劉 勇，胡建軍，夏詠梅

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

目前特種車輛的故障診斷技術(shù)有以下幾個特點(diǎn):

1)故障診斷技術(shù)水平還處于外部測試到機(jī)內(nèi)測試 (Build-In Test縮寫為BIT)轉(zhuǎn)變的階段，應(yīng)用還只局限于某些分系統(tǒng)中，尚未形成系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.

2)BIT診斷能力比較弱，外場排查故障主要依靠技術(shù)人員和一些簡單的通用設(shè)備，難以滿足基層級維修的快速機(jī)動、排故迅速和維修簡單便捷的需求.

3)研制和生產(chǎn)階段的外部測試設(shè)備比較落后，種類多，操作復(fù)雜.

4)裝備部隊(duì)的測試設(shè)備綜合化、自動化、通用化程度較低，測試功能的覆蓋度低，故障診斷能力有限，對操作人員要求較高，戰(zhàn)場保障跟進(jìn)困難.

1 綜合電子系統(tǒng)使用與維修等級分析

車輛BIT故障診斷與健康管理功能與車輛綜合電子系統(tǒng)密不可分，車輛綜合電子系統(tǒng)為車輛BIT故障診斷與健康管理提供硬件、軟件資源及運(yùn)行平臺.車輛綜合電子系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)目標(biāo)與整車維修性目標(biāo)一致，即:使工作和維修的費(fèi)用以及維修時間達(dá)到最小，并能方便地完成維修活動，并且車輛綜合電子系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)應(yīng)對整車維修性提供支撐.車輛綜合電子系統(tǒng)維修等級與整車一致，分為基層級、中繼級和基地級.

1.1 基層級

車輛綜合電子系統(tǒng)基層級計(jì)劃維修是隨整車計(jì)劃維修進(jìn)行，以定期檢測和視情修理為主.主要使用BIT來檢測電子類系統(tǒng)和設(shè)備是否可正常工作，并給出“正常”或“故障”的顯示，當(dāng)有故障時應(yīng)能把故障定到現(xiàn)場可更換單元 (Line Replaceable Unit縮寫為LRU).主要維修活動有:

1)出車前進(jìn)行BIT檢查，確認(rèn)系統(tǒng)的完好性;

2)系統(tǒng)工作中，利用BIT進(jìn)行故障的自動檢測，檢測到故障后能把故障隔離到規(guī)定模糊度的LRU上;

3)更換有故障的LRU，并重新進(jìn)行功能測試;

4)出車后進(jìn)行維護(hù)檢查，更新維護(hù)記錄;

5)按基層級計(jì)劃定期檢測和視情維修，如需要進(jìn)行修理，則按照更換LRU方法進(jìn)行;

6)復(fù)雜的外部測試設(shè)備和工具應(yīng)盡可能少，必要的情況下，可以使用靈巧輕便的測試設(shè)備在原位進(jìn)行少量故障維修;

7)對拆下來的LRU的簡單故障進(jìn)行維修.

1.2 中繼級

車輛綜合電子系統(tǒng)中繼級計(jì)劃維修是隨整車計(jì)劃維修進(jìn)行，以定期檢測和視情修理為主.利用BIT和自動測試設(shè)備對LRU進(jìn)行端到端的“通過和不通過”測試，并隔離故障到規(guī)定模糊度的車間可更換單元 (Shop Replaceable Unit縮寫為SRU)，然后進(jìn)行維修后的檢驗(yàn).主要維修活動有:

1)利用自動測試設(shè)備或?qū)Ｓ猛獠繙y試設(shè)備進(jìn)行LRU的故障檢測，并把故障隔離到規(guī)定模糊度的SRU上;更換有故障的SRU;

2)利用自動測試設(shè)備或?qū)Ｓ猛獠繙y試設(shè)備對修復(fù)后的LRU進(jìn)行檢查、功能測試、調(diào)整和校準(zhǔn);

3)按中繼級計(jì)劃定期檢測和視情維修，維修項(xiàng)目比基層級更廣泛;

4)對拆下來的SRU的簡單故障進(jìn)行維修.

1.3 基地級

應(yīng)選用或設(shè)計(jì)自動測試設(shè)備或配備專用外部測試設(shè)備，加上BIT和人工測試，對故障的SRU進(jìn)行檢測和隔離故障，修復(fù)失效的功能組件和元器件，對修復(fù)的SRU進(jìn)行檢驗(yàn)、功能測試、調(diào)整和校準(zhǔn)等工作.

