基于故障注入模式的裝備檢測(cè)與維修訓(xùn)練系統(tǒng)

公丕平，姜海寶，申金星，高亞明

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 徐州 221004；2.69214部隊(duì)51分隊(duì)，新疆 和田 848000）

引言

嵌入式訓(xùn)練模式特別是嵌入式操作訓(xùn)練在歐美等軍事強(qiáng)國(guó)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，而我軍也在進(jìn)行嵌入式操作訓(xùn)練的有益探索，并成功研制一批具有先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與逼真訓(xùn)練效果的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。在嵌入式操作訓(xùn)練“基于實(shí)裝開展裝備使用訓(xùn)練”前提下，嵌入式維修訓(xùn)練的方式逐漸流行起來，這種訓(xùn)練方式改變了以往采用維修訓(xùn)練模擬器或虛擬維修訓(xùn)練的形式，通過“嵌入”裝備內(nèi)部的設(shè)障模塊，在實(shí)際裝備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象的準(zhǔn)確模擬，拓展裝備維修訓(xùn)練方法與手段。這種維修訓(xùn)練方式是在故障注入技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，其借鑒了故障注入技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，將設(shè)障對(duì)象擴(kuò)展到完整的裝備電氣系統(tǒng)，開發(fā)專用的設(shè)障硬件與軟件，搭建嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練設(shè)備與實(shí)際裝備的緊密結(jié)合。

1 測(cè)試對(duì)象選擇與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 測(cè)試對(duì)象選擇

某型裝備是我軍的一種骨干橋梁裝備，用于伴隨機(jī)械化部隊(duì)實(shí)施機(jī)動(dòng)保障任務(wù)，但該型裝備自動(dòng)化程度高，電控系統(tǒng)工作原理復(fù)雜，為部隊(duì)的維修保障與維修訓(xùn)練造成了困難，將嵌入式維修訓(xùn)練手段應(yīng)用于重型支援橋維修教學(xué)與訓(xùn)練，可有效促進(jìn)該裝備考核效果與維修訓(xùn)練水平的提升，實(shí)現(xiàn)自主設(shè)障、逼真設(shè)障、全面設(shè)障、隱蔽設(shè)障與無損設(shè)障，改善當(dāng)前裝備維修教學(xué)效果不理想，缺少有效故障模擬手段的現(xiàn)狀。

目前，基層修理分隊(duì)對(duì)于重型支援橋電控系統(tǒng)的維修檢測(cè)能力較為薄弱，主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與指示燈、萬用表等簡(jiǎn)單儀器。如果利用嵌入實(shí)裝內(nèi)部的自主設(shè)障單元，還可監(jiān)控重型支援橋所有節(jié)點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)裝備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)、高效檢測(cè)，通過與正常信號(hào)特性比較，快速定位故障部位，可實(shí)現(xiàn)該裝備電控系統(tǒng)常見故障的智能診斷，可有力促進(jìn)部隊(duì)維修保障水平的提高。

總而言之，研制某型裝備電控系統(tǒng)嵌入式維修訓(xùn)練與檢測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：開發(fā)通用硬件平臺(tái)與一體化軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)維修教學(xué)、訓(xùn)練與考核，實(shí)現(xiàn)該裝備維修訓(xùn)練的自主設(shè)障、逼真設(shè)障、全面設(shè)障、隱蔽設(shè)障與無損設(shè)障，進(jìn)而提升該裝備維修訓(xùn)練水平；利用嵌入式狀態(tài)檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)該裝備電控系統(tǒng)信號(hào)狀態(tài)的快速檢測(cè)與故障智能診斷，提高重型支援橋故障檢測(cè)能力與維修保障水平[1-2]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

實(shí)現(xiàn)嵌入式維修訓(xùn)練與考核，關(guān)鍵在于利用內(nèi)置設(shè)備模擬電控系統(tǒng)的常見故障，將設(shè)備“嵌入”到裝備信號(hào)回路中，根據(jù)訓(xùn)練與考核需求改變?cè)行盘?hào)的狀態(tài)，供受訓(xùn)者進(jìn)行判斷與排除。因此，開發(fā)的維修訓(xùn)練與考核系統(tǒng)要在完成設(shè)障功能要求的同時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)要求，避免對(duì)裝備造成損壞。

