孫國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

0 引言

雷達(dá)作為一個(gè)大規(guī)模的電子產(chǎn)品，在使用過(guò)程中出現(xiàn)部分設(shè)備性能下降或故障的可能性很大，但使用人員最主要的工作是目標(biāo)錄取跟蹤，而對(duì)于雷達(dá)狀態(tài)的日常監(jiān)測(cè)主要靠觀察進(jìn)行，這導(dǎo)致不能及時(shí)的預(yù)防或發(fā)現(xiàn)并排除雷達(dá)故障，限制了雷達(dá)的可用度。為了提高雷達(dá)在使用過(guò)程中的可用度，建立完善的監(jiān)控和自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)是一個(gè)很有必要的研究。

1 傳統(tǒng)檢查修復(fù)方法

1.1 定期維護(hù)檢查

雷達(dá)是一部技術(shù)含量高、設(shè)備復(fù)雜的高技術(shù)武器裝備，在使用過(guò)程中可能會(huì)由于器件老化、使用不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е虏糠衷O(shè)備性能下降，定期維護(hù)檢查就是利用外部測(cè)試儀表等設(shè)備發(fā)現(xiàn)性能下降、但尚能使用的情況［1］，通過(guò)加注潤(rùn)滑油等維護(hù)措施預(yù)防雷達(dá)故障的發(fā)生，保障雷達(dá)設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的可靠性。

1.2 故障自動(dòng)定位

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，機(jī)內(nèi)故障自動(dòng)檢測(cè)定位技術(shù)裝置發(fā)揮著重要作用，利用嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)［2］，結(jié)合各個(gè)組成系統(tǒng)設(shè)備的檢測(cè)電路，進(jìn)行分布式檢測(cè)、集中控制處理的方法，在不影響雷達(dá)系統(tǒng)正常工作的前提下，不間斷地對(duì)全機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視［3］，并對(duì)可更換單元的故障信息進(jìn)行采集，經(jīng)比較關(guān)聯(lián)分析給出故障報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的故障自動(dòng)定位，并將故障報(bào)警信息顯示在監(jiān)控顯示界面上，提示發(fā)生故障的可更換單元位置，減少操作人員的維修時(shí)間。

1.3 經(jīng)驗(yàn)判斷

有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在使用過(guò)程中對(duì)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離、高度等情況進(jìn)行比較分析，能夠在故障發(fā)生前發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能下降的情況，但這需要操作人員長(zhǎng)時(shí)間的使用經(jīng)驗(yàn)積累，而對(duì)于設(shè)備復(fù)雜的雷達(dá)而言，要求操作人員憑借經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各種故障是很困難的。

1.4 傳統(tǒng)方法比較

定期維護(hù)優(yōu)點(diǎn)是可以在檢查維護(hù)過(guò)程中通過(guò)指標(biāo)測(cè)試發(fā)現(xiàn)性能下降的情況，能夠在故障前有效發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患，但由于間隔時(shí)間長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雷達(dá)狀態(tài);故障自動(dòng)定位可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，在不使用外置儀表的情況下，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作情況，顯示發(fā)生故障的可更換單元位置，減少操作人員的維修時(shí)間，但由于故障的突發(fā)性，導(dǎo)致發(fā)生故障后必須停機(jī)檢查維修;經(jīng)驗(yàn)判斷能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備性能下降的情況，兼顧了定期維護(hù)和故障自動(dòng)定位的優(yōu)點(diǎn)，并可以根據(jù)情況決定是否停機(jī)排除，但對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求高;以上幾種方法均能夠有助于發(fā)現(xiàn)和排除雷達(dá)故障，但也具有一定的不足，并且由于故障的突發(fā)性，可能會(huì)對(duì)雷達(dá)裝備的任務(wù)可靠性產(chǎn)生一定的影響。

2 故障自動(dòng)修復(fù)設(shè)計(jì)

雷達(dá)故障自動(dòng)修復(fù)設(shè)計(jì)就是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用雷達(dá)設(shè)備的功能冗余，在計(jì)算機(jī)控制下完成系統(tǒng)的重構(gòu)，保障雷達(dá)裝備的任務(wù)可靠性［4］。雷達(dá)故障自動(dòng)修復(fù)設(shè)計(jì)必須以可靠完善的性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)充分的冗余設(shè)計(jì)和可靠地智能處理控制切換，減少雷達(dá)故障停機(jī)檢修時(shí)間。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障自動(dòng)修復(fù)是在雷達(dá)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在計(jì)算機(jī)的控制下第一時(shí)間啟動(dòng)冗余設(shè)備，保證雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。

故障自動(dòng)修復(fù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備;軟件主要是在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)狀態(tài)特征提取、故障相關(guān)、控制修復(fù)等功能。數(shù)據(jù)采集傳感器主要完成雷達(dá)各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)采集任務(wù);數(shù)據(jù)處理模塊將傳感器提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，將處理后的特征值輸出給監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行狀態(tài)的相關(guān)處理，并判斷是否需要報(bào)警或啟用冗余設(shè)備。

