基于邊緣計算的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計

閆 戈，吳 婷，楊 誠，汪 浩，譚艾迪

(中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100081)

0 引言

艦炮通常分為電氣和火炮系統(tǒng)兩部分，是一種集光機電液于一體的復(fù)雜武器，須在短時間內(nèi)連續(xù)、不間斷地高速射擊，對可靠性要求高。目前對艦炮系統(tǒng)的保障方式仍以“事后維修”和“定期維修”為主，不能實時判斷艦炮系統(tǒng)的工作狀態(tài)，且少量的監(jiān)測系統(tǒng)及也是以狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷為目的[1-3]，無法準確預(yù)測故障發(fā)生時間，難以保證艦炮執(zhí)行訓(xùn)練或者任務(wù)時的可靠性和安全性，且設(shè)備的過度維保造成資源的浪費，也不能避免突發(fā)性故障[4]。隨著戰(zhàn)場對艦炮性能需求的提高，艦炮性能退化和故障導(dǎo)致的風(fēng)險在加大的同時，其維修成本也大幅提高，如何在節(jié)約維修保障成本的同時，提高艦炮系統(tǒng)的能力成為迫切解決的問題[5]。

1 故障預(yù)測技術(shù)和邊緣計算

1.1 故障預(yù)測技術(shù)

故障預(yù)測技術(shù)是在故障診斷的基礎(chǔ)上發(fā)展得到的一種更為精準的維護保障方式。故障預(yù)測的最大價值在于剩余生命的預(yù)測，技術(shù)人員利用設(shè)備的設(shè)計數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息，采用合適的方法，預(yù)測對象在未來的一段時間內(nèi)何時發(fā)生故障以及發(fā)生什么故障，提前制定維護保障方案，實現(xiàn)基于狀態(tài)的維護，可以有效地保障設(shè)備的工作效率。

故障預(yù)測技術(shù)的出現(xiàn)為提高艦炮武器的可靠性和維修保障能力提供了一種新的手段。故障預(yù)測技術(shù)在艦炮系統(tǒng)維護窗口期內(nèi)選擇最合適的維護策略和維修計劃，在統(tǒng)籌全系統(tǒng)維護內(nèi)容的基礎(chǔ)上，制定全局最優(yōu)的維護方案，節(jié)省人力物力，保障系統(tǒng)的工作能力，目前在船舶主推進系統(tǒng)[6]、柴油機[7]、民用飛機[8]、航空電子及裝甲車輛等方向[9-10]已經(jīng)取得了較好的使用效果。

1.2 邊緣計算

傳統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)一般都是將數(shù)據(jù)上傳至上位機進行統(tǒng)一處理。隨著接入監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的增加，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸帶寬和處理的實時性均提出了更高的要求。邊緣計算作為新興技術(shù)，可以很好地解決傳輸數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高的問題[11-12]。

邊緣計算核心在于可將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)前移至靠近物或者數(shù)據(jù)源的一側(cè)。邊緣計算可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)中心壓力、提高應(yīng)用服務(wù)的實時響應(yīng)能力、增強數(shù)據(jù)安全性[13-14]。

邊緣計算主要由設(shè)備層、邊緣主機層和終端層組成，其技術(shù)架構(gòu)[15]如圖1所示，功能分別如下：

1)設(shè)備層，包括各種需要監(jiān)測的設(shè)備、系統(tǒng)、部件和其他監(jiān)測系統(tǒng)，主要是監(jiān)測對象，并對其進行信號數(shù)據(jù)得收集；

2)邊緣主機層，對收集的各類信號進行處理，該層基本完成必須的數(shù)據(jù)處理工作，僅將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳至終端層；

3)終端層，主要用于查看邊緣主機層數(shù)據(jù)處理結(jié)果，此外，當需要查看某一設(shè)備某一時段的工作數(shù)據(jù)時，可以通過控制軟件將階段數(shù)據(jù)上傳，進行進一步分析，有效地降低了數(shù)據(jù)量的傳輸。

