基于虚拟测试技术的导弹电气系统故障诊断∗

李 杨

（92941部队 葫芦岛 125001）

1 引言

电气设备是导弹系统的核心装备之一，它由低压组合部件构成，随着计算机技术与现代科技的发展，电气系统正朝着自动化技术的方向发展，利用现代化技术可以实现电气系统的自动化、智能化处理，提高电气系统整体运行效率，保证电气系统的安全性能。而从导弹武器系统的电气设备上看，它肩负着对导弹上设备及全弹进行测试和控制导弹发射的任务，也就是说电气设备的运行情况决定着整个导弹发射过程的稳定情况，如果电气设备出现故障则将影响导弹发射任务，进而影响军事活动的推进。为了强化电气系统的强度，也为了维持电气系统的稳定，必须将故障诊断技术引入导弹电气设备中来，通过故障诊断了解导弹电气系统可能存在的故障，有针对性的进行检测和定位，然后解决潜在问题，就能促进导弹电气系统的进一步发展，这对增强导弹作战效能和增强部队战斗能力具有极大的意义。但是导弹电气系统的故障诊断分析技术相对复杂，一方面导弹电气系统的造价高、服役时间短、实装操作少，给故障分析的信息收集带来麻烦，技术人员利用普通的故障诊断很难在短时间内获取充足的维修信息。另一方面，导弹电气系统的独特性能和研制目的给故障诊断带来不小的压力，那么采用什么样的故障诊断技术才能最大化的对导弹电气系统进行故障诊断呢？一般认为以虚拟现实为基础的虚拟测试技术能够分析结构复杂、技术含量高、造价昂贵且诊断修复难度大的设备，因为它能集合现代仿真技术、传感技术、人机接口技术、图形图像处理技术与计算机技术等，对复杂的系统进行充分的分析，尤其是在缺少某些必要信息的情况下，为电气系统的故障诊断提供了一条切实可行有高效便捷的方法。因此，基于虚拟测试技术的导弹电气系统故障诊断十分有必要的。

2 基于虚拟测试技术的导弹电气系统原理

基于虚拟测试技术的导弹电气系统故障诊断需要大量技术手段和不同情况分析，首先需要将研究的导弹氮气系统的电原理图和导弹主要控制面板在同一个图形设计分析平台上呈现出来，利用虚拟、数学建模、仿真技术的手段再现整个导弹电气系统部分，然后针对可能存在隐患的位置分析导弹电气系统的故障模式，可以先划定故障范围，然后确定故障模式下导弹电气系统内外部定性与内外定量表现，整合所有参数与数据后利用现代虚拟测试得到准确的故障定位，从而确定诊断对象，对导弹电气系统进行质量检测和维修服务。一般认为虚拟测试技术分为三个模块分别是虚拟设备模块、虚拟测试模块和故障诊断模块。每个模块各司其职，相辅相成，简单分析一下各个组成模块的功能。首先虚拟设备模块是指将被测对象通过现代化图形建模技术虚拟化处理，然后将处理后的电气系统呈现在一个图形设计分析平台上，在该平台上能真实客观地反映导弹电气系统的各个模块，像电原理图、控制面板、操作动作、实时现象等。其次是虚拟测试模块，该模块的功能是在数学建模和仿真技术的帮助下，对虚拟平台中的视图进行模拟操作，然后分析导弹电气系统在各种刺激状态下各部分结构的性能与质量，记录变化参数，形成故障模式数据库。再次，故障诊断模块，当前两部结束后我们已经能得到相应的虚拟测试信息，这时通过数学算法确定导弹电气系统可能存在的故障，并有针对性的诊断与定位，提出改良维修策略。整体虚拟测试技术的功能模块工作原理如图1所示。

