張 雷，常天慶，蘇奎峰，楊國振

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

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一種便攜集成式伴隨保障系統(tǒng)

張 雷，常天慶，蘇奎峰，楊國振

(裝甲兵工程學院，北京 100072)

為解決弱測試性武器裝備的外場級快速保障問題，提出并研發(fā)了一種便攜集成式伴隨保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)由平板電腦、數(shù)據(jù)采集機箱、信號調理單元以及測試電纜組成，兼?zhèn)銲ETM、遠程數(shù)據(jù)終端、測試維修設備等多種功能；硬件部分的平板電腦具有IETM的完整功能，可與裝備通信系統(tǒng)實現(xiàn)無縫鏈接；數(shù)據(jù)采集機箱與信號調理單元之間采用卡具連接，便于功能拓展，與平板電腦無線連接后，應用診斷軟件能夠實現(xiàn)典型裝備的系統(tǒng)級故障診斷；軟件部分基于Lab windows、Visio VBA和Access數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)，重點解決了基于頂層故障現(xiàn)象智能推理、故障樹自動生成、判斷節(jié)點自動檢測等功能；該系統(tǒng)經過試驗驗證，能夠準確調用軟件各功能模塊，能夠完成裝備系統(tǒng)級故障診斷以及與指控通信系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

IETM；保障；保障系統(tǒng)

0 引言

隨著武器裝備復雜性的提高，裝備可靠性、維修性、測試性等保障技術得到了大力發(fā)展與廣泛應用。各層級保障設備與儀器在診斷裝備故障，提高裝備完好率等方面發(fā)揮了重要作用。以美飛機、艦船為代表的西方軍用裝備，注重提升裝備自身的保障性，建設了交互式電子手冊(IETM)、VXI總線專用儀器等保障設備，形成了較完備、體系化的保障策略。其中，IETM作為外場級主要維修保障手段，綜合運用多媒體信息處理、數(shù)據(jù)庫管理、專家系統(tǒng)等技術，將裝備的操作使用說明、結構原理、維修指導、圖紙技術資料等信息集于一體，建立了人機和諧交互的維修環(huán)境，為維修人員提供了實時、高效的過程指導和技術信息支持[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，美軍裝備因使用了交互式電子技術手冊，技術信息管理成本費用降低40%～60%，故障排除正確率提高35%，培訓時間縮短25%～50%[4]。但這種單純的交互式電子手冊，對于測試性普遍不高的地面武器裝備，功能有效性受到了很大的制約，保障作用不明顯。為提升弱測試性裝備的外場級保障水平，基于IETM的工作模式，便攜式診斷設備(PDA)、便攜式測試設備(PMA)等相繼被提出，并成為各級維修保障部門研究的熱點。PDA、PMA均是一種集成IETM與測試儀器的便攜式保障設備，很大程度適應了武器裝備原位保障需要，發(fā)展有多種形式并不斷完善。目前，PDA和PMA常陷于多功能保障需求和設備的體積、重量之間的矛盾，連接測試電纜后，操作的便易性也會明顯降低?；诖耍疚脑O計并研制了一種便攜集成式伴隨保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊化、網絡化等特點，同時具備IETM、遠程數(shù)據(jù)終端、測試維修設備等多種功能。

1 總體設計

圖1 系統(tǒng)組成結構圖

便攜式綜合保障系統(tǒng)由加固式平板電腦、數(shù)據(jù)采集機箱、裝備各分系統(tǒng)信號調理單元以及測試電纜組成?？傮w組成結構圖如圖1所示。其中，便攜式平板電腦終端具有3種主要功能，首先其為典型的交互式電子手冊，有完整的裝備數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫，包括裝備培訓教材、使用說明、圖紙資料以及裝備的維護說明、常見故障分析等內容，具備良好的可視化信息交互能力；其次，為適應數(shù)字化武器裝備的發(fā)展，設計便攜式平板電腦兼具有數(shù)據(jù)終端的功能，通過串行接口與裝備指控通信系統(tǒng)數(shù)傳模塊完成數(shù)據(jù)交換，可實現(xiàn)音(視)頻信息的采集處理、本地數(shù)據(jù)上傳、維修現(xiàn)場與遠程維修支援中心之間的信息交互。最后，它可與測試部分通過無線網絡建立數(shù)據(jù)連接，轉變?yōu)楸銛y式測試診斷設備，通過故障診斷樹和在線測試數(shù)據(jù)，完成裝備的故障定位。數(shù)據(jù)采集機箱是測試部分的核心，主要由主板、無線網卡、LAN接口的相關測試卡所組成。在機械結構上，通過內嵌卡具和與信號調理單元相連接，電氣連接方式為航插式硬連接，使用時信號調理單元通過卡具卡在數(shù)據(jù)采集機箱內部。信號調理單元針對裝備不同系統(tǒng)設計，主要起適配作用。

