基于虛擬測試技術的導彈電氣系統故障診斷?

李 楊

（92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

電氣設備是導彈系統的核心裝備之一，它由低壓組合部件構成，隨著計算機技術與現代科技的發展，電氣系統正朝著自動化技術的方向發展，利用現代化技術可以實現電氣系統的自動化、智能化處理，提高電氣系統整體運行效率，保證電氣系統的安全性能。而從導彈武器系統的電氣設備上看，它肩負著對導彈上設備及全彈進行測試和控制導彈發射的任務，也就是說電氣設備的運行情況決定著整個導彈發射過程的穩定情況，如果電氣設備出現故障則將影響導彈發射任務，進而影響軍事活動的推進。為了強化電氣系統的強度，也為了維持電氣系統的穩定，必須將故障診斷技術引入導彈電氣設備中來，通過故障診斷了解導彈電氣系統可能存在的故障，有針對性的進行檢測和定位，然后解決潛在問題，就能促進導彈電氣系統的進一步發展，這對增強導彈作戰效能和增強部隊戰斗能力具有極大的意義。但是導彈電氣系統的故障診斷分析技術相對復雜，一方面導彈電氣系統的造價高、服役時間短、實裝操作少，給故障分析的信息收集帶來麻煩，技術人員利用普通的故障診斷很難在短時間內獲取充足的維修信息。另一方面，導彈電氣系統的獨特性能和研制目的給故障診斷帶來不小的壓力，那么采用什么樣的故障診斷技術才能最大化的對導彈電氣系統進行故障診斷呢？一般認為以虛擬現實為基礎的虛擬測試技術能夠分析結構復雜、技術含量高、造價昂貴且診斷修復難度大的設備，因為它能集合現代仿真技術、傳感技術、人機接口技術、圖形圖像處理技術與計算機技術等，對復雜的系統進行充分的分析，尤其是在缺少某些必要信息的情況下，為電氣系統的故障診斷提供了一條切實可行有高效便捷的方法。因此，基于虛擬測試技術的導彈電氣系統故障診斷十分有必要的。

2 基于虛擬測試技術的導彈電氣系統原理

基于虛擬測試技術的導彈電氣系統故障診斷需要大量技術手段和不同情況分析，首先需要將研究的導彈氮氣系統的電原理圖和導彈主要控制面板在同一個圖形設計分析平臺上呈現出來，利用虛擬、數學建模、仿真技術的手段再現整個導彈電氣系統部分，然后針對可能存在隱患的位置分析導彈電氣系統的故障模式，可以先劃定故障范圍，然后確定故障模式下導彈電氣系統內外部定性與內外定量表現，整合所有參數與數據后利用現代虛擬測試得到準確的故障定位，從而確定診斷對象，對導彈電氣系統進行質量檢測和維修服務。一般認為虛擬測試技術分為三個模塊分別是虛擬設備模塊、虛擬測試模塊和故障診斷模塊。每個模塊各司其職，相輔相成，簡單分析一下各個組成模塊的功能。首先虛擬設備模塊是指將被測對象通過現代化圖形建模技術虛擬化處理，然后將處理后的電氣系統呈現在一個圖形設計分析平臺上，在該平臺上能真實客觀地反映導彈電氣系統的各個模塊，像電原理圖、控制面板、操作動作、實時現象等。其次是虛擬測試模塊，該模塊的功能是在數學建模和仿真技術的幫助下，對虛擬平臺中的視圖進行模擬操作，然后分析導彈電氣系統在各種刺激狀態下各部分結構的性能與質量，記錄變化參數，形成故障模式數據庫。再次，故障診斷模塊，當前兩部結束后我們已經能得到相應的虛擬測試信息，這時通過數學算法確定導彈電氣系統可能存在的故障，并有針對性的診斷與定位，提出改良維修策略。整體虛擬測試技術的功能模塊工作原理如圖1所示。

