数据转换及流程管理。

自检模块完成主控计算机和下位机之间的自检，以及下位机系统中所有测试通道和诊断通道的自检，自检诊断覆盖率达到90%以上。

图4 主控计算机系统功能模块构成

标称参数测试模块完成导弹武器系统所有规定的标称参数的测试。

技术维护模块完成导弹武器系统的日常维护、一级技术维护、二级技术维护和特定技术维护所规定的全部内容，并完成下位机自身的日常维护、一级技术维护和二级技术维护所规定的全部内容。

故障诊断模块可以在装备不解体的情况下，完成对导弹武器系统工作全过程所有故障的诊断，并且诊断到最小可更换单元，其组成具体包括波形识别库、故障模式自动诊断识别系统、诊断对象动态工作过程故障诊断系统以及基于神经网络的故障诊断专家系统通用平台。其中，嵌入的基于神经网络的故障诊断专家系统通用平台，采用了统一基本诊断结构构建多种武器装备故障诊断系统的设计思想，提出了基于多种知识表示形式的深浅知识综合使用模型以及机器学习模型，构建了不同类型的知识库和推理机制，并建立了神经网络与专家系统相结合的集成智能诊断系统模型，具有通用性、扩展性和可移植性。故障诊断模块基于该平台，针对具体诊断对象完成诊断任务;诊断对象动态工作过程故障诊断系统可以实时动态监测诊断对象的工作状态，运用在线测试和动态比较法实现在线实时诊断;故障模式自动诊断识别系统实时获取被测系统的波形及其参数，并根据波形识别库提供的标准信号时域波形和互相关系数进行相关度和幅度特征量(频率因子、相位因子、幅度因子)分析，并通过基于神经网络的故障诊断专家系统通用平台实现系统故障模式的自动诊断与识别。

通用组件模块主要集成自行开发的通用模块，如数据库模块、知识库模块、报表模块、与下位机串口的通信模块等，为系统提供接口，便于系统灵活调用，以达到便于维护和扩展的目的。

显示模块通过用户界面向操作员提供监测结果和分析判断的依据，利于测试与诊断任务的执行。

［1］焦冰.装备维修保障体系改革研究［J］.装甲兵工程学院学报，2010，24(5):1 －4.

［2］曹玉坤，冯辅周，王战军，等.研制综合集成的检测试验设备推进通用装备保障转型建设［J］.装甲兵工程学院学报，2008，22(4):1 －5.

［3］刘小伟，刘宇，温培和.Altium Designer 6.0电路设计实用教程［M］.北京:电子工业出版社，2007:56－68.

［4］梅丽凤，任国臣，蓝和慧.单片机原理及接口技术［M］.北京:北京交通大学出版社，2009:98－106.

［5］李行善，左毅，孙杰.自动测试系统集成技术［M］.北京:电子工业出版社，2004:1－200.

［6］杨军，冯振声，黄考利.装备智能故障诊断技术［M］.北京:国防工业出版社，2004:77－122.