2 硬件設計

便攜式綜合保障系統(tǒng)設計過程中，首先詳細論證了設備的環(huán)境適應性要求、重量和體積要求以及體系結構的限制，而后重點考慮了如下3個方面問題。

1)硬件資源滿足被測裝備的測試需求，各項性能指標達到測試要求；

2)硬件外部接口完備，滿足裝備BIT接口、外部總線接口、設備調試接口以及數(shù)據(jù)交換接口的需求；

3)硬件設計必須遵循標準化、通用化、可擴展的原則，充分應用現(xiàn)場可編程電路，實現(xiàn)硬件資源的靈活調配。

2.1 加固平板電腦

加固平板電腦依據(jù)操作環(huán)境、功能需求、使用便易性定制，包含嵌入式處理器、高亮觸屏、2個串口、WLAN接口、LAN接口、2個USB接口和相關功能鍵。

2.2 數(shù)據(jù)采集機箱

數(shù)據(jù)采集機箱的主要完成測試模塊的電源管理、工作指示、與平板電腦的無線連接、與信號調理單元機械、電氣連接以及數(shù)據(jù)采集等功能。包括電池組、電源管理板、無線網絡模塊、LAN接口1553B總線數(shù)據(jù)采集卡、LAN接口CAN總線數(shù)據(jù)采集卡、LAN接口多功能數(shù)據(jù)采集卡、上嵌方形連接器的轉接板以及機箱箱體等部分，硬件組成結構圖如圖2所示。電源管理板由充電管理模塊、電源轉換模塊、電源保護模塊等部分構成，可為數(shù)據(jù)采集機箱和信號調理單元提供26 V、±15 V、5 V直流電源和26 V、7 V交流400 Hz電源，同時具備充電保護、欠壓、過壓、過流及短路保護功能。多功能數(shù)據(jù)采集卡包含64路TTL電平AD通道、24路可配IO通道、4路DA通道、2路計時器通道，通過轉接板上方形連接器與信號調理單元相連，滿足裝備各分系統(tǒng)模擬和數(shù)字信號測試的需求。1553B總線數(shù)據(jù)采集卡和CAN總線數(shù)據(jù)采集卡均以接收模式為主，直接和裝備的總線接口相連，完成總線信息讀取。

圖2 數(shù)據(jù)采集機箱硬件組成結構圖

2.3 信號調理單元

信號調理單元內裝資源分配模塊、通道控制模塊、通用調理模塊等。其中：資源分配模塊按一定的規(guī)則將資源統(tǒng)一編碼，實現(xiàn)測試量、控制量和冗余量合理的資源分配，從而實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)化。通道控制模塊根據(jù)分配的資源，利用多路開關、可編程邏輯器件、繼電器陣列實現(xiàn)切換與控制，使得在某一個測試區(qū)間內只有有限的外界信號通道接入測試主機進行處理，而其它通道處于斷開狀態(tài)，以保證測試主機安全以及信號的有效性。通用調理模塊用于實現(xiàn)被測量和測試系統(tǒng)的電氣匹配，主要包括電壓范圍調整、電流到電壓的轉換、功率負載的轉換、頻率電壓的轉換、超標信號的隔離、傳感器信號的調整、輸出信號的功率放大、輸出信號的類型轉換等，從而實現(xiàn)輸入、輸出信號的綜合調理，完成數(shù)據(jù)采集端與被測部件之間的信號轉換。

3 軟件設計

圖3 軟件總體分層結構圖

便攜式綜合保障系統(tǒng)軟件主要由5個模塊組成，分別是原理與組成、使用與維護、測試與診斷、技術資料和系統(tǒng)管理。原理與組成模塊用于裝備原理結構的學習，包括裝備總體、分系統(tǒng)和部件的工作原理、結構框圖、電氣原理圖等知識。使用與維護模塊用于指導裝備操作人員的使用、現(xiàn)場維護以及簡單調校。測試與診斷模塊需與硬件的測試部分配合使用，用于分系統(tǒng)的性能測試和故障診斷。系統(tǒng)管理模塊用于用戶管理、使用日志管理、遠程交互管理和綜合查詢?？傮w分層結構圖如圖3所示。

在軟件的所有模塊中，測試與診斷模塊最為復雜，涉及硬件資源調用、測試界面生成、故障診斷樹自動生成、數(shù)據(jù)庫填寫與調用等功能。界面主體以故障診斷樹的形式展現(xiàn)，故障現(xiàn)象和推理過程直觀形象。硬件資源調用與測試界面部分基于Lab Windows軟件完成，以虛擬儀器的方式顯示，數(shù)據(jù)結果判斷、操作提示等內容均由數(shù)據(jù)庫管理。故障樹自動生成部分由系統(tǒng)結構信號圖繪制和故障診斷樹自動生成兩部分程序組成，系統(tǒng)結構信號圖繪制程序完成系統(tǒng)級和部組件邏輯框圖錄入、系統(tǒng)信號流圖錄入、系統(tǒng)故障推理信息的錄入、識別以及相關數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫錄入與讀??；故障樹自動生成是依據(jù)已建立相關性矩陣，搜索、遍歷后生成故障診斷樹。

