導彈發(fā)射裝置分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)

導彈發(fā)射裝置分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)郭利,張錫恩,馬彥恒(軍械工程學院，河北石家莊050003)摘要：為了滿足復雜裝備監(jiān)測與診斷的需要，基于分布式智能思想，采用無線通信技術和信息融合技術設計了一種導彈發(fā)射裝置分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二次調制/解調方案，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)了上位機與下位機之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸；采用多傳感器數(shù)據(jù)層、特征層和決策層信息融合方法，大大提高了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的精確性和實時性。關鍵詞：分布式；監(jiān)測診斷；無線通信；信息融合；導彈導彈發(fā)射裝置是集電氣、機械、液壓、氣動、控制等多個設備單元于一體的大型復雜武器裝備，其系統(tǒng)結構復雜，并且造價昂貴，研制周期長。為了延長裝備的壽命周期，必須盡可能通過維修與保障保持系統(tǒng)性能，最大限度地發(fā)揮效益。傳統(tǒng)的集中式監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用的逐點、串行采集信號進行監(jiān)測與診斷的方法不僅費時，而且監(jiān)測與診斷的效率較低，已很難滿足具有分布性、開放性、大信息量和較高復雜程度的大型復雜武器裝備發(fā)展需求。而分布式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)同步、并行地對系統(tǒng)的各個重要部分進行信號采集和處理[1]，不僅大大提高了效率，而且所采集的信號具有同步關聯(lián)性，便于采用多傳感器信息融合方法，以提高監(jiān)測診斷的準確性，確保系統(tǒng)安全可靠。目前，各種分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)都是基于有線現(xiàn)場模式[2]，下位機與上位機之間的信息傳遞是通過一定數(shù)量的電纜完成。由于導彈發(fā)射裝置組成結構復雜，需要測試的參數(shù)多，測試點分布廣，采用有線現(xiàn)場模式對其進行監(jiān)測診斷時，傳輸電纜布置困難，需要的電纜量很大，不僅降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了調試難度同時也造成成本升高，并且在惡劣環(huán)境下，使用電纜傳輸信號時會受到很大干擾，需要額外的抗干擾措施。為此，本文基于分布式智能思想，采用二次調制/解調方案，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)上位機與下位機之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸，克服了有線傳輸?shù)木窒扌?。同時，運用信息融合技術，充分利用多源信息的互補性和冗余性，提高了監(jiān)測診斷的實時性和準確性。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的監(jiān)測診斷系統(tǒng)相比，在可靠性、智能性、可擴展性和成本等方面有很大的優(yōu)勢和改進，監(jiān)測診斷性能得到了大幅度提高。系統(tǒng)總體結構如圖1所示，整個監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用分布式結構，主要由以下部分組成：多傳感器系統(tǒng)：采用多種傳感器，將導彈發(fā)射裝置各子系統(tǒng)運行狀態(tài)的各種非電量（振動、溫度、壓力、轉速、位移、聲信號，…）轉換為電信號進入下位機，同時對某一個子系統(tǒng)進行基于多種傳感器的多點、多種信號采集和分析。下位機：以8031單片機為核心，包括前端的信號調理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及相應的數(shù)據(jù)存儲和顯示電路，主要完成各子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和簡易故障診斷。