武器裝備便攜式維修輔助系統設計與實現

馬 艷

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

隨著武器裝備的快速發展，便攜式維修輔助(PMA)技術得到了越來越多的關注。PMA技術可用于對裝備進行現場實時維修[1]，解決了測試設備在使用現場或狹小空間內難以使用操作的問題，以及裝備維護人員維修能力不足的問題[2]，具有通用性、擴展性、安全性、靈活性和易于攜帶等特點[3]，有助于減少維修工時，提高維修效率，降低保障費用，是裝備全壽命周期維修保障的重要組成部分[4]。美軍從20世紀90年代初開始研究PMA技術，并在90年代中期得到應用。該技術可以使操作人員無需離開現場，就可以在裝備保養工作區、裝備貯存庫完成包括F-22、CV-22、C-17、B-52以及JSF等飛機的故障預測、診斷、隔離和維修任務。目前PMA技術已經逐步應用到各型裝備信息管理、技術資料查詢、健康狀態預測、故障診斷和隔離、裝備維修決策等許多方面[5]。我軍對PMA技術的研究與應用進展緩慢，大量的武器裝備缺乏相關的數字化技術資料[6]，受基層保障力量的限制，目前裝備維修在很大程度上仍然取決于操作人員的經驗和水平[7]，有時還要組織研制單位或者院校、基地的專家來現場幫助維修，需要耗費大量的人力、物力和財力[8]。此外，各類裝備沒有統一的標準化數據交換接口，這也在一定程度上阻礙了PMA設備的推廣和應用。本文通過對硬件系統集成、軟件運行平臺搭建等技術深入研究，綜合考慮了原有武器裝備的測試維修保障能力，采用硬件模塊化、軟件構件化設計[9]，使便攜式維修輔助系統具有良好的通用性和可擴展性。

1 系統總體結構及工作流程

便攜式維修輔助系統是可以在裝備使用現場使用的可移動的輔助測試維修設備，能夠為現場操作人員進行裝備原位維修提供詳細的維修信息，包括裝備的技術資料、狀態信息、故障診斷方法、排故步驟、驗證方法，以及裝備的歷史記錄、備品備件信息等。系統可以通過接口從測試設備上獲取信息，也可直接作為測試維修設備，是裝備的狀態采集終端。

系統采用“通用平臺+專用模塊(含專用接口適配器)”的架構，以滿足不同裝備測試、診斷和維修的通用化需求。通用硬件平臺提供硬件系統支撐，專用的儀器模塊資源針對不同裝備的測試維修靈活配置，專用接口適配器實現與不同型號被測裝備的信號轉接與物理對接。軟件設計上采用“通用開發平臺+專用TPS應用軟件”的方式，開發平臺采用VITE測試開發環境，滿足開放性、通用性和互換性的要求，應用軟件包括交互式電子手冊(IETM)的內容，方便用戶查閱資料，實現裝備狀態預測、診斷、隔離和維修決策，指導操作人員進行裝備的維修。

系統通過專用接口適配器與被測裝備傳輸測試與診斷信息，測試信息可由系統內配套的IETM軟件平臺進行交互式處理，形成故障診斷策略(也可通過網絡實現與其他測試設備的組網協同工作、與網絡中心數據庫上傳和下載數據，實現遠程技術支援與信息共享)。如果由BIT獲取的故障信息是IETM中明確指出的，則系統可以指導維修人員按照維修步驟對故障單元進行拆卸、修理或更換；若故障信息比較復雜，可能包括2個或3個故障單元，系統便啟動故障診斷程序，調用診斷分析推理模塊，給出最佳維修途徑。

對于更復雜的多重故障現象，系統給出故障的人工排除方案，通過使用相應的測試軟件，使系統與故障單元(DUT)的可測試點對接，以進一步確定有故障的部件。首先針對特定的DUT，由IETM系統引導用戶調用相應的LRU(模糊故障組件)資源信息，編輯激勵信號，生成對應的測試程序；再通過特定的信號發生電路產生DUT的激勵信號，傳送到被測對象中；將被測對象產生的響應信號通過高速數據采集電路進行采樣，再由IETM系統進行數據處理、分析，以給出被測部件故障與否的判斷，從而獲知最可能的故障單元。

經過上述檢測分析，如果故障所在位置明確，現場維修人員就可以通過網絡實現備用零部件或LRU的預定，節省維修時間，然后拆卸并更換有故障的DUT，將其送到大修廠或者承制廠進行修理；如果上述措施仍未有效，則需將多個故障單元中的所有可能故障件予以替換，并將替換下的單元進行更加詳細的檢測。系統輔助維修工作流程如圖1所示。

圖1 系統輔助維修工作流程

2 系統硬件設計

便攜式維修輔助系統的設計要求體積小、重量輕，無法支持體積、數量和重量龐大的儀器設備和接口。因此在硬件設計上采用硬件平臺多儀器一體化綜合集成技術，由單板計算機及存儲單元、模塊化儀器和顯控單元組成。系統硬件組成框圖如圖2所示。系統配置的儀器模塊采用可編程邏輯陣列電路FPGA/CPLD和數字信號處理器DSP技術，面對可能新增的儀器測試功能需求，可通過僅更改上層軟件算法而不修改硬件模塊的模式來實現測試功能的擴展。例如高速AD模塊可通過增添修改軟件來實現頻率測量、波形測量等功能。

