公丕平，姜海寶，申金星，高亞明

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 徐州 221004；2.69214部隊51分隊，新疆 和田 848000）

引言

嵌入式訓(xùn)練模式特別是嵌入式操作訓(xùn)練在歐美等軍事強國實現(xiàn)了快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，而我軍也在進行嵌入式操作訓(xùn)練的有益探索，并成功研制一批具有先進設(shè)計理念與逼真訓(xùn)練效果的嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)。在嵌入式操作訓(xùn)練“基于實裝開展裝備使用訓(xùn)練”前提下，嵌入式維修訓(xùn)練的方式逐漸流行起來，這種訓(xùn)練方式改變了以往采用維修訓(xùn)練模擬器或虛擬維修訓(xùn)練的形式，通過“嵌入”裝備內(nèi)部的設(shè)障模塊，在實際裝備的基礎(chǔ)上實現(xiàn)故障現(xiàn)象的準(zhǔn)確模擬，拓展裝備維修訓(xùn)練方法與手段。這種維修訓(xùn)練方式是在故障注入技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，其借鑒了故障注入技術(shù)的設(shè)計理念，將設(shè)障對象擴展到完整的裝備電氣系統(tǒng)，開發(fā)專用的設(shè)障硬件與軟件，搭建嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)，實現(xiàn)訓(xùn)練設(shè)備與實際裝備的緊密結(jié)合。

1 測試對象選擇與系統(tǒng)設(shè)計要求

1.1 測試對象選擇

某型裝備是我軍的一種骨干橋梁裝備，用于伴隨機械化部隊實施機動保障任務(wù)，但該型裝備自動化程度高，電控系統(tǒng)工作原理復(fù)雜，為部隊的維修保障與維修訓(xùn)練造成了困難，將嵌入式維修訓(xùn)練手段應(yīng)用于重型支援橋維修教學(xué)與訓(xùn)練，可有效促進該裝備考核效果與維修訓(xùn)練水平的提升，實現(xiàn)自主設(shè)障、逼真設(shè)障、全面設(shè)障、隱蔽設(shè)障與無損設(shè)障，改善當(dāng)前裝備維修教學(xué)效果不理想，缺少有效故障模擬手段的現(xiàn)狀。

目前，基層修理分隊對于重型支援橋電控系統(tǒng)的維修檢測能力較為薄弱，主要依靠個人經(jīng)驗與指示燈、萬用表等簡單儀器。如果利用嵌入實裝內(nèi)部的自主設(shè)障單元，還可監(jiān)控重型支援橋所有節(jié)點的信號狀態(tài)，實現(xiàn)裝備狀態(tài)信息的實時、高效檢測，通過與正常信號特性比較，快速定位故障部位，可實現(xiàn)該裝備電控系統(tǒng)常見故障的智能診斷，可有力促進部隊維修保障水平的提高。

總而言之，研制某型裝備電控系統(tǒng)嵌入式維修訓(xùn)練與檢測平臺可實現(xiàn)兩個目標(biāo)：開發(fā)通用硬件平臺與一體化軟件系統(tǒng)中實現(xiàn)維修教學(xué)、訓(xùn)練與考核，實現(xiàn)該裝備維修訓(xùn)練的自主設(shè)障、逼真設(shè)障、全面設(shè)障、隱蔽設(shè)障與無損設(shè)障，進而提升該裝備維修訓(xùn)練水平；利用嵌入式狀態(tài)檢測單元，實現(xiàn)該裝備電控系統(tǒng)信號狀態(tài)的快速檢測與故障智能診斷，提高重型支援橋故障檢測能力與維修保障水平[1-2]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計要求

實現(xiàn)嵌入式維修訓(xùn)練與考核，關(guān)鍵在于利用內(nèi)置設(shè)備模擬電控系統(tǒng)的常見故障，將設(shè)備“嵌入”到裝備信號回路中，根據(jù)訓(xùn)練與考核需求改變原有信號的狀態(tài)，供受訓(xùn)者進行判斷與排除。因此，開發(fā)的維修訓(xùn)練與考核系統(tǒng)要在完成設(shè)障功能要求的同時，應(yīng)遵循以下幾點要求，避免對裝備造成損壞。

