艦船電子裝備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷*

殷海俊 黃惠寧

(92823部隊(duì) 三亞 572021)

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艦船電子裝備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷*

殷海俊 黃惠寧

(92823部隊(duì) 三亞 572021)

現(xiàn)代艦船電子裝備迅猛發(fā)展,推動(dòng)了裝備檢測(cè)技術(shù)的不但進(jìn)步。論文從艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷維修的特點(diǎn)出發(fā),提出了實(shí)現(xiàn)艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的基本構(gòu)想與設(shè)計(jì)方案以及實(shí)現(xiàn)途徑,指出了系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與發(fā)展方向。

電子裝備; 狀態(tài)監(jiān)測(cè); 故障診斷; 裝備維修

Class Number TP206

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)中,如何提高艦船電子裝備的技術(shù)保障能力,充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能,是目前十分突出的任務(wù)。為了滿(mǎn)足艦船電子裝備技術(shù)保障需要,亟待建立艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng),本文將從監(jiān)測(cè)和故障診斷理論與技術(shù)發(fā)展,以及系統(tǒng)的可測(cè)性和設(shè)計(jì)性?xún)煞矫嫒胧?結(jié)合電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù),對(duì)艦船電子裝備的監(jiān)測(cè)與故障診斷進(jìn)行研究,以期優(yōu)化。

2 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷的 基本技術(shù)

2.1 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的意義

艦船電子裝備具有高度的自動(dòng)化、集成化、一體化特點(diǎn),任何微小的故障都可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電子裝備系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)內(nèi)部的電氣部件、電子部件、機(jī)械部件之間存在著復(fù)雜的、抽象的聯(lián)系,許多設(shè)備采用計(jì)算機(jī)芯片去完成過(guò)去由大量的機(jī)械部件或電氣部件所完成的功能,同時(shí)電氣故障很難捕捉,不便于查找,絕大多數(shù)故障必須在帶電運(yùn)行狀態(tài)下才能被檢測(cè)。因此,通過(guò)觀察故障的外部現(xiàn)象來(lái)分析排除故障的傳統(tǒng)方法已不適應(yīng)現(xiàn)代電子裝備系統(tǒng)的維修,有必要設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)裝置[1～2]。

2.2 艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基本方法

現(xiàn)代艦船電子裝備采用操作檢測(cè)機(jī)內(nèi)一體化設(shè)計(jì),很好地解決了上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了在通電狀態(tài)下,通過(guò)操作運(yùn)行武器系統(tǒng),來(lái)監(jiān)控、檢測(cè)系統(tǒng)的性能。并通過(guò)人機(jī)對(duì)話把各種狀態(tài)下系統(tǒng)或部件的性能顯示在操作桌面上。操作檢測(cè)機(jī)內(nèi)一體化設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn): 1) 裝備系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前,通過(guò)通電自檢確保系統(tǒng)準(zhǔn)備狀態(tài)完全透明,以便不失時(shí)機(jī)的采取應(yīng)對(duì)措施。這對(duì)于保證操作人員具有良好的心態(tài)和自信,保證任務(wù)的繼續(xù)執(zhí)行是至關(guān)重要的。 2) 裝備系統(tǒng)在工作過(guò)程中,通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控可以發(fā)現(xiàn)和糾正參數(shù)配置和系統(tǒng)工作中可能出現(xiàn)的誤操作以及指令未到位的偶然現(xiàn)象。監(jiān)視、監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中可能發(fā)生的故障報(bào)警,以便采取措施保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。 3) 實(shí)現(xiàn)裝備系統(tǒng)的全功能測(cè)試,通過(guò)對(duì)各分系統(tǒng)或者設(shè)備進(jìn)行首末端大跨度的全功能測(cè)試,運(yùn)用故障可發(fā)現(xiàn)率最高的測(cè)試方法,對(duì)系統(tǒng)所有的器件包括軟件和硬件,電子類(lèi)和非電子類(lèi)全部功能的總測(cè)試,把故障定位到初始約定的介面上,以保證維修人員能全面掌握裝備系統(tǒng)的狀況,及時(shí)組織維修保障工作[3～4]。

2.3 艦船電子裝備系統(tǒng)故障診斷基本方法

1) 電子裝備系統(tǒng)裝備故障特點(diǎn)