圖2 系統硬件組成

單板計算機及存儲單元為系統控制中心，可安裝Windows XP操作系統、應用管理軟件、IETM系統及其他應用軟件，從嵌入式控制器上的USB2.0和PCI總線上擴展多路Express Card總線接口，實現對模塊化儀器資源的控制與調度。模塊化儀器主要包括萬用表模塊、信號源模塊和數字I/O模塊等，為USB2.0和Express Card總線接口標準形式，模塊結構尺寸、接口形式統一，具有資源重組性高、功耗低、通用性和易用性強、結構尺寸緊湊以及擴展性強等優勢。考慮到攜帶方便，顯控單元采用640×480分辨率的液晶觸摸屏[10]，具有觸摸屏輸入和鍵盤鼠標組合輸入2種工作方式。采用交/直流2種供電模式，直流采用雙電池供電[11]，可實現設備超過5 h的持續工作時間，能夠滿足設備外場使用需求。

3 系統軟件實現

3.1 系統開發平臺

系統軟件開發平臺采用Virtual Instruments Test Environment(VITE)虛擬儀器測試開發環境，這是面向自動化測試系統的通用測試程序開發平臺、運行平臺和系統集成平臺，為以“激勵-響應”模式工作的測試過程提供一個通用、完備的系統解決方案。VITE開發平臺無需測試人員編程，測試人員只需根據被測對象的測試需求，在完全的圖形化開發界面上填寫測試流程要素，系統可根據要素自動生成測試任務的執行腳本，滿足開放性、通用性和互換性要求。

3.2 應用軟件

系統應用軟件主要由應用管理軟件、系統自檢軟件和輔助維修軟件3部分組成。

① 應用管理軟件是軟件系統的基礎，用來管理各個軟件模塊的工作，包括用戶管理、設備運行日志管理、初始化程序、儀器驅動程序、有關操作人員和設備的安全特性軟件、漢字輸入系統、觸摸屏驅動程序等。

② 系統自檢軟件提供系統自檢功能、對系統自檢的運行控制和管理功能，當系統本身存在故障時，可隔離到故障單元；同時自檢軟件能夠提供系統校準接口，實現對系統校準的運行控制和管理。

③ 輔助維修軟件包括IETM系統、裝備管理系統和資源信息系統3部分。輔助維修軟件是系統的信息中心，通過人性化的交互界面，便于維修人員實現資料查詢、故障維修決策等。由于信息來源多種多樣，文獻[12-13]給出了多級式多源信息融合系統的設計思路作為參考。

IETM作為裝備維修保障信息化的重要手段，對輔助裝備維修、輔助裝備人員訓練和輔助用戶技術資料管理都具有無可比擬的優勢[14]。IETM系統將內容繁雜的裝備操作手冊、維修手冊等信息，按照標準有機地組織管理起來，將文字、表格、圖像、工程圖形、聲音、視頻和動畫等多種信息形式直觀顯示在電子屏幕上，能夠實現檢索、導航和查詢等基本功能[15]，方便裝備使用、維修和保障活動的實施；同時IETM系統綜合了專家系統、人工智能、自動診斷和故障隔離等技術手段，能夠實現裝備狀態預測、診斷、隔離和維修決策[16]。裝備管理系統用于指導操作人員組織進行定期維護保養、質量管理、出入庫管理和勤務管理等；資源信息系統包括備品備件、儀器設備、維修設備、維修工具、保障人員以及技術資料等信息管理，能提供裝備技術保障所需的人員、備件、設備、工具、資料的種類、數量、查找位置、使用方法及圖片資料等內容。

4 實際應用

目前國內現有型號導彈測試及故障診斷設備一般為導彈自動化測試系統、導彈分機測試系統以及一些分機的故障診斷(專家)系統，均具有體積大、成本高和自身維護復雜的特點，故障診斷效率不高。與之相比，本系統是便攜式的故障診斷維修系統，側重于故障診斷的實用性，既可以獨立成系統，也可以與分機測試系統和自動化測試系統配合使用。

本系統在某型導彈技術準備中得到了應用，并與彈上自動駕駛儀進行對接測試與故障維修，完成了對導彈分機的功能測試與故障診斷，系統運行界面如圖3所示。

圖3 系統運行界面

系統能夠連接數據庫和信息系統，易于訪問圖形用戶界面的信息，能隨時訪問交互式電子手冊，實現與中央服務器之間的寬帶連接(通過專用軍網)，實現在線電子信號測量，并能在實施維修任務的過程中跟蹤技術性能。從實際應用看，系統具有可靠性高、易維修、體積小、功耗低和便攜性好等特點。

5 結束語

便攜式維修輔助技術作為一種能夠恢復和保持裝備良好技術性能、具備交互性和智能化數據處理能力的重要手段，可以實現裝備測試診斷、維修任務與操作過程指導、零部件狀態維護與查詢、故障日志記錄，一機多用、便攜性好、實用性強，對基層級維修保障通用化、標準化、信息化水平的提高及保障裝備資源整合具有重要意義，可以滿足未來裝備保障對裝備維修訓練、維修指導和維修管理能力的要求，有助于提高基層部隊的現場維修水平，在裝備維修領域有著廣闊的應用前景，將成為武器裝備未來維修保障的主要方式。

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