舰载内部通信系统一体化维修检测平台设计与实现＊

2012-06-07吴学智何如龙

舰船电子工程 2012年11期

吴学智靳煜何如龙

（1.海军工程大学电子工程学院武汉 430033）（2.海军司令部信息化部北京 100841）

1 引言

海洋权益是现今世界争夺的热点，信息化条件下的海战对舰艇通信能力提出了很高的要求。随着现代舰载综合通信系统的规模和复杂度不断扩大，对这些设备的维修和保障也变得越来越繁重和复杂，依靠传统的人工故障检测、分析手段难以满足此类大型电子系统的维修保障需求。因此，研究先进测试诊断技术、研制高效的维修保障设备，确保舰艇关键通信设备的完好率和在战场上的“再生”率，已成为当前此类大型综合内通系统急需解决的问题。

2 关键技术分析

现代舰载通信系统包含的通信装备种类繁多、技术复杂，加上海上的环境恶劣等，装备故障具有复杂性、偶然性、频繁性的特点。因此应用多种先进的测试诊断技术构造智能化的故障诊断平台，将是这类大型电子装备维护管理一个发展趋势。涉及的关键技术主要包括：

2.1 基于专家系统的故障诊断技术

故障诊断研究的直接目的是为了提高诊断的精度和速度、降低误报率和漏报率、确定故障发生的准确时间和部位，并估计出故障的大小和趋势。现有的故障诊断方法，概括起来可分为三大类：1）基于信号处理的方法；2）基于解析模型的方法；3）基于知识的诊断方法。基于知识的诊断是通过在概念和处理方法上的知识化，实现设备故障诊断智能化。专家系统方法一直是智能故障诊断技术中的研究重点［1］，专家系统是一种包含知识和推理的人工智能的计算机程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决需要专家才能解决的复杂问题。它通常由知识库、综合数据库、推理机、解释机、知识获取子系统以及人机接口等组成［2］，其核心部件是知识库和推理机。知识库存储相关领域的所有知识，推理机根据综合数据库当前的输入数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求解当前问题。可见，专家故障诊断系统设计的难点在于专家知识库的构建和推理策略的制定［3］。专家知识库知识库包含所要解决问题领域中的大量事实和规则，需要在实践中不断地补充、完善；推理模块是专家系统的思维机构，它从用户提供的故障现象，推演出故障原因及所需采取的对策，因此推理策略设计是否得当直接影响专家系统的性能。基于专家系统的智能故障诊断系统具有专家水平的专门知识，并具有获取知识的能力和一定的推理能力以及实用性强、排除故障迅速、操作简单等优点［4］。因此，对于大型复杂的新型电子装备维修保障，专家系统是实用和具有发展潜力的重要技术手段之一。

2.2 基于Internet远程协作诊断

远程诊断技术是基于计算机网络技术而产生的一种先进的装备维修手段。其基本思路是将Internet与故障诊断技术相结合，联合领域专家组建一个远程故障诊断与维护联盟，协助维修人员迅速、准确地完成任务［5］。远程诊断技术应用于通信装备的维修保障，不仅可以在短时间内调动故障诊断和维护资源，缩短维修时间，降低维修成本，而且能够使受损的设备及时修复，使通信装备保持良好的状态，真正做到维修保障的优质、高效和低消耗，提高装备的维修保障水平［6］。

2.3 基于虚拟仪器的测试技术

虚拟仪器是指利用计算机技术，由用户根据自己的需求来定义、设计，提供信号的采集、测量、处理等各种功能的一种计算机化的仪器系统，是当前电子测量领域中重要的分支领域［7］。虚拟仪器从功能上划分主要包括三个部分：数据采集、数据分析和数据表达。数据采集主要是通过虚拟操作面板或者硬件按钮来提供输入，然后系统对采集到的数据按照要求进行相应的处理，最后将处理结果显示出来。虚拟仪器的结构是基于软件体系的，用户可以自行定义功能模块，方便地进行维护、扩展、升级，因此虚拟仪器具有灵活易用、可扩展性强、数据处理功能强大、测量精准等特点［8］。将虚拟仪器技术应用于维修测试中，突破传统仪器的局限，能将许多信号处理的方法方便地应用于测量和诊断中，不仅保证了采集数据的精度与可靠性，而且能够通过软件编程直接对测试数据进行各种分析与处理，为自动检测和网络化检测创造了条件。

