基于故障注入模式的裝備檢測與維修訓練系統

公丕平，姜海寶，申金星，高亞明

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

引言

嵌入式訓練模式特別是嵌入式操作訓練在歐美等軍事強國實現了快速發展與廣泛應用，而我軍也在進行嵌入式操作訓練的有益探索，并成功研制一批具有先進設計理念與逼真訓練效果的嵌入式訓練系統。在嵌入式操作訓練“基于實裝開展裝備使用訓練”前提下，嵌入式維修訓練的方式逐漸流行起來，這種訓練方式改變了以往采用維修訓練模擬器或虛擬維修訓練的形式，通過“嵌入”裝備內部的設障模塊，在實際裝備的基礎上實現故障現象的準確模擬，拓展裝備維修訓練方法與手段。這種維修訓練方式是在故障注入技術的基礎上實現的，其借鑒了故障注入技術的設計理念，將設障對象擴展到完整的裝備電氣系統，開發專用的設障硬件與軟件，搭建嵌入式維修訓練系統，實現訓練設備與實際裝備的緊密結合。

1 測試對象選擇與系統設計要求

1.1 測試對象選擇

某型裝備是我軍的一種骨干橋梁裝備，用于伴隨機械化部隊實施機動保障任務，但該型裝備自動化程度高，電控系統工作原理復雜，為部隊的維修保障與維修訓練造成了困難，將嵌入式維修訓練手段應用于重型支援橋維修教學與訓練，可有效促進該裝備考核效果與維修訓練水平的提升，實現自主設障、逼真設障、全面設障、隱蔽設障與無損設障，改善當前裝備維修教學效果不理想，缺少有效故障模擬手段的現狀。

目前，基層修理分隊對于重型支援橋電控系統的維修檢測能力較為薄弱，主要依靠個人經驗與指示燈、萬用表等簡單儀器。如果利用嵌入實裝內部的自主設障單元，還可監控重型支援橋所有節點的信號狀態，實現裝備狀態信息的實時、高效檢測，通過與正常信號特性比較，快速定位故障部位，可實現該裝備電控系統常見故障的智能診斷，可有力促進部隊維修保障水平的提高。

總而言之，研制某型裝備電控系統嵌入式維修訓練與檢測平臺可實現兩個目標：開發通用硬件平臺與一體化軟件系統中實現維修教學、訓練與考核，實現該裝備維修訓練的自主設障、逼真設障、全面設障、隱蔽設障與無損設障，進而提升該裝備維修訓練水平；利用嵌入式狀態檢測單元，實現該裝備電控系統信號狀態的快速檢測與故障智能診斷，提高重型支援橋故障檢測能力與維修保障水平[1-2]。

1.2 系統設計要求

實現嵌入式維修訓練與考核，關鍵在于利用內置設備模擬電控系統的常見故障，將設備“嵌入”到裝備信號回路中，根據訓練與考核需求改變原有信號的狀態，供受訓者進行判斷與排除。因此，開發的維修訓練與考核系統要在完成設障功能要求的同時，應遵循以下幾點要求，避免對裝備造成損壞。

1.2.1 自主設障要求

嵌入式維修訓練模式的最大優勢在于可以根據訓練進程，按照授課人的思路靈活設置相應的故障現象，供受訓者判斷與排除。重型支援橋電控系統自主設障單元應實現主要信號回路的狀態模擬，確保故障設置的高效性，授課人只需在上位機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的故障代碼發送到對應位置的嵌入式設障單元，利用繼電器陣列的通斷實現傳感器、電磁閥等信號通道的短路、短路、搭鐵等故障現象，取代以往采用人工方式在裝備內部“動手腳”的考核訓練模式，突出嵌入式維修訓練自主設障高效、靈活的技術優勢。

1.2.2 全面設障要求

重型支援橋電氣系統組成與原理較為復雜，包括4個PLC控制器、無線/有線數據通信網絡，42個檢測/壓力/溫度傳感器以及4個電動/手動電磁換向閥，因此具有信號通路眾多、節點類型復雜、信號種類多樣的特點，對其進行故障設置需要滿足幾點要求，一是故障點覆蓋系統主要信號節點，特別是PLC控制器輸入/輸出口、執行元件/位置反饋元件信號輸出口；二是系統故障類型涵蓋電控系統常見故障，包括斷路、短路、搭鐵、接觸不良等現象，以確保故障設置的多樣性；三是要能夠重復再現典型故障現象，供受訓者進行反復練習[3-4]。

1.2.3 無損設障要求

在重型支援橋電控系統中內置嵌入式維修檢測單元，首先要確保不對裝備本身造成損壞，避免由于線路設計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生誤操作、誤動作現象，繼電器陣列結合分離徹底，各接插件接觸可靠，在動態工況下也不應產生松動，各電路焊點牢固，避免儀器與接口受損，同時要考慮電磁兼容性因素，避免對裝備本身無線通訊網絡造成干擾，影響正常使用甚至出現安全事故。

