胡江南，趙鴻飛，王海濤，陸煒，陳立武

(1. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007； 2. 解放軍73031部隊(duì)， 江蘇 無(wú)錫 212402；3. 解放軍78187部隊(duì)， 四川 成都 610036)

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裝備遠(yuǎn)程虛擬化故障診斷支援系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

胡江南1，趙鴻飛1，王海濤1，陸煒2，陳立武3

(1. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007； 2. 解放軍73031部隊(duì)， 江蘇 無(wú)錫 212402；3. 解放軍78187部隊(duì)， 四川 成都 610036)

摘要：針對(duì)目前部隊(duì)武器裝備遠(yuǎn)程維修保障的現(xiàn)狀，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合遠(yuǎn)程故障信息傳輸及桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬化故障診斷支援系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作流程，分析了裝備故障現(xiàn)象編碼及基于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的故障信息簡(jiǎn)訊傳輸方式，基于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了故障的遠(yuǎn)程虛擬化診斷，并根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)進(jìn)行伴隨保障力量的資源調(diào)度及分配，為部隊(duì)作戰(zhàn)保障探索了新的途徑。

關(guān)鍵詞：虛擬化；故障診斷；支援遠(yuǎn)程；北斗；設(shè)計(jì)

武器裝備對(duì)伴隨保障能力一直是影響部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要因素之一。伴隨保障的特殊性使得現(xiàn)有的高新技術(shù)裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上的修復(fù)能力不一定能滿足作戰(zhàn)的需要，其主要原因之一就在于伴隨保障修理人員的專業(yè)技術(shù)水平不夠高，不足以應(yīng)付高技術(shù)裝備所出現(xiàn)的各種故障，以至于無(wú)法對(duì)其進(jìn)行故障排除及修復(fù)。在當(dāng)前破壞性大、戰(zhàn)場(chǎng)空間廣和節(jié)奏轉(zhuǎn)換快的信息化戰(zhàn)場(chǎng)上，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)工程裝備維修保障方式已無(wú)法滿足精確化和實(shí)時(shí)化的要求。而現(xiàn)有的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)多依賴于較完備的視屏技術(shù)手段，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)維修保障資源的配置，并不能完全滿足戰(zhàn)場(chǎng)特殊環(huán)境的需求。

針對(duì)上述問(wèn)題，現(xiàn)利用北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高度保密及可靠性，建立故障信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，并基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)裝備故障情況及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，利用后方龐大的專業(yè)隊(duì)伍對(duì)故障進(jìn)行診斷支援，并從一定程度上實(shí)現(xiàn)了保障資源的配置和調(diào)度。

1系統(tǒng)組成及工作原理

工程裝備遠(yuǎn)程虛擬化故障診斷系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)可分為車載信息傳輸終端、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)、后方信息傳輸終端、桌面式虛擬故障診斷平臺(tái)及裝備維修資源調(diào)度配置系統(tǒng)等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及工作原理圖

當(dāng)裝備出現(xiàn)故障時(shí)，若所出現(xiàn)的故障是裝備自身診斷系統(tǒng)可以識(shí)別并診斷的，則車載診斷系統(tǒng)會(huì)將故障代碼顯示于車載終端顯示屏上(現(xiàn)有新裝備大多具有此功能)，伴隨保障維修人員根據(jù)自己能力決定是否需要向后方傳遞故障信息以請(qǐng)求幫助；若裝備自身診斷系統(tǒng)無(wú)法判斷故障原因，則由伴隨保障修理人員根據(jù)簡(jiǎn)訊通信規(guī)則編寫簡(jiǎn)訊，經(jīng)壓縮、加密以后通過(guò)北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)送至后方終端[1-3]，終端接收到信息后會(huì)自動(dòng)認(rèn)證信息的安全性和信息來(lái)源，在確認(rèn)信息后解壓簡(jiǎn)訊，虛擬故障診斷子系統(tǒng)根據(jù)簡(jiǎn)訊信息調(diào)用相關(guān)裝備的虛擬樣機(jī)，并模擬故障現(xiàn)象，采用人機(jī)交互的方式診斷故障原因及提出故障排除方案，當(dāng)故障排除方案生成后，將送入資源調(diào)度子系統(tǒng)，資源調(diào)度子系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成當(dāng)前伴隨保障態(tài)勢(shì)，綜合考慮故障排除需求、保障分隊(duì)實(shí)力分布等情況后，給出調(diào)度方案，系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)工作過(guò)程流程