3 综合内部通信系统一体化维修检测平台

3.1 设计背景

“某型舰载内部综合通信系统”已经逐步装备多艘主战舰艇，相对于传统的舰艇内部通信系统，该系统的智能化程度、电路模块的种类和技术复杂程度都大大增加，且各功能模块需要在智能总线的支撑下才能实现基本的工作状态检测。针对目前该型综合通信系统相继需要进行小修、中修的现状，我们研制了“综合内部通信系统一体化维修检测平台”，以提高检修效率和维修保障的智能化和自动化水平。

3.2 设计原则

遵循适用性、先进性和经济性相结合的原则，采用模块化的结构、先进成熟的技术设计开发，提供对主站、连接站电路板模块和各型接入终端的统一测试与诊断，实现智能化的检测方式并提供专家远程诊断功能［9］。本系统主要保障该型综合通信系统的维修保障，同时兼顾其它型号设备的维修需求，建立一个高效的“舰艇内部通信系统一体化维修保障线”。

3.3 系统组成及功能

“综合内部通信系统一体化维修检测平台”采用C／S体系结构，在服务器端构建综合内通维修子系统，提供近端故障检测、维修能力；在客户端构建远程专家维修支持子系统，提供远端故障辅助检测能力。总体结构如图1所示。

3.3.1 综合内通维修子系统

综合内通维修子系统由五部分组成，包括综合测试平台单元、综合故障检测单元、综合信息处理单元、综合故障诊断单元和综合网络信息处理单元。

1）综合测试平台单元

图1 系统总体结构图

综合测试平台单元由主站模块、连接站模块、终端电路板适配器模块及终端适配器模块四部分组成。其主要功能是提供在线测试环境，即为各类电路板及终端提供加电工作时所需要的地址、数据和控制等信号。本平台中集成了该型内通系统最小工作环境，通过最小系统不但可以进行主站、连接站中各功能板的在线故障检测，还可以实现各功能终端的故障检测，帮助用户判断站级、板级故障位置。

2）综合故障检测单元

综合故障检测单元采用信号发生器、示波器等虚拟仪器技术提供故障检测手段，主要由信号发生模块和数据采集模块组成。信号发生模块能够产生任意波形的综合信号，可为器件的离线测试提供需要的激励信号；数据采集模块主要完成多路被测信号点信号采集功能，依据采集功能提供的响应信号可判断器件功能是否正常。

3）综合信息处理单元

综合信息处理单元采用示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪等虚拟仪器，提供对采集信息显示、分析处理以及对电传机收发信息进行处理的功能。主要由数据分析处理模块、界面显示模块、电传机信息处理模块组成。

4）综合故障诊断单元

故障诊断单元利用综合故障检测单元采集到的数据与专家系统数据进行比对，实现基于专家系统的智能故障诊断。主要由故障诊断专家数据库系统模块、专家数据库信息显示模块和远程信息显示模块组成。

专家数据库和推理机制是专家系统设计的关键。我们采纳了各方面专家多年来对该型综合内通系统的维修经验以及电气参数数据等专家知识，构建了故障诊断专家数据库并设计了高效的推理机制。为了避免传统智能诊断系统中存在的“冲突消解”、“组合爆炸”，推理效率低，缺少自学习和自适应机制等问题，本系统采用基于经验的方法与基于模型的方法相结合的推理机制，取长补短，充分发挥各自的优势。专家数据库信息显示模块则为用户提供专家系统知识库的直观显示，帮助用户进行分析、比对，查找故障原因，实现辅助测试、诊断功能。

5）综合网络信息处理单元

综合网络信息处理单元由信息处理模块、网络传输模块组成，实现数据信息的识别分发，利用网络传输数据的功能，保证远程专家故障诊断的实现。

3.3.2 远程专家维修支持子系统

远程专家维修支持子系统是基于网络的远程设备故障智能诊断系统。当本地故障诊断系统不能对设备故障做出诊断，可通过网络处理单元将现场设备故障征兆和有关数据传输给远程专家。故障信号的提取通过虚拟仪器测试工具实现。故障诊断客户端利用网络处理单元收到并识别出测试信息后通过人机界面显示，为专家准确诊断故障提供现场实时数据［13］。为方便交流故障信息，系统通过网络建立信息交流的平台，帮助现场维护人员准确描述现场设备故障，使专家对现场信息有最充分的了解，从而可对故障进行准确无误的诊断，实现基于IP的远程专家辅助故障诊断测试功能。

