曹 涌，張長勝

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院自動化系，昆明650500)

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展，特別是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的發(fā)展，工程機械設(shè)備在其中起著不可替代的作用，各種工程機械設(shè)備甚至是夜以繼日的運行。當(dāng)今的工程機械設(shè)備其性能、速度以及復(fù)雜程度都在不斷提高，隨之而來的可靠性問題也日漸突出。工程機械設(shè)備往往工作在一些自然環(huán)境惡劣的場所，通信、交通等都不夠便利，如若發(fā)生故障其維修難度也隨之加大，需要更換的一些零部件在較短時間內(nèi)都難以及時送達(dá)，造成了工期的延誤，從而可能給整個工程造成經(jīng)濟上的巨大損失?；诖?，及時對機械設(shè)備各部件進行監(jiān)測從而預(yù)測設(shè)備可能發(fā)生的故障變的尤為重要。而傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)測維修方式多以人工方式憑借積累的經(jīng)驗進行，需要耗費大量的人力資源，且不可能面面俱到，準(zhǔn)確度不夠高。為了保證工程機械設(shè)備在惡劣的工作環(huán)境下能夠正常運行，需要建立一種能夠及時監(jiān)測機械設(shè)備各部件的運行狀態(tài)從而預(yù)測其發(fā)生故障的可能性的機制，在第一時間解決可能出現(xiàn)的故障，以避免給整個工程帶來經(jīng)濟上的損失。本系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)能夠很好的滿足上述需求，給商家和用戶帶來了很多便利。

2 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體由三部分組成，設(shè)備制造商監(jiān)診服務(wù)器、設(shè)備出租商監(jiān)診服務(wù)器和車載終端。各部分功能描述如下:

(1)設(shè)備制造商監(jiān)診服務(wù)器

設(shè)備制造商參與了整個設(shè)備的生產(chǎn)過程，對設(shè)備各部件有著豐富的維修技術(shù)和維修經(jīng)驗，在設(shè)備的售后維護當(dāng)中起著舉足輕重的作用。設(shè)備制造商可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)診服務(wù)器直接監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)，也可以在最大限度上對設(shè)備出租商進行技術(shù)支持，能夠更加準(zhǔn)確的預(yù)測設(shè)備在運行過程中可能出現(xiàn)的故障。

在設(shè)備使用者和設(shè)備出租商無法對設(shè)備進行自主維修時，設(shè)備制造商能夠通過遠(yuǎn)程交互的方式對其進行指導(dǎo)。

(2)設(shè)備出租商監(jiān)診服務(wù)器

設(shè)備出租商通過服務(wù)器能夠及時的關(guān)注設(shè)備的運行狀態(tài)，通過對各種參數(shù)的分析，在設(shè)備使用者經(jīng)驗不足的情況下設(shè)備出租商能夠及時為設(shè)備使用者提供相關(guān)技術(shù)支持，通知其設(shè)備可能出現(xiàn)的問題，并指導(dǎo)其對設(shè)備進行維修或暫停對設(shè)備的使用以免造成更大的損失，如有必要設(shè)備出租商可以提前將需要更換的設(shè)備零部件送往設(shè)備工作現(xiàn)場，以縮短維修時間。

(3)車載終端

通過車載終端設(shè)備使用者可以對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過顯示的各種數(shù)據(jù)，憑借自身經(jīng)驗，預(yù)測設(shè)備有可能出現(xiàn)的故障，并對相應(yīng)部件進行檢修，以使設(shè)備能夠正常運行。

對于設(shè)備確實存在的故障，在現(xiàn)場工作人員無法維修的情況下，可以及時向設(shè)備出租商進行匯報，以此得到維修專家的遠(yuǎn)程指導(dǎo)。工程機械設(shè)備遠(yuǎn)程故障監(jiān)診系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模型

3 硬件設(shè)計

3.1 車載終端硬件設(shè)計

車載終端以基于ARM9的嵌入式處理器S3C2440作為硬件開發(fā)平臺。S3C2440被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、移動通信、PDA、路由器等領(lǐng)域，其主頻為400MHz，總線頻率為133MHz，芯片中集成了下列模塊:16KB指令 Cache、16KB數(shù)據(jù) Cache、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND Flash控制器、4通道PWM定時器和1個內(nèi)部定時器、168腳通用GPIO、實時時鐘、8通道10bit的AD和觸摸屏接口、標(biāo)準(zhǔn)20pin JTAG調(diào)試接口等。存儲器方面采用256MB Nand-Flash用于數(shù)據(jù)存儲和64MB SDRAM用于程序運行，屏幕采用3.5寸TFT觸摸屏。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載終端硬件結(jié)構(gòu)