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1　車載故障檢測(cè)及通信終端

現(xiàn)有新裝備大多已經(jīng)配備了越來(lái)越多的傳感器設(shè)備，用于檢測(cè)裝備運(yùn)行狀態(tài)。裝備中集成的故障檢測(cè)電子控制單元可以用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器設(shè)備狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一般故障現(xiàn)象的識(shí)別。因此，一旦裝備中受傳感器監(jiān)測(cè)的部位運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常，車載故障檢測(cè)儀器就會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到故障，并通過(guò)預(yù)設(shè)編碼及聲音報(bào)警的方式向操作人員進(jìn)行故障提示，保障人員可根據(jù)所顯示的故障編碼對(duì)裝備故障原因進(jìn)行診斷，并制定相應(yīng)的排除方案。但是車載故障檢測(cè)儀器覆蓋面不完全，監(jiān)測(cè)范圍有限，且傳感器自身也可能因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的變化而發(fā)生故障，這就需要人工對(duì)故障原因及部位進(jìn)行判斷及檢測(cè)。

設(shè)置車載通信終端的目的是為實(shí)現(xiàn)單位之間的相互通信，包括傳遞故障信息、上報(bào)資源力量、接受指令等功能。其可將所有的信息進(jìn)行編碼、打包、壓縮、校驗(yàn)，并對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密，通過(guò)集成北斗用戶機(jī)直接發(fā)送至后方保障支援系統(tǒng)的北斗用戶機(jī)，同時(shí)也可以接收來(lái)自別的北斗用戶機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，對(duì)接受的信息，系統(tǒng)可以自動(dòng)認(rèn)證信息的安全性和信息來(lái)源。

2.2　基于北斗衛(wèi)星定位通信的遠(yuǎn)程裝備信息數(shù)據(jù)傳輸與控制

a) 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球定位與通信系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為用戶提供高精度、高可靠定位、授時(shí)服務(wù)，具備短報(bào)文通信能力，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進(jìn)一步的服務(wù)。本系統(tǒng)的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有[1-3]：

1) 使用安全。北斗系統(tǒng)是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能保證通信的安全性和保密性。

2) 數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)。數(shù)據(jù)傳輸快捷，接收終端在幾秒鐘之內(nèi)就可以接收到發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)。

3) 設(shè)備及通信費(fèi)用低、系統(tǒng)容量大、并發(fā)能力強(qiáng)。

4) 定位精度高。北斗的定位精度10m，測(cè)速精度0.2m/s，授時(shí)精度10ns。

基于北斗通信定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，再結(jié)合設(shè)計(jì)的平臺(tái)軟件、數(shù)據(jù)無(wú)損壓縮技術(shù)及短報(bào)文通信協(xié)議等技術(shù)手段，能確保裝備故障代碼數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、安全、有效地傳輸，并能準(zhǔn)確定位保障力量分布情況。

b) 裝備故障信息傳輸系統(tǒng)的特征需求

1) 故障信息傳輸?shù)臅r(shí)效性需求

故障信息傳輸系統(tǒng)的傳輸時(shí)效性是最高的。由于故障信息的緊急性特征，故障信息傳輸系統(tǒng)必須在裝備出現(xiàn)故障后第一時(shí)間將故障信息發(fā)送到模擬樣機(jī)終端，且時(shí)間間隔越短越好，可以使故障裝備得到及時(shí)維修，充分保證裝備的作業(yè)效率。裝備是一支軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上戰(zhàn)斗力的絕對(duì)保證。戰(zhàn)時(shí)裝備的保障好壞，哪怕是晚1s，都有可能帶來(lái)不可估量的損失[4,5]。

2) 故障信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性需求

故障信息的傳輸不但要有時(shí)效性和準(zhǔn)確性，成功率也是非常重要的。故障信息傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤多、成功率低，故障信息在接收端不能成功被還原，不能準(zhǔn)確傳輸?shù)侥M樣機(jī)接收端，同樣無(wú)法使故障裝備得到維修保障。如果接收端接收一條錯(cuò)誤或不完全的故障信息，這引發(fā)的后果也是無(wú)法設(shè)想的。故障信息在傳輸過(guò)程中發(fā)生了丟失，在某些關(guān)鍵情況下就可能造成不可挽回的后果。因此，故障信息的傳輸必須要萬(wàn)無(wú)一失，本系統(tǒng)故障信息傳輸?shù)某晒β适墙⒃诒倍沸l(wèi)星信息傳輸系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上。

