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复杂设备的远程故障诊断研究

摘要：结合目前复杂设备维护的特点, 深刻分析了建立远程故障诊断的必要性。将网络技术引入到故障诊断中，提出了一个面向基层的远程故障诊断系统模型。对远程故障诊断系统的主要组成部分进行了描述，并分析了实现远程故障诊断系统的关键技术。
关键词：远程故障诊断；虚拟仪器；专家系统

1 引言
全军的武器装备中，有很多大型的复杂设备，技术含量高。对这些设备进行状态监测与故障诊断有着非常重要的意义。由于这些装备的使用主要在基层部队，加之武器配备的型号多，出现的故障类型繁多，分析困难，以往独立的专家诊断系统往往不能满足实际的需要。特别是对新装备，基层部队严重存在着的诊断手段有限，工作人员的经验不足，知识面有限等问题。基层部队在维护装备时遇到自己不能排除的故障得不到及时的解决，专家们很难到现场解决问题，因此在发生重大和疑难故障时，仍不得不求助于外地厂家﹑单位的有关专家来会诊。这就使故障的发现﹑诊断和处理受到延误，严重影响部队的训练和作战，极大地影响了部队的战斗力和快速反应能力，可能造成重大的军事和经济损失。因此部队迫切需要提供更加快速，准确，高效的专业化诊断服务使故障得到及时的解决。建立远程故障诊断系统正好可以有效解决这一问题。
随着军队通信指挥网，基层部队局域网的建立，建立远程故障诊断支持中心，对复杂武器装备系统实行远程监控和诊断已经具备了硬件基础。特别是近几年来计算机网络技术和故障诊断技术的快速发展，远程故障诊断技术在工业中的发展日趋成熟，也为部队复杂装备的远程故障诊断提供了有利的技术支持。本文对这种技术在部队复杂装备的应用作了研究。

2 远程故障诊断系统模型
远程故障诊断系统就是在Internet迅速发展的基础上，将WWW信息检索技术﹑数据库技术﹑人工智能推理机制﹑虚拟仪器技术和设备故障诊断技术相结合，在复杂设备上建立状态监测点，采集设备状态数据；而在技术力量较为雄厚的科研院所建立分析诊断中心，提供远程技术支持和保障。
由于武器装备系统的复杂性，对其进行故障诊断不但要有大量的现场采集数据，而且还要有一定的专业知识和大量以前的设备运行数据。不但要求能够诊断出设备的故障，而且还希望能够实现信息共享，从而完成对设备进行综合评估，得出准确判断。因此根据部队的实际情况，我们提出了面向基层的远程故障诊断系统模型。（见图1），它大致可以分为二个部分：基层站点和中心站点。在设备出现故障时，首先可利用基层本地的故障诊断系统。通过基层的故障诊断专家系统和数据库中存储的设备历史运行数据进行故障诊断。如果出现基层诊断系统无法解决的故障，则可通过中心站点故障诊断系统加以解决。中心站点故障诊断系统从基层数据库中提取数据以获取相关故障信息，综合利用本领域专家知识，网络故障诊断专家系统，计算机协同专家会诊系统和人工智能推理机制，对故障信息进行分析，比较，判断，得出诊断结论，并向基层站点发送解决方法。
图1 远程故障诊断系统的基本结构

