特種車輛機(jī)電系統(tǒng)的故障測試方案

吳婷婷， 高 詮， 李雅琪， 李玉剛

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072； 2.大連理工大學(xué)，大連 116000)

隨著戰(zhàn)爭中信息化程度的提高，現(xiàn)代特種車輛已經(jīng)逐漸由簡單系統(tǒng)升級為復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)保障使用模式已經(jīng)很難滿足部隊(duì)的作戰(zhàn)需求.為了滿足裝備試驗(yàn)和使用過程中，對內(nèi)部數(shù)據(jù)的監(jiān)控、管理、分析等需求，提高戰(zhàn)場任務(wù)可用率，減輕后勤負(fù)擔(dān)以及更加有效地使用地面車輛，需要將智能監(jiān)測方法引入到特種車輛中.這種能夠及時(shí)準(zhǔn)確地提供車輛狀況和使用狀況信息，從而監(jiān)控、診斷和管理裝備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)特種車輛基于狀態(tài)的維修和自主式保障.

針對以上需求，一大批自動檢測保障設(shè)備被研制出來.這些自動檢測保障設(shè)備提高了檢測手段的現(xiàn)代化水平.但這些設(shè)備大多是針對特種車輛的單個設(shè)備或分系統(tǒng)開發(fā)的，不是在設(shè)計(jì)階段研制的，和設(shè)計(jì)過程脫節(jié)，不能對車輛故障進(jìn)行全面的在線檢測和診斷，診斷時(shí)間長，操作復(fù)雜，維修人員難以掌握，不能進(jìn)行健康預(yù)測.

針對以上問題，設(shè)計(jì)了一套專門針對機(jī)電系統(tǒng)的智能測試方案，該方案通過車載數(shù)據(jù)健康管理控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)各個控制器信息的采集和存儲；再借助數(shù)據(jù)解析工具對獲取的樣車數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到故障診斷、故障預(yù)測、維修保障所需的規(guī)則模型和數(shù)據(jù)模型.最后再應(yīng)用專家系統(tǒng)故障診斷對機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷以及故障預(yù)測，將結(jié)果實(shí)時(shí)告警并匯總到維修保障系統(tǒng)，通過收取指揮人員的維修保障任務(wù)，在維修保障人機(jī)交互指導(dǎo)下完成特種車輛的維修保障工作.

1 方案構(gòu)成

特種車輛機(jī)電系統(tǒng)的測試方案可以實(shí)現(xiàn)對特種車輛的故障診斷、故障預(yù)測、維修保障等功能，主要包括車載數(shù)據(jù)健康管理控制器、數(shù)據(jù)解析工具和專家系統(tǒng)故障診斷.見圖1.

圖1 智能測試方案構(gòu)成

車載數(shù)據(jù)健康管理控制器主要利用各種傳感器采集機(jī)電系統(tǒng)各個控制器狀態(tài)信息并提供相關(guān)數(shù)據(jù)存儲、顯示、傳輸?shù)墓δ?

數(shù)據(jù)解析工具完成了“數(shù)據(jù)采集模塊”、“數(shù)據(jù)解析與處理模塊”、“故障分析模塊”3部分軟件功能，面向內(nèi)場臺架數(shù)據(jù)采集、外場車載數(shù)據(jù)采集，以外場的離線傳輸介質(zhì)、內(nèi)場局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸手段，實(shí)現(xiàn)了車載健康管理盒的數(shù)據(jù)下載，并可按照型號、編號、分系統(tǒng)、時(shí)間等信息對下載數(shù)據(jù)與歷史下載數(shù)據(jù)進(jìn)行層次化管理，滿足后續(xù)數(shù)據(jù)快速查找要求.

專家系統(tǒng)故障診斷使用分布式平臺，實(shí)現(xiàn)對樣車解析數(shù)據(jù)的快速分析處理，然后對故障診斷、故障預(yù)測的規(guī)則模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)管理，并下載到移動/嵌入式端供前方特種車輛使用.

車輛維修保障人員通過以上方式可以實(shí)現(xiàn)綜合分析特種車輛車況、維修保障資源分配、當(dāng)前任務(wù)進(jìn)程，制定保障方案，完成車輛的維修保障任務(wù).

