秦 亮，王 朕，李 祺

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武器裝備重載運(yùn)輸車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 亮1，王 朕1，李 祺2

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺 264001；2. 中國航天科工集團(tuán)第三研究院，北京 100074）

本文針對大型武器重載運(yùn)輸車輛存在的信息化程度不高，測試性、維修性、保障性設(shè)計(jì)不足等問題，對某型車輛進(jìn)行了加改裝，建立了開放式通用化狀態(tài)感知和采集體系結(jié)構(gòu)，安裝智能傳感器、健康信息處理平臺、接口適配設(shè)備、信息監(jiān)測處理設(shè)備等實(shí)現(xiàn)對車輛底盤、電站、電子設(shè)備和液壓系統(tǒng)等關(guān)重件的綜合健康狀態(tài)信息采集和監(jiān)測。本系統(tǒng)可以為各級指揮人員提供即時(shí)裝備健康狀態(tài)信息，有利地支持裝備精確維修和遠(yuǎn)程支援。

重載運(yùn)輸車 狀態(tài)監(jiān)測 傳感器

0 引言

隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一批大型軍用武器裝備，體積重量超出常規(guī)車輛裝載運(yùn)輸能力，一般設(shè)計(jì)專用重載車輛完成日常使用及運(yùn)輸任務(wù)。但受研制時(shí)的技術(shù)水平所限，重載運(yùn)輸車輛的信息化程度不高，測試性、維修性、保障性設(shè)計(jì)不足，指揮和作戰(zhàn)人員無法及時(shí)掌握車輛的健康狀態(tài)，不能滿足當(dāng)前裝備的精確維修、后勤物資的快速調(diào)配等需求，其使用、保養(yǎng)和維護(hù)一直是軍方關(guān)注的熱點(diǎn)。

本文通過對某型車輛的信息化改造，安裝智能傳感器、健康信息處理平臺、接口適配設(shè)備、信息監(jiān)測處理設(shè)備等方式實(shí)現(xiàn)對車輛底盤、電站、電子設(shè)備和液壓系統(tǒng)等關(guān)重件的綜合健康狀態(tài)信息采集和監(jiān)測，并將健康狀態(tài)信息和車輛位置信息通過北斗短報(bào)文或駐地接入網(wǎng)等信息傳輸手段即時(shí)回傳基地，解決了車輛健康信息采集、預(yù)處理和傳輸問題，為基地各級指揮和作戰(zhàn)人員即時(shí)獲知并掌握裝備健康狀態(tài)、車輛位置、調(diào)動(dòng)后勤物資以及部隊(duì)快速響應(yīng)提供基礎(chǔ)支持。

1 開放式通用化狀態(tài)感知和采集體系結(jié)構(gòu)

整體的采集體系抽象框架如圖1所示，系統(tǒng)采用二級總線接口，充分利用網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢以及以太網(wǎng)組網(wǎng)的便利性，同時(shí)考慮傳統(tǒng)設(shè)備其他類型接口（如RS-422、RS-232等）的監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)了通用的多功能網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換器，在兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的監(jiān)測功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)接口設(shè)備的監(jiān)測和狀態(tài)搜集。

在網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)體系框架下，融入支持時(shí)鐘同步的IEEE1588協(xié)議支持，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵狀態(tài)采集的時(shí)標(biāo)識別（或時(shí)標(biāo)標(biāo)記、異步采集狀態(tài)的同步判別等），避免因網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和非嚴(yán)格同步時(shí)鐘條件下狀態(tài)采集信息帶來的處理挑戰(zhàn)，提升對狀態(tài)（尤其是具有嚴(yán)格時(shí)間順序事件）的判斷準(zhǔn)確度。

以網(wǎng)絡(luò)化為核心的第一級采集體系，可充分發(fā)揮當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的發(fā)展趨勢，保證了系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和潛在的升級能力。

基于CAN總線的二級傳感狀態(tài)監(jiān)測體系，有效利用了CAN總線高實(shí)時(shí)、高可靠以及車載廣泛應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，在充分符合監(jiān)測狀態(tài)數(shù)據(jù)（普遍的數(shù)據(jù)傳輸壓力不大）的傳輸需求的前提下，也具備良好的擴(kuò)展性和通用性[1]。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)框圖