2 車輛BIT故障診斷與健康管理功能需求

1)車輛的外部測試和BIT設(shè)計(jì)應(yīng)支持3個維修等級，其中以支持基層級維修為重點(diǎn)，盡量減少基層級維修以及相關(guān)的保障設(shè)備.車輛綜合電子系統(tǒng)應(yīng)對整車BIT的實(shí)現(xiàn)提供資源保障.

2)性能監(jiān)測功能.對于非電子系統(tǒng)，測試性工作重點(diǎn)是進(jìn)行可測試性設(shè)計(jì).通過設(shè)置必要的傳感器來連續(xù)或定期地監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵特性參數(shù)，以確定系統(tǒng)的狀態(tài)，記錄和追蹤失效的過程和時間;同時參與關(guān)鍵系統(tǒng)的余度管理，并提出諸如繼續(xù)運(yùn)行、需要維修、降級運(yùn)行等建議;

3)故障診斷功能.電子系統(tǒng)的測試性工作重點(diǎn)是進(jìn)行BIT軟硬件設(shè)計(jì)、盡量擴(kuò)大BIT覆蓋范圍.對反映被測單元狀態(tài)的各種信號和參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的采集和測量，當(dāng)發(fā)生故障時，能夠快速自動地檢測與隔離故障到規(guī)定的現(xiàn)場可更換單元;

4)故障預(yù)測.借助系統(tǒng)模型、積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)，精確檢測和隔離系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件的故障或失效狀態(tài)，構(gòu)建BIT增強(qiáng)診斷方案，預(yù)計(jì)即將發(fā)生的故障，并估計(jì)部件剩余使用壽命，具體內(nèi)容包括:早期檢測部件或子單元的故障癥候或故障初始狀態(tài)，并根據(jù)材料特性預(yù)計(jì)剩余使用壽命;預(yù)計(jì)在部件初始故障狀態(tài)向最終失效發(fā)展過程中的任一時間的剩余使用壽命;積累發(fā)動機(jī)、火炮等的壽命消耗情況.

5)狀態(tài)管理.其目的是:(1)在車輛功能降級的情況下，能夠保證最大程度地完成車輛任務(wù);(2)根據(jù)車輛實(shí)際和預(yù)計(jì)的工作狀況進(jìn)行保養(yǎng)、維修、供應(yīng)和其他后勤保障活動[1].

6)測試結(jié)果輸出及與其他診斷測試手段兼容.測試結(jié)果應(yīng)滿足即時查看和后期處理分析的要求，為維護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支持，如形成維修信息和供乘員使用的知識信息、更新維修履歷，等等.故障信息顯示給乘員要保證信息的一致和關(guān)聯(lián)，保證乘員操作和使用的統(tǒng)一.被測系統(tǒng)與外部測試設(shè)備接口應(yīng)具有兼容性，保證各種診斷測試輸出結(jié)果具有一致性.

3 車輛BIT故障診斷與健康管理研究內(nèi)容

3.1 系統(tǒng)組成構(gòu)想

對車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)構(gòu)想如圖1所示.

圖1 車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)構(gòu)想方框圖

3.2 車輛固有測試性和BITE設(shè)計(jì)

固有測試性是指僅取決于產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)，不依賴于測試激勵和相應(yīng)數(shù)據(jù)的測試性，它既支持BIT，也支持外部測試，是達(dá)到測試性和定量診斷要求的基礎(chǔ);BITE(Build-In Test Equipment的縮寫)是指完成BIT功能的硬件模塊.提高系統(tǒng)和設(shè)備的測試性水平，主要途徑和方法是進(jìn)行固有測試性設(shè)計(jì)和BITE設(shè)計(jì).固有測試性和BITE設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)人員直接涉及的測試性設(shè)計(jì)工作.

固有測試性設(shè)計(jì)包括功能和結(jié)構(gòu)的合理劃分、測試可控性和可觀測性、初始化、元器件選用以及與測試設(shè)備的兼容性，等等.BITE設(shè)計(jì)與性能設(shè)計(jì)同時進(jìn)行，因功能不同而有差異，機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)電設(shè)備通常需要增設(shè)傳感器，即通過設(shè)置必要傳感器、對關(guān)鍵功能進(jìn)行監(jiān)控，電子系統(tǒng)通常進(jìn)行BIT軟/硬件設(shè)計(jì).

車輛綜合電子系統(tǒng)主要包括總線通信分系統(tǒng)、乘員分系統(tǒng)1、乘員分系統(tǒng)2、乘員分系統(tǒng)3、自動裝彈控制分系統(tǒng)、推進(jìn)控制分系統(tǒng)、電源電氣控制分系統(tǒng)、光電對抗分系統(tǒng)、三防滅火抑爆控制分系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)又包括若干個LRU，LRU內(nèi)部包括若干個SRU.