3 远程故障诊断系统主要组成部分
3.1 基层站点
基层站点是在基层部队原有的故障诊断软﹑硬件资源的基础上建立起来的。能够完成现场实时信号的采集﹑处理﹑显示和提供本地故障诊断服务等功能。基层站点主要由以PC为核心的能够完成现场各种信号采集﹑处理﹑显示的数据采集系统﹑提供本地故障诊断的计算机和提供远程访问功能的数据库服务器组成。它们之间通过基层局域网实现数据共享。
数据采集系统主要负责现场各种信号采集﹑处理﹑显示，相当于一个独立的测试系统。监控人员可在本地对设备进行监视与控制。从设备上采集来的信号经过有效的分析与处理，如相关分析，频谱分析，小波分析等，将结果存入基层数据库服务器中作为设备历史运行数据以便今后分析之用。本地故障诊断系统通过局域网从服务器中获取当前的数据，进行故障诊断分析，并得出诊断结果。诊断结果直接显示在计算机屏幕上也可以通过网络打印机将结果打印出来。若基层不能得到正确的诊断结果并想得到有关专家的帮助时，监控人员可通过Internet使用Web浏览器与中心站点的Web服务器进行交互并可登陆计算机协同专家会诊环境向中心站点诊断专家在线咨询，以获得相关问题的解决。
3.2 中心站点
中心站点以院校和研究所的故障诊断软﹑硬件资源和人才资源为基础来建立。它为整个系统提供了设备﹑资源﹑人才和技术等方面的保证。能够完成网络环境下的计算机协同专家会诊，远程故障诊断服务等功能。中心站点主要由数据库服务器，诊断服务器，远程故障诊断专家系统，计算机协同专家会诊平台组成。
数据库服务器的功能主要是管理所有数据的存放，执行对数据库的各种操作和提供数据访问服务。它包括设备状态的历史信息库、维修信息库，以及专家系统知识库、培训知识库等。诊断服务器就是Web服务器。它一方面实现与基层站点的联接；另一方面，调用远程故障诊断专家系统进行分析诊断。远程故障诊断专家系统是一种开发于网上的专家系统。与传统的专家系统相比，该系统采用了大型网络化的关系型数据库存储知识，可以使故障诊断的知识库容量得到充分的扩展。基于Web技术使专家系统与Internet技术有机地结合，使基层站点监控人员可通过浏览器实现远程诊断过程。其基本工作过程为：Web服务器始终对网络进行监听，接受基层站点从浏览器发出的请求，在应答后，建立联接，接受来自基层站点各方面的信息，如设备的信息，基层数据库有关设备的状态信息等，然后通过故障诊断网络专家服务系统进行诊断，处理后的诊断结果一方面以Web页的形式返回给浏览器，另一方面存入中心数据库服务器中。这样，基层站点就得到了中心站点的故障诊断服务。
计算机协同专家会诊环境平台是一个综合性的网站，它为从事故障诊断工作的专家及领域工作人员提供协同诊断的工作平台。该环境具有如下功能：多种共享交互功能（文字﹑图片﹑语音﹑视频等多媒体交互）；会议召集﹑主持﹑总集；提供诊断设备现场的诊断信息资源；登记﹑管理﹑维护功能等。

4 远程故障诊断系统关键技术
4.1 系统体系结构的确立
传统概念的网络，是基于一般Client/Server模型的，这种方式的一个弊端在于它造成了一种“胖客户/瘦服务器”的模型，大量的应用程序在客户端，而服务器只起到了一个管理的作用。这样如果应用程序需要更新或者维护，就必须对每一个客户端进行大量的操作，非常繁琐而且工作量很大，带来的成本相对也很高。随着Web技术在Internet上的异军突起，导致Browser/Server这一新的软件应用模型的流行，这一新的模型奉行“瘦客户/胖服务器”的理念，使主要的应用程序在服务器上，客户端只需要浏览器环境，便可根据需要从服务器下载应用程序来完成相应的任务。这样使应用程序维护更方便，主要的工作量集中在服务器端，从而使整个工作量较小、成本较低。而且Web具有界面友好，操作方便等特点。
鉴于此，系统采用了Browser/Server的体系结构，利用军内已经建成的通讯指挥网、军用电话线网作为信息交换渠道，针对部队实际，分别使用专线连接和电话线连接以及二者结合的连接方式。将分布在不同地域的设备诊断资源联接在一起，从而形成一个跨地域的远程设备故障诊断协作网，保证充分发挥各入网技术资源的组合优势使网络服务更为有效，在提高设备故障诊断的准确性的同时，保证系统的安全。
4.2 基于Web的虚拟仪器技术的应用
为了在计算机协同专家会诊环境中更形象直观地显示复杂装备的工作状况，以便于身在中心站点的专家作出正确的故障诊断结论，系统采用了基于Web的虚拟仪器技术。虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）是把计算机﹑网络技术﹑数据分析处理技术﹑智能仪器技术﹑信息融合技术和自动控制技术紧密结合在一起，以软件代替硬件，以总线网络设备代替传统仪器，以组态代替编程，开发一套大组态规模网络测控系统的数据分析处理方法，软件组态开发工具和网络总线设备及设备驱动方法。基于Web的VI，简单说就是把VI技术和面向Internet 的Web技术二者有机结合所产生的新的 VI 技术。
NI公司是虚拟仪器技术的倡导者。随着Internet技术的飞速发展，NI公司分别以DataSocket技术、RDA技术、OPC技术为基础开发了能够实现远程监控的多种软件平台和工具。如Internet Develops Toolkit(简称IDT) 。IDT是NI的面向G语言应用环境的网络应用开发工具包。它实现了G环境下的虚拟仪器与Internet连接的手段，从而实现在Internet上存取数据或将虚拟仪器的前面板发布到Internet上。其中，G Web Server是一种Web服务器，可以提供远程用户基于浏览器访问虚拟仪器面板的功能。基于DataSocket技术，可将虚拟仪器的界面封装为可以在浏览器中运行的ActiveX插件，在网络上只需传输数据，从而在客户端实现真正的虚拟仪器，临场感更强。
基于Web的VI技术的应用将为远程监控和远程故障诊断提供形象生动的现场资源，提高远程用户的临场真实感，为远程故障诊断提供了良好的工作手段。
4.3 远程故障诊断专家系统的设计
系统采用了基于Browser/Server的远程故障诊断专家系统。基本结构如图2所示。
Web
浏览器

