机载武器控制系统综合诊断技术研究

李 进， 郭文利， 徐盱衡

(中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000)

0 引言

随着我国机载武器系统性能的提高，系统复杂程度也大大增加，造成装备一旦出现故障，需花费大量人力、物力进行诊断与维修，同时,故障诊断需使用测试设备数量增多，维修保障效率不高，装备的战备完好性变差。武器系统偶发故障定位困难、系统诊断能力不足问题长期难以突破的原因是武器系统涉及悬挂物管理系统、武器挂架及武器等装备，产品种类多且接口交联复杂，仅加强产品自动测试设备(ATE)或机内检测(BIT)等测试手段，诊断范围和诊断精度不够；另外，维修保障观念及方式落后，未打破利益壁垒，长期采用串行“孤岛”设计模式，武器控制系统各类产品设计与系统测试设备设计脱节，未建立数据及信息共享和重用机制，弊端周而复始[1]。

综合诊断技术为武器系统维修保障创新提供了契机。美国国防部长办公室启动的综合诊断开放系统方法演示验证(OSAIDD)给出了综合诊断的定义：综合诊断是通过综合考虑测试性、自动和人工测试、维修辅助手段、技术信息、人员和培训等构成诊断能力的所有要素，对于武器装备内、外部的诊断功能进行优化配置，进而促成武器装备全寿命周期费用最低和功能最优的系统管理过程。武器控制系统作为武器系统的控制中心，可利用综合诊断技术，经济有效地检测和准确隔离已知的或可能发生的故障，对于武器系统维修保障能力提高具有至关重要的作用。

1 综合诊断内涵及发展

综合诊断的实现途径是通过数据、信息和知识的融通与共享,实现诊断功能的合理分配、诊断要素间的协同和诊断效能的有效提高。综合诊断的综合主要体现在3个方面：1) 研制阶段间的综合，将论证、设计阶段纳入综合诊断过程，建立有效的信息传递通道，提高系统诊断效能；2) 维修级别间的综合，根据各级维修体制中的任务要求，科学合理地分配各级诊断功能；3) 诊断要素的综合，通过分析选用适当的诊断方法和资源用于诊断功能实现。

综合诊断已广泛应用于美国 F/A-22，F-35(JSF)以及UH60黑鹰直升机、M1坦克、欧洲EF2000和法国“阵风”战斗机等现役装备改进型或新装备研制中，有效提高了武器装备的战备完好性，降低寿命周期费用。其中，F-35(JSF)综合诊断所采用的故障预测和健康管理系统(PHM)体现了武器装备故障诊断和维修保障体系的发展趋势。

2 构建武器控制系统的综合诊断平台

综合诊断一方面强调产品测试性设计特性，另一方面又强调装备使用维修管理过程。基于此，本文提出武器控制系统产品中实施面向多机型的二级维修体制综合诊断设想，在研制过程中充分考虑装备使用及维修阶段的故障诊断问题，进行测试性需求分析，合理分配测试性指标，优化测试性方案，并建立开放式系统架构及综合诊断标准体系，以利于系统升级、新技术的引入及诊断信息最大共享和重用,其构想如图1所示。

图1 综合诊断平台功能构想Fig.1 Functional conception of integrated diagnosis platform

武器控制系统总体设计单位在开展系统设计之初，就开始进行系统测试性分析与设计、系统测试设备研制、数据标准化并建立综合可视化数据分析平台、综合诊断数据库、故障诊断方法库等工作。

在基层级，便携式辅助诊断设备可灵活配置及仿真挂点武器，便于机务人员有针对性地进行武器系统链路检测，并根据提示信息，以期快速准确地隔离到LRU级故障单元，并能通过便携式辅助诊断设备下载设备日志数据、测试记录等信息，为基地级进一步维修提供支撑。

而在基地级，维修人员可利用综合测试维修设备进行深度检测、复现故障场景，以期快速定位故障。综合诊断设备具有4个特点：1) 激励检测资源丰富；2) 测试项目完备；3) 测试仿真场景逼真；4) 具备维修信息管理系统和综合诊断数据库。

故障诊断信息在设计、使用、维修等各阶段的传递依靠“综合可视化数据分析平台”来实现，以形成面向多机型的综合诊断系统，同时更充分地利用可能位于不同地点的测试设备，最大程度地节省诊断时间、积累诊断信息、减少人为错误。在测试设备接口设计、数据库系统设计、故障逻辑判断或专家系统接口设计等方面需基于统一数据规范或标准，即遵循开放式的系统架构，一旦出现新的技术手段，则可直接提高原系统的诊断能力并扩大诊断范围。