3.3 BIT工作配置和類型

BIT按啟動和執(zhí)行特點(diǎn)分為連續(xù)BIT、周期BIT(PBIT)、啟動BIT(IBIT)，啟動BIT又分為通電BIT(PUBIT)和執(zhí)行BIT;BIT按運(yùn)行時機(jī)和目的分為任務(wù)前 BIT、任務(wù)中 BIT、維修 BIT(MBIT);BIT按激勵方式分為主動BIT和被動BIT;系統(tǒng)BIT按配置形式分為集中式BIT、分布式 BIT、分布式/集中式 BIT[2].

系統(tǒng)級BIT以子系統(tǒng)/部件BIT設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)不同子系統(tǒng)/部件的特性和測試要求，應(yīng)選用不同的BIT模式.對于簡單的子系統(tǒng)、LRU或機(jī)電設(shè)備可以將幾種BIT合并，復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)級BIT應(yīng)采用多種方式，以滿足使用和診斷的要求.

系統(tǒng)BIT配置選擇由系統(tǒng)構(gòu)成和復(fù)雜程度決定.在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采用集中式BIT能較好地在系統(tǒng)運(yùn)行時進(jìn)行交叉測試，而且所需要的測試用硬件較少，還可以進(jìn)行必要的系統(tǒng)級信息分析處理工作;采用分布式BIT可以減少隔離的模糊度和隔離錯誤，各分系統(tǒng)BIT可以脫機(jī)運(yùn)行，與其他分系統(tǒng)隔離，可與分系統(tǒng)功能保持某種形式的同步.分布/集中BIT是針對復(fù)雜系統(tǒng)的配置.由圖1可看出，車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的BIT配置為分布/集中式BIT.

綜合考慮運(yùn)行時機(jī)、目的和運(yùn)行特點(diǎn)，工程實(shí)際中的BIT類型可分為上電BIT、周期BIT和維修BIT3種類型.上電BIT由系統(tǒng)加電啟動，全面檢查系統(tǒng)功能是否正常，檢測到故障給出正?；蚬收系闹甘?(GO和NOGO);周期BIT屬于非侵入式測試，不干擾部件的正常工作，系統(tǒng)正常啟動后周期性地自動運(yùn)行，檢測到故障后給出相應(yīng)的指示和報警;維修BIT啟動后能自動運(yùn)行，只是需要維修人員在給定測試程序的策略分析點(diǎn)進(jìn)行交互，用于進(jìn)一步確認(rèn)、消除或減少所探測到的一組故障的模糊度.

3.4 BIT測試順序

車輛總線通信架構(gòu)采用管理總線和控制總線雙總線架構(gòu)，管理總線為通信數(shù)據(jù)管理總線，控制總線為面向設(shè)備的控制總線，管理總線和控制總線分別為雙余度形式[3].3個乘員計(jì)算機(jī)及顯控終端是整車信息的人機(jī)交互平臺，是系統(tǒng)級BIT運(yùn)行的平臺.

車輛綜合電子系統(tǒng)BIT測試順序如下:

1)各分系統(tǒng)按照規(guī)定的上電順序加電，運(yùn)行上電BIT，正常啟動后將對各接口進(jìn)行檢測，通過各接口對各設(shè)備發(fā)送詢問信息，并接收應(yīng)答信息，測試并記錄各分系統(tǒng)狀態(tài)，準(zhǔn)備將分系統(tǒng)狀態(tài)信息匯總上報給乘員計(jì)算機(jī)及顯控終端1;

2)乘員計(jì)算機(jī)1和綜合處理裝置2上電后，運(yùn)行上電BIT，進(jìn)行總線運(yùn)行狀態(tài)查詢，測試并記錄管理總線和控制總線通信狀態(tài)，通過管理總線和控制總線接收并監(jiān)控各個分系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，獲得整車設(shè)備工作狀態(tài)的診斷結(jié)果，在相應(yīng)的乘員終端上顯示;

3)乘員計(jì)算機(jī)1和綜合處理裝置2在系統(tǒng)運(yùn)行過程中周期性地向各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢問信息，接收并記錄各個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答信息，以此監(jiān)控總線各節(jié)點(diǎn)的通信狀況和工作狀況.

3.5 系統(tǒng)余度管理和降級功能

1)管理總線主控制器功能由乘員計(jì)算機(jī)1完成，備用控制器功能由綜合處理裝置1完成;控制總線主控制器由綜合處理裝置2組成，備用控制器由綜合處理裝置1組成.當(dāng)主控制器通信控制功能有故障時，在規(guī)定的時間內(nèi)總線控制權(quán)自動轉(zhuǎn)到備份控制器上.