综上所述，本维修检测平台能够帮助维修人员快速、准确地完成故障定位：首先利用综合平台测试单元获取系统故障代码，定位站级故障和板级故障；再利用虚拟仪器提供的测试工具测试电路节点在某种工作状态下的电气参数（如幅度、频率、波形等）；最后通过综合故障诊断单元将采集到的数据与专家数据库中的数据进行比对，实现元件级的故障诊断。本平台的专家系统具有较强的自学习和自动诊断能力，每次故障检测维修都会产生一个日志，记录测试流程、测试信号，以及故障判断算法并存储在专家库中，因此随着系统的使用和维修经验的不断积累，系统将会不断完善，逐步实现由领域专家提供知识到机器学习；简单推理控制策略到集成推理控制策略；由非实时诊断到实时诊断的转变。满足日趋复杂的舰艇内部通信系统维修保障的需求。

4 军事、经济效益分析

“综合内部通信系统一体化维修检测平台”采用目前流行的专家系统、虚拟仪器、远程访问等多种先进的测试诊断技术设计，提供灵活多样的测试手段，另外该项目也兼顾了其它型号设备的维修保障需求，建立了一种适合我国国情、满足部队快速、高效维修保障需要的“舰艇内通系统维修保障体系”，具有明显的军事和经济价值。主要体现在下面几个方面。

一是提供了基于专家系统的智能化检测诊断手段，智能化检测诊断能够在最少依赖操作人员干预的情况下实现故障检测与定位，大大降低了对维修人员的技术和经验要求，增加了故障的检出率和故障定位的准确性。该平台的研制，无论是对日常维护，还是对于提高现代高新技术条件下局部战争的快速抢修、应急修理和机动保障能力，都具有十分重要的意义。二是提供了基于计算机网络的远程支援能力，远程访问技术通过Internet将前方的保障人员与后方的技术专家紧密联系起来，当前方保障人员遇到困难时，通过远程支援技术可以获得远方专家及时、准确的技术指导和决策支持，为通信装备的保障节约了大量的人力、物力、财力，实现了系统保障的经济性、时效性。三是设计采用了模块化结构，满足了系统随技术的进步而逐步更新的需求。模块化是指在设备研制时立足于现有的要求和技术水平，但在功能上和技术上留有充分的余地，给设备功能的进一步扩展和技术的更新做好准备，一旦条件成熟，即可适时地将扩充的功能和新技术引入到系统中，从而使设备无论在性能上还是在经济上都能达到新的水平，随技术的更新而逐步升级。

综上所述，该项目的研制成功，改变了传统的检修模式，有效地提高了舰艇通信系统维修保障的效率和维修保障的科学化、规范化、自动化水平，缩短了维修时间，节省了维修经费，具有显著的军事价值和经济效益。

［1］徐济仁，刘敬芝，等.电子设备故障诊断技术综述［J］.电子工艺技术，2008，29（5）：294-298.

［2］路亚峰，张涛，等.机载电子设备故障诊断专家系统的设计与实现［J］.电子测量技术，2010，33（1）：118-120.

［3］朱向明，周凤岐，王继红.数据挖掘故障诊断专家系统［J］.火力与指挥控制，2011，36（9）：190-194.

［4］陈超，刘才铭.基于中间件技术的分布式专家系统研究与设计［J］.电子设计工程，2011，19（23）：13-15.

［5］王旭辉，王彤.CSCW技术在装备远程维修支持信息系统中的应用［J］.火力与指挥控制，2010，35（1）：132-135.

［6］连光耀，黄考利，等.装备测试性设计与维修诊断一体化关键技术研究［J］.计算机测量与控制，2007，15（1）：1-3.

［7］李光明，韦有忠，黄莲花.虚拟仪器技术及其在电子及物理实验中的应用［J］.装备制造技术，2008，（11）：45-47.

［8］张增，董保良，王晓波.基于虚拟仪器的通信系统通用检测平台设计［J］.信息安全与技术，2011，（12）：36-38.

［9］李乐，孟晨，等.基于通用检测平台的典型激励信号产生方法研究［J］.计算机测量与控制，2010，18（10）：2704-2707.

［10］刘剑，陈一超，江虹.基于规则的通用专家知识库故障诊断方法［J］.计算机与数字工程，2010，38（6）.

［11］郭敏.多源信息融合在故障诊断技术中的应用研究［J］.计算机与数字工程，2011，39（3）.