舰船电子装备的状态监测与故障诊断*

殷海俊 黄惠宁

(92823部队 三亚 572021)



舰船电子装备的状态监测与故障诊断*

殷海俊 黄惠宁

(92823部队 三亚 572021)

现代舰船电子装备迅猛发展,推动了装备检测技术的不但进步。论文从舰船电子装备状态监测和故障诊断维修的特点出发,提出了实现舰船电子装备状态监测和故障诊断技术的基本构想与设计方案以及实现途径,指出了系统的优点与发展方向。

电子装备; 状态监测; 故障诊断; 装备维修

Class Number TP206

1 引言

现代高技术条件下的战争中,如何提高舰船电子装备的技术保障能力,充分发挥其作战效能,是目前十分突出的任务。为了满足舰船电子装备技术保障需要,亟待建立舰船电子装备状态监测和故障诊断系统,本文将从监测和故障诊断理论与技术发展,以及系统的可测性和设计性两方面入手,结合电子装备系统状态监测和诊断技术,对舰船电子装备的监测与故障诊断进行研究,以期优化。

2 舰船电子装备状态监测与诊断的 基本技术

2.1 舰船电子装备状态监测的意义

舰船电子装备具有高度的自动化、集成化、一体化特点,任何微小的故障都可能会导致整个电子装备系统停止工作。系统内部的电气部件、电子部件、机械部件之间存在着复杂的、抽象的联系,许多设备采用计算机芯片去完成过去由大量的机械部件或电气部件所完成的功能,同时电气故障很难捕捉,不便于查找,绝大多数故障必须在带电运行状态下才能被检测。因此,通过观察故障的外部现象来分析排除故障的传统方法已不适应现代电子装备系统的维修,有必要设计一种监测装置[1～2]。

2.2 舰船电子装备系统状态监测的基本方法

现代舰船电子装备采用操作检测机内一体化设计,很好地解决了上述问题,实现了在通电状态下,通过操作运行武器系统,来监控、检测系统的性能。并通过人机对话把各种状态下系统或部件的性能显示在操作桌面上。操作检测机内一体化设计具有以下特点: 1) 装备系统执行任务前,通过通电自检确保系统准备状态完全透明,以便不失时机的采取应对措施。这对于保证操作人员具有良好的心态和自信,保证任务的继续执行是至关重要的。 2) 装备系统在工作过程中,通过实时监控可以发现和纠正参数配置和系统工作中可能出现的误操作以及指令未到位的偶然现象。监视、监听系统在工作过程中可能发生的故障报警,以便采取措施保证系统正常运行。 3) 实现装备系统的全功能测试,通过对各分系统或者设备进行首末端大跨度的全功能测试,运用故障可发现率最高的测试方法,对系统所有的器件包括软件和硬件,电子类和非电子类全部功能的总测试,把故障定位到初始约定的介面上,以保证维修人员能全面掌握装备系统的状况,及时组织维修保障工作[3～4]。

2.3 舰船电子装备系统故障诊断基本方法

1) 电子装备系统装备故障特点

装备故障是指不能完成预定功能的事件或状态,它通常以各种异常的现象反映出来。电子装备系统是一个涉及控制论、微电子和计算机技术等多学科的系统工程,它由众多分系统和设备组成,每一分系统或设备故障的发生都可能导致系统失灵或瘫痪,因此系统的故障特点表现为复杂性、相关性、层次性、延时性和随机性[5]。

2) 电子装备系统故障诊断技术

电子装备故障诊断系统主要是进行电子装备各分系统和设备信号传递的正确性检查,系统控制与装备的工作协调性检查,通过对各设备接口信号的实时采集与检测,便可实现故障的实时诊断与处理。

故障诊断技术是一门综合性技术,它不仅与诊断对象的性能和运行规律密切相关,而且还涉及多门学科,如现代控制理论、可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别和人工智能等学科理论。故障诊断技术发展至今,已提出许多方法,其中基于知识的智能化故障诊断专家系统已成为现代武器装备故障诊断技术的一个最有前途的发展方向,它能充分利用专家的经验和各方面的知识,快速准确地判断导弹武器系统的性能状况,对出现的问题及时进行评价与决策,提高武器装备的维修保障能力[6]。