2)乘員儀表顯示降級功能.車況信息既可以通過管理總線傳輸，也可以通過控制總線傳輸;既可以通過乘員計(jì)算機(jī)處理進(jìn)行正常顯示，也可以當(dāng)乘員計(jì)算機(jī)CPU板有故障時，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)應(yīng)急情況下的儀表顯示、綜合報警及狀態(tài)顯示、三防滅火控制的部分功能.降級功能在軟件控制下自動完成.

3)自動裝彈機(jī)控制降級功能.自動裝彈機(jī)控制分為正常和應(yīng)急兩種工況.當(dāng)裝彈機(jī)出現(xiàn)故障時，裝彈機(jī)中央處理單元能夠自動檢測到故障狀態(tài)，并將故障編碼上傳到乘員終端，并可自動或通過手動轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)，完成裝彈動作.

4)武器系統(tǒng)控制降級功能.火控系統(tǒng)工作分為正常、戰(zhàn)斗、應(yīng)急和手動等工況，當(dāng)檢測到故障時，系統(tǒng)能夠自動或通過人工轉(zhuǎn)到低一級的工況.

3.6 關(guān)鍵部件BIT測試內(nèi)容

1)中央處理單元的測試屬于上電BIT測試類型.測試內(nèi)容包括處理器測試、FLASH(或NVRAM)存儲器測試、SDRAM存儲器測試、中斷功能測試、看門狗報警測試、看門狗正常測試、定時器定時功能測試、超時中斷測試、RS422串行口測試、管理總線接口測試、控制總線接口測試、模擬輸入和數(shù)字輸入測試.

2)中央處理單元的測試屬于周期BIT測試類型.測試內(nèi)容包括管理總線通信測試、控制總線通信測試、節(jié)點(diǎn)中央處理單元工作功能監(jiān)測、分系統(tǒng)功能/性能監(jiān)測.

3)部件內(nèi)各級電源監(jiān)測.部件內(nèi)各級電源監(jiān)測通過硬件設(shè)計(jì)完成，一般通過控制盒體上的指示燈提示.

4)傳感器故障檢測.傳感器故障檢測 (包括傳感器電源斷路或短路故障)通過硬件設(shè)計(jì)完成.

3.7 車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)軟件

車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)是一個基于傳統(tǒng)測試性和BIT設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的軟件密集型系統(tǒng)，采用分層智能推理結(jié)構(gòu)，綜合多個設(shè)計(jì)層次上的多種推理機(jī)軟件，從部件級到系統(tǒng)級綜合應(yīng)用故障診斷技術(shù)和預(yù)測技術(shù).車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是由車載系統(tǒng)和車外遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)構(gòu)成的一體化系統(tǒng)，車載系統(tǒng)屬于系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件層次，應(yīng)具有故障檢測、故障隔離、性能監(jiān)控及關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的狀態(tài)預(yù)測功能;車外遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)具有進(jìn)一步執(zhí)行故障隔離、狀態(tài)預(yù)測、增強(qiáng)診斷及零部件壽命跟蹤等功能.

車輛BIT故障診斷與健康管理軟件的車載部分分為以下3個層次，完成功能如下:

1)最底層的各分系統(tǒng)或部件中的軟硬件監(jiān)控程序.

該層是識別故障的信息源，借助傳感器、BITE或模型等檢測故障，將有關(guān)信息直接提交給中間層的區(qū)域管理器[1].

2)中間層的區(qū)域管理器.

該層完成信號處理、信息融合和區(qū)域推理機(jī)的功能，是連續(xù)監(jiān)控車輛相應(yīng)分系統(tǒng)運(yùn)行狀況的實(shí)時執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)自動分析來自傳感器或BITE的信號和其他數(shù)據(jù)源的信息，確定該分系統(tǒng)的設(shè)備、部件或零件工作是否正常，分析可能導(dǎo)致故障的特征，預(yù)測關(guān)鍵部件的剩余使用壽命和完成任務(wù)的能力，完成系統(tǒng)故障重構(gòu)管理功能，然后將區(qū)域故障信息傳給頂層的車輛平臺管理器軟件模塊.區(qū)域管理器包括車輛底盤支持系統(tǒng)和上裝任務(wù)系統(tǒng)兩大區(qū)域管理器軟件模塊，它們嵌入在車輛綜合處理裝置內(nèi).

3)頂層的車輛平臺管理器.

