一種裝備狀態(tài)信息自動采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

葉結(jié)松 朱岳超 郝延軍

（中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

武器裝備使用管理是武器裝備全壽命管理的重要階段。裝備在使用的過程中，其質(zhì)量狀態(tài)信息在不斷變化，傳統(tǒng)的人工采集方法不僅采集工作量大，采集信息不全，而且受人為因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺乏說服力，難以作為裝備維修、保養(yǎng)、報(bào)廢、退役的依據(jù)。當(dāng)前，有許多裝備管理信息系統(tǒng)用于部隊(duì)裝備的管理，這些系統(tǒng)大多側(cè)重于對人工登統(tǒng)計(jì)信息的數(shù)據(jù)管理和簡單分析，不具備對裝備使用過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量狀態(tài)信息自動采集功能，也無法分析利用這些信息對裝備的管理活動提出合理化的建議，難以真正實(shí)現(xiàn)裝備管理的科學(xué)化、實(shí)時(shí)化、精確化和自動化。因此，研究通用裝備狀態(tài)信息自動采集方法與決策支持模型，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由下位機(jī)、上位機(jī)、傳感器和相關(guān)軟件組成。具體劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別是裝備數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、裝備狀態(tài)采集子系統(tǒng)和裝備管理決策支持子系統(tǒng)?？傮w結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

系統(tǒng)通過直接引線、裝備數(shù)據(jù)接口、多傳感器，將裝備各子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種電信號采集并轉(zhuǎn)換送至下位機(jī)；下位機(jī)以MSP430F149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)存儲和顯示電路，完成裝備各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息監(jiān)測和簡易故障狀態(tài)報(bào)警；無線數(shù)傳模塊連接在上下位機(jī)的串行通信接口上，將串行數(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)。

2.1 裝備數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

裝備數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)由Oracle 10g建成，包括公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫兩大部分。公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫主要包括裝備分類字典、裝備字典等；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫主要包括裝備使用記錄、維修記錄、保養(yǎng)記錄、裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)和軍隊(duì)裝備管理規(guī)范。

2.2 裝備狀態(tài)采集子系統(tǒng)

裝備狀態(tài)采集子系統(tǒng)由裝備狀態(tài)采集儀和一系列傳感器組成。裝備狀態(tài)采集儀具有狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和無線數(shù)傳等功能；傳感器的選型和設(shè)計(jì)根據(jù)每種裝備所要采集的狀態(tài)信息的不同而不同，通常包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電流傳感器、電壓傳感器和自研制傳感器系統(tǒng)等。

2.3 裝備管理決策支持子系統(tǒng)

裝備管理決策支持子系統(tǒng)由三大部分組成。一是裝備的日常管理維護(hù)，主要包括裝備的使用管理、維修管理、保養(yǎng)管理等；二是裝備管理的輔助決策，主要包括裝備壽命預(yù)測、裝備故障預(yù)測、裝備戰(zhàn)斗力評估、裝備保障資源配置建議等；三是裝備數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出，該部分主要是為了提高系統(tǒng)的信息共享能力和對其他系統(tǒng)的兼容性。

3 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件除上位機(jī)采用便攜式工業(yè)計(jì)算機(jī)支撐軟件運(yùn)行外，其他硬件主要用于裝備狀態(tài)信息的采集。

3.1 硬件設(shè)計(jì)原則

裝備狀態(tài)信息采集硬件的設(shè)計(jì)必須立足現(xiàn)有裝備的實(shí)際，重點(diǎn)把握三個(gè)原則：一是不能破壞裝備的結(jié)構(gòu)；二是不能影響裝備的戰(zhàn)技術(shù)性能；三是攜帶、使用方便。基于以上原則，在裝備狀態(tài)信息采集途徑上可采取三種方式：一是通過引線；二是通過裝備自帶的數(shù)據(jù)接口；三是設(shè)計(jì)具有自通信功能的狀態(tài)采集傳感器。

3.2 傳感器的選型與設(shè)計(jì)

不同裝備結(jié)構(gòu)不同，反映其質(zhì)量狀態(tài)的參數(shù)也不同，采集其狀態(tài)信息所需的傳感器也不同，有些可以直接選用通用的傳感器模塊，有些則需要根據(jù)實(shí)際情況對通用傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的改裝和集成。

1）通用傳感器模塊

對于裝備的行駛里程、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、電源狀態(tài)、工作時(shí)間等信息的采集，可以選用通用傳感器模塊。例如電流傳感器、電壓傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等。為了不破壞裝備又方便使用，可以選用薄膜或厚膜傳感器。

2）傳感器采集系統(tǒng)

對于部分裝備的一些特定狀態(tài)參數(shù)，利用通用傳感器無法完成采集工作，這就需要根據(jù)實(shí)際情況研制相關(guān)的傳感器采集系統(tǒng)。下面以采集火炮初速和發(fā)射彈數(shù)為例介紹傳感器采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 火炮初速與發(fā)射彈數(shù)采集系統(tǒng)組成