圖1 邊緣計算技術(shù)參考架構(gòu)

本文針對艦炮基于狀態(tài)的維護保障需求，設(shè)計了一種艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)，考慮艦炮系統(tǒng)及其搭載的艦船平臺特殊使用環(huán)境，引入了邊緣計算技術(shù)架構(gòu)，將計算和存儲資源前移到數(shù)據(jù)采集前端，在平臺端實時進行預(yù)測和健康狀態(tài)評估，實現(xiàn)自主式維護保障。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)從功能上分為三部分，包括基于windows平臺的人機交互界面，用于故障預(yù)測系統(tǒng)的管理與控制；基于Linux RT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流管理軟件，用于采樣數(shù)據(jù)流的處理分析；基于傳感器及機內(nèi)自檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，用于艦炮工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集。

圖2 艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)功能需求，艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案如圖2所示，系統(tǒng)分為三層子系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及上位機子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)通過安裝振動、壓力、溫度傳感器以及接入機內(nèi)自檢系統(tǒng)的電壓、電流、溫度信號實現(xiàn)艦炮的狀態(tài)參數(shù)感知，并傳送至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)進行分析處理；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要用于信號數(shù)據(jù)的特征提取、狀態(tài)識別(健康評估)、故障預(yù)測、數(shù)據(jù)處理結(jié)果的上傳、采樣配置的下載、信號數(shù)據(jù)的儲存等，是艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。系統(tǒng)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成故障預(yù)測計算故障，并將預(yù)測結(jié)果上傳至上位機；上位機主要用于系統(tǒng)采樣參數(shù)的配置、狀態(tài)數(shù)據(jù)及預(yù)測結(jié)果的顯示、數(shù)據(jù)管理和歷史數(shù)據(jù)分析等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)

根據(jù)常見的故障類型以及故障模式，考慮機內(nèi)自檢系統(tǒng)現(xiàn)有狀態(tài)參數(shù)無法足夠表征關(guān)鍵部件的退化狀態(tài)，在不影響艦炮結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)上，新增振動、溫度、壓力傳感器抓取部件的狀態(tài)信息，并對傳感器布局進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)利用最少數(shù)量的傳感器獲取艦炮系統(tǒng)的全面狀態(tài)信息。

數(shù)據(jù)感知子系統(tǒng)，如圖1，包括數(shù)據(jù)采集模塊以及總線數(shù)據(jù)獲取模塊，用于對艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)進行采集，并將采集的實時信號數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理平臺。關(guān)鍵系統(tǒng)包括自動機、火炮控制柜、隨動電機、隨動變頻器、電源機柜、炮床；數(shù)據(jù)采集模塊包括振動、溫度、壓力傳感器，分別用于采集艦炮炮架的振動信號、隨動變頻器的溫度信號以及自動機的壓力信號；總線數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取艦炮系統(tǒng)火炮控制柜的電壓電流信號、隨動電機的溫度信號以及電源機柜的電壓信號。

3.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的核心組成，包括CompactRIO集成式控制器、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊。

數(shù)據(jù)輸入模塊用于解析BIT總線信號數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號數(shù)據(jù)進行異常點剔除、降噪濾波、時間對準處理等；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲采集的信號和特征數(shù)據(jù)；電源模塊為控制器提供電源；控制器負責(zé)數(shù)據(jù)的特征提取、狀態(tài)識別、故障預(yù)測、預(yù)測結(jié)果的上傳、配置參數(shù)的下載等，各模塊集成為CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺，安裝于加固機箱內(nèi)，如圖3所示。艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)采用Labview作為上位機軟件及數(shù)據(jù)采集硬件平臺的控制程序開發(fā)環(huán)境。

