一種裝備狀態信息自動采集系統的設計與實現＊

葉結松 朱岳超 郝延軍

（中國人民解放軍陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

武器裝備使用管理是武器裝備全壽命管理的重要階段。裝備在使用的過程中，其質量狀態信息在不斷變化，傳統的人工采集方法不僅采集工作量大，采集信息不全，而且受人為因素的影響，導致數據缺乏說服力，難以作為裝備維修、保養、報廢、退役的依據。當前，有許多裝備管理信息系統用于部隊裝備的管理，這些系統大多側重于對人工登統計信息的數據管理和簡單分析，不具備對裝備使用過程中的實時質量狀態信息自動采集功能，也無法分析利用這些信息對裝備的管理活動提出合理化的建議，難以真正實現裝備管理的科學化、實時化、精確化和自動化。因此，研究通用裝備狀態信息自動采集方法與決策支持模型，具有十分重要的現實意義。

2 系統的組成

系統由下位機、上位機、傳感器和相關軟件組成。具體劃分為三個子系統，分別是裝備數據庫子系統、裝備狀態采集子系統和裝備管理決策支持子系統。總體結構與數據流程如圖1所示。

系統通過直接引線、裝備數據接口、多傳感器，將裝備各子系統運行狀態的各種電信號采集并轉換送至下位機；下位機以MSP430F149單片機為核心，包括前端的信號調理電路和數據采集系統，以及相應的數據存儲和顯示電路，完成裝備各子系統的狀態信息監測和簡易故障狀態報警；無線數傳模塊連接在上下位機的串行通信接口上，將串行數據轉換為無線信號發出，同時將接收到的無線信號轉換為串行數據。

2.1 裝備數據庫子系統

裝備數據庫子系統由Oracle 10g建成，包括公共基礎數據庫和業務數據庫兩大部分。公共基礎數據庫主要包括裝備分類字典、裝備字典等；業務數據庫主要包括裝備使用記錄、維修記錄、保養記錄、裝備狀態數據等。數據庫系統的設計遵循數據庫設計通用標準和軍隊裝備管理規范。

2.2 裝備狀態采集子系統

裝備狀態采集子系統由裝備狀態采集儀和一系列傳感器組成。裝備狀態采集儀具有狀態數據采集、數據存儲、數據導出和無線數傳等功能；傳感器的選型和設計根據每種裝備所要采集的狀態信息的不同而不同，通常包括溫度傳感器、轉速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和自研制傳感器系統等。

2.3 裝備管理決策支持子系統

裝備管理決策支持子系統由三大部分組成。一是裝備的日常管理維護，主要包括裝備的使用管理、維修管理、保養管理等；二是裝備管理的輔助決策，主要包括裝備壽命預測、裝備故障預測、裝備戰斗力評估、裝備保障資源配置建議等；三是裝備數據的導入與導出，該部分主要是為了提高系統的信息共享能力和對其他系統的兼容性。

3 系統硬件

系統硬件除上位機采用便攜式工業計算機支撐軟件運行外，其他硬件主要用于裝備狀態信息的采集。

3.1 硬件設計原則

裝備狀態信息采集硬件的設計必須立足現有裝備的實際，重點把握三個原則：一是不能破壞裝備的結構；二是不能影響裝備的戰技術性能；三是攜帶、使用方便。基于以上原則，在裝備狀態信息采集途徑上可采取三種方式：一是通過引線；二是通過裝備自帶的數據接口；三是設計具有自通信功能的狀態采集傳感器。

3.2 傳感器的選型與設計

不同裝備結構不同，反映其質量狀態的參數也不同，采集其狀態信息所需的傳感器也不同，有些可以直接選用通用的傳感器模塊，有些則需要根據實際情況對通用傳感器進行進一步的改裝和集成。

1）通用傳感器模塊

對于裝備的行駛里程、發動機狀態、電源狀態、工作時間等信息的采集，可以選用通用傳感器模塊。例如電流傳感器、電壓傳感器、光電轉速傳感器、溫度傳感器等。為了不破壞裝備又方便使用，可以選用薄膜或厚膜傳感器。

2）傳感器采集系統

對于部分裝備的一些特定狀態參數，利用通用傳感器無法完成采集工作，這就需要根據實際情況研制相關的傳感器采集系統。下面以采集火炮初速和發射彈數為例介紹傳感器采集系統的設計，系統的組成如圖2所示。