裝備故障是指不能完成預(yù)定功能的事件或狀態(tài),它通常以各種異常的現(xiàn)象反映出來(lái)。電子裝備系統(tǒng)是一個(gè)涉及控制論、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科的系統(tǒng)工程,它由眾多分系統(tǒng)和設(shè)備組成,每一分系統(tǒng)或設(shè)備故障的發(fā)生都可能導(dǎo)致系統(tǒng)失靈或癱瘓,因此系統(tǒng)的故障特點(diǎn)表現(xiàn)為復(fù)雜性、相關(guān)性、層次性、延時(shí)性和隨機(jī)性[5]。

2) 電子裝備系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

電子裝備故障診斷系統(tǒng)主要是進(jìn)行電子裝備各分系統(tǒng)和設(shè)備信號(hào)傳遞的正確性檢查,系統(tǒng)控制與裝備的工作協(xié)調(diào)性檢查,通過(guò)對(duì)各設(shè)備接口信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與檢測(cè),便可實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)診斷與處理。

故障診斷技術(shù)是一門(mén)綜合性技術(shù),它不僅與診斷對(duì)象的性能和運(yùn)行規(guī)律密切相關(guān),而且還涉及多門(mén)學(xué)科,如現(xiàn)代控制理論、可靠性理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、模糊集理論、信號(hào)處理、模式識(shí)別和人工智能等學(xué)科理論。故障診斷技術(shù)發(fā)展至今,已提出許多方法,其中基于知識(shí)的智能化故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)已成為現(xiàn)代武器裝備故障診斷技術(shù)的一個(gè)最有前途的發(fā)展方向,它能充分利用專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和各方面的知識(shí),快速準(zhǔn)確地判斷導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的性能狀況,對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)與決策,提高武器裝備的維修保障能力[6]。

3 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診 斷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 艦船電子裝備系統(tǒng)采用技術(shù)

1) 操作檢測(cè)一體化設(shè)計(jì)

電子裝備運(yùn)用操作檢測(cè)機(jī)內(nèi)一體化設(shè)計(jì)后,經(jīng)初步檢測(cè)能把故障定位到分系統(tǒng)或者部件上,但對(duì)故障具體的診斷和排除要靠維修保障人員的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通常的故障報(bào)告對(duì)故障情況的描述還不能給予準(zhǔn)確的定位,有的缺少或忽略了一些重要數(shù)據(jù)。在這種情況下,利用電子裝備故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)幫助人工進(jìn)行決策分析,就能迅速找到解決問(wèn)題的答案。

2) 電子裝備系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

電子裝備系統(tǒng)具有模塊化、插件式的結(jié)構(gòu),通過(guò)更換模塊或插件即可進(jìn)行快速修復(fù)。根據(jù)電子裝備的維修特征,故障診斷與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障運(yùn)行狀態(tài),并將故障定位到可更換的部件,通過(guò)繼續(xù)對(duì)部件診斷,故障診斷系統(tǒng)將故障進(jìn)一步定位到可更換元件。

近年來(lái),自動(dòng)測(cè)試技術(shù)得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用,自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用大大提高了測(cè)試的速度和準(zhǔn)確性。將專(zhuān)家系統(tǒng)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)結(jié)合起來(lái),建立電子裝備檢測(cè)診斷系統(tǒng)對(duì)裝備進(jìn)行快速檢測(cè)和診斷,根據(jù)自動(dòng)測(cè)試獲得的數(shù)據(jù),完成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的故障診斷和故障定位功能。

利用該系統(tǒng)可以預(yù)防或消除故障,通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)、正確地對(duì)電子系統(tǒng)單機(jī)的各種異常狀態(tài)或故障狀態(tài)做出診斷,提高故障診斷的迅速性和有效性,從而提高電子裝備的技術(shù)保障能力[7～8]。

3) 專(zhuān)家診斷系統(tǒng)

電子裝備故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)是一種高級(jí)而復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序,是人工智能的具體應(yīng)用。它將眾多專(zhuān)家在電子系統(tǒng)領(lǐng)域里分析和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)建成一個(gè)大型的綜合數(shù)據(jù)庫(kù),只要輸入所需解答的問(wèn)題,計(jì)算機(jī)就可以利用軟件進(jìn)行分析判斷,模擬專(zhuān)家解答問(wèn)題的過(guò)程,最后在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找到正確答案。

3.2 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷框圖

電子裝備監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí),能迅速地進(jìn)行故障定位及故障的早期預(yù)防。一般來(lái)說(shuō),故障實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)包括信號(hào)實(shí)時(shí)采集部分、故障診斷計(jì)算機(jī)、相關(guān)電纜以及故障診斷軟件、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)和信號(hào)模擬器等組成,系統(tǒng)[9]結(jié)構(gòu)如圖1所示。