基于網(wǎng)絡(luò)的傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，充分實(shí)現(xiàn)了車輛重要組成部件的分布式、數(shù)字化監(jiān)測功能，通過在待測部分或?qū)ο蟛考h(yuǎn)端布置監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，有效避免了長線傳輸對模擬信號、微弱傳感信號帶來的傳輸挑戰(zhàn)和處理挑戰(zhàn)，通過遠(yuǎn)端模擬——數(shù)字的轉(zhuǎn)換，依托CAN總線傳輸抗干擾能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，提升狀態(tài)感知和監(jiān)測采集的可信性。同時(shí)，CAN總線易于部署，對于不同類型或存在差異的車輛底盤及其他子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布置，也極大地提升了部署的便利性和可操作性。

二級遠(yuǎn)端部署監(jiān)測節(jié)點(diǎn)并依托數(shù)字化CAN總線的體系，也為未來支撐系統(tǒng)升級、部署其他類型的傳感類型、監(jiān)測更多/更為復(fù)雜的對象參數(shù)，提供了充足的擴(kuò)展空間，為未來實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備狀態(tài)控制系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。

開放通用化狀態(tài)感知和采集體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)良好健康狀態(tài)監(jiān)測的前提和技術(shù)保證。

2 狀態(tài)檢測傳感器

2.1 外界環(huán)境感知

對于外界環(huán)境的感知，主要是外界環(huán)境溫度的測量。在分析底盤各子系統(tǒng)功能時(shí)，需要參考溫度的影響因素。例如，在分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)的溫升時(shí)，外界環(huán)境的溫度變化需要被考慮其中。

底盤的溫度采集利用JCJ110DLB螺紋安裝式數(shù)字溫度傳感器，其結(jié)構(gòu)如2所示。

圖2 環(huán)境溫度測量傳感器

2.2 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

大型車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般是采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向控制閥等關(guān)鍵部件[2]。本設(shè)計(jì)中，將監(jiān)測轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油溫的傳感器安裝在轉(zhuǎn)向油箱放油塞上，所選用的溫度傳感器為美國測試科技公司的DQD-300傳感器，DQD-300傳感器除可以測量油的溫度外，還可以對油的粘度、密度、介電常數(shù)進(jìn)行測量，通過RS-485進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋。如圖3所示。

圖3 DQD-300傳感器

2.3 懸架監(jiān)測

懸架是車架與車橋之間的一切傳力連接裝置的總稱，它把車架與汽車前后橋彈性的連接起來，并使車輪在行駛過程中所承受的沖擊力不會(huì)直接傳遞到車架，以免引起車身的劇烈震動(dòng)。懸架一般由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成，這三部分分別起到緩沖、減振和導(dǎo)向的作用。在某些情況下，某一零件可以兼起兩種或三種作用。

大型車輛或特種車輛的懸架子系統(tǒng)一般選用雙橫臂雙扭桿獨(dú)立懸架，能夠很好的將路面作用在輪上的力和力矩傳遞到車架，以保證車輛的正常行駛。同時(shí)，懸架還能夠緩合不平路面產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的振動(dòng)，保證車輛行駛的平順性。

針對懸架子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，最重要的指標(biāo)是車輛在行駛過程中，由于路面不平對于懸架系統(tǒng)造成的上下位移量，本設(shè)計(jì)中選用位移傳感器對懸架子系統(tǒng)的上下位移量進(jìn)行信息采集，通過車架模型計(jì)算車輛動(dòng)態(tài)載荷，并且測定車輛水平質(zhì)心，可為車輛危險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警提供參考。所選用的位移傳感器為荷蘭弗瑞柏公司的型號為LINARIX拉線位移傳感器，如圖4所示。

圖4 拉線位移傳感器

2.4 制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測

大型車輛制動(dòng)子系統(tǒng)一般采用液壓式，常規(guī)制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置所有元件均不通電，制動(dòng)液經(jīng)隔離閥進(jìn)入輪缸。主動(dòng)制動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)通過控制各執(zhí)行元件通斷電來實(shí)現(xiàn)被控車輪增壓、保壓和減壓的動(dòng)態(tài)切換。