3 武器控制系统综合诊断实现途径

构建并发展武器控制系统综合诊断平台需要多项技术支撑，例如测试性设计、故障诊断技术、信息管理技术等，同时作为一项复杂的系统工程，也需要综合各项技术进行工程化的实施。具体实施过程包括：测试性需求分析、测试性指标分配、测试性建模、基于案例推理的故障诊断知识库建立、开放式系统架构建立、综合可视化数据分析平台建立、便携交互式辅助诊断设备和综合测试设备研制等方面的内容。

3.1 测试性需求分析

测试性需求分析是综合诊断的基础，进行分析时需充分考虑装备自身特性，并针对装备任务阶段、系统层次，制定合理的测试性指标[2]。测试性需求分析常见方法有类比法、参数权衡分析法。

对武器控制系统而言，基于系统工程思想建立测试性需求模型，可有效地将系统性能要求、可靠性要求、维修保障要求及目前测试水平等信息综合起来，进而分析确定合理的装备测试性指标。文献[3]提出了基于UML和广义随机Petri网相结合的装备多层级测试性需求建模与分析，完成了面向任务性能需求的导弹测试性需求分析与指标确定，取得了不错的效果。

3.2 测试性指标分配

测试性指标分配是指将系统级的测试性指标按一定原则和方法，分配给各组成单元。主流经典的分配方法主要有加权分配法、故障率分配法和综合加权分配法，这些方法统称为函数分配法，利用各组成单元故障率、测试难易程度等因素的分配权重，构造分配函数，然后利用此函数进行指标计算。由于综合加权分配法是基于故障率对加权分配法所得权重再次加权，结果相对更客观。

文献[4]针对主流测试性分配方法均为一次性分配，缺乏必要的反馈和修正，提出了基于单元相对难度系数的修正函数对一次分配指标偏高/偏低的单元实施再次分配，结果较为合理。武器控制系统测试性指标的分配也应向着减少主观性、科学合理的方向发展。

3.3 测试性建模

多信号流模型具有建模难度低、故障模式简化等特点，该模型是目前应用最广泛的测试性建模方法，通过此建模方法建立的故障和测试之间依存矩阵能辅助完成武器控制系统诊断策略设计。

同时，武器控制系统采用了层次化、模块化设计，且维修体制主要采用简单维修和换件维修。基于此特点，武器控制系统在测试性建模过程中，分析对象不一定以元器件为底层测试对象。文献[5]提出了一种层次测试性模型，对不同层次上的对象进行分析，并通过层间联系使诊断逐步深入，实现对层次系统的测试性建模与诊断分析。

3.4 基于案例推理的故障诊断方法库建立

传统的专家系统大多是基于规则的推理，但基于规则的推理系统有知识获取困难、组合爆炸问题和缺乏记忆等缺点。对武器控制系统综合诊断而言，用案例来表达知识，可降低知识获取及抽象知识的难度。本文建议利用基于案例推理(CBR)建立武器控制系统故障诊断知识/方法库，主要完成如下工作：1) 案例表示，为规范案例结构、便于检索和匹配，案例表示需要遵循一定的原则，一个案例由多个层次的属性构成；2) 案例检索，根据待求问题的显著特征属性，基于存储的案例库进行相似测量与匹配，检索最相似的案例。案例匹配的基础就在于字符型字段的匹配，匹配算法采用应用较为广泛有效的K最邻近(KNN)法。

3.5 开放式系统架构建立

建立符合武器控制系统特点、利于系统升级和引入新技术的标准化系统架构，对加速武器系统综合诊断技术的发展至关重要。基于开放式系统架构及商用成品构件(Commercial Off-The-Shelf，COTS)技术的方法适合于武器控制系统综合诊断，其核心是采用商用的、广泛使用的、非私有的接口标准及协议对关键接口进行定义，并以此作为信息交互的基础，而各功能模块单元尽量采用COTS，只有专业性强的功能模块才需要进行全新的开发。

由美国海军提供部分资助，波音、卡特彼勒罗克韦尔等公司联合组建的工业小组，制定了基于状态的维修(Condition-Based Maintenance,CBM)的开放式系统架构(OSA-CBM,Open System Architecture for CBM)[6]。以OSA-CBM系统架构为基础，建立武器控制系统综合诊断功能架构，如图2所示。

