装备远程虚拟化故障诊断支援系统设计与研究

胡江南，赵鸿飞，王海涛，陆炜，陈立武

(1. 解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007； 2. 解放军73031部队， 江苏 无锡 212402；3. 解放军78187部队， 四川 成都 610036)



装备远程虚拟化故障诊断支援系统设计与研究

胡江南1，赵鸿飞1，王海涛1，陆炜2，陈立武3

(1. 解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007； 2. 解放军73031部队， 江苏 无锡 212402；3. 解放军78187部队， 四川 成都 610036)

摘要：针对目前部队武器装备远程维修保障的现状，基于虚拟现实技术，设计了一种结合远程故障信息传输及桌面式虚拟现实技术的远程虚拟化故障诊断支援系统。阐述了系统的组成结构及工作流程，分析了装备故障现象编码及基于北斗卫星通信系统的故障信息简讯传输方式，基于桌面式虚拟现实技术，实现了故障的远程虚拟化诊断，并根据战场实时态势进行伴随保障力量的资源调度及分配，为部队作战保障探索了新的途径。

关键词：虚拟化；故障诊断；支援远程；北斗；设计

武器装备对伴随保障能力一直是影响部队战斗力的重要因素之一。伴随保障的特殊性使得现有的高新技术装备在战场上的修复能力不一定能满足作战的需要，其主要原因之一就在于伴随保障修理人员的专业技术水平不够高，不足以应付高技术装备所出现的各种故障，以至于无法对其进行故障排除及修复。在当前破坏性大、战场空间广和节奏转换快的信息化战场上，传统的作战工程装备维修保障方式已无法满足精确化和实时化的要求。而现有的远程故障诊断技术多依赖于较完备的视屏技术手段，且无法实现维修保障资源的配置，并不能完全满足战场特殊环境的需求。

针对上述问题，现利用北斗卫星通信系统的高度保密及可靠性，建立故障信息传输网络，并基于虚拟现实技术再现装备故障情况及战场环境，利用后方庞大的专业队伍对故障进行诊断支援，并从一定程度上实现了保障资源的配置和调度。

1系统组成及工作原理

工程装备远程虚拟化故障诊断系统的组成结构可分为车载信息传输终端、北斗卫星通信系统、后方信息传输终端、桌面式虚拟故障诊断平台及装备维修资源调度配置系统等，其系统结构组成及工作原理如图1所示。

图1　系统组成结构及工作原理图

当装备出现故障时，若所出现的故障是装备自身诊断系统可以识别并诊断的，则车载诊断系统会将故障代码显示于车载终端显示屏上(现有新装备大多具有此功能)，伴随保障维修人员根据自己能力决定是否需要向后方传递故障信息以请求帮助；若装备自身诊断系统无法判断故障原因，则由伴随保障修理人员根据简讯通信规则编写简讯，经压缩、加密以后通过北斗卫星通信系统发送至后方终端[1-3]，终端接收到信息后会自动认证信息的安全性和信息来源，在确认信息后解压简讯，虚拟故障诊断子系统根据简讯信息调用相关装备的虚拟样机，并模拟故障现象，采用人机交互的方式诊断故障原因及提出故障排除方案，当故障排除方案生成后，将送入资源调度子系统，资源调度子系统实时生成当前伴随保障态势，综合考虑故障排除需求、保障分队实力分布等情况后，给出调度方案，系统工作流程如图2所示。

图2　系统工作过程流程

2关键技术

2.1　车载故障检测及通信终端

现有新装备大多已经配备了越来越多的传感器设备，用于检测装备运行状态。装备中集成的故障检测电子控制单元可以用来实时检测传感器设备状态，从而实现对一般故障现象的识别。因此，一旦装备中受传感器监测的部位运行状态出现异常，车载故障检测仪器就会实时检测到故障，并通过预设编码及声音报警的方式向操作人员进行故障提示，保障人员可根据所显示的故障编码对装备故障原因进行诊断，并制定相应的排除方案。但是车载故障检测仪器覆盖面不完全，监测范围有限，且传感器自身也可能因为工作环境的变化而发生故障，这就需要人工对故障原因及部位进行判断及检测。

设置车载通信终端的目的是为实现单位之间的相互通信，包括传递故障信息、上报资源力量、接受指令等功能。其可将所有的信息进行编码、打包、压缩、校验，并对传输数据进行加/解密，通过集成北斗用户机直接发送至后方保障支援系统的北斗用户机，同时也可以接收来自别的北斗用户机发送的数据信息，对接受的信息，系统可以自动认证信息的安全性和信息来源。

2.2　基于北斗卫星定位通信的远程装备信息数据传输与控制

a) 北斗卫星系统简介

北斗卫星系统是中国自行研制的全球定位与通信系统，可在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠定位、授时服务，具备短报文通信能力，并能向有更高要求的授权用户提供进一步的服务。本系统的无线通讯网络采用我国自主研发的北斗卫星导航系统，采用该系统的优势有[1-3]：