對于制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，最重要的是對于制動(dòng)缸內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測，本設(shè)計(jì)針對制動(dòng)主缸的出口壓力和各個(gè)車輪的制動(dòng)輪缸的入口壓力進(jìn)行監(jiān)測，通過安裝壓力傳感器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)的壓力信息采集，通過采集節(jié)點(diǎn)將這些采集的信息傳輸至控制節(jié)點(diǎn)，最后傳輸至信息處理設(shè)備進(jìn)行處理。所采用的壓力傳感器為德國HELM公司HM10高精度壓力傳感器，如圖5所示。

圖5 制動(dòng)壓力傳感器

設(shè)計(jì)中選用螺紋安裝方式壓力傳感器，其螺紋尺寸為M20×1.5，具體安裝方式為在制動(dòng)主缸的出口接頭及各個(gè)車輪的制動(dòng)輪缸入口的接頭進(jìn)行剎車子系統(tǒng)的氣壓監(jiān)測。

2.5 胎壓監(jiān)測子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

車輛的胎壓過高、過低均會(huì)產(chǎn)生不同的危害，具體表現(xiàn)為：胎壓過高使輪胎接地面積減小、磨損加重、容易爆胎、降低剎車效果等；胎壓過低易使胎冠剝離、兩側(cè)磨損、爆胎等。所以，對于胎壓要求其處于正常范圍之內(nèi)，在車輛行使過程中才不會(huì)對車輛安全產(chǎn)生威脅。

對于胎壓的監(jiān)測包括兩種方法：間接式監(jiān)測方法與直接式監(jiān)測方法。間接式監(jiān)測是通過車輛的ABS系統(tǒng)的輪速傳感器來比較車輪之間的轉(zhuǎn)速差別，當(dāng)輪胎的氣壓過高或過低時(shí)，輪胎的直徑就會(huì)相應(yīng)的變大或變小，車輪的輪速也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，監(jiān)測系統(tǒng)將車輪轉(zhuǎn)速的變化情況同預(yù)先存儲的標(biāo)準(zhǔn)值比較，便可以得到輪胎氣壓過高或過低。

相比于間接監(jiān)測方法，直接監(jiān)測方法可以獲得每個(gè)輪胎真實(shí)的氣壓及溫度，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢。常用的直接胎壓監(jiān)測方法分為氣門嘴式、鋼帶捆扎式、氣門嘴帽蓋式，如圖6所示。

圖6 直接胎壓監(jiān)測方法

本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾公司的FXTH8715胎壓胎溫監(jiān)測傳感器，F(xiàn)XTH8715集成了壓力檢測、溫度檢測、加速度檢測功能。在使用過程中，在底盤信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)監(jiān)測傳感器接收電路，將所采集到的壓力、溫度及加速度信息傳輸至控制節(jié)點(diǎn)，最后匯聚于工業(yè)處理終端，實(shí)現(xiàn)對輪胎的狀態(tài)監(jiān)測與實(shí)時(shí)顯示。

輪胎轉(zhuǎn)速傳感器選用上海擎科電子有限公司的SMS16磁敏轉(zhuǎn)速傳感器，SMS16感測對象為磁性材料或?qū)Т挪牧?，如磁鋼、鐵和電工鋼等，如圖7所示：

圖7 輪胎轉(zhuǎn)速傳感器

2.6 傳動(dòng)子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

傳動(dòng)系統(tǒng)故障主要集中在軸承、齒輪等零件的故障。圓柱滾子軸承作為滾動(dòng)軸承各種類中最常見的一種軸承，是將旋轉(zhuǎn)的軸與軸承座間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦并減少摩擦損失的機(jī)械部件，作為機(jī)械設(shè)備中重要的旋轉(zhuǎn)零件，也是機(jī)械設(shè)備的重要故障源之一。圓柱滾子軸承和齒輪的故障檢測和故障診斷主要是對軸承故障的信號進(jìn)行采集和分析，通過相應(yīng)的信號處理方法，判斷出軸承和齒輪是否發(fā)生故障及其故障類型，其本質(zhì)是運(yùn)行狀態(tài)的模式識別問題。

