導(dǎo)彈發(fā)射裝置分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)

導(dǎo)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(xué)院，河北石家莊050003)摘要：為了滿足復(fù)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(shù)和信息融合技術(shù)設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)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(diào)制/解調(diào)方案，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)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(shí)時(shí)性。關(guān)鍵詞：分布式；監(jiān)測診斷；無線通信；信息融合；導(dǎo)彈導(dǎo)彈發(fā)射裝置是集電氣、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、控制等多個(gè)設(shè)備單元于一體的大型復(fù)雜武器裝備，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且造價(jià)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(diǎn)、串行采集信號進(jìn)行監(jiān)測與診斷的方法不僅費(fèi)時(shí)，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(fù)雜程度的大型復(fù)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(shí)現(xiàn)同步、并行地對系統(tǒng)的各個(gè)重要部分進(jìn)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(guān)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(zhǔn)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(jī)與上位機(jī)之間的信息傳遞是通過一定數(shù)量的電纜完成。由于導(dǎo)彈發(fā)射裝置組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要測試的參數(shù)多，測試點(diǎn)分布廣，采用有線現(xiàn)場模式對其進(jìn)行監(jiān)測診斷時(shí)，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(diào)試難度同時(shí)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(shí)會(huì)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(diào)制/解調(diào)方案，通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸，克服了有線傳輸?shù)木窒扌?。同時(shí)，運(yùn)用信息融合技術(shù)，充分利用多源信息的互補(bǔ)性和冗余性，提高了監(jiān)測診斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)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(kuò)展性和成本等方面有很大的優(yōu)勢和改進(jìn)，監(jiān)測診斷性能得到了大幅度提高。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)監(jiān)測診斷系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，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(dǎo)彈發(fā)射裝置各子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種非電量（振動(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、聲信號，…）轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)入下位機(jī)，同時(shí)對某一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行基于多種傳感器的多點(diǎn)、多種信號采集和分析。下位機(jī)：以8031單片機(jī)為核心，包括前端的信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各下位機(jī)的無線通信專門設(shè)計(jì)了無線通訊適配器，適配器連接在上位機(jī)和各下位機(jī)的串行通信接口上，將上位機(jī)或下位機(jī)發(fā)出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)出，同時(shí)將接收到的無線信號轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。繪圖儀顯示器打印機(jī)量（振動(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、聲信號，…）轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)入下位機(jī)，同時(shí)對某一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行基于多種傳感器的多點(diǎn)、多種信號采集和分析。下位機(jī)：以8031單片機(jī)為核心，包括前端的信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)與各下位機(jī)的無線通信專門設(shè)計(jì)了無線通訊適配器，適配器連接在上位機(jī)和各下位機(jī)的串行通信接口上，將上位機(jī)或下位機(jī)發(fā)出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)出，同時(shí)將接收到的無線信號轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。繪圖儀顯示器打印機(jī)TXDTXD無線通信適配器模塊上位機(jī)PC586無線通信適配器模塊上位機(jī)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(jī)N8031單片機(jī)下位機(jī)1下位機(jī)N8031單片機(jī)下位機(jī)18031單片機(jī)…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(dǎo)彈發(fā)射裝置大型導(dǎo)彈發(fā)射裝置圖1導(dǎo)彈發(fā)射裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖1導(dǎo)彈發(fā)射裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖上位機(jī)：上位機(jī)選用普通個(gè)人微機(jī)ＰＣ586，將接收到的下位機(jī)所采集的每個(gè)子系統(tǒng)的多傳感信息進(jìn)行存儲(chǔ)和信號處理，提取故障特征，確定每一個(gè)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(jié)論和信息，再進(jìn)行系統(tǒng)級的信息融合，確定系統(tǒng)目前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)綜合監(jiān)測報(bào)警，同時(shí)將診斷任務(wù)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(shù)和多專家系統(tǒng)完成對故障的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)下位機(jī)由多傳感器、信號采集電路和單片機(jī)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(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、聲信號，…）轉(zhuǎn)換為電信號。信號采集電路將各種傳感器變換的電信號進(jìn)行濾波、精密放大后，再經(jīng)多路開關(guān)選擇，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。2.下位機(jī)由多傳感器、信號采集電路和單片機(jī)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(dòng)、溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、聲信號，…）轉(zhuǎn)換為電信號。信號采集電路將各種傳感器變換的電信號進(jìn)行濾波、精密放大后，再經(jīng)多路開關(guān)選擇，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)。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(chǔ)器8031接無線通信適配器pei配器程序存儲(chǔ)器8031單片機(jī)傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器多路開關(guān)信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換多路開關(guān)信號調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換I/O擴(kuò)展顯示器指示燈I/O擴(kuò)展顯示器指示燈鍵盤報(bào)警器鍵盤報(bào)警器圖2下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖圖2下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)系統(tǒng)以8031單片機(jī)為核心，配有4位LCD數(shù)字顯示器、鍵盤、超限報(bào)警和指示，擴(kuò)展8Ｋ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和8K程序存儲(chǔ)器，8031單片機(jī)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(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)的設(shè)計(jì)采用通用化、系列化和模塊化設(shè)計(jì)原則，各臺下位機(jī)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(jī)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠。在設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場，每一臺下位機(jī)既可以作為智能儀表隨時(shí)進(jìn)行各子系統(tǒng)的移動(dòng)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(gòu)成分布式的監(jiān)測診斷系統(tǒng)，完成對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷。