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摘要：信号接收系统是电子侦察领域的重要设备。其中的故障诊断功能对于设备的高效使用和发挥效能,具有很重要的作用。本文针对信号接收系统的特点,将故障诊断功能分为健康管理和功能自检两部分,采用模块化、组件化的设计思想,通过数字建模的方法,实现了一种开放式软件架构。通过此方法,不仅可以高效的实现故障检测,而且具有通用性,可以快速拓展到不同的信号接收系统。
关键词：故障诊断系统；组件化；模块化；数字建模；开放式软件架构
Open Software Architecture of Fault Detection System
XU Jiayan,CHEN Jie,HE Xiujuan
(Southwest China Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu Sichuan 610036)
【Abstract】：Signal receiving system is an important equipment in electronic reconnaissancefield.The fault diagnosis function plays an important role in the efficient use of the equipment.According to the characteristics of the signal receiving system,this paper divides the fault diagnosis function into two parts:Health management and function self-test.With the modular and component-based design idea and the method of digital modeling,an open software architecture is realized.Through this method,not only the fault detection can be realized efficiently,but also it has universality and can be rapidly extended to different signal receiving systems.
【Key words】：fault detection system;componentization;modularization;digital modeling;open architecture
0引言
武器装备将普遍嵌入传感器等实时状态监控设备,配备状态信息采集与持续监控、故障诊断与剩余寿命预测、自主维修决策等功能于一体的软硬件模块,维修模式将从定期开展的预防性维修转向按需开展的预测性维修,不仅能提前发现潜在故障,提高装备的战备完好性,还节省了维修时间,降低了维修费用。例如,状态预测与健康管理等先进维修技术的发展及应用,不仅能实现在战斗机飞行过程中开展故障探测、故障隔离及维修规划,还将使出动架次率提高25%,维修人力减少20%~40%,保障费用减少50%以上。
“数字装备体系”提出基于数据开展装备体系描述和建模的方法,其思想是基于装备体系的基础数据构建其对应的数字系统,建立实际装备体系的数字映像,实现装备体系的描述和建模。开放式体系架构与模块化设计的思想成为未来的方向,软硬件均为模块化组件,可根据不同的功能要求快速组成不同的装备,执行多种任务,具备快速可升级性[1-8]。
本文针对装备故障诊断需求,基于数字系统的思想,抽象装备的物理系统为数字系统,设计一种故障诊断系统的开放式软件架构,实现物理和软件的映射,屏蔽复杂底层自检功能逻辑,软件和硬件的解耦,可以高效匹配不同的装备,实现故障诊断,降低成本。
1系统概述
信号接收系统截获、识别和定位各种信号源,并从噪声(包括干扰)中识别出敌对信号,判断哪些信号是敌对信号,然后对他们采取措施。如图1所示,将信号接收系统分为系统功能,实现截获、识别和定位等功能；健康管理系统辅助功能,用来实时监测系统内模块的电压、电流、温度、通信链路等信息。
2健康管理系统
系统需要监测各模块的电压、电流、温度、通信链路状态信息以及特定状态信息,实时判断各模块是否正常,形成故障清单上报操作员。
由于不同模块的状态信息数据结构不一致,若使用程序代码实现,则需要针对每个模块编写个性化代码,后期维护升级时若增加模块很难直接复用,同时不利于可扩展性和通用性。针对这一特点,借鉴敏捷开发的方式,采用模块化、组件化的设计思想,将每个模块贴上特定标签,在逻辑层通过蓝图配置文件的方法,解决个性化模块的状态信息。健康管理故障检测开放式架构如图2所示。