常見的軸承故障包括磨損、疲勞剝落、斷裂、點(diǎn)蝕、壓痕、掉碴等。常見的齒輪系統(tǒng)故障類型主要包括齒面磨損、齒面膠合、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒等。

傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于接觸表面摩擦和旋轉(zhuǎn)部件不平衡等原因會(huì)伴隨著機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)部件工作狀態(tài)不正常或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)幅值和頻率都會(huì)發(fā)生變化，所以振動(dòng)可以作為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷的主要參數(shù)，針對以上傳動(dòng)系統(tǒng)故障的診斷，主要對其振動(dòng)信號進(jìn)行采集。

選擇合適的傳感器時(shí)有效檢測到需要參數(shù)的前提，因此選用合適的振動(dòng)傳感器是十分重要和必要的，在選擇的過程中，主要考慮了傳感器的頻響范圍、靈敏度、使用環(huán)境條件、安裝方法、傳感器供電等因素。另外，傳動(dòng)系統(tǒng)不同部位振動(dòng)信號頻率范圍有所不同，結(jié)合以上因素選擇了美國CTC傳感器公司生產(chǎn)的AC102-1A壓電式電壓輸出型加速度傳感器和美國PCB公司生產(chǎn)的352C34壓電集成加速度傳感器，可以用于測量振動(dòng)信號，如圖8所示。兩款傳感器均具有靈敏度高、輸出信號質(zhì)量好的特點(diǎn)，在安裝傳感器的過程中按照部位選擇不同傳感器。AC102-1A壓電式電壓輸出型加速度傳感器主要安裝在傳動(dòng)系的不同部位，352C34壓電集成加速度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)部位。

圖8 AC102-1A加速度傳感器

對于車輛變速箱振動(dòng)檢測，主要測量三個(gè)方向（水平徑向、垂直徑向、水平軸向）的振動(dòng)，加速度傳感安裝位置如9所示。

軸承振動(dòng)信號測量，為了盡量減少傳感器的安裝對軸承安全性的影響，主要考慮將振動(dòng)傳感器安裝在軸承座上，盡可能在軸承座水平、垂直和軸向三個(gè)正交方向上布置加速度傳感器。

對于采集的振動(dòng)信號，主要采用基于時(shí)頻域的方法進(jìn)行分析處理，對部件狀態(tài)進(jìn)行診斷。時(shí)域波形分析通常是最直觀的故障診斷方法，對于某些有明顯特征的故障，可以利用時(shí)域波形做初步和直觀的判斷。常用的時(shí)域參數(shù)有均方根值、峭度系數(shù)、峰值等，該方法可以很好的初步判斷部件是否發(fā)生故障。均方根值、峭度系數(shù)和峰值三個(gè)參數(shù)是對振動(dòng)信號進(jìn)行時(shí)域參數(shù)統(tǒng)計(jì)，均方根值與峰值是有量綱單位，使用時(shí)需要有具體對象的先驗(yàn)知識，需要之前確定一個(gè)度量指標(biāo)，以確定部件對象在這些值達(dá)到這些度量指標(biāo)后即可判斷有故障發(fā)生，這是理由這些參數(shù)指標(biāo)判斷故障的一個(gè)很大缺點(diǎn)，并對轉(zhuǎn)速等變化比較敏感。而對于峰值因子與峭度系數(shù)，它們屬于無量綱參數(shù)指標(biāo)，基本上不受軸承等部件型號、轉(zhuǎn)速、載荷、信號的絕對水平影響，在判斷軸承有無故障時(shí)更加有效。

圖9 傳感器測點(diǎn)安裝示意圖

頻域分析是機(jī)械故障診斷中使用最多的信號處理方法之一，當(dāng)部件出現(xiàn)故障后，通常會(huì)引起其振動(dòng)信號頻率成分方面發(fā)生變化，因此根據(jù)這些頻率成分的組成和大小，可以對機(jī)械部件故障進(jìn)行識別和評價(jià)。此外，還可以利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波變換等時(shí)頻域的分析方法對振動(dòng)信號進(jìn)行特征提取，進(jìn)而獲取部件狀態(tài)信息。