设备
信息
数据库

Internet
诊断
推理机
Web
服务器
中间件
Web
浏览器

接口

图2 基于B/S的远程故障诊断专家系统基本结构

专家系统主要解决知识的表示与存储，推理系统的实现两个方面的问题。在实现方面主要涉及动态网络数据库，推理机和用户界面。为此采用动态交互式的Web技术实现基于Internet的专家系统。对于诊断功能的实现，采用了CGI技术将Web与DCOM结合的方式来完成。如图3所示。

Web服务器

CGI程序（DCOM客户方程序）

Web
浏览器
DCOM服务方程序
HTTP请求 对象请求
Internet

诊断结果 诊断结果

图3 基于Web的分布式应用系统

对于复杂系统的故障诊断，通常使用的是CGI（Common Gateway Interface）技术。CGI是最先发展起来的动态Web技术，几乎可以用任何一种高级语言（如C/C++，Delphi，VB等）来开发CGI程序，能够使客户浏览器动态地访问服务器的资源。但是一般而言，CGI程序只能完成服务器端比较单一的应用,无法完成分布环境下复杂的业务应用。而DCOM技术可以很好地实现复杂的分布异构应用。因此将CGI技术和DCOM技术相结合，以实现基于Web的分步式应用程序。用户可通过浏览器请求WEB诊断服务器上的一个CGI程序（DCOM的客户端程序），这个CGI程序于是向DCOM的服务器对象提出对象请求。DCOM服务方对象得到请求后，调用相应的诊断程序，作出响应后，向客户方程序返回故障诊断结果。客户方程序得到诊断结果后，将其处理为Web的形式并返回给浏览器。这样，基层站点就得到了中心站点的远程故障诊断服务。
4.4 计算机协同专家会诊环境的开发
该环境的开发采用服务器端的ASP动态页面设计和数据库技术相结合，可以实现会议主持，文字交谈，语音交流，图片文件的浏览，文件传输（上载和下载）。网站由数据库实现各种功能的组件，ASP页面和HTML页面组成。技术方案如下：
（1）在WINDOWS NT SERVER 4.0平台上，采用IIS 作为Web服务器实现信息的发布和交互处理。
（2）采用SQL Server 7.0数据库，通过ODBC技术实现数据访问。
（3）采用HearMe组件实现语音传输。
（4）采用客户端定时请求刷新的方式对文字白板和图片白板的内容实现自动刷新。
（5）采用Visual InterDev开发环境。
（6）采用NI公司的G Web Server，将LabVIEW环境下的虚拟仪器面板在Internet上发布，提供现场故障诊断信息资源。

5 结束语
该系统的应用对象主要为部队使用的各种大型复杂设备，所采用的硬件基础为军队已有的专用的通信网络系统。系统采用了Internet与故障诊断技术相结合的一种具有广阔应用前景的开放式远程诊断体系结构，能对大型复杂设备进行有效的远程设备诊断和技术支持。这对确保复杂武器装备完好率和战备完好率有着重要的现实意义。

参考文献
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