1) 使用安全。北斗系统是我国自主知识产权的卫星导航系统，能保证通信的安全性和保密性。

2) 数据通信实时性强。数据传输快捷，接收终端在几秒钟之内就可以接收到发送端传输的数据，实时性比较强。

3) 设备及通信费用低、系统容量大、并发能力强。

4) 定位精度高。北斗的定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度10ns。

基于北斗通信定位系统的优势，再结合设计的平台软件、数据无损压缩技术及短报文通信协议等技术手段，能确保装备故障代码数据实时、安全、有效地传输，并能准确定位保障力量分布情况。

b) 装备故障信息传输系统的特征需求

1) 故障信息传输的时效性需求

故障信息传输系统的传输时效性是最高的。由于故障信息的紧急性特征，故障信息传输系统必须在装备出现故障后第一时间将故障信息发送到模拟样机终端，且时间间隔越短越好，可以使故障装备得到及时维修，充分保证装备的作业效率。装备是一支军队在战场上战斗力的绝对保证。战时装备的保障好坏，哪怕是晚1s，都有可能带来不可估量的损失[4,5]。

2) 故障信息传输的准确性需求

故障信息的传输不但要有时效性和准确性，成功率也是非常重要的。故障信息传输过程中出现错误多、成功率低，故障信息在接收端不能成功被还原，不能准确传输到模拟样机接收端，同样无法使故障装备得到维修保障。如果接收端接收一条错误或不完全的故障信息，这引发的后果也是无法设想的。故障信息在传输过程中发生了丢失，在某些关键情况下就可能造成不可挽回的后果。因此，故障信息的传输必须要万无一失，本系统故障信息传输的成功率是建立在北斗卫星信息传输系统性能的基础上。

3) 故障信息传输的传输性需求

装备故障信息包括装备故障的信息和故障维修方案。主要内容包括故障零件，故障现象，故障时间，故障解决方案，故障后续隐患排查等，这些内容一般都以文字信息为主。这些内容中的一部分可以使用代码，即在系统协议中规定某种代码表示着哪些信息，代码可以是字母或数字，也可以是字母和数字的组合，这样就可以省略一部分字段的内容，节省传输的数据量。不使用音频和视频是由于其数据量太大，影响系统网络带宽和数据传输效率。

c) 数据传输与控制模式

远程数据传输与控制系统一般由一个中心站和车载监测点组成，中心站与车载监测点之间数据传输与控制模式主要分为主动自报式与交互查寻式两种。主动自报式是指监测站按照一定的定时机制自动往中心站传输数据的模式。在主动自报模式下，监测点处于主动方，而中心站则处于被动地等待接受数据。交互查询式是指中心站通过发送指令来获得车载监测点的数据的模式。在交互查询模式下，中心站处于主动方，而车载监测点则被动地等待接收响应命令[1,3]。

北斗卫星通信资源紧缺，且存在频度限制，根据这两种信息数据传输与控制系统的特点和差异，对于装备突发故障，系统采用数据主动自报式传输，而对于定期的武器装备状态检测等可靠性要求较高的数据则采用交互查询式的传输方式[1-3]。

2.3　虚拟故障诊断系统

虚拟故障诊断系统是借助虚拟现实技术生成虚拟环境，再现装备故障现象，方便专家技术人员诊断实机故障的交互式操作系统，可以实现故障现象模拟、虚拟仪器使用、虚拟拆装过程规划等功能，最终生成指导实机故障排除过程的文件。其系统结构如图3所示。

图3　虚拟故障诊断系统结构

a) 虚拟现实技术与虚拟样机

虚拟现实技术，其特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用。

虚拟现实技术具体到武器装备，就是利用三维制图工具对武器装备进行模型建立，根据其工作机理进行动画制作和程序编译，最后通过PC与功能化硬件结合，操作人员就可以通过友好的图形界面来模拟故障现象、拆装维修过程等。虚拟样机模块组成包括装备三维模型数据库、专家知识数据库、交互控制系统等。在虚拟样机建立过程中需要将所有零件的详细结构参数纳入整个机型的三维几何造型中，要求零件模型的形状与结构特征与实物一致。人、环境和装备三种模型共同组成三维模型数据库。专家知识数据库建立在专家经验总结的基础上，其存储了大量装备的故障种类、各种故障现象所对应的故障排除方法等信息，可以供系统随时调用，并具备自学习功能，能对新的知识进行挖掘学习并存储更新。交互控制系统允许操作人员通过交互控制设备(如键盘、手套等)对虚拟环境中的三维数字模型进行操作控制，实现选择、移动、旋转等动作，从而完成虚拟的装备故障排除过程[6]。

b) 基于虚拟样机的故障诊断技术

虚拟样机系统主要通过操作虚拟环境中的虚拟样机来模拟维修操作过程和维修组织实施过程，使人主观上产生真实地“存在感”。同时引入维修分析模块，保证维修人员在维修操作过程中出现问题时，可以根据“真实感”体验来分析出现维修问题的原因。并衡量产品是否满足实机维修性要求，从而达到虚拟维修的效果，某型挖掘机变速箱虚拟故障诊断界面如图4所示。