· 數(shù)據(jù)采集處理模塊:接收、轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過(guò)程中輸出的各種狀態(tài)數(shù)據(jù),送數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集處理,輸出給系統(tǒng)計(jì)算機(jī),同時(shí)面板顯示。

· 裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊:監(jiān)測(cè)武器裝備的運(yùn)行狀態(tài),顯示運(yùn)行參數(shù),回答用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的提問(wèn),跟蹤記錄推理過(guò)程,對(duì)所得出的結(jié)論給以解釋。

· 裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù):主要存放數(shù)據(jù)采集單元得到的武器系統(tǒng)輸出的狀態(tài)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)推理得出的中間結(jié)果以及通過(guò)人機(jī)接口輸入的對(duì)話信息。

· 故障診斷模塊:在一定的推理和控制策略下,根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知狀態(tài)數(shù)據(jù),選擇知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)知識(shí),進(jìn)行邏輯推理與判斷,直至最終得出故障結(jié)論。

· 專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù):用于存貯求解問(wèn)題的專(zhuān)家知識(shí),包括導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的原理性知識(shí)(聯(lián)調(diào)的方法、測(cè)試手段、電路圖、數(shù)據(jù)表格等)、故障診斷的原則和方法以及相關(guān)事實(shí)等。數(shù)據(jù)庫(kù)為故障模塊提供求解問(wèn)題所需要的技術(shù)支撐,同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中所包含知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量也決定了系統(tǒng)故障診斷性能的優(yōu)劣。

4 艦船電子裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診 斷的實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)建立

1) 建立科學(xué)裝備數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行分類(lèi)和整理,建立故障現(xiàn)象的樹(shù)型分支結(jié)構(gòu),以最科學(xué)合理的劃分方式建立艦船電子裝備故障數(shù)據(jù)庫(kù)和裝備工作原理知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

2) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)的在線剝離。對(duì)裝備系統(tǒng)輸出的狀態(tài)信號(hào)既要實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),又不能對(duì)裝備系統(tǒng)的性能造成影響,因而可通過(guò)相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)(如高阻抗輸入、光電耦合隔離技術(shù)等),實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的在線分離、轉(zhuǎn)換、采集。

3) 系統(tǒng)軟件要采用開(kāi)放式的設(shè)計(jì)思想、組合式的設(shè)計(jì)方法,充分利用當(dāng)前最優(yōu)軟件開(kāi)發(fā)技術(shù),保證系統(tǒng)軟件的先進(jìn)性、可繼承性和可擴(kuò)展性。

4) 要通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化,便于移動(dòng)攜帶,并且人機(jī)界面友好,故障診斷過(guò)程具有可視性和可操作性。

4.2 信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換

艦船電子裝備系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過(guò)程中,輸入、輸出的狀態(tài)信號(hào)主要是開(kāi)關(guān)量,故信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能主要是把接收到的信號(hào)通過(guò)光電耦合器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)采集信號(hào),同時(shí)送面板顯示電路予以顯示。

數(shù)據(jù)采集單元為高性能的單片機(jī)。其CPU執(zhí)行一個(gè)功能很強(qiáng)、尋址方式靈活的指令系統(tǒng)。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)通過(guò)光電耦合器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),CPU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換鎖存,并經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)后接收,輸出至系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

4.3 知識(shí)庫(kù)的建立

知識(shí)的獲取是一件比較困難的工作,它是建立知識(shí)庫(kù)的“瓶頸”問(wèn)題。由于知識(shí)的自動(dòng)獲取還有許多理論和技術(shù)上的困難問(wèn)題,因此目前采用領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師相結(jié)合的人工獲取知識(shí)的方式。對(duì)于艦船電子裝備系統(tǒng),由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和使用等單位的有關(guān)專(zhuān)家向維修工程師提供相關(guān)的原理知識(shí)和故障征兆、故障模式、可能的故障原因及其相應(yīng)的排除方法、原理、步驟等領(lǐng)域知識(shí),技術(shù)專(zhuān)家了解武器系統(tǒng)的工作原理,收集與故障有關(guān)的運(yùn)行參數(shù),在對(duì)獲取的知識(shí)進(jìn)行檢測(cè)和求精,最終形成一定的結(jié)構(gòu)和規(guī)則,建立起診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)[10]。

