特种车辆BIT故障诊断与健康管理系统技术探讨

刘 勇，胡建军，夏咏梅

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

目前特种车辆的故障诊断技术有以下几个特点:

1)故障诊断技术水平还处于外部测试到机内测试 (Build-In Test缩写为BIT)转变的阶段，应用还只局限于某些分系统中，尚未形成系统化的设计与应用.

2)BIT诊断能力比较弱，外场排查故障主要依靠技术人员和一些简单的通用设备，难以满足基层级维修的快速机动、排故迅速和维修简单便捷的需求.

3)研制和生产阶段的外部测试设备比较落后，种类多，操作复杂.

4)装备部队的测试设备综合化、自动化、通用化程度较低，测试功能的覆盖度低，故障诊断能力有限，对操作人员要求较高，战场保障跟进困难.

1 综合电子系统使用与维修等级分析

车辆BIT故障诊断与健康管理功能与车辆综合电子系统密不可分，车辆综合电子系统为车辆BIT故障诊断与健康管理提供硬件、软件资源及运行平台.车辆综合电子系统维修性设计目标与整车维修性目标一致，即:使工作和维修的费用以及维修时间达到最小，并能方便地完成维修活动，并且车辆综合电子系统维修性设计应对整车维修性提供支撑.车辆综合电子系统维修等级与整车一致，分为基层级、中继级和基地级.

1.1 基层级

车辆综合电子系统基层级计划维修是随整车计划维修进行，以定期检测和视情修理为主.主要使用BIT来检测电子类系统和设备是否可正常工作，并给出“正常”或“故障”的显示，当有故障时应能把故障定到现场可更换单元 (Line Replaceable Unit缩写为LRU).主要维修活动有:

1)出车前进行BIT检查，确认系统的完好性;

2)系统工作中，利用BIT进行故障的自动检测，检测到故障后能把故障隔离到规定模糊度的LRU上;

3)更换有故障的LRU，并重新进行功能测试;

4)出车后进行维护检查，更新维护记录;

5)按基层级计划定期检测和视情维修，如需要进行修理，则按照更换LRU方法进行;

6)复杂的外部测试设备和工具应尽可能少，必要的情况下，可以使用灵巧轻便的测试设备在原位进行少量故障维修;

7)对拆下来的LRU的简单故障进行维修.

1.2 中继级

车辆综合电子系统中继级计划维修是随整车计划维修进行，以定期检测和视情修理为主.利用BIT和自动测试设备对LRU进行端到端的“通过和不通过”测试，并隔离故障到规定模糊度的车间可更换单元 (Shop Replaceable Unit缩写为SRU)，然后进行维修后的检验.主要维修活动有:

1)利用自动测试设备或专用外部测试设备进行LRU的故障检测，并把故障隔离到规定模糊度的SRU上;更换有故障的SRU;

2)利用自动测试设备或专用外部测试设备对修复后的LRU进行检查、功能测试、调整和校准;

3)按中继级计划定期检测和视情维修，维修项目比基层级更广泛;

4)对拆下来的SRU的简单故障进行维修.

1.3 基地级

应选用或设计自动测试设备或配备专用外部测试设备，加上BIT和人工测试，对故障的SRU进行检测和隔离故障，修复失效的功能组件和元器件，对修复的SRU进行检验、功能测试、调整和校准等工作.

2 车辆BIT故障诊断与健康管理功能需求

1)车辆的外部测试和BIT设计应支持3个维修等级，其中以支持基层级维修为重点，尽量减少基层级维修以及相关的保障设备.车辆综合电子系统应对整车BIT的实现提供资源保障.

2)性能监测功能.对于非电子系统，测试性工作重点是进行可测试性设计.通过设置必要的传感器来连续或定期地监测系统的关键特性参数，以确定系统的状态，记录和追踪失效的过程和时间;同时参与关键系统的余度管理，并提出诸如继续运行、需要维修、降级运行等建议;

3)故障诊断功能.电子系统的测试性工作重点是进行BIT软硬件设计、尽量扩大BIT覆盖范围.对反映被测单元状态的各种信号和参数进行准确的采集和测量，当发生故障时，能够快速自动地检测与隔离故障到规定的现场可更换单元;

4)故障预测.借助系统模型、积累的经验数据和信息融合技术，精确检测和隔离系统、分系统或部件的故障或失效状态，构建BIT增强诊断方案，预计即将发生的故障，并估计部件剩余使用寿命，具体内容包括:早期检测部件或子单元的故障症候或故障初始状态，并根据材料特性预计剩余使用寿命;预计在部件初始故障状态向最终失效发展过程中的任一时间的剩余使用寿命;积累发动机、火炮等的寿命消耗情况.

