裝備遠程虛擬化故障診斷支援系統設計與研究

胡江南，趙鴻飛，王海濤，陸煒，陳立武

(1. 解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京 210007； 2. 解放軍73031部隊， 江蘇 無錫 212402；3. 解放軍78187部隊， 四川 成都 610036)

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裝備遠程虛擬化故障診斷支援系統設計與研究

胡江南1，趙鴻飛1，王海濤1，陸煒2，陳立武3

(1. 解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京 210007； 2. 解放軍73031部隊， 江蘇 無錫 212402；3. 解放軍78187部隊， 四川 成都 610036)

摘要：針對目前部隊武器裝備遠程維修保障的現狀，基于虛擬現實技術，設計了一種結合遠程故障信息傳輸及桌面式虛擬現實技術的遠程虛擬化故障診斷支援系統。闡述了系統的組成結構及工作流程，分析了裝備故障現象編碼及基于北斗衛(wèi)星通信系統的故障信息簡訊傳輸方式，基于桌面式虛擬現實技術，實現了故障的遠程虛擬化診斷，并根據戰(zhàn)場實時態(tài)勢進行伴隨保障力量的資源調度及分配，為部隊作戰(zhàn)保障探索了新的途徑。

關鍵詞：虛擬化；故障診斷；支援遠程；北斗；設計

武器裝備對伴隨保障能力一直是影響部隊戰(zhàn)斗力的重要因素之一。伴隨保障的特殊性使得現有的高新技術裝備在戰(zhàn)場上的修復能力不一定能滿足作戰(zhàn)的需要，其主要原因之一就在于伴隨保障修理人員的專業(yè)技術水平不夠高，不足以應付高技術裝備所出現的各種故障，以至于無法對其進行故障排除及修復。在當前破壞性大、戰(zhàn)場空間廣和節(jié)奏轉換快的信息化戰(zhàn)場上，傳統的作戰(zhàn)工程裝備維修保障方式已無法滿足精確化和實時化的要求。而現有的遠程故障診斷技術多依賴于較完備的視屏技術手段，且無法實現維修保障資源的配置，并不能完全滿足戰(zhàn)場特殊環(huán)境的需求。

針對上述問題，現利用北斗衛(wèi)星通信系統的高度保密及可靠性，建立故障信息傳輸網絡，并基于虛擬現實技術再現裝備故障情況及戰(zhàn)場環(huán)境，利用后方龐大的專業(yè)隊伍對故障進行診斷支援，并從一定程度上實現了保障資源的配置和調度。

1系統組成及工作原理

工程裝備遠程虛擬化故障診斷系統的組成結構可分為車載信息傳輸終端、北斗衛(wèi)星通信系統、后方信息傳輸終端、桌面式虛擬故障診斷平臺及裝備維修資源調度配置系統等，其系統結構組成及工作原理如圖1所示。

圖1　系統組成結構及工作原理圖

當裝備出現故障時，若所出現的故障是裝備自身診斷系統可以識別并診斷的，則車載診斷系統會將故障代碼顯示于車載終端顯示屏上(現有新裝備大多具有此功能)，伴隨保障維修人員根據自己能力決定是否需要向后方傳遞故障信息以請求幫助；若裝備自身診斷系統無法判斷故障原因，則由伴隨保障修理人員根據簡訊通信規(guī)則編寫簡訊，經壓縮、加密以后通過北斗衛(wèi)星通信系統發(fā)送至后方終端[1-3]，終端接收到信息后會自動認證信息的安全性和信息來源，在確認信息后解壓簡訊，虛擬故障診斷子系統根據簡訊信息調用相關裝備的虛擬樣機，并模擬故障現象，采用人機交互的方式診斷故障原因及提出故障排除方案，當故障排除方案生成后，將送入資源調度子系統，資源調度子系統實時生成當前伴隨保障態(tài)勢，綜合考慮故障排除需求、保障分隊實力分布等情況后，給出調度方案，系統工作流程如圖2所示。