图1 基于虚拟测试的故障诊断系统原理图

3 导弹电气系统图形化建模

导弹电气系统主要由不同的电子设备组成，各个设备之间相互依存，通过现代化的自动计数形成可控的智能化导弹电气控制系统。一般我们会将电气系统分为三个层次，分别是隔断层、通信层和控制层。隔断层主要指在导弹装置中实现信息号控制和线路测量的装置；通信层主要指安装各种通信设备促进导弹各部分数据联系和设备数据共享；控制层是指需要形成网络控制系统，并对各个子系统进行单独管理。为了保证导弹电气系统的正常运行，一般会定期养护与维修。而电系系统图形化建模是实现电气设备虚拟测试的基础，因此，首先要将电气系统中的电原理图和各种电子元件进行建模，然后利用电子仿真图形可视化输入技术实现建模。按照以往导弹电气系统图形化建模的标准来看，有两种图形可视化输入技术，一种是利用电子设计自动化软件protel作为导弹电子元件电原理仿真图形可视化输入系统，利用该软件整合导弹电气系统的各项资料，并录入待分析的导弹电气系统电原理图，然后根据录入的信息生成电气系统各个部分的拓扑连接关系，这样导弹电气系统的基本资料就能通过仿真技术基本还原，工程师就能便捷的通过仿真图形建模对电气系统进行测试。另一种是当前国际流行的EDA软件的设计思想，这种图形化建模比第一种操作上简便一些，但是理论层次更为复杂，因为这种人们自主研发的导弹电子元件电原理仿真图形可视化输入输出系统，它在建设研发之处就直接针对导弹电原理图的特点进行开发，并在不断实践中已经成功研制了一个导弹专用的图形仿真设计分析平台，这样对导弹电气系统各项信息的录入就更加便捷，对各项参数的分析也更直观。这两种电气系统图形化建模各有优点，一般在二次开发的基础上会将这两种方案结合使用，首先利用第二种方法生成一个电原理图，然后利用pro⁃tel软件录入系统，然后依据仿真技术实现电气系统的建模化处理。除此之外针对导弹电气系统的图形化建模还需要考虑控制面板和人工操作方面的问题，因为关于图形化仿真建模的设计需要通过虚拟面板和虚拟控制台的帮助，这种映射关系如果处理不当就不能生成有效信息展现给用户，这样电气系统图形化建模就失去了可视化的价值。另外，有时会遇到特殊情况，需要对导弹电气化系统进行在线故障诊断或者远程故障诊断，这时据需要设计系统具备强大的监视功能，利用移动端或者摄像头等现代化工具采集控制面板或者指示灯现象作为现场信息处理，然后将采集到的影像现场图形化处理，这样就能将远程的信息转化为现场的虚拟测试系统故障诊断输入数据，这样既可以解决当前的问题，也可以为后续故障诊断和解决奠定基础。

4 导弹电气系统虚拟测试

导弹电气系统图形化建模完成后就可以开展虚拟测试的工作，利用虚拟系统把已经定性、定量的仿真图形相结合，在假定的各种外界激励条件和故障状态下确定电气系统的各个元件的工作状态，以及观察电气系统中各个连接点的定量变化状态，比如记录电气设备的电压值、电流值、设备的工作状态是否符合标准等，在此基础上进行电气系统的虚拟化测试。虚拟化测试的过程中，虚拟测试技术会在仿真测试与正常测试中调节面板，也可以在可视化的电原理图上直接设置电气系统不同区域的故障模式，以此确定电气系统在各种条件下的参数变化和最容易受影响的部分，这时，对虚拟仿真系统的构建就能通过电原理仿真电气设备的分析平台所展示，这时虚拟测试平台的总体框架已经完成构建了。导弹电气系统虚拟测试的整体框架如图2所示。

图2 导弹电气系统虚拟测试总体框架图

5 导弹电气系统故障诊断与定位

前两步完成后就能对导弹电气系统进行故障诊断与定位了，并可以根据实际情况提出改良完善维修策略。首先图形化建模与虚拟测试结束后，我们能得到整个导弹电气系统的电原理图和在不同刺激下各个工作元件的作业状态，记忆全部节点的电压值和支路的电流值，这些信息非常系统，也就是说对导弹电气系统进行故障诊断与定位时已经生成了整体可视化的虚拟系统，能够根据不同的需要调整各个节点的电子设备信息。为了能更精准地实现导弹电气系统故障诊断与定位，可结合该导弹电气设备的临时状态参考不同形成故障的模式库作为信息输入样本进行采样，这样通过一定的数据处理就能对合理条件电气系统中的各项参数，把冗余的去掉，把需要的归一处理，然后利用不同的分类法在不同的神经网络进行聚变故障模式匹配，这时工作人员就能对故障进行准确的定位，并根据实际情况解决问题。如图3所示，图表中每一行表示一个不同故障样本，在这样的编号下设定的某个元件的故障模式会更有仿真价值，利用这种方式采集的样本会更加真实，比如某些指示灯的状态和几个不同的节点的电压值情况，这些信息都是可变量，通过大量举例分析就能建立不同故障模式样本，以此设计不同的神经网络训练，就能确定导弹电气系统的故障诊断与定位，为之后的整修打下基础。

图3 故障模式样本

6 结语

综上，我们对导弹电气系统在虚拟测试技术下的故障诊断与定位有了初步认识，导弹作为一种实用性很高的武器，在研发建设中有成本高、服役时间短且实装操作少的特性，为了让导弹电气系统故障有明确的诊断与定位需要利用虚拟测试技术建立仿真分析平台进行模拟测试，通过整合大量样本为导弹电气系统的正常运行奠定基础。这种技术的研发与推广对我国军事发展有重大意义，必须引起足够的重视。