5)状态管理.其目的是:(1)在车辆功能降级的情况下，能够保证最大程度地完成车辆任务;(2)根据车辆实际和预计的工作状况进行保养、维修、供应和其他后勤保障活动[1].

6)测试结果输出及与其他诊断测试手段兼容.测试结果应满足即时查看和后期处理分析的要求，为维护决策提供数据支持，如形成维修信息和供乘员使用的知识信息、更新维修履历，等等.故障信息显示給乘员要保证信息的一致和关联，保证乘员操作和使用的统一.被测系统与外部测试设备接口应具有兼容性，保证各种诊断测试输出结果具有一致性.

3 车辆BIT故障诊断与健康管理研究内容

3.1 系统组成构想

对车辆BIT故障诊断与健康管理系统构想如图1所示.

图1 车辆BIT故障诊断与健康管理系统构想方框图

3.2 车辆固有测试性和BITE设计

固有测试性是指仅取决于产品硬件设计，不依赖于测试激励和相应数据的测试性，它既支持BIT，也支持外部测试，是达到测试性和定量诊断要求的基础;BITE(Build-In Test Equipment的缩写)是指完成BIT功能的硬件模块.提高系统和设备的测试性水平，主要途径和方法是进行固有测试性设计和BITE设计.固有测试性和BITE设计也是设计人员直接涉及的测试性设计工作.

固有测试性设计包括功能和结构的合理划分、测试可控性和可观测性、初始化、元器件选用以及与测试设备的兼容性，等等.BITE设计与性能设计同时进行，因功能不同而有差异，机械系统和机电设备通常需要增设传感器，即通过设置必要传感器、对关键功能进行监控，电子系统通常进行BIT软/硬件设计.

车辆综合电子系统主要包括总线通信分系统、乘员分系统1、乘员分系统2、乘员分系统3、自动装弹控制分系统、推进控制分系统、电源电气控制分系统、光电对抗分系统、三防灭火抑爆控制分系统，各个分系统又包括若干个LRU，LRU内部包括若干个SRU.

3.3 BIT工作配置和类型

BIT按启动和执行特点分为连续BIT、周期BIT(PBIT)、启动BIT(IBIT)，启动BIT又分为通电BIT(PUBIT)和执行BIT;BIT按运行时机和目的分为任务前 BIT、任务中 BIT、维修 BIT(MBIT);BIT按激励方式分为主动BIT和被动BIT;系统BIT按配置形式分为集中式BIT、分布式 BIT、分布式/集中式 BIT[2].

系统级BIT以子系统/部件BIT设计为基础，根据不同子系统/部件的特性和测试要求，应选用不同的BIT模式.对于简单的子系统、LRU或机电设备可以将几种BIT合并，复杂系统的系统级BIT应采用多种方式，以满足使用和诊断的要求.

系统BIT配置选择由系统构成和复杂程度决定.在计算机控制系统中，采用集中式BIT能较好地在系统运行时进行交叉测试，而且所需要的测试用硬件较少，还可以进行必要的系统级信息分析处理工作;采用分布式BIT可以减少隔离的模糊度和隔离错误，各分系统BIT可以脱机运行，与其他分系统隔离，可与分系统功能保持某种形式的同步.分布/集中BIT是针对复杂系统的配置.由图1可看出，车辆BIT故障诊断与健康管理系统的BIT配置为分布/集中式BIT.

综合考虑运行时机、目的和运行特点，工程实际中的BIT类型可分为上电BIT、周期BIT和维修BIT3种类型.上电BIT由系统加电启动，全面检查系统功能是否正常，检测到故障给出正常或故障的指示 (GO和NOGO);周期BIT属于非侵入式测试，不干扰部件的正常工作，系统正常启动后周期性地自动运行，检测到故障后给出相应的指示和报警;维修BIT启动后能自动运行，只是需要维修人员在给定测试程序的策略分析点进行交互，用于进一步确认、消除或减少所探测到的一组故障的模糊度.

