某型自动装弹机故障注入系统研究

2018-03-08邵思杰张继红

计算机测量与控制 2018年2期

邵思杰,熊伟,曹勇,张继红,高春

(1.装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072；2.解放军驻617厂军代室，内蒙古包头 014032；3.装甲兵工程学院控制工程系，北京 100072；4.内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 0140105.国营617厂科研所，内蒙古包头 014032)

0 引言

故障注入是一种检验系统容错能力的测试方法。针对装甲装备武器系统组成复杂，故障检测与隔离困难等问题，以某型自动装弹机为例开展故障注入系统研究，为指导操作人员进行故障分析和维修训练，提供技术支撑。

1 自动装弹机典型故障分析

某型自动装弹机是一种机电一体化的综合系统，主要由旋转输弹机、提升机构、推弹机、火炮闭锁器、抛壳机构、开窗机构等执行机构以及程控箱、弹舱识别器、装弹机MIC盒及控制电缆组成[1]。

1.1 典型故障统计

通过收集近年来总装工厂生产试验以及部队使用维修过程中出现的自动装弹机故障数据，并对其进行统计分析和优化整理，共提取常见故障现象12个，如表1所示。

表1所示故障现象覆盖了自动装弹机各执行机构，具有典型性和代表性，可以反映自动装弹机的常见多发故障，对开展故障注入系统设计，有着重要的参考价值。

表1 自动装弹机典型故障统计

1.2 故障机理分析

一般情况下，自动装弹机出现故障时，计算机终端上会有简单的故障代码显示，帮助操作人员进行故障的分析和排除。故障代码只是反映目前部件所处的状态是否正确，并不会显示执行部件(电机、电磁体)的工作状态错误，对于判断故障只起辅助作用。为了实现故障注入，需要重点分析典型故障的机理原因。

例如，对于GZ1来说，正常情况下，抛壳机构抛壳后，程控箱输出开窗机构电机关窗驱动信号，开窗机构执行关窗动作，当关窗到位，输出到位信号至程控箱后，程控箱停止输出关窗驱动信号，使开窗机构电机停止工作，之后，开始进行推弹机收回推弹链等一系列后续动作。由此看出，若发生GZ1现象，可能原因有以下几个方面：

1)开窗机构微动开关K1故障导致关窗到位后没有向程控箱输出到位信号；

2)程控箱本身故障没有接收到到位信号或没有输出下一步进行的推弹机收链驱动信号；

3)推弹机推弹链卡滞或电机故障，无法进行收链动作；

4)电缆故障导致信号无法传递。

GZ1故障树如图1所示。

图1 GZ1故障树

其他典型故障现象故障机理分析同上，限于篇幅，不再一一赘述，详细内容见后节故障注入汇编表。

2 故障注入实现方案

2.1 故障注入技术

故障注入是指按照选定的故障模型，用人工的方法有意识地产生故障并施加于运行特定工作负载的目标系统中，以加速该系统的错误和失效的发生，同时观测和回收系统对所注故障的反应信息，并对回收信息进行分析，从而向试验者提供有关结果的试验过程[2]。故障注入技术是对系统性能评价的一个重要手段，通过对注入故障后系统的反应信息进行监测和分析，可获得系统可靠性和容错特性的评测结果。

按所注入的故障注入途径，故障注入总体上可分为硬件故障注入仿真和软件故障注入仿真两大类[3-4]。硬件故障注入仿真是通过附加硬件对目标系统的作用，使目标系统的正常硬件环境受到影响，从而产生故障。软件实现的故障注入无需额外的硬件设备，可以在程序指令能够访问到的硬件或软件上选择故障注入位置。

对于自动装弹机而言，如果采用硬件故障注入技术，一种是在现有装备上人为设置故障，势必要损坏装备；一种是需要消耗大量费用开发相应的半实物仿真平台[5]，模拟自动装弹机各机构功能，通过在真实环境下人为的进行故障注入来实现有效的故障分析。如果采用软件故障注入技术，则需要改写自动装弹机程序代码，可能会给装备的系统性能带来严重影响，这对于定型装备而言是严格不允许的。

因此，需要针对自动装弹机特点以及典型故障机理分析，充分借鉴各种技术优缺点，设计一种合理可行的故障注入方案。

2.2 故障注入模型

自动装弹机各执行机构主要是在程控箱输出的驱动信号作用下响应执行各动作程序，而程控箱是在采集各执行机构有关状态信息后按照一定的程序输出相应的驱动信号，可以看出程控箱中核心控制单元的程序软件的主要功能就是按照一定的逻辑和时序，控制各类信号的传递。若采用软件故障注入仿真的方法，修改程控箱核心控制单元软件源代码，使程序变异进而导致系统产生故障，其实际上仍是依靠破坏信号的正常传递流程来实现故障注入。为此，可以借鉴软件故障注入仿真方法的思想，通过在自动装弹机各执行机构与程控箱之间加入一个采用硬件结构的故障注入器，按照一定的故障注入逻辑和控制程序对自动装弹机系统的有关信号进行控制，进而实现故障仿真及注入。

例如：对于GZ1而言，由故障机理分析可以看出，开窗机构微动开关K1故障，程控箱输入板、输出板故障，推弹机电机故障，以及电缆故障均能导致GZ1故障现象的发生，而微动开关K1故障和程控箱输入板故障实际上就是中断了关窗到位信号的正常传递，而程控箱输出板故障和推弹机电机故障实际上就是中断了推弹机收链驱动信号的正常传递，电缆故障同样是中断了这些信号的正常传递。因此，通过控制这些信号通断即可实现GZ1的故障注入，故障注入模型如图2所示。

图2 GZ1故障注入模型

2.3 故障注入汇编

其他典型故障现象故障注入模型原理同上。这里，将自动装弹机各典型故障机理分析以及故障注入模型原理分析成果进行汇总整理，形成故障注入汇编，如表2所示。通过故障注入汇编将故障现象、故障机理与部件接口、故障注入方案一一对应，同时进行故障编号，形成应用于故障注入实现的故障模型，为故障注入系统设计提供依据。

3 故障注入系统设计

根据故障注入实现方案，自动装弹机故障注入系统主要由故障注入器和故障注入管理软件组成，系统通过中继电缆，采用高可靠的隔离技术，与自动装弹机实现无缝接入。系统总体组成如图3所示。

系统工作原理为：首先，故障注入器采集自动装弹机各执行机构输出的状态信号，即故障注入器的输入信号；其次，故障注入器能够模拟这些状态信号，根据相应的控制命令，输入至自动装弹机程控箱，同时，也可以模拟程控箱输出的驱动信号，根据相应的控制命令，输入至自动装弹机各执行机构，故障注入器模拟的信号即其输出信号。故障注入软件安装在PC终端，能够实时监测并显示故障注入器采集的状态信号，同时根据故障注入策略，通过通信总线将相应的控制命令发送到故障注入器，进而通过控制故障注入器输出不同的信号给自动装弹机各执行机构或程控箱，实现故障注入。当注入某一故障