圖2 火炮初速與發射彈數采集系統組成

工作過程：炮管口部固定一個靶支架，支撐兩個相距500mm的通電線圈，當彈丸先后飛經兩個線圈時，線圈磁通發生突變，先后產生兩個感應信號，信號經放大、整形后由該裝置輸出初速脈沖，送給炮口信號處理裝置進行計時和解算得到初速，同時觸發計數器開始累計發射彈數。計時通過兩線圈的時間、解算的炮口初速和發射彈數發送到數據采集器中，同時激光CCD位移傳感器將測得的后座位移信號經處理裝置處理后，通過數據采集器，并在數據采集器中處理和修正。

3.3 裝備狀態采集儀的設計

裝備狀態采集儀由電源電路、輸入按鍵電路、Flash存儲器、無線數傳模塊、狀態輸入串行接口、USB接口、輸入串行接口等部分組成。具體的硬件設計結構如圖3所示。

圖3 裝備狀態采集儀硬件結構圖

1）電源電路

電源電路由電源接口、充電單元電路和鋰電池組成。實現系統接口與裝備的電源連接，并將裝備電源電壓轉換到“采集儀”工作的5V電壓。同時，設計了充電電路為“采集儀”的鋰電池充電。裝備電源無電或故障時，“采集儀”整個電路的供電由鋰電池提供，鋰電池為5V電壓輸出，容量為3000mAh。系統采集低功耗設計，整個適配器電路功耗不超過0.5W。

2）微控制器

微控制器采用美國TI公司的MSP430F149單片機，該單片機據有極低的功耗，單片機工作時，電流在毫安級，無狀態數據輸入輸出或讀寫存儲器時，系統處于休眠狀態，工作電流在微安級。

3）Flash存儲器

Flash存儲器為非易失存儲介質，容量為4G。Flash存儲器內部存儲單元分為兩部分，一部分用于記錄裝備當前狀態數據，另一部分用于記錄裝備的歷史狀態數據。

4 系統軟件

系統軟件由上位機和下位機軟件兩部分組成。

4.1 下位機軟件

下位機軟件完成裝備狀態信息采集、裝備在線實時狀態監測以及數據通訊，主要由系統設置模塊、硬件自檢模塊、實時狀態監測模塊和數據通信模塊組成。

4.2 上位機軟件

上位機軟件主要包括數據庫管理、通信管理、裝備日常管理和裝備管理決策支持等四大模塊。軟件的系統框架如圖4。

本文僅討論裝備管理決策支持模塊的主要功能。系統在模型庫和知識庫的支持下，通過對裝備實時狀態數據和日常管理數據的分析與挖掘，能實現各級裝備機關及部門對本單位、本部門裝備工作現狀及發展趨勢的調查、研究、綜合、統計、分析和預測，對下一步工作確定目標方向、方針政策提供依據。

圖4 上位機軟件系統框架圖

1）裝備壽命預測

根據裝備實際采集到的狀態數據，建立裝備壽命預測模型，預測裝備使用壽命，提出報廢、退役建議。

2）裝備故障預測

根據裝備實際采集到的狀態數據和維修記錄，建立裝備故障分析與預測模型，對每一種裝備的質量狀態做出正確評估，提出裝備維修和保養的合理化、預見性的建議。

3）裝備戰斗力評估

根據裝備實際采集到的狀態數據和維修記錄，建立裝備戰斗力評估模型，對每一種裝備迅速形成戰斗力情況進行統計分析，給出評估結果。

4）裝備保障資源配置

根據本單位裝備實力和裝備使用、維修、保養情況，提出裝備維修保障資源配置需求，同時對后期裝備的調撥提出合理化建議。

5 結語

本系統通過設計相關硬件，實現了通用裝備狀態信息的實時采集，立足裝備質量狀態數據和管理日常管理數據，建立了裝備管理輔助決策的相關模型，對預測裝備使用壽命并提出報廢、退役建議，評估每一種裝備迅速形成戰斗力的能力，優化裝備維修保障資源配置方案，提出合理化、預見性的裝備維修保養建議等工作提供了科學的決策依據。同時，本系統的設計思路對新裝備研制時增加狀態信息自動采集功能具有一定的借鑒意義。

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