工作過程：炮管口部固定一個(gè)靶支架，支撐兩個(gè)相距500mm的通電線圈，當(dāng)彈丸先后飛經(jīng)兩個(gè)線圈時(shí)，線圈磁通發(fā)生突變，先后產(chǎn)生兩個(gè)感應(yīng)信號，信號經(jīng)放大、整形后由該裝置輸出初速脈沖，送給炮口信號處理裝置進(jìn)行計(jì)時(shí)和解算得到初速，同時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始累計(jì)發(fā)射彈數(shù)。計(jì)時(shí)通過兩線圈的時(shí)間、解算的炮口初速和發(fā)射彈數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集器中，同時(shí)激光CCD位移傳感器將測得的后座位移信號經(jīng)處理裝置處理后，通過數(shù)據(jù)采集器，并在數(shù)據(jù)采集器中處理和修正。

3.3 裝備狀態(tài)采集儀的設(shè)計(jì)

裝備狀態(tài)采集儀由電源電路、輸入按鍵電路、Flash存儲器、無線數(shù)傳模塊、狀態(tài)輸入串行接口、USB接口、輸入串行接口等部分組成。具體的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 裝備狀態(tài)采集儀硬件結(jié)構(gòu)圖

1）電源電路

電源電路由電源接口、充電單元電路和鋰電池組成。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接口與裝備的電源連接，并將裝備電源電壓轉(zhuǎn)換到“采集儀”工作的5V電壓。同時(shí)，設(shè)計(jì)了充電電路為“采集儀”的鋰電池充電。裝備電源無電或故障時(shí)，“采集儀”整個(gè)電路的供電由鋰電池提供，鋰電池為5V電壓輸出，容量為3000mAh。系統(tǒng)采集低功耗設(shè)計(jì)，整個(gè)適配器電路功耗不超過0.5W。

2）微控制器

微控制器采用美國TI公司的MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)據(jù)有極低的功耗，單片機(jī)工作時(shí)，電流在毫安級，無狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入輸出或讀寫存儲器時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，工作電流在微安級。

3）Flash存儲器

Flash存儲器為非易失存儲介質(zhì)，容量為4G。Flash存儲器內(nèi)部存儲單元分為兩部分，一部分用于記錄裝備當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一部分用于記錄裝備的歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)和下位機(jī)軟件兩部分組成。

4.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件完成裝備狀態(tài)信息采集、裝備在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測以及數(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。

4.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件主要包括數(shù)據(jù)庫管理、通信管理、裝備日常管理和裝備管理決策支持等四大模塊。軟件的系統(tǒng)框架如圖4。

本文僅討論裝備管理決策支持模塊的主要功能。系統(tǒng)在模型庫和知識庫的支持下，通過對裝備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和日常管理數(shù)據(jù)的分析與挖掘，能實(shí)現(xiàn)各級裝備機(jī)關(guān)及部門對本單位、本部門裝備工作現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的調(diào)查、研究、綜合、統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測，對下一步工作確定目標(biāo)方向、方針政策提供依據(jù)。

圖4 上位機(jī)軟件系統(tǒng)框架圖

1）裝備壽命預(yù)測

根據(jù)裝備實(shí)際采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立裝備壽命預(yù)測模型，預(yù)測裝備使用壽命，提出報(bào)廢、退役建議。

2）裝備故障預(yù)測

根據(jù)裝備實(shí)際采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)和維修記錄，建立裝備故障分析與預(yù)測模型，對每一種裝備的質(zhì)量狀態(tài)做出正確評估，提出裝備維修和保養(yǎng)的合理化、預(yù)見性的建議。

3）裝備戰(zhàn)斗力評估

根據(jù)裝備實(shí)際采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)和維修記錄，建立裝備戰(zhàn)斗力評估模型，對每一種裝備迅速形成戰(zhàn)斗力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出評估結(jié)果。

4）裝備保障資源配置

根據(jù)本單位裝備實(shí)力和裝備使用、維修、保養(yǎng)情況，提出裝備維修保障資源配置需求，同時(shí)對后期裝備的調(diào)撥提出合理化建議。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)相關(guān)硬件，實(shí)現(xiàn)了通用裝備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，立足裝備質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)和管理日常管理數(shù)據(jù)，建立了裝備管理輔助決策的相關(guān)模型，對預(yù)測裝備使用壽命并提出報(bào)廢、退役建議，評估每一種裝備迅速形成戰(zhàn)斗力的能力，優(yōu)化裝備維修保障資源配置方案，提出合理化、預(yù)見性的裝備維修保養(yǎng)建議等工作提供了科學(xué)的決策依據(jù)。同時(shí)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路對新裝備研制時(shí)增加狀態(tài)信息自動采集功能具有一定的借鑒意義。

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