圖3 信號處理分析子系統(tǒng)硬件平臺

其中，CompactRIO集成式控制器主要功能包括裝載數(shù)據(jù)輸入及通信模塊；利用機箱上的FPGA核心實現(xiàn)基于硬件的時序控制(精確定時、嚴格觸發(fā)等)、數(shù)據(jù)采集、信號處理、結(jié)果輸出操作；運行應(yīng)用程序，連接外圍設(shè)備、記錄數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)經(jīng)信號線存入儲存硬盤中；數(shù)據(jù)處理結(jié)果的上傳及實時顯示；參數(shù)配置、系統(tǒng)調(diào)試等。信號輸入模塊主要功能包括利用模擬輸入通道采集傳感器信號；利用同步觸發(fā)機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集等。

CompactRIO集成式控制器負責(zé)特征提取、狀態(tài)識別、故障預(yù)測等數(shù)據(jù)處理內(nèi)容以及下載上位機指令和上傳數(shù)據(jù)處理結(jié)果等，是數(shù)據(jù)采集平臺的核心組成部件，其功能單元組成如圖4所示，包括：1)功能配置單元，用于接收上位機的控制指令，為硬件系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)采樣通道、采樣率、模型關(guān)鍵參數(shù)等；2)特征提取單元，進行數(shù)據(jù)時域、頻域、時頻域的分析處理，完成特征提取，并構(gòu)建特征向量，用于狀態(tài)識別單元和故障預(yù)測單元的輸入；3)狀態(tài)識別(健康評估)單元，利用艦炮數(shù)據(jù)構(gòu)建狀態(tài)識別模型，實現(xiàn)艦炮系統(tǒng)關(guān)鍵部件的實時運行狀態(tài)識別；4)故障預(yù)測單元，利用艦炮數(shù)據(jù)構(gòu)建故障預(yù)測模型，計算得到實時預(yù)測結(jié)果，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對算法模型訓(xùn)練、迭代和管理，不斷提高模型適應(yīng)性，確保故障預(yù)測結(jié)果的準確率；5)結(jié)果輸出單元，用于將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳至上位機進行顯示及管理。CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺具備體積小、穩(wěn)定性高、寬溫、可配置性強的特點，可以滿足不同工作任務(wù)下的數(shù)據(jù)采集需求。

圖4 集成式控制器功能單元組成

3.3 上位機

考慮到艦炮工作環(huán)境惡劣、便于數(shù)據(jù)管理以及結(jié)果觀測性要求高的特點，艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)選用高配置平板電腦作為上位機。為滿足實際的狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測需求，共設(shè)置4個模塊，分別為：

1)參數(shù)配置模塊，參數(shù)配置模塊包括通道配置和信號采集模塊采樣率的配置，可以滿足不同數(shù)據(jù)采集任務(wù)下，不同通道數(shù)量和不同采樣率的組合需求。

2)數(shù)據(jù)管理模塊，將下位機儲存在硬盤里的數(shù)據(jù)上傳至上位機電腦中，便于后期的分析。

3)數(shù)據(jù)顯示模塊，配合數(shù)據(jù)管理模塊，對同步到上位機的數(shù)據(jù)進行觀測，在展示波形的同時還能夠?qū)Ω鱾€通道采集信號進行簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。方便用戶實時監(jiān)測采樣信號，及時發(fā)現(xiàn)待測信號的異常狀態(tài)，在必要時及時調(diào)整測試任務(wù)。

4)數(shù)據(jù)分析模塊，配合數(shù)據(jù)管理模塊，歷史數(shù)據(jù)分析模塊對同步到上位機的數(shù)據(jù)進行運行趨勢、狀態(tài)識別、故障預(yù)測等數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)采用LabVIEW軟件作為開發(fā)工具，完成了艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)，安裝于上位機平板電腦，通過觸摸屏對系統(tǒng)進行操作控制，實現(xiàn)艦炮運行狀態(tài)信號的實時在線監(jiān)測、參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)管理以及歷史數(shù)據(jù)分析等。