圖1 基于虛擬測試的故障診斷系統原理圖

3 導彈電氣系統圖形化建模

導彈電氣系統主要由不同的電子設備組成，各個設備之間相互依存，通過現代化的自動計數形成可控的智能化導彈電氣控制系統。一般我們會將電氣系統分為三個層次，分別是隔斷層、通信層和控制層。隔斷層主要指在導彈裝置中實現信息號控制和線路測量的裝置；通信層主要指安裝各種通信設備促進導彈各部分數據聯系和設備數據共享；控制層是指需要形成網絡控制系統，并對各個子系統進行單獨管理。為了保證導彈電氣系統的正常運行，一般會定期養護與維修。而電系系統圖形化建模是實現電氣設備虛擬測試的基礎，因此，首先要將電氣系統中的電原理圖和各種電子元件進行建模，然后利用電子仿真圖形可視化輸入技術實現建模。按照以往導彈電氣系統圖形化建模的標準來看，有兩種圖形可視化輸入技術，一種是利用電子設計自動化軟件protel作為導彈電子元件電原理仿真圖形可視化輸入系統，利用該軟件整合導彈電氣系統的各項資料，并錄入待分析的導彈電氣系統電原理圖，然后根據錄入的信息生成電氣系統各個部分的拓撲連接關系，這樣導彈電氣系統的基本資料就能通過仿真技術基本還原，工程師就能便捷的通過仿真圖形建模對電氣系統進行測試。另一種是當前國際流行的EDA軟件的設計思想，這種圖形化建模比第一種操作上簡便一些，但是理論層次更為復雜，因為這種人們自主研發的導彈電子元件電原理仿真圖形可視化輸入輸出系統，它在建設研發之處就直接針對導彈電原理圖的特點進行開發，并在不斷實踐中已經成功研制了一個導彈專用的圖形仿真設計分析平臺，這樣對導彈電氣系統各項信息的錄入就更加便捷，對各項參數的分析也更直觀。這兩種電氣系統圖形化建模各有優點，一般在二次開發的基礎上會將這兩種方案結合使用，首先利用第二種方法生成一個電原理圖，然后利用pro?tel軟件錄入系統，然后依據仿真技術實現電氣系統的建?；幚?。除此之外針對導彈電氣系統的圖形化建模還需要考慮控制面板和人工操作方面的問題，因為關于圖形化仿真建模的設計需要通過虛擬面板和虛擬控制臺的幫助，這種映射關系如果處理不當就不能生成有效信息展現給用戶，這樣電氣系統圖形化建模就失去了可視化的價值。另外，有時會遇到特殊情況，需要對導彈電氣化系統進行在線故障診斷或者遠程故障診斷，這時據需要設計系統具備強大的監視功能，利用移動端或者攝像頭等現代化工具采集控制面板或者指示燈現象作為現場信息處理，然后將采集到的影像現場圖形化處理，這樣就能將遠程的信息轉化為現場的虛擬測試系統故障診斷輸入數據，這樣既可以解決當前的問題，也可以為后續故障診斷和解決奠定基礎。

4 導彈電氣系統虛擬測試

導彈電氣系統圖形化建模完成后就可以開展虛擬測試的工作，利用虛擬系統把已經定性、定量的仿真圖形相結合，在假定的各種外界激勵條件和故障狀態下確定電氣系統的各個元件的工作狀態，以及觀察電氣系統中各個連接點的定量變化狀態，比如記錄電氣設備的電壓值、電流值、設備的工作狀態是否符合標準等，在此基礎上進行電氣系統的虛擬化測試。虛擬化測試的過程中，虛擬測試技術會在仿真測試與正常測試中調節面板，也可以在可視化的電原理圖上直接設置電氣系統不同區域的故障模式，以此確定電氣系統在各種條件下的參數變化和最容易受影響的部分，這時，對虛擬仿真系統的構建就能通過電原理仿真電氣設備的分析平臺所展示，這時虛擬測試平臺的總體框架已經完成構建了。導彈電氣系統虛擬測試的整體框架如圖2所示。

圖2 導彈電氣系統虛擬測試總體框架圖

5 導彈電氣系統故障診斷與定位

前兩步完成后就能對導彈電氣系統進行故障診斷與定位了，并可以根據實際情況提出改良完善維修策略。首先圖形化建模與虛擬測試結束后，我們能得到整個導彈電氣系統的電原理圖和在不同刺激下各個工作元件的作業狀態，記憶全部節點的電壓值和支路的電流值，這些信息非常系統，也就是說對導彈電氣系統進行故障診斷與定位時已經生成了整體可視化的虛擬系統，能夠根據不同的需要調整各個節點的電子設備信息。為了能更精準地實現導彈電氣系統故障診斷與定位，可結合該導彈電氣設備的臨時狀態參考不同形成故障的模式庫作為信息輸入樣本進行采樣，這樣通過一定的數據處理就能對合理條件電氣系統中的各項參數，把冗余的去掉，把需要的歸一處理，然后利用不同的分類法在不同的神經網絡進行聚變故障模式匹配，這時工作人員就能對故障進行準確的定位，并根據實際情況解決問題。如圖3所示，圖表中每一行表示一個不同故障樣本，在這樣的編號下設定的某個元件的故障模式會更有仿真價值，利用這種方式采集的樣本會更加真實，比如某些指示燈的狀態和幾個不同的節點的電壓值情況，這些信息都是可變量，通過大量舉例分析就能建立不同故障模式樣本，以此設計不同的神經網絡訓練，就能確定導彈電氣系統的故障診斷與定位，為之后的整修打下基礎。

圖3 故障模式樣本

6 結語

綜上，我們對導彈電氣系統在虛擬測試技術下的故障診斷與定位有了初步認識，導彈作為一種實用性很高的武器，在研發建設中有成本高、服役時間短且實裝操作少的特性，為了讓導彈電氣系統故障有明確的診斷與定位需要利用虛擬測試技術建立仿真分析平臺進行模擬測試，通過整合大量樣本為導彈電氣系統的正常運行奠定基礎。這種技術的研發與推廣對我國軍事發展有重大意義，必須引起足夠的重視。