2.2 狀態(tài)采集處理

可靠的狀態(tài)采集處理是故障自動(dòng)修復(fù)的基礎(chǔ)，是利用各個(gè)組成系統(tǒng)中的檢測(cè)電路，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)接口，進(jìn)行系統(tǒng)性能的分布式在線檢測(cè)，并將狀態(tài)信息輸出給集中式控制處理計(jì)算機(jī)［5］，如在速調(diào)管損壞時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)發(fā)射功率下降的情況，通過(guò)功率檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)速調(diào)管的輸出功率，功率檢測(cè)模塊將功率信息發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)中與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)功率下降情況，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生。從處理數(shù)據(jù)的集中程度分為集中處理和分布處理。

圖2 狀態(tài)分布處理示意圖

以上兩種處理各有優(yōu)缺點(diǎn)，集中處理方法數(shù)據(jù)傳輸量大，分布式處理方法將會(huì)增加雷達(dá)設(shè)備量;結(jié)合雷達(dá)設(shè)備量大、結(jié)構(gòu)空間小的特點(diǎn)，在雷達(dá)的狀態(tài)采集處理上可以采用分布式傳感器采集狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、分層集中式數(shù)據(jù)處理的方法［6］，兼顧了集中處理和分布處理的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 分布采集、分層處理示意圖

分布式傳感器采集狀態(tài)數(shù)據(jù)信息、分層集中式數(shù)據(jù)處理的方法既能較多地保留傳感器的原始數(shù)據(jù)，又能降低數(shù)據(jù)傳輸和處理壓力;并且狀態(tài)數(shù)據(jù)處理設(shè)備比較分散，可以合理利用雷達(dá)空間，緩解了雷達(dá)空間有限的壓力。

2.3 冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是提高設(shè)備可靠性的有效措施之一，它可以在單個(gè)組件或系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)不影響系統(tǒng)整體執(zhí)行任務(wù)的可靠度［7］，尤其是在系統(tǒng)無(wú)法停機(jī)維修時(shí)，系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)就顯得更加重要;冗余設(shè)計(jì)一般包括并聯(lián)冗余、串并組合冗余、并串組合冗余等多種形式。

并聯(lián)冗余是有N 個(gè)功能性能相同的工作單模塊并聯(lián)組成，只要有其中1 個(gè)工作模塊有效，系統(tǒng)均能正常工作，但隨著N 的增加，設(shè)備的成本、重量、體積也成比例增加，在實(shí)際設(shè)計(jì)中固定站雷達(dá)采用并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)時(shí)一般將N 取值為2，但對(duì)于機(jī)動(dòng)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，重量、體積的增加意味著機(jī)動(dòng)性的降低，所以一般采用串并組合冗余或并串組合冗余，由于串并組合冗余設(shè)備量大，并串組合冗余的設(shè)備連接關(guān)系復(fù)雜，所以一般采用兩種冗余方法的組合增加系統(tǒng)的可靠性。

圖5 并串冗余示意圖

2.4 故障自動(dòng)修復(fù)控制

在可靠地狀態(tài)采集處理的基礎(chǔ)上，監(jiān)控計(jì)算機(jī)利用冗余設(shè)備完成故障的自動(dòng)修復(fù)。

如在某雷達(dá)中，功率檢測(cè)模塊在發(fā)現(xiàn)速調(diào)管功率下降到一定限度時(shí)，控制計(jì)算機(jī)提醒操作人員進(jìn)行檢查維修排除，如果再下降到一定限度以至于發(fā)生故障時(shí)，控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)熱備份發(fā)射機(jī)，在最短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備的切換，保證系統(tǒng)的可靠工作(見(jiàn)圖6)。

圖6 自動(dòng)修復(fù)示意圖

2.5 故障自動(dòng)修復(fù)方法的使用限制

故障自動(dòng)修復(fù)設(shè)計(jì)必須建立在可靠地狀態(tài)采集和故障判斷的基礎(chǔ)上，故障覆蓋率、隔離率或準(zhǔn)確率低，將嚴(yán)重會(huì)影響故障的自動(dòng)修復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)，并且當(dāng)控制計(jì)算機(jī)可靠性低時(shí)甚至?xí)绊懤走_(dá)系統(tǒng)本身的可靠性。

冗余設(shè)計(jì)在高可靠的控制計(jì)算機(jī)的控制下能夠提高雷達(dá)的任務(wù)可靠性，但冗余設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的設(shè)備量，以致于增加系統(tǒng)的重量和經(jīng)費(fèi)，甚至影響雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性。

所以，故障自動(dòng)修復(fù)設(shè)計(jì)必須采用高可靠的控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集傳感器;在此基礎(chǔ)上，對(duì)冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足雷達(dá)設(shè)計(jì)的成本、重量、機(jī)動(dòng)性要求的情況下，提高雷達(dá)系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)故障修復(fù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在以可靠的狀態(tài)采集處理和充分的冗余基礎(chǔ)上，利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制雷達(dá)系統(tǒng)的自動(dòng)修復(fù)，減少了操作人員的檢修時(shí)間，降低了維修使用成本，保證了雷達(dá)的作戰(zhàn)性能的發(fā)揮，并提出了故障自動(dòng)修復(fù)方法的使用局限。在無(wú)人值守和少人值守的雷達(dá)設(shè)計(jì)上具有十分重要的參考意義。

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