图2 武器控制系统综合诊断功能架构Fig.2 Functional architecture of integrated diagnosis of weapon control system

由图2可知，该架构有以下特点：1) 从系统工程角度，把系统分为松散耦合、可升级、可重用的独立模块；2) 以面向对象的方式对模块接口进行严格明确定义，并采用开放式通用工业标准定义关键接口，以应对技术发展引入新技术的需求；3) 除专业性强的功能模块进行全新开发外，其他功能模块单元基本采用COTS；4) 为后续故障预测与健康管理系统模块引入打下基础。

3.6 综合可视化数据分析平台的建立

作为综合诊断平台的数据存储、管理、分析中心，综合可视化数据分析平台以具有面向多型飞机、节省诊断时间、积累诊断数据、减少人为错误等特点。主要完成如下工作：1) 训练、诊断、维修数据进行管理、加工处理、图形化显示和统计分析；2) 故障诊断知识/方法库管理；3) 技术培训资料管理。

综合可视化数据分析平台是综合诊断系统的重要组成部分，通过搭建此平台，可解决外场产品故障复现及故障分析困难、记录数据解析查看工作量大等问题，节省人力和物力成本的开销，满足部队高强度实战化训练的敏捷保障要求。同时，通过该平台的搭建可实现设计单位、使用单位、维修单位在设计、使用和维修的全过程中故障信息数据共享和重用，以实现设计、故障诊断和维修能力的共同提高。

3.7 便携交互式辅助诊断设备研制

便携交互式辅助诊断设备具有体积小、重量轻、交互显示界面友好等特点，满足基层级机务人员简单、有效和可靠地完成武器发控线路检查，快速隔离的故障单元的要求。便携交互式辅助诊断设备的研制应立足于产品需求和特点，从诊断效率、诊断资源、实现难度、研制周期等方面综合考虑，合理提出符合产品定位的功能性能、交互显示要求。基于无线通信的分布式悬挂物接口仿真设备交联关系如图3所示。

图3 基于无线通信的分布式悬挂物接口仿真设备交联图Fig.3 Crosslinking diagram of distributed store interface simulation equipment based on wireless communication

由图3可知，该仿真设备由2个接口仿真单元和1个手持终端组成，接口仿真单元与手持终端之间能进行无线通信。该仿真设备具备如下特点及能力：1) 具备GJB1188A贯标接口、投放类非标接口检测资源；2) 可灵活配置及仿真挂点武器；3) 基于武器发控流程的一键检测；4) 武器发控链路硬件通道手动/自动测试；5) 具备日志数据、测试记录下载管理能力。利用该设备主要解决基层级装备完好性检测、武器发控管理功能检测，并能通过基本的武器发控链路硬件通道手动/自动测试，快速辅助定位故障LRU。

3.8 综合测试设备研制

为满足基地级维修单位快速测试和修理产品的需求，更深入分析组件特性和常见故障，需尽快研制武器控制系统综合测试设备，以形成深度检测、快速定位的能力。针对深度检测能力的实现，主要完成如下工作：1) 丰富测试资源，具备悬挂物管理系统及武器挂架检测能力；2) 手动/自动硬件通道全覆盖测试能力；3) 完备的系统测试用例用于驱动武器系统测试及结果判定。为实现故障快速定位能力，主要完成如下工作：1) 基于系统运行数据的可视化数据回放及分析；2) 具备测试问题特征属性提取能力，并能基于故障诊断方法库进行案例匹配，辅助决策故障原因；3) 提供半物理实验环境，实现记录数据驱动产品复现故障场景，以便采用专用测试工具进一步精细定位故障。

同时，维修人员可记录故障模式及信息，供产品设计人员进一步完善故障逻辑判读和诊断系统，丰富武器控制系统故障诊断方法库。

综合测试设备的研制对加速建立武器控制系统综合诊断平台至关重要：1) 能大幅降低外场排故人力、时间成本；2) 有利于收集外场武器系统故障模式信息，为后续产品研制提供数据支撑；3) 提供维修人员与研发人员沟通交流载体，并能尽快丰富武器控制系统故障诊断方法库。

4 结束语

为改善武器系统综合保障能力，本文提出基于综合诊断技术创新武器系统维修保障工作，即构建以开放式系统架构及商用成品构件为基础、满足二级维修体制、面向多机型的武器控制系统综合诊断平台。本文描述的综合诊断实现过程，为开展后续武器控制系统综合诊断工作提供了具体指导。