無線通信適配器：為實現(xiàn)上位機與各下位機的無線通信專門設計了無線通訊適配器，適配器連接在上位機和各下位機的串行通信接口上，將上位機或下位機發(fā)出的串行數(shù)據(jù)轉換為無線信號發(fā)出，同時將接收到的無線信號轉換為串行數(shù)據(jù)。繪圖儀顯示器打印機量（振動、溫度、壓力、轉速、位移、聲信號，…）轉換為電信號進入下位機，同時對某一個子系統(tǒng)進行基于多種傳感器的多點、多種信號采集和分析。下位機：以8031單片機為核心，包括前端的信號調理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及相應的數(shù)據(jù)存儲和顯示電路，主要完成各子系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和簡易故障診斷。無線通信適配器：為實現(xiàn)上位機與各下位機的無線通信專門設計了無線通訊適配器，適配器連接在上位機和各下位機的串行通信接口上，將上位機或下位機發(fā)出的串行數(shù)據(jù)轉換為無線信號發(fā)出，同時將接收到的無線信號轉換為串行數(shù)據(jù)。繪圖儀顯示器打印機TXDTXD無線通信適配器模塊上位機PC586無線通信適配器模塊上位機PC586RXDRXD無線通信適配器模塊無線通信適配器模塊無線通信適配器模塊無線通信適配器模塊下位機N8031單片機下位機1下位機N8031單片機下位機18031單片機…傳感器Nn傳感器Nn傳感器N1傳感器1n傳感器11子系統(tǒng)1…子系統(tǒng)1…子系統(tǒng)N大型導彈發(fā)射裝置大型導彈發(fā)射裝置圖1導彈發(fā)射裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體結構圖圖1導彈發(fā)射裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體結構圖上位機：上位機選用普通個人微機ＰＣ586，將接收到的下位機所采集的每個子系統(tǒng)的多傳感信息進行存儲和信號處理，提取故障特征，確定每一個子系統(tǒng)目前的狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)所得到的結論和信息，再進行系統(tǒng)級的信息融合，確定系統(tǒng)目前的狀態(tài)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的狀態(tài)綜合監(jiān)測報警，同時將診斷任務分給各子系統(tǒng)的精密故障診斷系統(tǒng)，采用信息融合技術和多專家系統(tǒng)完成對故障的精確定位，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。系統(tǒng)主要硬件設計下位機由多傳感器、信號采集電路和單片機系統(tǒng)組成，如圖2所示。多傳感器將各子系統(tǒng)的監(jiān)測信號（振動、溫度、壓力、轉速、位移、聲信號，…）轉換為電信號。信號采集電路將各種傳感器變換的電信號進行濾波、精密放大后，再經(jīng)多路開關選擇，由A/D轉換器轉換為數(shù)字量送入計算機。2.下位機由多傳感器、信號采集電路和單片機系統(tǒng)組成，如圖2所示。多傳感器將各子系統(tǒng)的監(jiān)測信號（振動、溫度、壓力、轉速、位移、聲信號，…）轉換為電信號。信號采集電路將各種傳感器變換的電信號進行濾波、精密放大后，再經(jīng)多路開關選擇，由A/D轉換器轉換為數(shù)字量送入計算機。被監(jiān)測信號被監(jiān)測信號接無線通信適配器pei配器程序存儲器8031接無線通信適配器pei配器程序存儲器8031單片機傳感器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器多路開關信號調理電路A/D轉換多路開關信號調理電路A/D轉換I/O擴展顯示器指示燈I/O擴展顯示器指示燈鍵盤報警器鍵盤報警器圖2下位機硬件結構圖圖2下位機硬件結構圖單片機系統(tǒng)以8031單片機為核心，配有4位LCD數(shù)字顯示器、鍵盤、超限報警和指示，擴展8Ｋ數(shù)據(jù)存儲器和8K程序存儲器，8031單片機可通過其配有的串行接口與無線通信適配器連接，完成與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。下位機的設計采用通用化、系列化和模塊化設計原則，各臺下位機的硬件不同之處僅在于放大電路的不同，軟件僅數(shù)據(jù)處理模塊不同。每臺下位機體積小，結構緊湊，性能可靠。在設備運行現(xiàn)場，每一臺下位機既可以作為智能儀表隨時進行各子系統(tǒng)的移動監(jiān)測和簡易故障診斷，也可以通過連接無線通信適配器構成分布式的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，完成對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)測和故障診斷。