1.2.1 自主設(shè)障要求

嵌入式維修訓(xùn)練模式的最大優(yōu)勢在于可以根據(jù)訓(xùn)練進程，按照授課人的思路靈活設(shè)置相應(yīng)的故障現(xiàn)象，供受訓(xùn)者判斷與排除。重型支援橋電控系統(tǒng)自主設(shè)障單元應(yīng)實現(xiàn)主要信號回路的狀態(tài)模擬，確保故障設(shè)置的高效性，授課人只需在上位機控制軟件上輸入或選擇故障類型、名稱，控制單元即可將相應(yīng)的故障代碼發(fā)送到對應(yīng)位置的嵌入式設(shè)障單元，利用繼電器陣列的通斷實現(xiàn)傳感器、電磁閥等信號通道的短路、短路、搭鐵等故障現(xiàn)象，取代以往采用人工方式在裝備內(nèi)部“動手腳”的考核訓(xùn)練模式，突出嵌入式維修訓(xùn)練自主設(shè)障高效、靈活的技術(shù)優(yōu)勢。

1.2.2 全面設(shè)障要求

重型支援橋電氣系統(tǒng)組成與原理較為復(fù)雜，包括4個PLC控制器、無線/有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，42個檢測/壓力/溫度傳感器以及4個電動/手動電磁換向閥，因此具有信號通路眾多、節(jié)點類型復(fù)雜、信號種類多樣的特點，對其進行故障設(shè)置需要滿足幾點要求，一是故障點覆蓋系統(tǒng)主要信號節(jié)點，特別是PLC控制器輸入/輸出口、執(zhí)行元件/位置反饋元件信號輸出口；二是系統(tǒng)故障類型涵蓋電控系統(tǒng)常見故障，包括斷路、短路、搭鐵、接觸不良等現(xiàn)象，以確保故障設(shè)置的多樣性；三是要能夠重復(fù)再現(xiàn)典型故障現(xiàn)象，供受訓(xùn)者進行反復(fù)練習(xí)[3-4]。

1.2.3 無損設(shè)障要求

在重型支援橋電控系統(tǒng)中內(nèi)置嵌入式維修檢測單元，首先要確保不對裝備本身造成損壞，避免由于線路設(shè)計不合理等因素造成的短路等二次故障，在各種工況下不能產(chǎn)生誤操作、誤動作現(xiàn)象，繼電器陣列結(jié)合分離徹底，各接插件接觸可靠，在動態(tài)工況下也不應(yīng)產(chǎn)生松動，各電路焊點牢固，避免儀器與接口受損，同時要考慮電磁兼容性因素，避免對裝備本身無線通訊網(wǎng)絡(luò)造成干擾，影響正常使用甚至出現(xiàn)安全事故。

另外，無損設(shè)障的內(nèi)涵還包括故障現(xiàn)象的快速恢復(fù)，在正常訓(xùn)練考核結(jié)束后，能夠迅速恢復(fù)正常的信號狀態(tài)，避免對裝備接頭造成損壞。

1.2.4 模塊化、可擴展性設(shè)計要求

為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，內(nèi)置于重型支援橋電控系統(tǒng)的硬件模塊結(jié)構(gòu)應(yīng)采用相同的電路設(shè)計以及通訊協(xié)議，僅在無線通訊模塊數(shù)據(jù)地址以及信號接口進行區(qū)分，如某一模塊出現(xiàn)故障，可利用其他模塊進行替換，確保系統(tǒng)滿足正常的訓(xùn)練需求，同時可以根據(jù)教學(xué)需求，靈活擴展設(shè)障范圍，例如前期教學(xué)中可采用1～2個設(shè)障模塊，設(shè)置某幾路信號故障，而在實裝考核階段可在所有信號回路中內(nèi)置多個設(shè)障模塊，實現(xiàn)全系統(tǒng)、多類型的綜合性故障狀態(tài)的模擬與考核。

2 嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)總體與硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

某裝備嵌入式維修訓(xùn)練與檢測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)實現(xiàn)故障注入、故障現(xiàn)象模擬與控制信號檢測。上位機系統(tǒng)的硬件主要包括計算機和通信單元組件，故障檢測、故障設(shè)置和訓(xùn)練考核軟件也安裝并運行于上位機的計算機上，包括嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件、嵌入式維修考核軟件以及嵌入式故障檢測軟件，根據(jù)用戶考核需求從故障庫中提取故障信息，下達設(shè)障指令，明確故障類型、故障位置與故障時機，同時接收下位機傳來的信號狀態(tài)數(shù)據(jù)，供維修人員判斷故障位置，分析故障原因，實現(xiàn)裝備故障診斷輔助決策。下位機由設(shè)障與檢測單元和通信單元組成，其功能是根據(jù)接收到的上位機指令，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)單元控制裝備上各個部位的設(shè)置與檢測單元，由其進行各個故障設(shè)置點的故障設(shè)置、故障檢測及自檢等操作。其中，設(shè)障與故障檢測單元是下位機的核心組成部分，其內(nèi)部集成了設(shè)障模塊、檢測模塊、電源模塊、以及無線通訊模塊[5]，通過改造的信號接口內(nèi)置于該裝備電氣控制系統(tǒng)中，根據(jù)上位機發(fā)送的指令控制繼電器陣列，實現(xiàn)故障注入，或?qū)⒀b備電控系統(tǒng)電壓、電流狀態(tài)發(fā)送到上位機檢測軟件，實現(xiàn)故障檢測。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 自主設(shè)障與信號檢測單元硬件設(shè)計