圖2　系統工作過程流程

2關鍵技術

2.1　車載故障檢測及通信終端

現有新裝備大多已經配備了越來越多的傳感器設備，用于檢測裝備運行狀態(tài)。裝備中集成的故障檢測電子控制單元可以用來實時檢測傳感器設備狀態(tài)，從而實現對一般故障現象的識別。因此，一旦裝備中受傳感器監(jiān)測的部位運行狀態(tài)出現異常，車載故障檢測儀器就會實時檢測到故障，并通過預設編碼及聲音報警的方式向操作人員進行故障提示，保障人員可根據所顯示的故障編碼對裝備故障原因進行診斷，并制定相應的排除方案。但是車載故障檢測儀器覆蓋面不完全，監(jiān)測范圍有限，且傳感器自身也可能因為工作環(huán)境的變化而發(fā)生故障，這就需要人工對故障原因及部位進行判斷及檢測。

設置車載通信終端的目的是為實現單位之間的相互通信，包括傳遞故障信息、上報資源力量、接受指令等功能。其可將所有的信息進行編碼、打包、壓縮、校驗，并對傳輸數據進行加/解密，通過集成北斗用戶機直接發(fā)送至后方保障支援系統的北斗用戶機，同時也可以接收來自別的北斗用戶機發(fā)送的數據信息，對接受的信息，系統可以自動認證信息的安全性和信息來源。

2.2　基于北斗衛(wèi)星定位通信的遠程裝備信息數據傳輸與控制

a) 北斗衛(wèi)星系統簡介

北斗衛(wèi)星系統是中國自行研制的全球定位與通信系統，可在全球范圍內全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠定位、授時服務，具備短報文通信能力，并能向有更高要求的授權用戶提供進一步的服務。本系統的無線通訊網絡采用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統，采用該系統的優(yōu)勢有[1-3]：

1) 使用安全。北斗系統是我國自主知識產權的衛(wèi)星導航系統，能保證通信的安全性和保密性。

2) 數據通信實時性強。數據傳輸快捷，接收終端在幾秒鐘之內就可以接收到發(fā)送端傳輸的數據，實時性比較強。

3) 設備及通信費用低、系統容量大、并發(fā)能力強。

4) 定位精度高。北斗的定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns。

基于北斗通信定位系統的優(yōu)勢，再結合設計的平臺軟件、數據無損壓縮技術及短報文通信協議等技術手段，能確保裝備故障代碼數據實時、安全、有效地傳輸，并能準確定位保障力量分布情況。

b) 裝備故障信息傳輸系統的特征需求

1) 故障信息傳輸的時效性需求

故障信息傳輸系統的傳輸時效性是最高的。由于故障信息的緊急性特征，故障信息傳輸系統必須在裝備出現故障后第一時間將故障信息發(fā)送到模擬樣機終端，且時間間隔越短越好，可以使故障裝備得到及時維修，充分保證裝備的作業(yè)效率。裝備是一支軍隊在戰(zhàn)場上戰(zhàn)斗力的絕對保證。戰(zhàn)時裝備的保障好壞，哪怕是晚1s，都有可能帶來不可估量的損失[4,5]。

2) 故障信息傳輸的準確性需求

故障信息的傳輸不但要有時效性和準確性，成功率也是非常重要的。故障信息傳輸過程中出現錯誤多、成功率低，故障信息在接收端不能成功被還原，不能準確傳輸到模擬樣機接收端，同樣無法使故障裝備得到維修保障。如果接收端接收一條錯誤或不完全的故障信息，這引發(fā)的后果也是無法設想的。故障信息在傳輸過程中發(fā)生了丟失，在某些關鍵情況下就可能造成不可挽回的后果。因此，故障信息的傳輸必須要萬無一失，本系統故障信息傳輸的成功率是建立在北斗衛(wèi)星信息傳輸系統性能的基礎上。