4 軟件平臺設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件選用NI公司的Labview軟件，以NI硬件結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合模塊化、多線程的軟件設(shè)計思想進行開發(fā)，使其具備數(shù)據(jù)采集、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)管理及任務(wù)配置的功能。對于數(shù)據(jù)的任務(wù)配置，測試人員可以根據(jù)需求，在上位機上靈活的進行采集通道的選擇和采樣率的設(shè)置。對于數(shù)據(jù)存儲，采用文件的形式進行存儲，存儲的文件格式支持.dat、.txt等多種文件格式，軟件平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件平臺結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

本文基于邊緣計算技術(shù)架構(gòu)，將數(shù)據(jù)處理前移至設(shè)備端即靠近數(shù)據(jù)源頭，邊緣主機層負責(zé)數(shù)據(jù)處理工作，日常工作時，上位機只負責(zé)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的查看。當對歷史數(shù)據(jù)有分析需要時，通過控制指令將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)上傳至上位機，并進行進一步的數(shù)據(jù)處理分析。

首先系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊和總線數(shù)據(jù)獲取模塊負責(zé)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集，完成數(shù)據(jù)的第一次預(yù)處理如AD轉(zhuǎn)換等；將數(shù)據(jù)輸送至CompactRIO數(shù)據(jù)采集平臺進行數(shù)據(jù)的第二次預(yù)處理如野點剔除和歸一化處理等，完成預(yù)處理后數(shù)據(jù)進行特征提取及儲存，一方面將特征提取數(shù)據(jù)處理結(jié)果上傳至上位機顯示，另一方面結(jié)合歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建特征矩陣，用于訓(xùn)練狀態(tài)識別、故障診斷和故障莫測模型，用于歷史數(shù)據(jù)的分析，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

4.3 系統(tǒng)界面設(shè)計

軟件界面如圖7～10所示。系統(tǒng)啟動后，登錄客戶端自動接入?yún)?shù)配置界面，包括界面選擇欄、控制按鈕欄、通道欄、數(shù)據(jù)曲線顯示欄、通道自檢狀態(tài)欄等。其中，界面選擇欄用于選擇用戶配置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、歷史數(shù)據(jù)分析界面；控制按鈕欄實現(xiàn)程序開始運行、停止等功能。通道欄用于顯示波形的通道；數(shù)據(jù)曲線顯示欄顯示當前選中通道的數(shù)據(jù)曲線。

圖7 系統(tǒng)配置界面

圖8 數(shù)據(jù)顯示界面

圖9 數(shù)據(jù)管理界面

圖10 數(shù)據(jù)分析界面

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計了一種基于邊緣計算的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)，在傳統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷的基礎(chǔ)上同時引入了故障預(yù)測技術(shù)和邊緣計算技術(shù)。故障預(yù)測技術(shù)可以實現(xiàn)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的運行狀態(tài)分析，準確預(yù)測故障發(fā)生時間，提前規(guī)劃維修任務(wù)；系統(tǒng)引入的邊緣計算技術(shù)架構(gòu)，將艦炮系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)處理工作下移至下位機，上位機負責(zé)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示及管理，便于用戶的觀測，也更有利于現(xiàn)場的實施。設(shè)計的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)較傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，詳細對比見表1。

表1 設(shè)計系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)優(yōu)勢對比

基于邊緣計算的艦炮故障預(yù)測系統(tǒng)通過采集艦炮系統(tǒng)的溫度、振動、壓力、電壓、電流信號，完成艦炮狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與儲存，不斷積累有效的運行數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)艦炮關(guān)鍵系統(tǒng)的運行趨勢監(jiān)測、狀態(tài)識別、故障預(yù)測，可以提前規(guī)劃維護保障方案，保證艦炮執(zhí)行訓(xùn)練或任務(wù)時的可靠性和安全性，提高艦炮系統(tǒng)的工作效能，同時可以對備品備件優(yōu)化，降低維護保障成本。通過邊緣計算技術(shù)架構(gòu)，可以有效地提高了數(shù)據(jù)處理的實時性、降低了數(shù)據(jù)傳輸量以及系統(tǒng)軟硬件的要求，更便于與其他系統(tǒng)的集成。