3) 故障信息傳輸?shù)膫鬏斝孕枨?/p>

裝備故障信息包括裝備故障的信息和故障維修方案。主要內(nèi)容包括故障零件，故障現(xiàn)象，故障時(shí)間，故障解決方案，故障后續(xù)隱患排查等，這些內(nèi)容一般都以文字信息為主。這些內(nèi)容中的一部分可以使用代碼，即在系統(tǒng)協(xié)議中規(guī)定某種代碼表示著哪些信息，代碼可以是字母或數(shù)字，也可以是字母和數(shù)字的組合，這樣就可以省略一部分字段的內(nèi)容，節(jié)省傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。不使用音頻和視頻是由于其數(shù)據(jù)量太大，影響系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)傳輸效率。

c) 數(shù)據(jù)傳輸與控制模式

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)一般由一個(gè)中心站和車載監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，中心站與車載監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸與控制模式主要分為主動(dòng)自報(bào)式與交互查尋式兩種。主動(dòng)自報(bào)式是指監(jiān)測(cè)站按照一定的定時(shí)機(jī)制自動(dòng)往中心站傳輸數(shù)據(jù)的模式。在主動(dòng)自報(bào)模式下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于主動(dòng)方，而中心站則處于被動(dòng)地等待接受數(shù)據(jù)。交互查詢式是指中心站通過(guò)發(fā)送指令來(lái)獲得車載監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的模式。在交互查詢模式下，中心站處于主動(dòng)方，而車載監(jiān)測(cè)點(diǎn)則被動(dòng)地等待接收響應(yīng)命令[1,3]。

北斗衛(wèi)星通信資源緊缺，且存在頻度限制，根據(jù)這兩種信息數(shù)據(jù)傳輸與控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異，對(duì)于裝備突發(fā)故障，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)主動(dòng)自報(bào)式傳輸，而對(duì)于定期的武器裝備狀態(tài)檢測(cè)等可靠性要求較高的數(shù)據(jù)則采用交互查詢式的傳輸方式[1-3]。

2.3　虛擬故障診斷系統(tǒng)

虛擬故障診斷系統(tǒng)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成虛擬環(huán)境，再現(xiàn)裝備故障現(xiàn)象，方便專家技術(shù)人員診斷實(shí)機(jī)故障的交互式操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)故障現(xiàn)象模擬、虛擬儀器使用、虛擬拆裝過(guò)程規(guī)劃等功能，最終生成指導(dǎo)實(shí)機(jī)故障排除過(guò)程的文件。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　虛擬故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

a) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬樣機(jī)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，其特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺(jué)為主，也包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的綜合可感知的人工環(huán)境，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周圍環(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具體到武器裝備，就是利用三維制圖工具對(duì)武器裝備進(jìn)行模型建立，根據(jù)其工作機(jī)理進(jìn)行動(dòng)畫制作和程序編譯，最后通過(guò)PC與功能化硬件結(jié)合，操作人員就可以通過(guò)友好的圖形界面來(lái)模擬故障現(xiàn)象、拆裝維修過(guò)程等。虛擬樣機(jī)模塊組成包括裝備三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、交互控制系統(tǒng)等。在虛擬樣機(jī)建立過(guò)程中需要將所有零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)納入整個(gè)機(jī)型的三維幾何造型中，要求零件模型的形狀與結(jié)構(gòu)特征與實(shí)物一致。人、環(huán)境和裝備三種模型共同組成三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)。專家知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)建立在專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，其存儲(chǔ)了大量裝備的故障種類、各種故障現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的故障排除方法等信息，可以供系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)用，并具備自學(xué)習(xí)功能，能對(duì)新的知識(shí)進(jìn)行挖掘?qū)W習(xí)并存儲(chǔ)更新。交互控制系統(tǒng)允許操作人員通過(guò)交互控制設(shè)備(如鍵盤、手套等)對(duì)虛擬環(huán)境中的三維數(shù)字模型進(jìn)行操作控制，實(shí)現(xiàn)選擇、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，從而完成虛擬的裝備故障排除過(guò)程[6]。

b) 基于虛擬樣機(jī)的故障診斷技術(shù)

虛擬樣機(jī)系統(tǒng)主要通過(guò)操作虛擬環(huán)境中的虛擬樣機(jī)來(lái)模擬維修操作過(guò)程和維修組織實(shí)施過(guò)程，使人主觀上產(chǎn)生真實(shí)地“存在感”。同時(shí)引入維修分析模塊，保證維修人員在維修操作過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以根據(jù)“真實(shí)感”體驗(yàn)來(lái)分析出現(xiàn)維修問(wèn)題的原因。并衡量產(chǎn)品是否滿足實(shí)機(jī)維修性要求，從而達(dá)到虛擬維修的效果，某型挖掘機(jī)變速箱虛擬故障診斷界面如圖4所示。

虛擬樣機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求[4-6]：

1) 虛擬維修仿真，主要包括故障模擬、維修操作、過(guò)程仿真、人機(jī)交互、碰撞檢測(cè)等功能。根據(jù)用戶與虛擬人之間的運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系，跟蹤用戶行為，監(jiān)控維修過(guò)程，檢測(cè)虛擬環(huán)境中發(fā)生的碰撞行為，防止物體之間發(fā)生穿越行為，完成維修仿真。