1.2.1 自主設(shè)障要求

嵌入式維修訓(xùn)練模式的最大優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)訓(xùn)練進(jìn)程，按照授課人的思路靈活設(shè)置相應(yīng)的故障現(xiàn)象，供受訓(xùn)者判斷與排除。重型支援橋電控系統(tǒng)自主設(shè)障單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)主要信號(hào)回路的狀態(tài)模擬，確保故障設(shè)置的高效性，授課人只需在上位機(jī)控制軟件上輸入或選擇故障類型、名稱，控制單元即可將相應(yīng)的故障代碼發(fā)送到對(duì)應(yīng)位置的嵌入式設(shè)障單元，利用繼電器陣列的通斷實(shí)現(xiàn)傳感器、電磁閥等信號(hào)通道的短路、短路、搭鐵等故障現(xiàn)象，取代以往采用人工方式在裝備內(nèi)部“動(dòng)手腳”的考核訓(xùn)練模式，突出嵌入式維修訓(xùn)練自主設(shè)障高效、靈活的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 全面設(shè)障要求

重型支援橋電氣系統(tǒng)組成與原理較為復(fù)雜，包括4個(gè)PLC控制器、無線/有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，42個(gè)檢測(cè)/壓力/溫度傳感器以及4個(gè)電動(dòng)/手動(dòng)電磁換向閥，因此具有信號(hào)通路眾多、節(jié)點(diǎn)類型復(fù)雜、信號(hào)種類多樣的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行故障設(shè)置需要滿足幾點(diǎn)要求，一是故障點(diǎn)覆蓋系統(tǒng)主要信號(hào)節(jié)點(diǎn)，特別是PLC控制器輸入/輸出口、執(zhí)行元件/位置反饋元件信號(hào)輸出口；二是系統(tǒng)故障類型涵蓋電控系統(tǒng)常見故障，包括斷路、短路、搭鐵、接觸不良等現(xiàn)象，以確保故障設(shè)置的多樣性；三是要能夠重復(fù)再現(xiàn)典型故障現(xiàn)象，供受訓(xùn)者進(jìn)行反復(fù)練習(xí)[3-4]。

1.2.3 無損設(shè)障要求

在重型支援橋電控系統(tǒng)中內(nèi)置嵌入式維修檢測(cè)單元，首先要確保不對(duì)裝備本身造成損壞，避免由于線路設(shè)計(jì)不合理等因素造成的短路等二次故障，在各種工況下不能產(chǎn)生誤操作、誤動(dòng)作現(xiàn)象，繼電器陣列結(jié)合分離徹底，各接插件接觸可靠，在動(dòng)態(tài)工況下也不應(yīng)產(chǎn)生松動(dòng)，各電路焊點(diǎn)牢固，避免儀器與接口受損，同時(shí)要考慮電磁兼容性因素，避免對(duì)裝備本身無線通訊網(wǎng)絡(luò)造成干擾，影響正常使用甚至出現(xiàn)安全事故。

另外，無損設(shè)障的內(nèi)涵還包括故障現(xiàn)象的快速恢復(fù)，在正常訓(xùn)練考核結(jié)束后，能夠迅速恢復(fù)正常的信號(hào)狀態(tài)，避免對(duì)裝備接頭造成損壞。

1.2.4 模塊化、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)要求

為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，內(nèi)置于重型支援橋電控系統(tǒng)的硬件模塊結(jié)構(gòu)應(yīng)采用相同的電路設(shè)計(jì)以及通訊協(xié)議，僅在無線通訊模塊數(shù)據(jù)地址以及信號(hào)接口進(jìn)行區(qū)分，如某一模塊出現(xiàn)故障，可利用其他模塊進(jìn)行替換，確保系統(tǒng)滿足正常的訓(xùn)練需求，同時(shí)可以根據(jù)教學(xué)需求，靈活擴(kuò)展設(shè)障范圍，例如前期教學(xué)中可采用1～2個(gè)設(shè)障模塊，設(shè)置某幾路信號(hào)故障，而在實(shí)裝考核階段可在所有信號(hào)回路中內(nèi)置多個(gè)設(shè)障模塊，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)、多類型的綜合性故障狀態(tài)的模擬與考核。

2 嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)總體與硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某裝備嵌入式維修訓(xùn)練與檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障注入、故障現(xiàn)象模擬與控制信號(hào)檢測(cè)。上位機(jī)系統(tǒng)的硬件主要包括計(jì)算機(jī)和通信單元組件，故障檢測(cè)、故障設(shè)置和訓(xùn)練考核軟件也安裝并運(yùn)行于上位機(jī)的計(jì)算機(jī)上，包括嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件、嵌入式維修考核軟件以及嵌入式故障檢測(cè)軟件，根據(jù)用戶考核需求從故障庫中提取故障信息，下達(dá)設(shè)障指令，明確故障類型、故障位置與故障時(shí)機(jī)，同時(shí)接收下位機(jī)傳來的信號(hào)狀態(tài)數(shù)據(jù)，供維修人員判斷故障位置，分析故障原因，實(shí)現(xiàn)裝備故障診斷輔助決策。下位機(jī)由設(shè)障與檢測(cè)單元和通信單元組成，其功能是根據(jù)接收到的上位機(jī)指令，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)單元控制裝備上各個(gè)部位的設(shè)置與檢測(cè)單元，由其進(jìn)行各個(gè)故障設(shè)置點(diǎn)的故障設(shè)置、故障檢測(cè)及自檢等操作。其中，設(shè)障與故障檢測(cè)單元是下位機(jī)的核心組成部分，其內(nèi)部集成了設(shè)障模塊、檢測(cè)模塊、電源模塊、以及無線通訊模塊[5]，通過改造的信號(hào)接口內(nèi)置于該裝備電氣控制系統(tǒng)中，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令控制繼電器陣列，實(shí)現(xiàn)故障注入，或?qū)⒀b備電控系統(tǒng)電壓、電流狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 自主設(shè)障與信號(hào)檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