2 車載數(shù)據(jù)健康管理控制器組成與功能

車載數(shù)據(jù)健康管理控制器主要包括低速數(shù)據(jù)采集控制器和高速數(shù)據(jù)采集控制器.

2.1 低速數(shù)據(jù)采集控制器

低速數(shù)據(jù)采集控制器主要通過總線網(wǎng)絡(luò)采集機(jī)電系統(tǒng)各個控制器信息并存儲，同時(shí)還可以采集開關(guān)量、電阻或電壓等低頻信號的采集.具有總線信息采集、記錄、故障和健康狀態(tài)判斷等功能，配合外部便攜PHM系統(tǒng)、車載儀表及外部健康模式數(shù)據(jù)趨勢分析系統(tǒng)等設(shè)備，可向乘員提供各類健康及診斷信息，可以支持車輛研發(fā)和使用過程中的各個階段的維護(hù)診斷.具體組成見圖2.

圖2 低速數(shù)據(jù)采集控制器組成框圖

控制器內(nèi)部主要由電源板、核心板、接口板、FlexRay擴(kuò)展板組成.板間通過64P接插件連接.接口板主要包括數(shù)字輸入、模擬輸入、采集及隔離等相關(guān)電路.核心板主要包括單片機(jī)、系統(tǒng)外圍擴(kuò)展(NandFlash、Fram、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗)、傳感器擴(kuò)展(振動傳感器、溫度傳感器)、接口擴(kuò)展(USB、RS232、CAN、FlexRay)等相關(guān)電路.具體功能框圖見圖3.FlexRay擴(kuò)展板主要包括FlexRay單片機(jī)、隔離電路、FlexRay收發(fā)器等相關(guān)電路.電源板主要包括為系統(tǒng)供電的電源模塊及相關(guān)電路.

低速數(shù)據(jù)采集控制器實(shí)物圖如圖4所示.

圖3 低速數(shù)據(jù)采集控制器核心板功能框圖

圖4 低速數(shù)據(jù)采集控制器實(shí)物

2.2 高速數(shù)據(jù)采集控制器

圖5 高速數(shù)據(jù)采集器實(shí)物

高速數(shù)據(jù)采集控制器由印制板、硬盤、結(jié)構(gòu)件和連接器組成，其中印制板包括電源板、控制板，結(jié)構(gòu)件包括腔體、上蓋板和下蓋板.設(shè)備實(shí)物如圖5所示.硬件電路包括核心板、FPGA電路、EEPROM電路、DDR2電路、硬盤、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、板載傳感器電路、A/D采集電路、信號選通電路、高速采集信號調(diào)理電路、低速采集信號調(diào)理電路、通訊電路、恒流源電路和電源電路.

高速采集時(shí)，調(diào)理電路將外部輸入傳感器信號轉(zhuǎn)換為電壓信號供A/D采集，A/D轉(zhuǎn)換器將采集數(shù)據(jù)通過SPI發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，存入外接的DDR2中，核心板通過FPGA從DDR2讀出數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)和日歷時(shí)間存入硬盤.并具有在線和離線兩種工作模式.

離線模式時(shí)，核心板只需將采集到的數(shù)據(jù)存入硬盤即可，其后可通過以太網(wǎng)或者USB接口將硬盤中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，工作期間可通過CAN、FlexRay等總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.在線模式時(shí)，核心板在將數(shù)據(jù)存入硬盤的同時(shí)，通過以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)測分析，也可通過CAN、FlexRay等總線與車載其它設(shè)備進(jìn)行信息交互.

該設(shè)備主要包含高速信號采集、傳感器激勵、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和板載傳感器4大塊內(nèi)容.

1)采集和存儲的能力主要有：

(1)具有采集包括溫度、振動、沖擊、噪聲、浪涌等信號的功能；

(2)具有20路采集通道，其中包括8路高速并行采集通道和12路低速掃描采集通道.

8路高速并行采集包含3路振動沖擊信號采集、1路噪聲信號采集和4路浪涌信號采集；振動沖擊信號輸入電平為-10～+10 V、噪聲信號輸入電平為0～+8 V、浪涌信號輸入電平為0～+150 V(最小脈沖寬度大于50 ms).最高采樣率為5 MSPS、存儲深度每通道16 MSa；具有固定的電路增益.

