導彈發射車通用故障診斷平臺的設計與實現－IT工程師數位筆記本

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摘要：隨著導彈發射車復雜度的不斷增加，為了提高系統可靠性，故障診斷成為了發射車系統必不可少的一部分。針對各個型號單獨研發故障診斷系統，需要投入大量的人力、物力及時間成本。該文提出一種發射車通用故障診斷設計平臺，通過對人機交互、通信接口、診斷算法等核心功能的抽象與模塊化設計，實現故障診斷系統的高度可配置化。針對不同的型號需求，通過簡單的配置管理，就能得到最終的故障診斷系統，減少不必要的二次開發，從而降低研發周期與成本。

　　關鍵詞：故障診斷；可配置；CAN；通用平臺
　　中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）30-0271-03
　　The Design of Missile Launching Vehicle Common Fault Diagnosis Platform
　　CAO Xiang-rong， LI Xiang-yang， LIU Jie， LI Rong
　　（Beijing Institution of Space Launch Technology， Beijing 100076， China）
　　Abstract： With the constantly increase of complexity for missile launching vehicle， the fault diagnosis system has become one essential part to guarantee the reliability. It will drain on lots of manpower and material resources for various diagnosis system developing of each project. A missile launching vehicle's common fault diagnosis platform is proposed in this paper. It realizes highly configuration of the diagnosis system by core function modularity， such as user interface， communication， diagnosis method and will reduce the cost and time of research and development.
　　Key words： Fault Diagnosis； Configurable； CAN； Common Platform
　　故障�\斷是指利用被診斷系統的各種狀態信息和已有的專家知識，進行信息的綜合處理，最終得到關于系統運行與故障狀況綜合評價的過程。故障診斷系統是一個實現了信息通信、故障推理及決策的綜合信息管理系統[1-3]。導彈發射車由于信息化發展需求導致系統復雜度不斷增加，為了確保武器系統的可靠性，故障診斷系統已經成為了各型號必不可少的重要組成部分。
　　按照一般型號研發流程，需要為不同的型號單獨研發各自的故障診斷系統，研發周期長，需要投入的人力成本高。隨著型號日益增多，對于一個通用導彈發射車故障診斷平臺的需求日益突出。基于該平臺，設計人員通過配置管理，就能獲得滿足各型號的故障診斷系統大大縮短開發周期，降低開發成本，實現“一次開發，靈活配置，全面匹配”的目標。
　　1 發射車車載系統概述
　　如圖1所示，發射車主要模塊包括車控、液壓、底盤、溫控、供配電等，它們基于CAN[6-7]總線構成車載系統的主體。利用CAN總線良好的可
　　擴展性，故障診斷系統可以作為一個獨立的CAN節點無縫接入原有系統；數據記錄儀記錄了所有總線上的歷史數據，所以故障診斷系統既可以從總線獲取實時數據，也可以從數據記錄儀獲取歷史數據進行分析。總線網關負責車載系統與其他總線（如以太網）之間的通信。對于不同型號而言，雖然發射車功能有差別，但是其車載系統的架構卻是基本相同的，這也為我們能夠設計通用故障診斷系統的基礎。
　　2 發射車通用故障診斷平臺設計
　　2.1 發射車故障診斷系統功能抽象
　　若想設計發射車通用故障診斷平臺，首先必須要詳細了解各型號故障診斷系統的功能，并且提煉出統一的功能模型[5]。圖2描述了發射車故障診斷系統的一般功能抽象，其中用戶管理模塊負責對故障診斷系統操作人員的管理；狀態檢測模塊負責監控系統實時狀態信息；故障推理模塊負責在發生故障時對故障進行診斷分析；數據存儲模塊負責存儲管理整個故障診斷系統需要保存的數據；數據通信模塊負責故障診斷軟件與系統其他模塊的通信；人機交互模塊負責信息的顯示以及指令交互。