2) 通過(guò)友好的圖形界面來(lái)模擬操作，能夠產(chǎn)生可信度高的虛擬維修感知；

3) 提供輸入輸出接口，保證人機(jī)交互操作自然、簡(jiǎn)便；

4) 維修性分析：記錄并保存用戶的維修過(guò)程，同時(shí)判斷用戶操作的正確性，給出合適的指導(dǎo)。

5) 數(shù)據(jù)庫(kù)：存儲(chǔ)故障信息并協(xié)調(diào)各功能模塊的交互關(guān)系。獲取虛擬樣機(jī)的可靠性、維修性、保障性數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)輸出到相應(yīng)的功能模塊，根據(jù)故障信息進(jìn)行故障模擬，通過(guò)智能分析給出故障解決方案如圖4所示。

圖4　變速箱虛擬故障診斷界面

2.4　裝備維修資源調(diào)度配置

快速、有效地進(jìn)行故障裝備搶修任務(wù)調(diào)度可以減少故障裝備修理的時(shí)間，對(duì)提高部隊(duì)的戰(zhàn)斗力具有重要意義。資源、設(shè)備、空間的有限性與裝備分布和需求無(wú)限性的矛盾是造成維修資源排隊(duì)現(xiàn)象的主要原因，而伴隨保障人員的技術(shù)水平和作業(yè)效率等因素直接影響到戰(zhàn)斗力生成。后方在完成虛擬故障排除過(guò)程規(guī)劃之后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)故障排除方案的所需條件及現(xiàn)有伴隨保障具體實(shí)力對(duì)資源進(jìn)行配置，以保證故障能順利、及時(shí)的解決。

在利用北斗衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)伴隨保障力量及資源的定位后，資源調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)總體呈現(xiàn)出保障力量的分布態(tài)勢(shì)圖，并給出資源調(diào)度方案。對(duì)于故障裝備維修資源的選擇，首先專家及指揮人員要了解戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況，確定作戰(zhàn)保障的重點(diǎn)方向，劃定重點(diǎn)保障對(duì)象，優(yōu)先保障重

點(diǎn)作戰(zhàn)方向及對(duì)象；然后要對(duì)各伴隨保障維修力量的保障能力進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算維修資源的任務(wù)飽和度，確定其工作狀態(tài)；最后，根據(jù)故障裝備的情況，依照先易后難的順序進(jìn)行維修排序。在以輕微故障裝備數(shù)量為主時(shí)，根據(jù)其易修復(fù)、耗時(shí)少的特點(diǎn)可以予以優(yōu)先修理以迅速減少待修裝備數(shù)量。在以較多裝備保障戰(zhàn)斗需要的同時(shí)，集中資源維修重大損傷故障裝備。同一方向同批次損傷裝備，也有主次、難易之分，應(yīng)先搶修主要、易修的裝備，后搶修次要、難度大的裝備。在人員及物資調(diào)度上，當(dāng)某方向保障人員不能完成任務(wù)或器材不能滿足需要時(shí)，應(yīng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)關(guān)系，規(guī)劃出鄰近保障分隊(duì)支援的最優(yōu)保障路徑，使配置效果達(dá)到最佳。

最終實(shí)現(xiàn)的后方虛擬故障診斷排除及資源調(diào)度系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

3結(jié)語(yǔ)

在軍隊(duì)裝備保障信息化的背景下，本文提出了融合虛擬樣機(jī)、北斗衛(wèi)星通信、故障診斷、資源調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程虛擬故障診斷支援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)組成，有效實(shí)現(xiàn)了工程裝備遠(yuǎn)程故障診斷及保障資源調(diào)度，為戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、精確地裝備保障打下了良好基礎(chǔ)，具有較好的軍事效益。

圖5　后方虛擬故障診斷機(jī)資源調(diào)度系統(tǒng)流程

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Research on Remote, Virtual Fault Diagnosis Support System of Equipment

HU Jiang-nan1, ZHAO Hong-fei1, WANG Hai-tao1, LU Wei2, CHEN Li-wu3

(1. College of Field Engineering, PLA Univ. of Sci. & Tech., Nanjing 210007, China;

2. Unit No. 73031 of PLA, Wuxi 212402, China; 3. Unit No. 78187 of PLA,Chengdu 610036, China)

Abstract:According to the current situation of equipment remote maintenance support and base on virtual appication technology, this paper designs a remote and virtual fault diagnosis support system in which the remote fault information transmission is combined with desktop virtual appication technology, describes its structure and workflow and analyzes the equipment fault phenomena coding and fault information transmission mode base on Beidou satellite communication system. Base on desktop virtual reality, the remote and virtual fault diagnosis is realized. And the accompanied support resource is scheduled and allocated according to the battlefield real-time situation, thus a new way for military operation support is explored.

Keywords:long range；virtual；fault diagnosis support；Beidou；design

中圖分類號(hào)：TP277.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0192-04

作者簡(jiǎn)介：胡江南(1990-)，男，浙江金華人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣こ萄b備保障。

收稿日期：2014-11-26 2014-11-21