基于故障注入模式的装备检测与维修训练系统

公丕平，姜海宝，申金星，高亚明

（1.陆军工程大学，江苏 徐州 221004；2.69214部队51分队，新疆 和田 848000）

引言

嵌入式训练模式特别是嵌入式操作训练在欧美等军事强国实现了快速发展与广泛应用，而我军也在进行嵌入式操作训练的有益探索，并成功研制一批具有先进设计理念与逼真训练效果的嵌入式训练系统。在嵌入式操作训练“基于实装开展装备使用训练”前提下，嵌入式维修训练的方式逐渐流行起来，这种训练方式改变了以往采用维修训练模拟器或虚拟维修训练的形式，通过“嵌入”装备内部的设障模块，在实际装备的基础上实现故障现象的准确模拟，拓展装备维修训练方法与手段。这种维修训练方式是在故障注入技术的基础上实现的，其借鉴了故障注入技术的设计理念，将设障对象扩展到完整的装备电气系统，开发专用的设障硬件与软件，搭建嵌入式维修训练系统，实现训练设备与实际装备的紧密结合。

1 测试对象选择与系统设计要求

1.1 测试对象选择

某型装备是我军的一种骨干桥梁装备，用于伴随机械化部队实施机动保障任务，但该型装备自动化程度高，电控系统工作原理复杂，为部队的维修保障与维修训练造成了困难，将嵌入式维修训练手段应用于重型支援桥维修教学与训练，可有效促进该装备考核效果与维修训练水平的提升，实现自主设障、逼真设障、全面设障、隐蔽设障与无损设障，改善当前装备维修教学效果不理想，缺少有效故障模拟手段的现状。

目前，基层修理分队对于重型支援桥电控系统的维修检测能力较为薄弱，主要依靠个人经验与指示灯、万用表等简单仪器。如果利用嵌入实装内部的自主设障单元，还可监控重型支援桥所有节点的信号状态，实现装备状态信息的实时、高效检测，通过与正常信号特性比较，快速定位故障部位，可实现该装备电控系统常见故障的智能诊断，可有力促进部队维修保障水平的提高。

总而言之，研制某型装备电控系统嵌入式维修训练与检测平台可实现两个目标：开发通用硬件平台与一体化软件系统中实现维修教学、训练与考核，实现该装备维修训练的自主设障、逼真设障、全面设障、隐蔽设障与无损设障，进而提升该装备维修训练水平；利用嵌入式状态检测单元，实现该装备电控系统信号状态的快速检测与故障智能诊断，提高重型支援桥故障检测能力与维修保障水平[1-2]。

1.2 系统设计要求

实现嵌入式维修训练与考核，关键在于利用内置设备模拟电控系统的常见故障，将设备“嵌入”到装备信号回路中，根据训练与考核需求改变原有信号的状态，供受训者进行判断与排除。因此，开发的维修训练与考核系统要在完成设障功能要求的同时，应遵循以下几点要求，避免对装备造成损坏。

1.2.1 自主设障要求

嵌入式维修训练模式的最大优势在于可以根据训练进程，按照授课人的思路灵活设置相应的故障现象，供受训者判断与排除。重型支援桥电控系统自主设障单元应实现主要信号回路的状态模拟，确保故障设置的高效性，授课人只需在上位机控制软件上输入或选择故障类型、名称，控制单元即可将相应的故障代码发送到对应位置的嵌入式设障单元，利用继电器阵列的通断实现传感器、电磁阀等信号通道的短路、短路、搭铁等故障现象，取代以往采用人工方式在装备内部“动手脚”的考核训练模式，突出嵌入式维修训练自主设障高效、灵活的技术优势。

1.2.2 全面设障要求

重型支援桥电气系统组成与原理较为复杂，包括4个PLC控制器、无线/有线数据通信网络，42个检测/压力/温度传感器以及4个电动/手动电磁换向阀，因此具有信号通路众多、节点类型复杂、信号种类多样的特点，对其进行故障设置需要满足几点要求，一是故障点覆盖系统主要信号节点，特别是PLC控制器输入/输出口、执行元件/位置反馈元件信号输出口；二是系统故障类型涵盖电控系统常见故障，包括断路、短路、搭铁、接触不良等现象，以确保故障设置的多样性；三是要能够重复再现典型故障现象，供受训者进行反复练习[3-4]。

1.2.3 无损设障要求

在重型支援桥电控系统中内置嵌入式维修检测单元，首先要确保不对装备本身造成损坏，避免由于线路设计不合理等因素造成的短路等二次故障，在各种工况下不能产生误操作、误动作现象，继电器阵列结合分离彻底，各接插件接触可靠，在动态工况下也不应产生松动，各电路焊点牢固，避免仪器与接口受损，同时要考虑电磁兼容性因素，避免对装备本身无线通讯网络造成干扰，影响正常使用甚至出现安全事故。