其主要負(fù)責(zé)機械設(shè)備各部件的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過GPS模塊將設(shè)備的地理位置信息發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器(包括設(shè)備制造商監(jiān)診服務(wù)器和設(shè)備出租商監(jiān)診服務(wù)器)。

3.2 設(shè)備監(jiān)診服務(wù)器端硬件設(shè)計

設(shè)備監(jiān)診服務(wù)器包括設(shè)備制造商監(jiān)診服務(wù)器和設(shè)備出租商監(jiān)診服務(wù)器，兩者的硬件結(jié)構(gòu)完全相同，遠(yuǎn)程監(jiān)診體系的各個構(gòu)成部分之間的連接方式分為專線連接、電話線連接和互聯(lián)網(wǎng)連接3種。專線連接方式具有傳遞速度快，連接質(zhì)量高，信號時延小，可靠性高等優(yōu)點，但成本高，性價比低。電話線連接方式用調(diào)制解調(diào)器通過現(xiàn)有電話線撥號連接，采用文件傳輸?shù)姆绞竭M行現(xiàn)場數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程診斷中心之間的聯(lián)系，這種方式所采用的設(shè)備較為簡單，費用低，較為容易實現(xiàn)，對現(xiàn)有通訊手段較為落后的地區(qū)比較實用，且容易普及。但傳輸速率受電話線路的限制相對較低，而且由于傳輸線路不穩(wěn)定將造成傳輸數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定，有較大的時延，有時還可能出現(xiàn)傳輸過程中的斷線，所以這種方式并不理想。

遠(yuǎn)程監(jiān)診服務(wù)器必須具有固定的IP地址(向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商獲取)，便于接收車載終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計

4.1 車載終端軟件設(shè)計

車載終端軟件系統(tǒng)引入嵌入式Linux2.6操作系統(tǒng)，以Qt/Embedded為開發(fā)工具，整個軟件都在嵌入式Linux2.6的管理下運行。程序設(shè)計有別于傳統(tǒng)順序結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，程序雖然有主程序，但主程序并不完成某種特定的功能，而只是對一些軟硬件、實時變量、全局變量以及操作系統(tǒng)進行初始化，并且建立一個任務(wù)，然后啟動操作系統(tǒng)而已;最后系統(tǒng)就把CPU控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，永遠(yuǎn)不會返回主程序。通過操作系統(tǒng)調(diào)度，實時顯示機械設(shè)備各部件傳感器采集到的信號，并對其進行分析判斷，若超過所設(shè)定的閥值則發(fā)出聲光報警信號，實現(xiàn)部件的檢測功能，與此同時系統(tǒng)能夠定時地通過GPRS模塊將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，而GPS模塊也能將設(shè)備的地理位置信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

(1)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先調(diào)用系統(tǒng)初始化子程序?qū)?shù)據(jù)采集裝置的各個模塊進行重新設(shè)置，使系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。系統(tǒng)利用定時器產(chǎn)生中斷，結(jié)束微控制器的低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)實時時鐘(RTC)中斷然后轉(zhuǎn)入中斷處理子程序，喚醒微控制器。系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)字濾波和存儲子程序(當(dāng)超出閥值時還要調(diào)用緊急處理子程序，將此時、此部件的數(shù)據(jù)以閃爍的方式顯示在車載終端觸摸屏上發(fā)出聲光報警)。軟件主要包括以下幾個部分:采集裝置初始化程序、實時時鐘設(shè)置程序、傳感器數(shù)據(jù)定時采集程序、數(shù)據(jù)無線傳輸程序、數(shù)據(jù)顯示、報警程序。

(2)GUI界面設(shè)計

該模塊用于車載終端與操作人員交互，傳感器采集到的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后都以數(shù)字的形式顯示在這個界面上，操作人員能夠很直觀的對設(shè)備信息進行觀測。本設(shè)計采用的Qt/Embedded界面設(shè)計功能強大，能夠開發(fā)良好的GUI界面。