故障診斷樹自動生成軟件主要依托Visio VBA平臺開發(fā)完成，首先應用該平臺完成系統(tǒng)部件邏輯框圖和系統(tǒng)信號流圖的輸入；而后利用VisioVBA的窗體功能完成圖形文件中相關性信息的提取，將其轉換成定義好的分層次數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，進而形成了“部件屬性信息表”、“信號屬性信息表”、“故障現(xiàn)象信息表”和“信號范圍信息表”；再次，利用已有故障推理信息，完成相關性矩陣的生成，形成“故障診斷樹信息表”；最后，最后根據(jù)具體的故障現(xiàn)象，應用Visio VBA平臺調用“故障診斷樹信息表”即可完成故障診斷樹的自動生成。故障診斷樹自動生成軟件部分編制流程如圖4所示。

圖4 故障診斷樹自動生成軟件部分編制流程圖

4 試驗結果與分析

研制的便攜集成式伴隨保障系統(tǒng)針對某型裝備火控系統(tǒng)進行了試驗驗證，能夠準確調用軟件各功能模塊，能夠完成裝備系統(tǒng)級故障診斷以及與指控通信系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過試驗發(fā)現(xiàn)的問題主要有兩個方面，一是加固平板電腦與數(shù)據(jù)采集機箱之間的無線數(shù)據(jù)傳輸功能易受裝備通信設備的影響，當裝備通信設備工作時，該保障系統(tǒng)的正確工作位置應定位于裝備內部；二是新故障模式錄入的方便性有待提升，為此需開發(fā)簡單易用的新故障模式自動錄入與推理軟件，滿足基層保障單位需要。

5 結論

以IETM模式研發(fā)的便攜式綜合保障系統(tǒng)，充分應用了模塊化、網絡化的設計理念，IETM載體平板電腦與測試裝置部分采用無線網絡連接，便于裝備乘員運用平板電腦完成日常的裝備認知與維護保養(yǎng)；當裝備出現(xiàn)故障時，又可輕易建立與測試裝置部分的數(shù)據(jù)連接，在裝備故障診斷樹的引導下完成裝備的故障定位。便攜式綜合保障系統(tǒng)還集成了遠程保障終端功能，依托裝備的指控信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)、保障數(shù)據(jù)的遠程上傳，也可得到遠程專家維修支持。該系統(tǒng)目前已推廣應用，并收到了良好效果，不足之處是新故障的診斷樹還不能依托專家系統(tǒng)自動生成，仍需人工添加，下一步將重點解決，提升系統(tǒng)的智能性。

[1] 楊寧航,李志忠,鄭 力. 裝備交互式電子技術手冊的設計與實現(xiàn)[J].兵工學報,2007,28(1):119-121.

[2] Leslie A, Leslie O. PIP-Enhanced "At system" diagnosis on the flightline[A]. IEEE AUTOTESTCON 2001 Conference Proceedings[C]. 2001:168-175.

[3] 劉松風,林志文,楊士元. 基于IETM驅動的智能化便攜診斷設備[J]. 計算機測量與控制, 2009，17(6):1030-1032.

[4] 吳永明,葉海生. 基于IETM的裝備故障診斷系統(tǒng)技術研究[J].計算機測量與控制, 2011，19(10):2377-2379.

Portable and Integrated Maintenance System in Following Safeguard

Zhang Lei, Chang Tianqing, Su Kuifeng, Yang Guozhen

(Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072,China)

A kind of integrated maintenance system of IETM model is proposed for solving the problems of the field level equipment support in low testability weapon. It consists of a tablet computer, signal acquisition chassis, signal conditioning unit, and test cables，and it also has three kind of functions that include IETM, remote data terminal, and testing and maintenance equipment. The tablet computer has the complete functions, and transform fault component information to communication system of weapons. It also can be used with data acquired equipment and data process equipment, and the fault will be detected and concluded based on the diagnosis software. The software is developed based on Lab windows,Visio VBA and Access. The important problems of fault detection, diagnosis, failure tree auto generation were solved. At last step, the system was tested and verified in a kind of weapon control system, and all functions are useful.

IETM；maintenance；equipment support

2015-11-10；

2015-12-22。

張 雷(1974-)，男，吉林九臺人，副教授，主要從事火控系統(tǒng)故障診斷方向的研究。

1671-4598(2016)06-0152-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.041

TP311

A