3 舰船电子装备状态监测与故障诊 断的系统设计

3.1 舰船电子装备系统采用技术

1) 操作检测一体化设计

电子装备运用操作检测机内一体化设计后,经初步检测能把故障定位到分系统或者部件上,但对故障具体的诊断和排除要靠维修保障人员的理论知识和实践经验。通常的故障报告对故障情况的描述还不能给予准确的定位,有的缺少或忽略了一些重要数据。在这种情况下,利用电子装备故障诊断专家系统帮助人工进行决策分析,就能迅速找到解决问题的答案。

2) 电子装备系统的自动检测技术

电子装备系统具有模块化、插件式的结构,通过更换模块或插件即可进行快速修复。根据电子装备的维修特征,故障诊断与监测系统应能及时发现设备故障运行状态,并将故障定位到可更换的部件,通过继续对部件诊断,故障诊断系统将故障进一步定位到可更换元件。

近年来,自动测试技术得到了很大的发展和应用,自动测试技术的应用大大提高了测试的速度和准确性。将专家系统和自动测试技术结合起来,建立电子装备检测诊断系统对装备进行快速检测和诊断,根据自动测试获得的数据,完成自动测试系统所不能实现的故障诊断和故障定位功能。

利用该系统可以预防或消除故障,通过状态监测,及时、正确地对电子系统单机的各种异常状态或故障状态做出诊断,提高故障诊断的迅速性和有效性,从而提高电子装备的技术保障能力[7～8]。

3) 专家诊断系统

电子装备故障诊断专家系统是一种高级而复杂的计算机程序,是人工智能的具体应用。它将众多专家在电子系统领域里分析和解决问题的经验和知识建成一个大型的综合数据库,只要输入所需解答的问题,计算机就可以利用软件进行分析判断,模拟专家解答问题的过程,最后在数据库中寻找到正确答案。

3.2 舰船电子装备状态监测与诊断系统的结构

图1 系统状态监测与诊断框图

电子装备监测与故障诊断系统的主要任务是监测设备的运行状态,当运行状态出现异常时,能迅速地进行故障定位及故障的早期预防。一般来说,故障实时诊断系统包括信号实时采集部分、故障诊断计算机、相关电缆以及故障诊断软件、专家知识库和信号模拟器等组成,系统[9]结构如图1所示。

· 数据采集处理模块:接收、转换现场武器系统联调过程中输出的各种状态数据,送数据采集单元进行采集处理,输出给系统计算机,同时面板显示。

· 装备状态监测模块:监测武器装备的运行状态,显示运行参数,回答用户对系统的提问,跟踪记录推理过程,对所得出的结论给以解释。

· 装备状态数据库:主要存放数据采集单元得到的武器系统输出的状态数据、系统推理得出的中间结果以及通过人机接口输入的对话信息。

· 故障诊断模块:在一定的推理和控制策略下,根据动态数据库中的已知状态数据,选择知识库中的相关知识,进行逻辑推理与判断,直至最终得出故障结论。

· 专家数据库:用于存贮求解问题的专家知识,包括导弹武器系统的原理性知识(联调的方法、测试手段、电路图、数据表格等)、故障诊断的原则和方法以及相关事实等。数据库为故障模块提供求解问题所需要的技术支撑,同时数据库中所包含知识的数量和质量也决定了系统故障诊断性能的优劣。

4 舰船电子装备状态监测与故障诊 断的实现

4.1 系统建立

1) 建立科学装备数据库。通过对故障现象进行分类和整理,建立故障现象的树型分支结构,以最科学合理的划分方式建立舰船电子装备故障数据库和装备工作原理知识数据库系统。

2) 实现系统状态信号的在线剥离。对装备系统输出的状态信号既要实现在线检测,又不能对装备系统的性能造成影响,因而可通过相关的信号调节技术(如高阻抗输入、光电耦合隔离技术等),实现检测信号的在线分离、转换、采集。