另外，無損設障的內涵還包括故障現象的快速恢復，在正常訓練考核結束后，能夠迅速恢復正常的信號狀態，避免對裝備接頭造成損壞。

1.2.4 模塊化、可擴展性設計要求

為降低系統開發難度，系統采用模塊化設計思想，內置于重型支援橋電控系統的硬件模塊結構應采用相同的電路設計以及通訊協議，僅在無線通訊模塊數據地址以及信號接口進行區分，如某一模塊出現故障，可利用其他模塊進行替換，確保系統滿足正常的訓練需求，同時可以根據教學需求，靈活擴展設障范圍，例如前期教學中可采用1～2個設障模塊，設置某幾路信號故障，而在實裝考核階段可在所有信號回路中內置多個設障模塊，實現全系統、多類型的綜合性故障狀態的模擬與考核。

2 嵌入式維修訓練系統總體與硬件設計

2.1 系統結構設計

某裝備嵌入式維修訓練與檢測系統包括硬件系統與軟件系統兩部分，其中硬件系統實現故障注入、故障現象模擬與控制信號檢測。上位機系統的硬件主要包括計算機和通信單元組件，故障檢測、故障設置和訓練考核軟件也安裝并運行于上位機的計算機上，包括嵌入式維修訓練系統軟件、嵌入式維修考核軟件以及嵌入式故障檢測軟件，根據用戶考核需求從故障庫中提取故障信息，下達設障指令，明確故障類型、故障位置與故障時機，同時接收下位機傳來的信號狀態數據，供維修人員判斷故障位置，分析故障原因，實現裝備故障診斷輔助決策。下位機由設障與檢測單元和通信單元組成，其功能是根據接收到的上位機指令，通過無線通訊網絡單元控制裝備上各個部位的設置與檢測單元，由其進行各個故障設置點的故障設置、故障檢測及自檢等操作。其中，設障與故障檢測單元是下位機的核心組成部分，其內部集成了設障模塊、檢測模塊、電源模塊、以及無線通訊模塊[5]，通過改造的信號接口內置于該裝備電氣控制系統中，根據上位機發送的指令控制繼電器陣列，實現故障注入，或將裝備電控系統電壓、電流狀態發送到上位機檢測軟件，實現故障檢測。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

2.2 自主設障與信號檢測單元硬件設計

被測裝備電控系統主要設備之間一般采用航空插頭與標準接插件連接，自主設障與信號檢測單元連接于插頭兩端，嵌入到電控系統內部，實裝信號經過航空插頭相應針腳進入自主設障與檢測單元，從而不破壞實裝原有信號回路，實現隱蔽設障。

如圖2所示，自主設障與檢測單元內部集成無線通訊模塊、自主設障模塊與狀態檢測模塊，通過無線方式接收嵌入式維修訓練系統發出的設障指令，根據故障狀態分類，分別模擬相應信號回路的短路、斷路、斷路與接觸不良等狀態，對于綜合性故障還可同時設置多路信號集中異常，另外，自主設障與檢測單元還預留信號檢測口，受訓者可在不斷開信號回路的情況下檢測信號特性，用于故障判斷與定位。

圖2 自主設障與狀態檢測單元結構

檢測模塊內置電壓、電流檢測芯片，實現故障裝備的檢測與診斷，當重型支援橋電控系統出現故障時，可將相應的檢測模塊嵌入可疑信號回路，快速采集檢測各關鍵節點的狀態信息，經無線通訊模塊、下位機傳輸至嵌入式故障診斷系統，實現故障的快速定位與判斷。

3 嵌入式維修訓練系統軟件設計

軟件系統主要包括上位機軟件和下位機硬件底層驅動軟件兩部分。其中驅動軟件部分采用Keil C編寫，主要完成下位機硬件初始化、狀態參數信號調理、A/D采樣與轉換和無線信號轉換、發射等作用，在此不做過多闡述。而上位機軟件是系統的主要部分，負責人機交互、故障設置、維修模擬訓練、故障檢測、數據存儲等功能。采用圖形化虛擬儀器Lab-VIEW平臺語言開發。

圖3為上位機軟件的系統故障設置界面圖。上位機在故障設置時，主要是通過面板上的開關（如圖3中的1、2、…、8號）的通斷，通過網絡發送至下位機，同時接收下位機傳輸過來的各測試點的電路實際故障信息并在面板上顯示出來，由此進行故障的模擬設置和檢測判別。在故障設置和檢測過程中，通過各個測試點信號狀態的順序表示，能夠在虛擬面板上顯示故障信息的傳遞流程及各個測點的實時狀態數據，實現故障信息和狀態流程的可視化。

圖3 上位機監控界面圖

4 結語

本文研究了在實裝基礎上嵌入自主設障單元，利用外部設備控制該單元的狀態，實現電控系統信號回路、關鍵節點常見故障狀態的準確模擬，供受訓人員進行檢測與判斷，而后由設障控制軟件進行故障現象演示與故障機理分析，通過三維模型逼真模擬電氣系統工作原理，達到虛實結合的訓練效果，可大幅提高維修訓練質量與效益，解決當前維修教學設障手段簡陋、設障特征明顯、難以實現綜合性故障狀態模擬、同時易造成裝備損傷的難題。