12路低速掃描采集參數(shù)包含2路電阻(803.063～1758.56 Ω，使用PT1000溫度傳感器采集)、2路電壓(-6～+50 mV，使用熱電偶溫度傳感器采集)、6路電壓(-10～+10 V)、2路電流(4～20 mA)；最高總采樣率120 kSPS，掃描模式可配置；為滿足其它微小信號采集，-10～+10 V信號電路增益設(shè)置為1、10、100倍可調(diào)，其它電路增益均固定.

(3)高速和低速采集總存儲容量(硬盤存儲)為128 GB.

(4)采集精度為±0.1%FS(+25 ℃，不考慮傳感器本身偏差).

(5)支持在線和離線工作方式.

2)傳感器激勵功能主要由16路恒流源輸出電路完成.電流范圍為0～24 mA，供電電壓為+24 VDC，電阻不大于500 Ω；具有開路保護(hù)功能.

3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘為內(nèi)置實(shí)時(shí)時(shí)鐘.具有可通過外部接口進(jìn)行授時(shí)的功能.

4)板載傳感器有溫度傳感器和振動傳感器兩種.其主要功能是測量溫度和振動加速度.溫度傳感器的測量范圍為-50～+125℃，測量精度為±1 ℃(+25 ℃).振動傳感器的測量范圍為x(0～15 g)，y(0～15 g)，z(0～15 g).

3 數(shù)據(jù)解析工具組成與功能

本軟件作為一個以便攜式筆記本等終端為物理載體環(huán)境，通過U盤、網(wǎng)線等數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，能夠處理現(xiàn)場車輛行駛過程中產(chǎn)生的“故障碼文件”和“行車參數(shù)文件”，并利用軟件功能對采集的原始文件進(jìn)行解碼、存儲、加載、顯示、分析等應(yīng)用，供現(xiàn)場測試人員掌握車輛的歷史健康狀態(tài)，并利用數(shù)據(jù)比對、數(shù)據(jù)計(jì)算、歷史案例查詢等進(jìn)行進(jìn)一步判斷.在完成分析后，利用工具記錄故障分析結(jié)果，供后續(xù)查詢、借鑒.

本軟件主要由前端接口、應(yīng)用模塊、典型應(yīng)用及數(shù)據(jù)庫4部分組成，其軟件架構(gòu)如圖6所示.

圖6 軟件功能架構(gòu)圖

主要包括以下功能：

1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集.

本軟件通過在底層集成了周立功CAN轉(zhuǎn)USB設(shè)備，型號為ZLG USBCAN-2E-U，通過數(shù)據(jù)鏈接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信.同時(shí)，軟件利用底層的ICD解析文件及解析代碼，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析.能夠?qū)崿F(xiàn)總線協(xié)議配置、軟件協(xié)議導(dǎo)入、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等功能.

2)數(shù)據(jù)文件采集.

可以通過本軟件集成的“數(shù)據(jù)下載”功能，調(diào)用用戶提供的“數(shù)據(jù)采集板USB下載工具”，彈出工具界面，并通過與裝備連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲區(qū)訪問及數(shù)據(jù)下載.在完成數(shù)據(jù)采集后，可根據(jù)車輛型號、編號等，在采集終端筆記本中創(chuàng)建相應(yīng)目錄文件夾，對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行歸類整理，主要數(shù)據(jù)包括了“車載行車數(shù)據(jù)文件”、“車載故障碼數(shù)據(jù)文件”.

3)數(shù)據(jù)解析與處理.

可以根據(jù)協(xié)議文件格式，對下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)將存儲至軟件工具對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，供事后查詢查看.

4 專家系統(tǒng)故障診斷

專家系統(tǒng)是一類具有專門知識和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，通過對專家問題求解能力的建模，采用人工智能中的知識表示和知識推理來模擬通常由專家才能解決的復(fù)雜問題，達(dá)到具有與專家同等解決問題能力的水平.這種基于知識的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是以知識庫和推理機(jī)為中心而展開的，即：專家系統(tǒng)=知識庫+推理機(jī).專家系統(tǒng)故障診斷軟件利用特定領(lǐng)域的專家規(guī)則，通過智能推理機(jī)進(jìn)行故障原因的挖掘，能夠在領(lǐng)域?qū)＜也辉趫龅那闆r下，指導(dǎo)現(xiàn)場人員高效地解決復(fù)雜裝備的故障告警、故障部件隔離、維修保障等問題.見圖7.