被測裝備電控系統(tǒng)主要設(shè)備之間一般采用航空插頭與標(biāo)準(zhǔn)接插件連接，自主設(shè)障與信號檢測單元連接于插頭兩端，嵌入到電控系統(tǒng)內(nèi)部，實裝信號經(jīng)過航空插頭相應(yīng)針腳進入自主設(shè)障與檢測單元，從而不破壞實裝原有信號回路，實現(xiàn)隱蔽設(shè)障。

如圖2所示，自主設(shè)障與檢測單元內(nèi)部集成無線通訊模塊、自主設(shè)障模塊與狀態(tài)檢測模塊，通過無線方式接收嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)出的設(shè)障指令，根據(jù)故障狀態(tài)分類，分別模擬相應(yīng)信號回路的短路、斷路、斷路與接觸不良等狀態(tài)，對于綜合性故障還可同時設(shè)置多路信號集中異常，另外，自主設(shè)障與檢測單元還預(yù)留信號檢測口，受訓(xùn)者可在不斷開信號回路的情況下檢測信號特性，用于故障判斷與定位。

圖2 自主設(shè)障與狀態(tài)檢測單元結(jié)構(gòu)

檢測模塊內(nèi)置電壓、電流檢測芯片，實現(xiàn)故障裝備的檢測與診斷，當(dāng)重型支援橋電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可將相應(yīng)的檢測模塊嵌入可疑信號回路，快速采集檢測各關(guān)鍵節(jié)點的狀態(tài)信息，經(jīng)無線通訊模塊、下位機傳輸至嵌入式故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)故障的快速定位與判斷。

3 嵌入式維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括上位機軟件和下位機硬件底層驅(qū)動軟件兩部分。其中驅(qū)動軟件部分采用Keil C編寫，主要完成下位機硬件初始化、狀態(tài)參數(shù)信號調(diào)理、A/D采樣與轉(zhuǎn)換和無線信號轉(zhuǎn)換、發(fā)射等作用，在此不做過多闡述。而上位機軟件是系統(tǒng)的主要部分，負責(zé)人機交互、故障設(shè)置、維修模擬訓(xùn)練、故障檢測、數(shù)據(jù)存儲等功能。采用圖形化虛擬儀器Lab-VIEW平臺語言開發(fā)。

圖3為上位機軟件的系統(tǒng)故障設(shè)置界面圖。上位機在故障設(shè)置時，主要是通過面板上的開關(guān)（如圖3中的1、2、…、8號）的通斷，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至下位機，同時接收下位機傳輸過來的各測試點的電路實際故障信息并在面板上顯示出來，由此進行故障的模擬設(shè)置和檢測判別。在故障設(shè)置和檢測過程中，通過各個測試點信號狀態(tài)的順序表示，能夠在虛擬面板上顯示故障信息的傳遞流程及各個測點的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障信息和狀態(tài)流程的可視化。

圖3 上位機監(jiān)控界面圖

4 結(jié)語

本文研究了在實裝基礎(chǔ)上嵌入自主設(shè)障單元，利用外部設(shè)備控制該單元的狀態(tài)，實現(xiàn)電控系統(tǒng)信號回路、關(guān)鍵節(jié)點常見故障狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬，供受訓(xùn)人員進行檢測與判斷，而后由設(shè)障控制軟件進行故障現(xiàn)象演示與故障機理分析，通過三維模型逼真模擬電氣系統(tǒng)工作原理，達到虛實結(jié)合的訓(xùn)練效果，可大幅提高維修訓(xùn)練質(zhì)量與效益，解決當(dāng)前維修教學(xué)設(shè)障手段簡陋、設(shè)障特征明顯、難以實現(xiàn)綜合性故障狀態(tài)模擬、同時易造成裝備損傷的難題。