另外，无损设障的内涵还包括故障现象的快速恢复，在正常训练考核结束后，能够迅速恢复正常的信号状态，避免对装备接头造成损坏。

1.2.4 模块化、可扩展性设计要求

为降低系统开发难度，系统采用模块化设计思想，内置于重型支援桥电控系统的硬件模块结构应采用相同的电路设计以及通讯协议，仅在无线通讯模块数据地址以及信号接口进行区分，如某一模块出现故障，可利用其他模块进行替换，确保系统满足正常的训练需求，同时可以根据教学需求，灵活扩展设障范围，例如前期教学中可采用1～2个设障模块，设置某几路信号故障，而在实装考核阶段可在所有信号回路中内置多个设障模块，实现全系统、多类型的综合性故障状态的模拟与考核。

2 嵌入式维修训练系统总体与硬件设计

2.1 系统结构设计

某装备嵌入式维修训练与检测系统包括硬件系统与软件系统两部分，其中硬件系统实现故障注入、故障现象模拟与控制信号检测。上位机系统的硬件主要包括计算机和通信单元组件，故障检测、故障设置和训练考核软件也安装并运行于上位机的计算机上，包括嵌入式维修训练系统软件、嵌入式维修考核软件以及嵌入式故障检测软件，根据用户考核需求从故障库中提取故障信息，下达设障指令，明确故障类型、故障位置与故障时机，同时接收下位机传来的信号状态数据，供维修人员判断故障位置，分析故障原因，实现装备故障诊断辅助决策。下位机由设障与检测单元和通信单元组成，其功能是根据接收到的上位机指令，通过无线通讯网络单元控制装备上各个部位的设置与检测单元，由其进行各个故障设置点的故障设置、故障检测及自检等操作。其中，设障与故障检测单元是下位机的核心组成部分，其内部集成了设障模块、检测模块、电源模块、以及无线通讯模块[5]，通过改造的信号接口内置于该装备电气控制系统中，根据上位机发送的指令控制继电器阵列，实现故障注入，或将装备电控系统电压、电流状态发送到上位机检测软件，实现故障检测。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

2.2 自主设障与信号检测单元硬件设计

被测装备电控系统主要设备之间一般采用航空插头与标准接插件连接，自主设障与信号检测单元连接于插头两端，嵌入到电控系统内部，实装信号经过航空插头相应针脚进入自主设障与检测单元，从而不破坏实装原有信号回路，实现隐蔽设障。

如图2所示，自主设障与检测单元内部集成无线通讯模块、自主设障模块与状态检测模块，通过无线方式接收嵌入式维修训练系统发出的设障指令，根据故障状态分类，分别模拟相应信号回路的短路、断路、断路与接触不良等状态，对于综合性故障还可同时设置多路信号集中异常，另外，自主设障与检测单元还预留信号检测口，受训者可在不断开信号回路的情况下检测信号特性，用于故障判断与定位。

图2 自主设障与状态检测单元结构

检测模块内置电压、电流检测芯片，实现故障装备的检测与诊断，当重型支援桥电控系统出现故障时，可将相应的检测模块嵌入可疑信号回路，快速采集检测各关键节点的状态信息，经无线通讯模块、下位机传输至嵌入式故障诊断系统，实现故障的快速定位与判断。

3 嵌入式维修训练系统软件设计

软件系统主要包括上位机软件和下位机硬件底层驱动软件两部分。其中驱动软件部分采用Keil C编写，主要完成下位机硬件初始化、状态参数信号调理、A/D采样与转换和无线信号转换、发射等作用，在此不做过多阐述。而上位机软件是系统的主要部分，负责人机交互、故障设置、维修模拟训练、故障检测、数据存储等功能。采用图形化虚拟仪器Lab-VIEW平台语言开发。

图3为上位机软件的系统故障设置界面图。上位机在故障设置时，主要是通过面板上的开关（如图3中的1、2、…、8号）的通断，通过网络发送至下位机，同时接收下位机传输过来的各测试点的电路实际故障信息并在面板上显示出来，由此进行故障的模拟设置和检测判别。在故障设置和检测过程中，通过各个测试点信号状态的顺序表示，能够在虚拟面板上显示故障信息的传递流程及各个测点的实时状态数据，实现故障信息和状态流程的可视化。

图3 上位机监控界面图

4 结语

本文研究了在实装基础上嵌入自主设障单元，利用外部设备控制该单元的状态，实现电控系统信号回路、关键节点常见故障状态的准确模拟，供受训人员进行检测与判断，而后由设障控制软件进行故障现象演示与故障机理分析，通过三维模型逼真模拟电气系统工作原理，达到虚实结合的训练效果，可大幅提高维修训练质量与效益，解决当前维修教学设障手段简陋、设障特征明显、难以实现综合性故障状态模拟、同时易造成装备损伤的难题。