為了監(jiān)測車輛油門大小情況，選用了拉線位移傳感器對油門拉桿行程進(jìn)行監(jiān)測，所選用的位移傳感器為荷蘭弗瑞柏公司的型號為LINARIX拉線位移傳感器，具體參數(shù)指標(biāo)可參見懸架子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測部分。

3 基于相關(guān)分析建模的傳感融合

很多故障或異常狀態(tài)的監(jiān)測和識別，均需要依托多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)不同類型、不同部分傳感器的數(shù)據(jù)融合，為狀態(tài)監(jiān)測判斷和健康狀態(tài)識別奠定基礎(chǔ)。其中涉及的內(nèi)涵包括：用哪些最重要的傳感器匹配不同的異常/故障類型、如何通過對傳感器之間的關(guān)聯(lián)分析降低虛警、如何識別是對象系統(tǒng)故障或傳感器自身故障，對于本系統(tǒng)的后續(xù)使用，均具有重要的方法支撐作用。

基于相關(guān)分析建模的傳感器融合技術(shù)框架如圖10所示。

圖10 傳感器融合技術(shù)框架

3.1 規(guī)則檢查

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法[4]計(jì)算多傳感器數(shù)據(jù)序列之間的相似程度，得到表征相似程度的關(guān)聯(lián)度，以分析和建立合理和有效的關(guān)聯(lián)規(guī)則。參考序列為傳感器數(shù)據(jù)序列，定義，比較序列為去掉傳感器的其余傳感器序列，定義為，。表示序列的長度，表示比較序列的個(gè)數(shù)。

（1）

3.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波

采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法[5]實(shí)現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)融合?？柭鼮V波算法可以有效地將系統(tǒng)物理模型和傳感器數(shù)據(jù)特征相結(jié)合，給出系統(tǒng)隱含狀態(tài)的可靠估計(jì)。考慮離散控制過程系統(tǒng)，可用下式進(jìn)行描述：

其中，式（2）稱為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)觀測方程，分別對系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)隨時(shí)間的變化特征進(jìn)行描述和通過觀測方程將系統(tǒng)隱含狀態(tài)轉(zhuǎn)化成一種可見的輸出參量。其中，稱為狀態(tài)變換模型，稱為輸入—控制模型，為觀測模型，為系統(tǒng)在時(shí)刻的狀態(tài)，為控制輸入，和為均值等于零的高斯白噪聲，即、，和為各自噪聲的方差。基本思路為通過狀態(tài)方程和測量方程的設(shè)計(jì)構(gòu)建卡爾曼濾波器，以實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合輸出。

通過規(guī)則檢查和卡爾曼濾波得到的傳感器數(shù)據(jù)可構(gòu)成具有區(qū)間數(shù)據(jù)表達(dá)的不確定數(shù)據(jù)，而魯棒狀態(tài)回歸Robust SVM具有良好的不確定數(shù)據(jù)處理能力，可以較好完成傳感數(shù)據(jù)回歸。之后通過區(qū)間判斷可以完成傳感器故障檢測，并可以通過實(shí)際傳感數(shù)據(jù)與回歸數(shù)據(jù)完成傳感數(shù)據(jù)重構(gòu)。

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的大型裝備重載運(yùn)輸車輛狀態(tài)檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于海軍某型岸導(dǎo)裝備的運(yùn)輸車輛中，為部隊(duì)進(jìn)行定期檢查、維護(hù)、維修提供途徑和依據(jù)，提高了該裝備的綜合戰(zhàn)斗能力，為其精確維修、綜合決策提供了數(shù)據(jù)支撐。從而為后續(xù)進(jìn)一步開展該裝備故障模式、故障影響及危害性分析，建立故障診斷及預(yù)測模型，研發(fā)裝備健康管理應(yīng)用服務(wù)，提供可信、真實(shí)、信息化的健康信息。

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The Design and Realization of Heavy Haulage Transport Vehicle Status Monitoring System

Qin Liang1, Wang Zhen1, Li Qi2

( 1. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China; 2. The 3rd Academy, China Aerospace science and industry corporation, Beijing 101416，China)

TP227

A

1003-4862（2017）06-0001-05

2017-03-15

秦亮（1984-），男，博士。研究方向：裝備保障、測試診斷。E-mail: qinliang982@163.com