4.4 系統(tǒng)輸入輸出流程

在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,按照自頂向下模塊化設(shè)計(jì)思路,充分利用了當(dāng)前最優(yōu)的軟件開(kāi)發(fā)工具,并采用了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、動(dòng)態(tài)內(nèi)存存取、線程、計(jì)算機(jī)多媒體編程等先進(jìn)的軟件編程技術(shù),完成了全部相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試工作。艦船電子裝備系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 艦船電子裝備系統(tǒng)檢測(cè)流程

5 艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的特點(diǎn)

1) 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與故障分析判斷準(zhǔn)確。由于故障監(jiān)測(cè)、分析和判斷是利用計(jì)算機(jī)通過(guò)預(yù)先編制的診斷系統(tǒng)自動(dòng)完成,可以排除現(xiàn)場(chǎng)的干擾和人為失誤,因此其分析范圍更趨于全面,判斷結(jié)果更趨于準(zhǔn)確。

2) 大大縮短維修時(shí)間。診斷系統(tǒng)可在很短時(shí)間內(nèi)完成故障定位,并可自動(dòng)完成故障的分析與判斷,大大縮短了系統(tǒng)修復(fù)時(shí)間,提高了裝備系統(tǒng)的戰(zhàn)備率。

3) 提前預(yù)測(cè)故障,減少和避免重大事故。故障診斷系統(tǒng)對(duì)艦船電子裝備系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè),研究裝備系統(tǒng)的故障特征,判斷裝備故障,以此決定是否需要維修,因此故障診斷技術(shù)屬于狀態(tài)維修,它可以提前預(yù)測(cè)故障。

6 結(jié)語(yǔ)

目前,各種以計(jì)算機(jī)為主體的綜合故障監(jiān)測(cè)與診斷的專(zhuān)家系統(tǒng)相繼問(wèn)世并投入使用,反映了當(dāng)前故障診斷技術(shù)發(fā)展的前進(jìn)方向。它利用人工智能技術(shù),將許多專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)智慧和思想方法同計(jì)算機(jī)的巨大存貯、運(yùn)算和分析能力相結(jié)合,組成共享的知識(shí)庫(kù),根據(jù)專(zhuān)家提供的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷,來(lái)解決需要專(zhuān)家們決定的復(fù)雜問(wèn)題,具有全系統(tǒng)診斷功能和準(zhǔn)確、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)。因此,可以預(yù)料,隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用專(zhuān)家系統(tǒng)的艦船電子裝備系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)在故障診斷的領(lǐng)域中必將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 翟慶鷹.加強(qiáng)作戰(zhàn)使用研究,促進(jìn)火控系統(tǒng)發(fā)[C]//火力與指揮控制情報(bào)網(wǎng),2008:39-42.

[2] 翟慶鷹.反艦導(dǎo)彈的發(fā)展與目標(biāo)特性研究[J].北京航天導(dǎo)彈總體專(zhuān)業(yè)情報(bào)網(wǎng),2009:182-186.

[3] 張宏建,等.高技術(shù)條件下裝備保障方式變革與方向[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ),2003(1):16-19.

[4] 甘茂治.軍用裝備維修工程學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999,11:25,38.

[5] 張優(yōu)云,謝友柏.狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷與現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:中國(guó)機(jī)械工程,1997,8:37,50.

[6] 張化光,等.智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:59.

[7] 蔡淑華.飛航導(dǎo)彈火控系統(tǒng)[M].北京:宇航出版社,2001:59.

[8] 宋立輝,姜興渭.基于WWW的故障診斷技術(shù)研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2003(1):48-51.

[9] 楊志伊.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2006:32-35.

[10] 田仲,等.系統(tǒng)測(cè)試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2004:57.

Status Monitoring and Failure Diagnosis of Electronic Equipments in Ships

YIN Haijun HUANG Huining

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

There is a great advancement of electronic equipments in modern ships, which accelerates the continuous progress of equipments detection technology. Starting from the characteristic of status monitoring and failure diagnosis of the electronic equipments in ships, an idea about the technology on monitoring online and failure diagnosis, an design scheme and implement approach is put forward, and the merit and developing direction of the system are pointed out.

electronic equipments, status monitoring, failure diagnosis, equipment maintaining

2014年7月10日,

2014年8月27日

殷海俊,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:裝備技術(shù)保障。黃惠寧,男,助理工程師,研究方向:裝備技術(shù)保障。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.037