虚拟样机系统应该满足以下几个要求[4-6]：

1) 虚拟维修仿真，主要包括故障模拟、维修操作、过程仿真、人机交互、碰撞检测等功能。根据用户与虚拟人之间的运动映射关系，跟踪用户行为，监控维修过程，检测虚拟环境中发生的碰撞行为，防止物体之间发生穿越行为，完成维修仿真。

2) 通过友好的图形界面来模拟操作，能够产生可信度高的虚拟维修感知；

3) 提供输入输出接口，保证人机交互操作自然、简便；

4) 维修性分析：记录并保存用户的维修过程，同时判断用户操作的正确性，给出合适的指导。

5) 数据库：存储故障信息并协调各功能模块的交互关系。获取虚拟样机的可靠性、维修性、保障性数据，将处理后的数据输出到相应的功能模块，根据故障信息进行故障模拟，通过智能分析给出故障解决方案如图4所示。

图4　变速箱虚拟故障诊断界面

2.4　装备维修资源调度配置

快速、有效地进行故障装备抢修任务调度可以减少故障装备修理的时间，对提高部队的战斗力具有重要意义。资源、设备、空间的有限性与装备分布和需求无限性的矛盾是造成维修资源排队现象的主要原因，而伴随保障人员的技术水平和作业效率等因素直接影响到战斗力生成。后方在完成虚拟故障排除过程规划之后，应当根据故障排除方案的所需条件及现有伴随保障具体实力对资源进行配置，以保证故障能顺利、及时的解决。

在利用北斗卫星定位通信系统实现伴随保障力量及资源的定位后，资源调度系统应总体呈现出保障力量的分布态势图，并给出资源调度方案。对于故障装备维修资源的选择，首先专家及指挥人员要了解战场的实时情况，确定作战保障的重点方向，划定重点保障对象，优先保障重

点作战方向及对象；然后要对各伴随保障维修力量的保障能力进行评估，计算维修资源的任务饱和度，确定其工作状态；最后，根据故障装备的情况，依照先易后难的顺序进行维修排序。在以轻微故障装备数量为主时，根据其易修复、耗时少的特点可以予以优先修理以迅速减少待修装备数量。在以较多装备保障战斗需要的同时，集中资源维修重大损伤故障装备。同一方向同批次损伤装备，也有主次、难易之分，应先抢修主要、易修的装备，后抢修次要、难度大的装备。在人员及物资调度上，当某方向保障人员不能完成任务或器材不能满足需要时，应根据优先级关系，规划出邻近保障分队支援的最优保障路径，使配置效果达到最佳。

最终实现的后方虚拟故障诊断排除及资源调度系统工作流程如图5所示。

3结语

在军队装备保障信息化的背景下，本文提出了融合虚拟样机、北斗卫星通信、故障诊断、资源调度等关键技术的装备远程虚拟故障诊断支援系统的设计方案及结构组成，有效实现了工程装备远程故障诊断及保障资源调度，为战场实时、精确地装备保障打下了良好基础，具有较好的军事效益。

图5　后方虚拟故障诊断机资源调度系统流程

参考文献:

[1] 原艳宁, 崔剑锋. 基于北斗一代卫星导航系统的用户机实现[J]. 科技传播，2010,10: 181-182.

[2] 康望东, 覃远超, 唐静. 基于北斗系统的对空情报传送方式[J]. 指挥信息系统与技术，2012,6(3):68-71.

[3] 于龙洋, 王鑫, 李署坚. 基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输[J]. 电子技术应用，2012,11(38):108-111.

[4] 赵晓顺, 刘淑霞, 马跃进,等. 基于虚拟仪器的发动机断缸故障振动诊断[J]. 农业工程学报，2012,17(28):25-31.

[5] 郭晨冰.某型舰炮远程故障诊断专家系统的设计与实现[J]. 舰船电子工程，2011,9(31):138-141.

[6] 赵鸿飞, 张琦, 王海涛,等. 桌面式工程机械虚拟维修训练系统技术研究[J]. 中国工程机械学报，2013(5):457-462.

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Research on Remote, Virtual Fault Diagnosis Support System of Equipment

HU Jiang-nan1, ZHAO Hong-fei1, WANG Hai-tao1, LU Wei2, CHEN Li-wu3

(1. College of Field Engineering, PLA Univ. of Sci. & Tech., Nanjing 210007, China;

2. Unit No. 73031 of PLA, Wuxi 212402, China; 3. Unit No. 78187 of PLA,Chengdu 610036, China)

Abstract:According to the current situation of equipment remote maintenance support and base on virtual appication technology, this paper designs a remote and virtual fault diagnosis support system in which the remote fault information transmission is combined with desktop virtual appication technology, describes its structure and workflow and analyzes the equipment fault phenomena coding and fault information transmission mode base on Beidou satellite communication system. Base on desktop virtual reality, the remote and virtual fault diagnosis is realized. And the accompanied support resource is scheduled and allocated according to the battlefield real-time situation, thus a new way for military operation support is explored.

Keywords:long range；virtual；fault diagnosis support；Beidou；design

中图分类号：TP277.3

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0192-04

作者简介：胡江南(1990-)，男，浙江金华人，硕士研究生，研究方向为工程装备保障。

收稿日期：2014-11-26 2014-11-21