3) 故障信息傳輸的傳輸性需求

裝備故障信息包括裝備故障的信息和故障維修方案。主要內容包括故障零件，故障現象，故障時間，故障解決方案，故障后續(xù)隱患排查等，這些內容一般都以文字信息為主。這些內容中的一部分可以使用代碼，即在系統協議中規(guī)定某種代碼表示著哪些信息，代碼可以是字母或數字，也可以是字母和數字的組合，這樣就可以省略一部分字段的內容，節(jié)省傳輸的數據量。不使用音頻和視頻是由于其數據量太大，影響系統網絡帶寬和數據傳輸效率。

c) 數據傳輸與控制模式

遠程數據傳輸與控制系統一般由一個中心站和車載監(jiān)測點組成，中心站與車載監(jiān)測點之間數據傳輸與控制模式主要分為主動自報式與交互查尋式兩種。主動自報式是指監(jiān)測站按照一定的定時機制自動往中心站傳輸數據的模式。在主動自報模式下，監(jiān)測點處于主動方，而中心站則處于被動地等待接受數據。交互查詢式是指中心站通過發(fā)送指令來獲得車載監(jiān)測點的數據的模式。在交互查詢模式下，中心站處于主動方，而車載監(jiān)測點則被動地等待接收響應命令[1,3]。

北斗衛(wèi)星通信資源緊缺，且存在頻度限制，根據這兩種信息數據傳輸與控制系統的特點和差異，對于裝備突發(fā)故障，系統采用數據主動自報式傳輸，而對于定期的武器裝備狀態(tài)檢測等可靠性要求較高的數據則采用交互查詢式的傳輸方式[1-3]。

2.3　虛擬故障診斷系統

虛擬故障診斷系統是借助虛擬現實技術生成虛擬環(huán)境，再現裝備故障現象，方便專家技術人員診斷實機故障的交互式操作系統，可以實現故障現象模擬、虛擬儀器使用、虛擬拆裝過程規(guī)劃等功能，最終生成指導實機故障排除過程的文件。其系統結構如圖3所示。

圖3　虛擬故障診斷系統結構

a) 虛擬現實技術與虛擬樣機

虛擬現實技術，其特點在于計算機產生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環(huán)境，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用。

虛擬現實技術具體到武器裝備，就是利用三維制圖工具對武器裝備進行模型建立，根據其工作機理進行動畫制作和程序編譯，最后通過PC與功能化硬件結合，操作人員就可以通過友好的圖形界面來模擬故障現象、拆裝維修過程等。虛擬樣機模塊組成包括裝備三維模型數據庫、專家知識數據庫、交互控制系統等。在虛擬樣機建立過程中需要將所有零件的詳細結構參數納入整個機型的三維幾何造型中，要求零件模型的形狀與結構特征與實物一致。人、環(huán)境和裝備三種模型共同組成三維模型數據庫。專家知識數據庫建立在專家經驗總結的基礎上，其存儲了大量裝備的故障種類、各種故障現象所對應的故障排除方法等信息，可以供系統隨時調用，并具備自學習功能，能對新的知識進行挖掘學習并存儲更新。交互控制系統允許操作人員通過交互控制設備(如鍵盤、手套等)對虛擬環(huán)境中的三維數字模型進行操作控制，實現選擇、移動、旋轉等動作，從而完成虛擬的裝備故障排除過程[6]。

b) 基于虛擬樣機的故障診斷技術

虛擬樣機系統主要通過操作虛擬環(huán)境中的虛擬樣機來模擬維修操作過程和維修組織實施過程，使人主觀上產生真實地“存在感”。同時引入維修分析模塊，保證維修人員在維修操作過程中出現問題時，可以根據“真實感”體驗來分析出現維修問題的原因。并衡量產品是否滿足實機維修性要求，從而達到虛擬維修的效果，某型挖掘機變速箱虛擬故障診斷界面如圖4所示。

虛擬樣機系統應該滿足以下幾個要求[4-6]：

1) 虛擬維修仿真，主要包括故障模擬、維修操作、過程仿真、人機交互、碰撞檢測等功能。根據用戶與虛擬人之間的運動映射關系，跟蹤用戶行為，監(jiān)控維修過程，檢測虛擬環(huán)境中發(fā)生的碰撞行為，防止物體之間發(fā)生穿越行為，完成維修仿真。