該層軟件模塊也嵌入在車輛綜合處理裝置內(nèi)，以一定的診斷策略去掉關(guān)聯(lián)故障，將起源于同一故障的數(shù)個故障報告歸并成系統(tǒng)級單一故障信息，與相應(yīng)級別的告警關(guān)聯(lián)，形成維修信息和供乘員使用的知識信息，同時能夠傳給車外后勤保障信息系統(tǒng)，車外后勤保障信息系統(tǒng)據(jù)此判斷車輛的完好狀態(tài)、安排戰(zhàn)斗任務(wù)、實(shí)施技術(shù)狀態(tài)管理、更新車輛狀態(tài)記錄、調(diào)整使用計(jì)劃、生成保養(yǎng)和維修工作項(xiàng)目以及對作戰(zhàn)車輛群狀態(tài)進(jìn)行分析，等等.

3.8 故障顯示與綜合告警

1)故障顯示與綜合告警分系統(tǒng)功能及組成.

故障顯示與綜合告警分系統(tǒng)是用來向車輛乘員提供來自車輛外部的威脅告警信息;提供來自車輛內(nèi)部各系統(tǒng)、設(shè)備的故障告警信息和提供車輛重要系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，以及故障清單和處置清單信息的系統(tǒng).該分系統(tǒng)是一個與車輛乘員顯示和控制分系統(tǒng)相關(guān)的分系統(tǒng)，其顯示符號是利用車輛乘員顯示和控制分系統(tǒng)的顯示設(shè)備產(chǎn)生，其音響告警利用綜合處理機(jī)硬件的多媒體模塊和耳機(jī)及告警蜂鳴器產(chǎn)生，其燈光告警信號是利用綜合處理機(jī)控制的告警燈光控制模塊和燈光部件產(chǎn)生.

為確保乘員對告警信息進(jìn)行有效的接收和處理，顯示與綜合告警分系統(tǒng)采用了集中管理、統(tǒng)一分級，按不同告警等級進(jìn)行控制和處理的原則，采用單獨(dú)或組合燈光、顯示和音響 (話音告警和音調(diào)告警)綜合告警方式，以及采用標(biāo)識字符、顏色、閃爍頻率、字符位置、頻率、間斷時間和語速等信號對告警信息進(jìn)行編碼.

當(dāng)車輛主要系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)生故障或處于非正常工作狀態(tài)或重要系統(tǒng)接通時，通過顯示器、耳機(jī)和相應(yīng)的告警燈向乘員發(fā)出告警，并在顯示器上顯示故障清單和應(yīng)急處置清單.

告警燈包括車外告警燈、主告警燈盒、告警燈盒、狀態(tài)指示燈盒.車外告警燈用于開窗駕駛車輛時提示乘員有故障時告警，有故障時燈亮;主告警燈盒用于1級和2級故障信息告警;告警燈盒用于3級信息告警;狀態(tài)指示燈盒用于4級信息顯示.

2)車輛告警信息等級定義.

定義故障和告警的目的是為了向車輛乘員通報有故障存在并提供故障的詳細(xì)情況.告警信息等級是按照車輛乘員對事件或故障作出反應(yīng)的緊急程度及故障對車輛行車安全和任務(wù)完成情況的影響劃分為4級，如表1所示.

表1 車輛告警信息等級劃分

4 結(jié)束語

特種車輛BIT故障診斷與健康管理利用車輛綜合電子系統(tǒng)自身提供的硬件和軟件資源，通過對車輛的測試性/BIT設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)的功能測試和性能監(jiān)控，提高基層級BIT故障診斷能力;應(yīng)用系統(tǒng)故障模型、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息融合技術(shù)，可以預(yù)計(jì)即將發(fā)生的故障，并估計(jì)部件剩余使用壽命.

本文研究跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)水平，立足國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀和現(xiàn)實(shí)問題，分析和梳理了車輛的使用和維修保障要求，提出了車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的功能需求;針對這些功能需求，提出了車輛BIT故障診斷與健康管理系統(tǒng)的方案構(gòu)想，并對總體架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能、軟硬件組成、關(guān)鍵技術(shù)等研究內(nèi)容進(jìn)行了探討，為進(jìn)一步的深入研究提供了有益的參考.

[1] 張寶珍，曾天翔.PHM:實(shí)現(xiàn)F-35經(jīng)濟(jì)可承受性目標(biāo)的關(guān)鍵使能技術(shù) [J].航空維修與工程，2005，(6):20-21.

[2] 田 仲，石君友.系統(tǒng)測試性設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[M].北京:航空航天大學(xué)出版社，2003.

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