3) 系统软件要采用开放式的设计思想、组合式的设计方法,充分利用当前最优软件开发技术,保证系统软件的先进性、可继承性和可扩展性。

4) 要通过系统结构设计实现系统小型化,便于移动携带,并且人机界面友好,故障诊断过程具有可视性和可操作性。

4.2 信号的采集与转换

舰船电子装备系统联调过程中,输入、输出的状态信号主要是开关量,故信号转换的功能主要是把接收到的信号通过光电耦合器转换为计算机采集信号,同时送面板显示电路予以显示。

数据采集单元为高性能的单片机。其CPU执行一个功能很强、寻址方式灵活的指令系统。导弹武器系统开关状态信号通过光电耦合器转换为数字信号,CPU将数据转换锁存,并经过总线驱动后接收,输出至系统计算机。

4.3 知识库的建立

知识的获取是一件比较困难的工作,它是建立知识库的“瓶颈”问题。由于知识的自动获取还有许多理论和技术上的困难问题,因此目前采用领域专家和知识工程师相结合的人工获取知识的方式。对于舰船电子装备系统,由设计、生产、试验和使用等单位的有关专家向维修工程师提供相关的原理知识和故障征兆、故障模式、可能的故障原因及其相应的排除方法、原理、步骤等领域知识,技术专家了解武器系统的工作原理,收集与故障有关的运行参数,在对获取的知识进行检测和求精,最终形成一定的结构和规则,建立起诊断系统的知识库[10]。

4.4 系统输入输出流程

在系统软件开发过程中,采用面向对象的设计思想,按照自顶向下模块化设计思路,充分利用了当前最优的软件开发工具,并采用了动态链接库、动态内存存取、线程、计算机多媒体编程等先进的软件编程技术,完成了全部相关软件的开发调试工作。舰船电子装备系统检测流程如图2所示。

图2 舰船电子装备系统检测流程

5 舰船电子装备系统状态监测与故障诊断系统的特点

1) 系统监测与故障分析判断准确。由于故障监测、分析和判断是利用计算机通过预先编制的诊断系统自动完成,可以排除现场的干扰和人为失误,因此其分析范围更趋于全面,判断结果更趋于准确。

2) 大大缩短维修时间。诊断系统可在很短时间内完成故障定位,并可自动完成故障的分析与判断,大大缩短了系统修复时间,提高了装备系统的战备率。

3) 提前预测故障,减少和避免重大事故。故障诊断系统对舰船电子装备系统状态实施监测,研究装备系统的故障特征,判断装备故障,以此决定是否需要维修,因此故障诊断技术属于状态维修,它可以提前预测故障。

6 结语

目前,各种以计算机为主体的综合故障监测与诊断的专家系统相继问世并投入使用,反映了当前故障诊断技术发展的前进方向。它利用人工智能技术,将许多专家的经验智慧和思想方法同计算机的巨大存贮、运算和分析能力相结合,组成共享的知识库,根据专家提供的知识、经验进行推理和判断,来解决需要专家们决定的复杂问题,具有全系统诊断功能和准确、方便、快捷等优点。因此,可以预料,随着计算机应用开发技术的不断发展,采用专家系统的舰船电子装备系统监测与诊断技术在故障诊断的领域中必将得到更广泛的应用。

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Status Monitoring and Failure Diagnosis of Electronic Equipments in Ships

YIN Haijun HUANG Huining

(No. 92823 Troops of PLA, Sanya 572021)

There is a great advancement of electronic equipments in modern ships, which accelerates the continuous progress of equipments detection technology. Starting from the characteristic of status monitoring and failure diagnosis of the electronic equipments in ships, an idea about the technology on monitoring online and failure diagnosis, an design scheme and implement approach is put forward, and the merit and developing direction of the system are pointed out.

electronic equipments, status monitoring, failure diagnosis, equipment maintaining

2014年7月10日,

2014年8月27日

殷海俊,男,硕士,高级工程师,研究方向:装备技术保障。黄惠宁,男,助理工程师,研究方向:装备技术保障。

TP206

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.037