被測(cè)裝備電控系統(tǒng)主要設(shè)備之間一般采用航空插頭與標(biāo)準(zhǔn)接插件連接，自主設(shè)障與信號(hào)檢測(cè)單元連接于插頭兩端，嵌入到電控系統(tǒng)內(nèi)部，實(shí)裝信號(hào)經(jīng)過航空插頭相應(yīng)針腳進(jìn)入自主設(shè)障與檢測(cè)單元，從而不破壞實(shí)裝原有信號(hào)回路，實(shí)現(xiàn)隱蔽設(shè)障。

如圖2所示，自主設(shè)障與檢測(cè)單元內(nèi)部集成無線通訊模塊、自主設(shè)障模塊與狀態(tài)檢測(cè)模塊，通過無線方式接收嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)出的設(shè)障指令，根據(jù)故障狀態(tài)分類，分別模擬相應(yīng)信號(hào)回路的短路、斷路、斷路與接觸不良等狀態(tài)，對(duì)于綜合性故障還可同時(shí)設(shè)置多路信號(hào)集中異常，另外，自主設(shè)障與檢測(cè)單元還預(yù)留信號(hào)檢測(cè)口，受訓(xùn)者可在不斷開信號(hào)回路的情況下檢測(cè)信號(hào)特性，用于故障判斷與定位。

圖2 自主設(shè)障與狀態(tài)檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)

檢測(cè)模塊內(nèi)置電壓、電流檢測(cè)芯片，實(shí)現(xiàn)故障裝備的檢測(cè)與診斷，當(dāng)重型支援橋電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將相應(yīng)的檢測(cè)模塊嵌入可疑信號(hào)回路，快速采集檢測(cè)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，經(jīng)無線通訊模塊、下位機(jī)傳輸至嵌入式故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位與判斷。

3 嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)硬件底層驅(qū)動(dòng)軟件兩部分。其中驅(qū)動(dòng)軟件部分采用Keil C編寫，主要完成下位機(jī)硬件初始化、狀態(tài)參數(shù)信號(hào)調(diào)理、A/D采樣與轉(zhuǎn)換和無線信號(hào)轉(zhuǎn)換、發(fā)射等作用，在此不做過多闡述。而上位機(jī)軟件是系統(tǒng)的主要部分，負(fù)責(zé)人機(jī)交互、故障設(shè)置、維修模擬訓(xùn)練、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。采用圖形化虛擬儀器Lab-VIEW平臺(tái)語言開發(fā)。

圖3為上位機(jī)軟件的系統(tǒng)故障設(shè)置界面圖。上位機(jī)在故障設(shè)置時(shí)，主要是通過面板上的開關(guān)（如圖3中的1、2、…、8號(hào)）的通斷，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至下位機(jī)，同時(shí)接收下位機(jī)傳輸過來的各測(cè)試點(diǎn)的電路實(shí)際故障信息并在面板上顯示出來，由此進(jìn)行故障的模擬設(shè)置和檢測(cè)判別。在故障設(shè)置和檢測(cè)過程中，通過各個(gè)測(cè)試點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)的順序表示，能夠在虛擬面板上顯示故障信息的傳遞流程及各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障信息和狀態(tài)流程的可視化。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語

本文研究了在實(shí)裝基礎(chǔ)上嵌入自主設(shè)障單元，利用外部設(shè)備控制該單元的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電控系統(tǒng)信號(hào)回路、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)常見故障狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬，供受訓(xùn)人員進(jìn)行檢測(cè)與判斷，而后由設(shè)障控制軟件進(jìn)行故障現(xiàn)象演示與故障機(jī)理分析，通過三維模型逼真模擬電氣系統(tǒng)工作原理，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合的訓(xùn)練效果，可大幅提高維修訓(xùn)練質(zhì)量與效益，解決當(dāng)前維修教學(xué)設(shè)障手段簡(jiǎn)陋、設(shè)障特征明顯、難以實(shí)現(xiàn)綜合性故障狀態(tài)模擬、同時(shí)易造成裝備損傷的難題。