　　2.2 通用故障診斷平臺設計
　　不同型號發射車故障診斷系統之間的差異，都可以歸結到如圖2所示的抽象功能模塊之間的不同。如果將這些通用模塊定制為可配置的，那么通過配置管理的方式，就能得到不同型號的故障診斷系統，這也是實現通用故障診斷平臺的基本思想。
　　圖3描述了通用故障診斷平臺的功能架構，在此我們主要對系統的可配置性設計進行說明。
　　1）人機交互可配置設計
　　故障診斷系統的圖形交互界面，主要顯示系統的各種狀態量、基本故障信息等。圖形界面的需求千變萬化，每個故診系統包含的圖形元素都不盡相同，在布局位置等要求上也各有差異，對其進行常規意義下的可配置設計，幾乎不可能。
　　對此，通用平臺采用“圖形元素控件庫”與“人機界面設計工具”來解決圖形界面配置化問題。“圖形元素控件庫”通過對各型號故障診斷系統界面需求的調研，將圖形要素歸納為如下幾個主要控件：模擬量控件、開關量控件，曲線圖控件以及信息顯示控件。這些控件的表現形式一定，但數量、位置、大小都是可配置的。這樣對于故障診斷系統界面設計而言，可以將每個界面包含的控件數量、位置、大小等信息寫入配置文件，從而實現了界面的配置化生成。“人機界面設計”是基于控件庫的可視化界面設計工具，設計人員通過直觀、簡單的操作就能完成界面設計，并將配置信息自動添加到配置文件中。　　對通用平臺而言，圖形控件不僅需要能夠適應不同的外觀配置，更重要的是其與數據的關聯性也要具備可配置性，如一個模擬量控件到底是顯示溫度還是速度？為此，我們在控件中加入CAN通信ID屬性，在控制流程中通過輪詢數據流ID、控件屬性ID的方式實現數據與空間的關聯性，如圖4所示。
　　2）數據通信可配置設計
　　故障診斷軟件需要獲取系統狀態信息，才能進行診斷與推理，所以對通用平臺而言，數據通信協議的可配置設計必不可少。發射車車載系統采用CAN總線作為數據通信方式，通信協議基于CANOpen協議實現，它們自身都具有很高的可配置屬性[]，這為通用故障診斷平臺可配置數據通信設計打下了良好的基礎。
　　CAN數據幀通過“ID+數據”的方式傳輸。通過分配不同的ID，可以對應不同的數據。對于每個CAN設備而言，都有一個管理ID的配置文件，只要通過該文件就能配置CAN通信中的數據通信協議。對于一個針對特定應用的CAN系統而言，這樣的配置一般是不變的，而故障診斷系統也是CAN網絡中的一個CAN設備，所以只要在系統設計中，確定該配置文件定義，將接收到的數據按協議解析，就可以對應到不同模塊，如開關量、模擬量或報警信息，從而實現數據通信的配置，如圖5所示，該CAN配置文件也成為通用平臺配置文件的一部分。
　　3）故障推理算法可配置分析
　　故障推理算法主要實現對故障的分析、推理以及定位。通用故障診斷平臺采用基于故障樹的分析方法實現故障推理。故障樹分析法是一種國內外公認的對復雜系統故障分析比較實用的方法，已經在航空航天、機械、電子等領域被廣泛應用[2-4]。故障樹采用樹形結構、與或邏輯將故障現象、中間過程以及底層原因組織在一起，其推理過程實質是對樹形結構的遍歷檢索。不同故障的差異體現在樹具體的內容，但是遍歷檢索的過程是一致的，所以圖3中“故障診斷軟件運行殼”實現了這一故障樹檢索算法，并且可以在各型號故障診斷系統中通用。
　　4）通用故障診斷系統配置文件設計
　　配置文件包含了通用故障診斷系統的所有可配置數據，如上面提及的控件信息、CAN數據配置信息等。如何有效地管理這些數據，是通用平臺必須要解決的問題。
　　通用平臺采用面向對象思想，基于XML[8，9]格式實現對配置文件數據的管理，如圖6所示。文
　　件結構分為兩層，第一層為對象名，第二層為對象屬性以及屬性值。故障診斷系統通過對象名解析不同對象的屬性，這種結構具有良好的可擴張特性。
　　圖3所示的其他模塊功能簡述如下，用戶管理主要負責平臺用戶的權限管理；故障樹管理負責向故障平臺數據庫錄入故障樹；故障診斷系統生成模塊負責將各功能模塊打包成可執行故診程序；項目管理模塊將各個型號的故障診斷系統按獨立的項目進行管理。這些模塊也是實現通用故障診斷平臺必不可少的輔助功能。
　　3 結束語
　　本文通過對各型號車載故障診斷需求的詳細分析，結合控件技術、CAN通信、可配置設計思想，提出了一種通用故障診斷平臺的設計與實現。利用該平臺設計人員可以通過配置管理，得到適用于各個型號的故診系統。目前，該平臺已經成功應用與多個型號的故障診斷系統的開發，各型號間的模塊復用度大于90%，大大縮短了各型號故障診斷系統的開發周期，降低了研發成本。
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