3.4 BIT测试顺序

车辆总线通信架构采用管理总线和控制总线双总线架构，管理总线为通信数据管理总线，控制总线为面向设备的控制总线，管理总线和控制总线分别为双余度形式[3].3个乘员计算机及显控终端是整车信息的人机交互平台，是系统级BIT运行的平台.

车辆综合电子系统BIT测试顺序如下:

1)各分系统按照规定的上电顺序加电，运行上电BIT，正常启动后将对各接口进行检测，通过各接口对各设备发送询问信息，并接收应答信息，测试并记录各分系统状态，准备将分系统状态信息汇总上报给乘员计算机及显控终端1;

2)乘员计算机1和综合处理装置2上电后，运行上电BIT，进行总线运行状态查询，测试并记录管理总线和控制总线通信状态，通过管理总线和控制总线接收并监控各个分系统节点工作状态，获得整车设备工作状态的诊断结果，在相应的乘员终端上显示;

3)乘员计算机1和综合处理装置2在系统运行过程中周期性地向各个节点发送询问信息，接收并记录各个节点的应答信息，以此监控总线各节点的通信状况和工作状况.

3.5 系统余度管理和降级功能

1)管理总线主控制器功能由乘员计算机1完成，备用控制器功能由综合处理装置1完成;控制总线主控制器由综合处理装置2组成，备用控制器由综合处理装置1组成.当主控制器通信控制功能有故障时，在规定的时间内总线控制权自动转到备份控制器上.

2)乘员仪表显示降级功能.车况信息既可以通过管理总线传输，也可以通过控制总线传输;既可以通过乘员计算机处理进行正常显示，也可以当乘员计算机CPU板有故障时，通过硬件电路实现应急情况下的仪表显示、综合报警及状态显示、三防灭火控制的部分功能.降级功能在软件控制下自动完成.

3)自动装弹机控制降级功能.自动装弹机控制分为正常和应急两种工况.当装弹机出现故障时，装弹机中央处理单元能够自动检测到故障状态，并将故障编码上传到乘员终端，并可自动或通过手动转入应急状态，完成装弹动作.

4)武器系统控制降级功能.火控系统工作分为正常、战斗、应急和手动等工况，当检测到故障时，系统能够自动或通过人工转到低一级的工况.

3.6 关键部件BIT测试内容

1)中央处理单元的测试属于上电BIT测试类型.测试内容包括处理器测试、FLASH(或NVRAM)存储器测试、SDRAM存储器测试、中断功能测试、看门狗报警测试、看门狗正常测试、定时器定时功能测试、超时中断测试、RS422串行口测试、管理总线接口测试、控制总线接口测试、模拟输入和数字输入测试.

2)中央处理单元的测试属于周期BIT测试类型.测试内容包括管理总线通信测试、控制总线通信测试、节点中央处理单元工作功能监测、分系统功能/性能监测.

3)部件内各级电源监测.部件内各级电源监测通过硬件设计完成，一般通过控制盒体上的指示灯提示.

4)传感器故障检测.传感器故障检测 (包括传感器电源断路或短路故障)通过硬件设计完成.

3.7 车辆BIT故障诊断与健康管理系统软件

车辆BIT故障诊断与健康管理系统是一个基于传统测试性和BIT设计基础上的软件密集型系统，采用分层智能推理结构，综合多个设计层次上的多种推理机软件，从部件级到系统级综合应用故障诊断技术和预测技术.车辆BIT故障诊断与健康管理系统的体系结构是由车载系统和车外远程故障诊断专家系统构成的一体化系统，车载系统属于系统、分系统或部件层次，应具有故障检测、故障隔离、性能监控及关键系统和部件的状态预测功能;车外远程故障诊断专家系统具有进一步执行故障隔离、状态预测、增强诊断及零部件寿命跟踪等功能.

车辆BIT故障诊断与健康管理软件的车载部分分为以下3个层次，完成功能如下:

1)最底层的各分系统或部件中的软硬件监控程序.

该层是识别故障的信息源，借助传感器、BITE或模型等检测故障，将有关信息直接提交给中间层的区域管理器[1].