圖7 基于規(guī)則的專家推理架構(gòu)

在基于規(guī)則的專家推理過程中，領(lǐng)域知識被提取到規(guī)則集，并送到知識庫中.專家系統(tǒng)使用這些規(guī)則和事實(shí)庫中的信息通過推理機(jī)來求解問題.當(dāng)規(guī)則的判斷條件與事實(shí)庫中的信息相匹配時(shí)，規(guī)則被激活，并放入待執(zhí)行區(qū)域，推理機(jī)執(zhí)行規(guī)則部分的行為，并改變事實(shí)庫中的信息，而這種改變又可能會引起其他規(guī)則被激活.

為了解決規(guī)則的快速匹配和沖突消解，需要采用高效率的推理算法，目前行之有效的方法有很多，其中使用最為廣泛的是RETE算法和它的各種改良版本.

經(jīng)典的RETE算法主要包括Alpha內(nèi)存、Reta內(nèi)存和節(jié)點(diǎn)3個部分.其中，Alpha內(nèi)存用于存儲事實(shí)庫中事件對規(guī)則內(nèi)單一測試條件的匹配情況，Reta內(nèi)存用于存儲事實(shí)庫中事件對規(guī)則內(nèi)連續(xù)測試條件的匹配情況，節(jié)點(diǎn)用于驗(yàn)證事實(shí)庫中事件對所有測試條件匹配的一致性.RETE算法核心思想是利用了事實(shí)更新的時(shí)間冗余特性，也即單一事實(shí)的變化不會導(dǎo)致所有Alpha內(nèi)存、Reta內(nèi)存和節(jié)點(diǎn)的變化，因此不需要在每個推理周期內(nèi)對所有的規(guī)則進(jìn)行匹配，從而可以顯著提高推理的效率.

機(jī)電系統(tǒng)的故障預(yù)測和診斷使用了機(jī)器學(xué)習(xí)中的回歸方法.該回歸方法基于壽命數(shù)據(jù)樣本，建立裝備性能參數(shù)的時(shí)間序列模型，基于模型預(yù)測性能參數(shù)的衰減過程，當(dāng)性能參數(shù)衰減到指定閾值時(shí)認(rèn)為裝備壽命終結(jié)，從而可以根據(jù)實(shí)際的綜合保障條件和人員安排留出合理的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間并提前給出壽命預(yù)警[1].

此方法根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)包括正常運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、壽命參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、建立特征工程和模型,然后調(diào)整參數(shù)，再利用測試數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行評估和校準(zhǔn)，最終得到滿足精度和復(fù)雜度要求的在線模型.將在線模型嵌入到機(jī)電系統(tǒng)部件控制器中，可以用于異常狀態(tài)告警(閾值判斷)、故障診斷隔離(分類問題)和剩余壽命預(yù)測(回歸問題)，同時(shí)算法所存儲的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可以用于補(bǔ)充訓(xùn)練數(shù)據(jù)，修正和完善數(shù)據(jù)模型.故障診斷和故障預(yù)測的流程如圖8所示.

圖8 故障診斷和故障預(yù)測的流程

5 實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)用以上方案對機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行測試研究，使得整車機(jī)電單元發(fā)生故障判斷時(shí)間大幅縮短，尤其是機(jī)電系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)、AMT、液壓控制器這類復(fù)雜子系統(tǒng)，機(jī)電系統(tǒng)的診斷效率提高50%以上；通過樣車數(shù)據(jù)的獲取，建立了基本的機(jī)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可以定位部分發(fā)生故障前有異常趨勢的系統(tǒng)參數(shù)，為后續(xù)健康管理的趨勢分析提供了基礎(chǔ).

6 結(jié)束語

為解決特種車輛多個復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和維修保障需求，提出了一種故障測試方案.該方案主要由車載數(shù)據(jù)健康管理控制器、數(shù)據(jù)解析工具以及專家系統(tǒng)故障診斷3部分組成.實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該方案能夠用來支持車輛全壽命周期的各個維護(hù)診斷測試，并實(shí)現(xiàn)了車輛的故障診斷和健康管理需求.下一步，在故障模型的建立與故障特征的提取方面還需要進(jìn)行深入研究.