2.2無線通信適配器硬件設計在充分考慮上位機PC586與下位機8031單片機的特點的基礎上，利用上位機的異步通信接口芯片8250以及RS232串行接口和8031單片機的串行口，進行串行異步通信。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斁嚯x，系統(tǒng)采用了二次調制/解調方案[3]。第一次為二進制頻移鍵控（2FSK）方式調頻，將數(shù)字信號轉換為頻率信號，調頻方式抗干擾能力強，保證了傳輸?shù)目煽啃?，第二次調制為調幅，將所得的2FSK信號調制高頻載波信號并發(fā)射出去，提高了傳輸距離。無線通信適配器按全雙工通信方案設計，以實現(xiàn)上位機與下位機的雙向數(shù)據(jù)傳遞。無線通信適配器硬件組成如圖3所示。TXDTXD發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調制發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調制(XR2206)電平轉換RS→TTL(MC1489)上位機PC586RS-232接口RXDRXD電平轉換TTL→RS(MC1488)緩沖電平轉換TTL→RS(MC1488)緩沖放大2FSK解調(XR2211)中間級接收模塊(TDC1809)（（a）上位機無線通信適配器硬件組成框圖接收模塊(TDC1809)中間級2FSK解調(X接收模塊(TDC1809)中間級2FSK解調(XR2211)整形放大RXDRXD下位機下位機8031單片機串行接口發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調制(X發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調制(XR2206)中間級TXD（（b）下位機無線通信適配器硬件組成框圖圖3無線通信適配器硬件組成框圖圖中，電平變換由MC1488和MC1489芯片來實現(xiàn)，MC1489將PC機RS-232接口的負邏輯電平轉換成TTL正邏輯電平，MC1488與MC1489剛好相反，它完成TTL電平到RS-232電平的轉換；調制與解調主要由XR2206和XR2211承擔，XR2206為單片函數(shù)發(fā)生器，內部集成了壓控振蕩器，增益放大器，電流控制，乘法及正弦調整器，能產(chǎn)生高質量、高穩(wěn)定度、高精度的正弦波信號，可以很方便用于頻移鍵控，工作頻率可由外部選擇。XR2211為頻移鍵控解調器，是專為數(shù)據(jù)通信設計的單片鎖相環(huán)系統(tǒng)，特別適用于FSK調制解調器的應用，其中心頻率、帶寬及輸出延遲可由外部元件設定。系統(tǒng)的發(fā)射接收電路采用射頻無線遙控發(fā)射/接收模塊對：TDC1808/TDC1809，TDC1808是微型射頻無線發(fā)射模塊，發(fā)射頻率在250M～350MHz范圍內，可以直接外接各種調制信號，可靠發(fā)射距離能達到120m。TDC1809是與TDC1808相配對使用的接收模塊，具有接收到由TDC1808發(fā)出的高頻信號并解調出調制信號的功能。TDC1808和TDC1809配對使用，外圍元件極少，抗干擾能力強，數(shù)據(jù)傳輸可靠。3系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件主要由下位機軟件與上位機軟件兩部分組成。下位機軟件完成信號采集、各子系統(tǒng)在線實時狀態(tài)測以及實時數(shù)據(jù)通訊，主要由系統(tǒng)設置模塊、硬件自檢模塊、實時狀態(tài)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。上位機軟件完成整個系統(tǒng)狀態(tài)信號的綜合監(jiān)測報警、數(shù)據(jù)庫管理、信號分析處理、故障診斷、故障處理對策和維修咨詢，以及知識自動獲取等基本功能，主要由系統(tǒng)控制與管理模塊、狀態(tài)綜合監(jiān)測報警模塊、信號處理模塊、專家系統(tǒng)診斷模塊組成。3.1下位機軟件組成(1)系統(tǒng)設置模塊。通過下位機所提供的一些功能鍵，選擇其工作方式，并對系統(tǒng)硬件進行設置，以便系統(tǒng)能夠適應不同的工作環(huán)境和不同的配置要求。(2)硬件自檢模塊[4]。主要完成傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及其他硬件設備的監(jiān)測，確保硬件系統(tǒng)的可靠性，從而保證所采集數(shù)據(jù)的有效性。