4.2 服務(wù)器端軟件設(shè)計

在服務(wù)器端采用Qt Creator進行軟件開發(fā)，開發(fā)過程采用Qt獨有的信號、槽機制進行編程。設(shè)備制造商監(jiān)診服務(wù)器和設(shè)備出租商監(jiān)診服務(wù)器的開發(fā)思路大體相同，僅在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方面有所區(qū)別，包含的數(shù)據(jù)信息不同。

工程機械遠(yuǎn)程故障監(jiān)診系統(tǒng)服務(wù)器端主要由數(shù)據(jù)預(yù)處理程序、參數(shù)數(shù)據(jù)庫、多傳感器信息融合算法、故障樹決策、現(xiàn)場專家等組成。

遠(yuǎn)程監(jiān)診服務(wù)器首先對從傳感器上采集過來的信號經(jīng)過預(yù)處理，然后送入?yún)?shù)數(shù)據(jù)庫，采用多傳感器信息融合算法將來自不同傳感器的信息進行融合，獲取預(yù)測所需的初始數(shù)據(jù)，與故障數(shù)據(jù)庫中的信息進行匹配，建立故障樹模型，由專家進一步分析故障部位和故障原因，待確認(rèn)后將信息傳遞給一線人員。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 車載終端涉及的關(guān)鍵技術(shù)

車載終端涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是嵌入式操作系統(tǒng)的移植，具體有Bootloader移植，文件系統(tǒng)移植和Linux內(nèi)核的移植，只有整個平臺搭建好以后才能實現(xiàn)GPRS通信。

其次是應(yīng)用程序編寫，即Qt編譯環(huán)境的建立，程序首先要在x86體系結(jié)構(gòu)的主機上調(diào)試通過后才可將其移植到ARM體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)板上，即Qt需要編譯兩次來滿足程序的編寫需求。

5.2 服務(wù)器端涉及的關(guān)鍵技術(shù)

服務(wù)器端涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有多傳感器信息融合技術(shù)和故障樹分析法。

(1)多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合是利用計算機技術(shù)對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息，以及數(shù)據(jù)庫和知識庫的信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動匯集、相關(guān)、分析、綜合為一種表示形式，以完成所需要的估計和決策任務(wù)所進行的信息處理過程。

無論在結(jié)構(gòu)還是在信息傳遞上，現(xiàn)代工程機械由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜所以其發(fā)生故障的因果關(guān)系也比較復(fù)雜且故障點隱蔽，同樣的故障其原因有多種。多傳感器信息融合技術(shù)可以解決工程機械故障診斷中信息量不足、不完善而導(dǎo)致故障誤判、遺漏的問題，一般通過信息融合，可增加置信度，提高檢測系統(tǒng)的可靠性。

(2)故障樹分析法(FTA)

故障樹分析法(FTA)是指系統(tǒng)利用故障樹模型對不同對象進行建模。故障樹模型是一種基于研究對象結(jié)構(gòu)、功能特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統(tǒng)最不希望事件為頂事件，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的其它事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯(lián)系的一種倒樹狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計時由專家根據(jù)各個被診斷對象的構(gòu)造及功能邏輯關(guān)系，構(gòu)造出系統(tǒng)的邏輯故障樹，存放于模型數(shù)據(jù)庫中，供故障診斷模塊使用。

根據(jù)故障樹可找出故障中所有導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最小割集，也就是系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)，全部最小割集的集合又稱為系統(tǒng)的故障譜。以故障樹為手段，通過分析故障譜，了解系統(tǒng)發(fā)生故障的各種途徑及原因，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性。故障樹適合系統(tǒng)構(gòu)成層次分明、子系統(tǒng)間關(guān)系明確簡單的系統(tǒng)，因此本故障診斷系統(tǒng)采用故障樹方法進行建模。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)根據(jù)實際需要給出了工程機械設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)診系統(tǒng)的總體設(shè)計，考慮到工程機械的工作環(huán)境限制，采用無線數(shù)據(jù)傳輸，克服了使用有線傳輸帶來的不便，降低了整個系統(tǒng)的硬件成本。系統(tǒng)通過車載終端和服務(wù)器能夠很好地為工程機械可能發(fā)生的故障做出預(yù)測，在很大程度上提高了工程機械的使用壽命。

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