2)中间层的区域管理器.

该层完成信号处理、信息融合和区域推理机的功能，是连续监控车辆相应分系统运行状况的实时执行机构，该机构自动分析来自传感器或BITE的信号和其他数据源的信息，确定该分系统的设备、部件或零件工作是否正常，分析可能导致故障的特征，预测关键部件的剩余使用寿命和完成任务的能力，完成系统故障重构管理功能，然后将区域故障信息传给顶层的车辆平台管理器软件模块.区域管理器包括车辆底盘支持系统和上装任务系统两大区域管理器软件模块，它们嵌入在车辆综合处理装置内.

3)顶层的车辆平台管理器.

该层软件模块也嵌入在车辆综合处理装置内，以一定的诊断策略去掉关联故障，将起源于同一故障的数个故障报告归并成系统级单一故障信息，与相应级别的告警关联，形成维修信息和供乘员使用的知识信息，同时能够传给车外后勤保障信息系统，车外后勤保障信息系统据此判断车辆的完好状态、安排战斗任务、实施技术状态管理、更新车辆状态记录、调整使用计划、生成保养和维修工作项目以及对作战车辆群状态进行分析，等等.

3.8 故障显示与综合告警

1)故障显示与综合告警分系统功能及组成.

故障显示与综合告警分系统是用来向车辆乘员提供来自车辆外部的威胁告警信息;提供来自车辆内部各系统、设备的故障告警信息和提供车辆重要系统工作状态信息，以及故障清单和处置清单信息的系统.该分系统是一个与车辆乘员显示和控制分系统相关的分系统，其显示符号是利用车辆乘员显示和控制分系统的显示设备产生，其音响告警利用综合处理机硬件的多媒体模块和耳机及告警蜂鸣器产生，其灯光告警信号是利用综合处理机控制的告警灯光控制模块和灯光部件产生.

为确保乘员对告警信息进行有效的接收和处理，显示与综合告警分系统采用了集中管理、统一分级，按不同告警等级进行控制和处理的原则，采用单独或组合灯光、显示和音响 (话音告警和音调告警)综合告警方式，以及采用标识字符、颜色、闪烁频率、字符位置、频率、间断时间和语速等信号对告警信息进行编码.

当车辆主要系统和设备发生故障或处于非正常工作状态或重要系统接通时，通过显示器、耳机和相应的告警灯向乘员发出告警，并在显示器上显示故障清单和应急处置清单.

告警灯包括车外告警灯、主告警灯盒、告警灯盒、状态指示灯盒.车外告警灯用于开窗驾驶车辆时提示乘员有故障时告警，有故障时灯亮;主告警灯盒用于1级和2级故障信息告警;告警灯盒用于3级信息告警;状态指示灯盒用于4级信息显示.

2)车辆告警信息等级定义.

定义故障和告警的目的是为了向车辆乘员通报有故障存在并提供故障的详细情况.告警信息等级是按照车辆乘员对事件或故障作出反应的紧急程度及故障对车辆行车安全和任务完成情况的影响划分为4级，如表1所示.

表1 车辆告警信息等级划分

4 结束语

特种车辆BIT故障诊断与健康管理利用车辆综合电子系统自身提供的硬件和软件资源，通过对车辆的测试性/BIT设计，实现对车辆关键系统的功能测试和性能监控，提高基层级BIT故障诊断能力;应用系统故障模型、经验数据和信息融合技术，可以预计即将发生的故障，并估计部件剩余使用寿命.

本文研究跟踪国外先进技术水平，立足国内技术现状和现实问题，分析和梳理了车辆的使用和维修保障要求，提出了车辆BIT故障诊断与健康管理系统的功能需求;针对这些功能需求，提出了车辆BIT故障诊断与健康管理系统的方案构想，并对总体架构、实现功能、软硬件组成、关键技术等研究内容进行了探讨，为进一步的深入研究提供了有益的参考.

[1] 张宝珍，曾天翔.PHM:实现F-35经济可承受性目标的关键使能技术 [J].航空维修与工程，2005，(6):20-21.

[2] 田 仲，石君友.系统测试性设计分析与验证[M].北京:航空航天大学出版社，2003.

[3] 陈正捷，陈志昊，张浅秋.坦克电子综合化 [M].兵器工业出版社，2006.