2) 通過友好的圖形界面來模擬操作，能夠產生可信度高的虛擬維修感知；

3) 提供輸入輸出接口，保證人機交互操作自然、簡便；

4) 維修性分析：記錄并保存用戶的維修過程，同時判斷用戶操作的正確性，給出合適的指導。

5) 數據庫：存儲故障信息并協調各功能模塊的交互關系。獲取虛擬樣機的可靠性、維修性、保障性數據，將處理后的數據輸出到相應的功能模塊，根據故障信息進行故障模擬，通過智能分析給出故障解決方案如圖4所示。

圖4　變速箱虛擬故障診斷界面

2.4　裝備維修資源調度配置

快速、有效地進行故障裝備搶修任務調度可以減少故障裝備修理的時間，對提高部隊的戰(zhàn)斗力具有重要意義。資源、設備、空間的有限性與裝備分布和需求無限性的矛盾是造成維修資源排隊現象的主要原因，而伴隨保障人員的技術水平和作業(yè)效率等因素直接影響到戰(zhàn)斗力生成。后方在完成虛擬故障排除過程規(guī)劃之后，應當根據故障排除方案的所需條件及現有伴隨保障具體實力對資源進行配置，以保證故障能順利、及時的解決。

在利用北斗衛(wèi)星定位通信系統實現伴隨保障力量及資源的定位后，資源調度系統應總體呈現出保障力量的分布態(tài)勢圖，并給出資源調度方案。對于故障裝備維修資源的選擇，首先專家及指揮人員要了解戰(zhàn)場的實時情況，確定作戰(zhàn)保障的重點方向，劃定重點保障對象，優(yōu)先保障重

點作戰(zhàn)方向及對象；然后要對各伴隨保障維修力量的保障能力進行評估，計算維修資源的任務飽和度，確定其工作狀態(tài)；最后，根據故障裝備的情況，依照先易后難的順序進行維修排序。在以輕微故障裝備數量為主時，根據其易修復、耗時少的特點可以予以優(yōu)先修理以迅速減少待修裝備數量。在以較多裝備保障戰(zhàn)斗需要的同時，集中資源維修重大損傷故障裝備。同一方向同批次損傷裝備，也有主次、難易之分，應先搶修主要、易修的裝備，后搶修次要、難度大的裝備。在人員及物資調度上，當某方向保障人員不能完成任務或器材不能滿足需要時，應根據優(yōu)先級關系，規(guī)劃出鄰近保障分隊支援的最優(yōu)保障路徑，使配置效果達到最佳。

最終實現的后方虛擬故障診斷排除及資源調度系統工作流程如圖5所示。

3結語

在軍隊裝備保障信息化的背景下，本文提出了融合虛擬樣機、北斗衛(wèi)星通信、故障診斷、資源調度等關鍵技術的裝備遠程虛擬故障診斷支援系統的設計方案及結構組成，有效實現了工程裝備遠程故障診斷及保障資源調度，為戰(zhàn)場實時、精確地裝備保障打下了良好基礎，具有較好的軍事效益。

圖5　后方虛擬故障診斷機資源調度系統流程

參考文獻:

[1] 原艷寧, 崔劍鋒. 基于北斗一代衛(wèi)星導航系統的用戶機實現[J]. 科技傳播，2010,10: 181-182.

[2] 康望東, 覃遠超, 唐靜. 基于北斗系統的對空情報傳送方式[J]. 指揮信息系統與技術，2012,6(3):68-71.

[3] 于龍洋, 王鑫, 李署堅. 基于北斗短報文的定位數據壓縮和可靠傳輸[J]. 電子技術應用，2012,11(38):108-111.

[4] 趙曉順, 劉淑霞, 馬躍進,等. 基于虛擬儀器的發(fā)動機斷缸故障振動診斷[J]. 農業(yè)工程學報，2012,17(28):25-31.

[5] 郭晨冰.某型艦炮遠程故障診斷專家系統的設計與實現[J]. 艦船電子工程，2011,9(31):138-141.

[6] 趙鴻飛, 張琦, 王海濤,等. 桌面式工程機械虛擬維修訓練系統技術研究[J]. 中國工程機械學報，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

中圖分類號：TP277.3

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0192-04

作者簡介：胡江南(1990-)，男，浙江金華人，碩士研究生，研究方向為工程裝備保障。

收稿日期：2014-11-26 2014-11-21