如图3所示的蓝图配置文件,将不同模块打上标签,根据模块的标签索引配置信息。
如图4所示,checkMask1为检测对象的掩码,根据掩码和模块状态二进制数据获取到相应状态的二进制信息,Unit为单位,将掩码数据转换为物理信息,ReferDown和ReferUp为阈值的上下限,判断物理数值是否在阈值范围内,若超出阈值范围,则上报故障编码MFLcode和PFLcode。
3系统功能
信号接收系统功能为接收射频信号,测量信号参数,形成包含频率、入射方向、脉冲宽度、幅度和到达时间等参数编码信息的脉冲描述字。如图5所示为信号接收系统的信号流图。图中数字标注表示信号接收系统信号链路上各模块物理检测点的位置。
3.1系统故障诊断流程
信号接收系统故障检测流程为,模拟输出不同频率、脉宽、重频的射频信号,信号接收系统测量其参数,形成脉冲描述字。首先检查参数测量值和设置的激励源参数是否一致。若测量参数数值正确,则此项功能自检正常,否则获取信号接收系统内各模块层级的物理检测信息,根据物理检测点的信息推理定位出故障模块,上报对应的故障模块清单列表(MFL)和故障功能清单列表(PFL)。
信号接收系统定位故障关键是通过图5中的物理监测点位置获取到的监测信息,推理出系统故障环节。原方法通过模拟自检信号,在各模块监测节点获取对应监测点信息,利用软件中循环固定的判断逻辑,通过轮询推理的方式,定位模块是否存在故障。该方法无法根据各模块节点在链路中占比权重和与其他链路共用性准确推理定位至某一节点故障,更无法提供故障隔离的置信度。仅适用于简单信号链路的检测和故障隔离,其软件架构弹性差,无法拓展至多系统共用。
3.2故障诊断数字模型
考虑到不同射频信号链路经过模块耦合性大的特点,可充分利用公共模块监测点的信息。据此,本文提出基于正确性推理的故障检测方法,将各个模块实时检测到的物理信息与理论值进行比较,准确实现系统故障定位,具体检测模型如表1所示,表中列向量表示为射频链路信号经过的物理模块检测点,行向量表示为采集脉冲描述字和各模块节点的监测点物理信息。
(1)若输出脉冲描述字的各项参数均正确,则表示从模拟输出源到信号处理模块的物理链路上各模块均工作正常,则表中列向量表征的物理点均正常,其特征值表示为1。
(2)若脉冲描述字参数不全正确,则表示从激励源到信号处理模块链路上存在模块故障,需进一步获取射频链路上所有模块监测点上报的监测信息。根据各模块监测点上报的监测信息(行向量),按照表1索引统计列向量模块节点的工作状态结果。监测信息为1表示对应的监测模块节点正常,监测信息为0表示对应的监测模块节点异常,与监测信息不相关的模块节点置空。
(3)统计表1中列向量各模块监测节点为1的总数,将其与链路理论设计监测节点理论数值对比,可得出模块检测点上报故障的置信度。
通过上述过程,准确定位出射频链路中故障模块节点和其发生故障的置信度值。若统计结果小于理论值,则表示该模块出现故障。距离理论数值偏差越大,该模块发生的故障概率越大。
4故障诊断开放式软件架构
通过构建物理模块自检结果列向量和模块物理监测点行向量的故障隔离模型,实现了一种通用的故障检测实践方法。可适用于复杂装备系统,并推广至不同功能和硬件组成结构的信号接收系统。如图6所示,为故障诊断系统的开放式软件架构示意图,该架构将故障诊断通过数字化模型抽象化,封装成故障诊断组件。通过加载蓝图配置文件,真实物理系统和逻辑诊断功能的映射,实现软件和硬件的解耦。加载不同的蓝图配置文件,可以快速重构不同信号接收系统和硬件组成的故障诊断系统。
将上文如表1所示的故障检测方法模型重组抽象为功能自检模块监测点蓝图配置文件(如图7所示),软件根据加载的监测点配置文件,映射到具体的装备物理组成,通过自检功能采集各模块监测点信息,依据CheckMask中各模块的监测点所在位置和数量检查其监测信息是否正常,若正常则输出逻辑表LogicResult,即表1的行向量数据。检索完所有模块配置表监测点信息后,读取蓝图配置表LogicResult中所有监测信息表征的模块节点列向量对应关系,准确索引定位出故障模块,通过如图8所示上报故障模块和系统级功能故障,实现故障诊断和隔离。
5结语
信号接收系统是电子侦察领域的核心装备,故障检测和隔离方法对装备的维护性和使用效率作用重大。由于承载不同功能需求的信号接收系统物理组成差异较大,传统的面向对象的故障检测方式,采用条件式轮训推理故障,软件实现严重依赖物理硬件,个性化定制强,难以扩展至其他系统复用。
本文提出一种通用的信号接收系统故障检测软件开放式架构。构建通用的数字化故障隔离模型,通过加载蓝图配置文件,实现解耦软件和硬件绑定,实现可快速重构的通用故障检测的软件开放式架构,该软件架构具有高效的可维护性和可复用性。
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