2.2無線通信適配器硬件設(shè)計(jì)在充分考慮上位機(jī)PC586與下位機(jī)8031單片機(jī)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用上位機(jī)的異步通信接口芯片8250以及RS232串行接口和8031單片機(jī)的串行口，進(jìn)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(diào)制/解調(diào)方案[3]。第一次為二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）方式調(diào)頻，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，調(diào)頻方式抗干擾能力強(qiáng)，保證了傳輸?shù)目煽啃?，第二次調(diào)制為調(diào)幅，將所得的2FSK信號調(diào)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(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)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(diào)制發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調(diào)制(XR2206)電平轉(zhuǎn)換RS→TTL(MC1489)上位機(jī)PC586RS-232接口RXDRXD電平轉(zhuǎn)換TTL→RS(MC1488)緩沖電平轉(zhuǎn)換TTL→RS(MC1488)緩沖放大2FSK解調(diào)(XR2211)中間級接收模塊(TDC1809)（（a）上位機(jī)無線通信適配器硬件組成框圖接收模塊(TDC1809)中間級2FSK解調(diào)(X接收模塊(TDC1809)中間級2FSK解調(diào)(XR2211)整形放大RXDRXD下位機(jī)下位機(jī)8031單片機(jī)串行接口發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調(diào)制(X發(fā)射模塊(TDC1808)緩沖放大2FSK調(diào)制(XR2206)中間級TXD（（b）下位機(jī)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(shí)現(xiàn)，MC1489將PC機(jī)RS-232接口的負(fù)邏輯電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換；調(diào)制與解調(diào)主要由XR2206和XR2211承擔(dān)，XR2206為單片函數(shù)發(fā)生器，內(nèi)部集成了壓控振蕩器，增益放大器，電流控制，乘法及正弦調(diào)整器，能產(chǎn)生高質(zhì)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(diào)器，是專為數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)的單片鎖相環(huán)系統(tǒng)，特別適用于FSK調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用，其中心頻率、帶寬及輸出延遲可由外部元件設(shè)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(nèi)，可以直接外接各種調(diào)制信號，可靠發(fā)射距離能達(dá)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(diào)出調(diào)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(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要由下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件兩部分組成。下位機(jī)軟件完成信號采集、各子系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)狀態(tài)測以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，主要由系統(tǒng)設(shè)置模塊、硬件自檢模塊、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。上位機(jī)軟件完成整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)信號的綜合監(jiān)測報(bào)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(dòng)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(bào)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(jī)軟件組成(1)系統(tǒng)設(shè)置模塊。通過下位機(jī)所提供的一些功能鍵，選擇其工作方式，并對系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)置，以便系統(tǒng)能夠適應(yīng)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(shè)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(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測模塊。分別對各子系統(tǒng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號、聲信號、振動(dòng)信號、油液信號以及熱工參數(shù)進(jìn)行在線采集，同時(shí)進(jìn)行預(yù)處理以獲取有效數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理以提高測試精度和擴(kuò)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(jìn)行報(bào)警，并且對重要參數(shù)的預(yù)警、報(bào)警和危險(xiǎn)值進(jìn)行設(shè)置。此模塊根據(jù)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)的報(bào)警值和報(bào)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(jī)與下位機(jī)之間的信息交換。3.2上位機(jī)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(diào)各項(xiàng)任務(wù)之間的數(shù)據(jù)和信息交換，主要通過多級黑板來實(shí)現(xiàn)，包括整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)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(yīng)的有效數(shù)據(jù)采用FFT變換、小波分析方法進(jìn)行頻域和時(shí)頻分析[6]，提取特征信息，并形成相應(yīng)的各種征兆事實(shí)加入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可采用人機(jī)交互方式將傳感器無法測得的特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為征兆事實(shí)存入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，供故障診斷模塊應(yīng)用。(3)狀態(tài)綜合監(jiān)測報(bào)警模塊。該模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜合報(bào)警。它根據(jù)從下位機(jī)獲取的各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息，采用信息融合技術(shù)將各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息進(jìn)行融合，綜合判斷整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)對故障診斷任務(wù)進(jìn)行分解，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的子系統(tǒng)故障診斷模塊進(jìn)行精密故障診斷。(4)故障診斷模塊。故障診斷模塊包括多個(gè)子故障診斷模塊，其對應(yīng)導(dǎo)彈發(fā)射裝置的每一個(gè)子系統(tǒng)，主要完成對每一個(gè)子系統(tǒng)的精密故障診斷，從而找出設(shè)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(gè)子系統(tǒng)故障診斷模塊包括診斷知識庫模塊、設(shè)備數(shù)據(jù)庫模塊、征兆事實(shí)庫模塊和多專家系統(tǒng)功能模塊。其中診斷知導(dǎo)彈發(fā)射裝置子系統(tǒng)導(dǎo)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(lǐng)域?qū)＜覕?shù)據(jù)層融合算法數(shù)據(jù)層融合算法設(shè)備數(shù)據(jù)庫知識獲設(shè)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(shí)庫多級黑征兆事實(shí)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(jié)論1結(jié)論2結(jié)論結(jié)論1結(jié)論2結(jié)論n決策層融合算法決策層融合算法診斷結(jié)果診斷結(jié)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(luò)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(yīng)的知識庫。設(shè)備數(shù)據(jù)庫模塊包括系統(tǒng)歷史運(yùn)行的數(shù)據(jù)和目前系統(tǒng)運(yùn)行所獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)。征兆事實(shí)庫模塊存放了通過信號處理所獲取的征兆事實(shí)和通過人機(jī)交互所獲得的征兆事實(shí)。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(xiàng)操作和推理功能。在故障診斷模塊中應(yīng)用了信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多傳感器信息的時(shí)空融合，并將多傳感器融合結(jié)果與多專家診斷結(jié)果進(jìn)行融合，從而大大提高了故障診斷準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)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(jìn)行