(3)實時狀態(tài)監(jiān)測模塊。分別對各子系統(tǒng)的瞬時轉速信號、聲信號、振動信號、油液信號以及熱工參數(shù)進行在線采集，同時進行預處理以獲取有效數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行融合處理以提高測試精度和擴大測量范圍，顯示所測參數(shù)的融合數(shù)值和對非正常數(shù)值進行報警，并且對重要參數(shù)的預警、報警和危險值進行設置。此模塊根據(jù)各個狀態(tài)參數(shù)的報警值和報警方法，確定各分系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常。(4)數(shù)據(jù)通信模塊。完成上位機與下位機之間的信息交換。3.2上位機軟件組成(1)系統(tǒng)控制與管理模塊。它是系統(tǒng)的管理和控制核心，用來控制和協(xié)調各項任務之間的數(shù)據(jù)和信息交換，主要通過多級黑板來實現(xiàn)，包括整個系統(tǒng)的任務分解、數(shù)據(jù)和知識的交換、推理、解釋以及沖突消解與綜合決策等[5]。(2)信號處理模塊。信號處理模塊分別對相應的有效數(shù)據(jù)采用FFT變換、小波分析方法進行頻域和時頻分析[6]，提取特征信息，并形成相應的各種征兆事實加入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，同時可采用人機交互方式將傳感器無法測得的特征參數(shù)轉換為征兆事實存入動態(tài)數(shù)據(jù)庫，供故障診斷模塊應用。(3)狀態(tài)綜合監(jiān)測報警模塊。該模塊負責整個系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜合報警。它根據(jù)從下位機獲取的各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，采用信息融合技術將各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行融合，綜合判斷整個設備的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障進行報警。同時對故障診斷任務進行分解，驅動相應的子系統(tǒng)故障診斷模塊進行精密故障診斷。(4)故障診斷模塊。故障診斷模塊包括多個子故障診斷模塊，其對應導彈發(fā)射裝置的每一個子系統(tǒng)，主要完成對每一個子系統(tǒng)的精密故障診斷，從而找出設備可能出現(xiàn)的故障原因和故障部位，并提供故障處理意見。每個子系統(tǒng)故障診斷模塊包括診斷知識庫模塊、設備數(shù)據(jù)庫模塊、征兆事實庫模塊和多專家系統(tǒng)功能模塊。其中診斷知導彈發(fā)射裝置子系統(tǒng)導彈發(fā)射裝置子系統(tǒng)數(shù)據(jù)知識數(shù)據(jù)知識多傳感器多傳感器領域專家數(shù)據(jù)層融合算法數(shù)據(jù)層融合算法設備數(shù)據(jù)庫知識獲設備數(shù)據(jù)庫知識獲取模塊征兆獲取征兆獲取診斷知識庫征兆事實庫多級黑征兆事實庫多級黑板模塊診斷推理模塊特征層融合算法診斷推理模塊特征層融合算法……結論1結論2結論結論1結論2結論n決策層融合算法決策層融合算法診斷結果診斷結果解釋模塊故障對策模塊解釋模塊故障對策模塊用戶界面用戶界面圖4基于信息融合的子故障診斷模塊工作流程圖圖4基于信息融合的子故障診斷模塊工作流程圖識庫模塊包括多種故障診斷方法（基于模糊診斷、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷、基于事例的診斷、基于規(guī)則的診斷和基于模型的診斷）對應的知識庫。設備數(shù)據(jù)庫模塊包括系統(tǒng)歷史運行的數(shù)據(jù)和目前系統(tǒng)運行所獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)。征兆事實庫模塊存放了通過信號處理所獲取的征兆事實和通過人機交互所獲得的征兆事實。多專家系統(tǒng)功能模塊包括診斷推理模塊、解釋模塊、知識獲取模塊和多級黑板模塊等，用以完成專家系統(tǒng)的各項操作和推理功能。在故障診斷模塊中應用了信息融合技術實現(xiàn)了多傳感器信息的時空融合，并將多傳感器融合結果與多專家診斷結果進行融合，從而大大提高了故障診斷準確率和實時性，基于信息融合的子故障診斷模塊工作流程如圖4所示。由圖4可見，子系統(tǒng)故障診斷模塊的信息融合處理共分為數(shù)據(jù)層、特征層、決策層三層。數(shù)據(jù)層信息融合是將同類傳感器所獲取的數(shù)據(jù)進行