舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统设计*

曹 诚,赵 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统设计*

曹 诚,赵 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

针对舰船在航渡过程中无线通信设备故障维修保障难度大的情况,结合目前舰载主用无线通信设备的性能指标和结构特点,研究设计了基于规则和模糊推理的舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统,通过故障诊断专家知识库提供的知识和经验进行逻辑推理和分析判断,可对故障设备整机和单板进行自动检测,实现了对多型舰载无线通信设备的故障诊断定位,提高了舰船在航渡过程中无线通信设备维修保障的能力和水平。

无线通信 专家系统 测试诊断

0 引 言

随着无线通信技术的发展,舰载无线通信设备涵盖了超长波、长波、短波、超短波、微波、散射和卫星等多个频段,其设备类型多样,品种繁多,操作使用程序不一,维修保养要求不同,特别是当舰船在海上航渡过程中当其通信设备出现故障时,如何在有限的技术保障条件下对故障设备进行性能检测和故障诊断,是舰载无线通信设备维修保障工作中亟待解决的一个难题。

专家系统(Expert System)是比较成熟的一种人工智能技术,是具有大量专门知识与经验的程序系统,根据专家提供的知识和经验进行推理和判断,模拟专家的决策过程,解决复杂问题[1]。目前专家系统的推理机制主要有基于模型的推理(MBR, Model-Based Reasoning)、基于规则的推理(RBR, Rule-Based Reasoning)、基于模糊的推理(FBR,Fuzzy-Based Reasoning)和基于案例的推理(CBR, Case-Based Reasoning)。本文在对目前舰载主用无线通信设备的性能指标和常见故障案例进行分析的基础上,研究设计了一型基于规则和模糊推理的舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统。该专家系统采用模块化和通用化设计思路,利用嵌入式硬件和面向对象及软件工程管理技术,集设备系统级、单元级、板级、元器件级测试和故障诊断定位等功能于一体,实现了舰载无线通信设备故障的快速检测定位和维修保障方案的及时制定。

1 系统总体设计

舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统体系结构如图1所示。被测无线通信设备通过射频检测线缆连通系统中的接口模块后,测试诊断管理模块依据系统提供的来自专家数据库的典型故障特征程序集所需的待测信息项,通过射频矩阵切换单元控制接口电路,选通测试诊断模块中的虚拟测试仪表,采集被测设备当前状态的信息数据,并将测试结果传输到测试诊断管理模块,与专家数据库提供的典型故障特征进行比对和逻辑推理,根据特征相似度锁定故障类型或故障范围,从而实现对故障进行诊断和定位的功能。

图1 系统体系结构Fig.1 System structure chart

逻辑推理方法是专家系统设计的关键,该系统的逻辑推理采用基于规则的精确推理和模糊推理相结合的方法设计。基于规则的精确推理主要是把专家数据库中与无线通信设备性能指标和故障案例有关的专家知识进行形式化描述,形成系统规则数据库,运用相关算法进行故障诊断和推理[2]。基于规则的精确推理流程如图2所示。

图2 基于规则的精确推理流程Fig.2 Exact inference flow chart based on rules

基于模糊的推理规则是根据对关键信号参数的测试,推测计算出故障隶属度数值。首先通过研究被诊断设备,确定故障征兆和故障原因,并对其采用适当的方法进行模糊化和反模糊化处理,即确定隶属函数的表示形式;其次是根据事前的归纳和搜索或通过该领域的专家,总结出故障征兆和故障原因之间的逻辑关系,并建立模糊规则库;最后是采用模糊推理方法建立模糊推理机,以完成根据故障征兆进行模糊诊断推理的全过程[3]。模糊故障诊断的典型方法是模糊故障向量识别法,其诊断方法如图3所示。

图3 模糊故障诊断方法Fig.3 Method of fuzzy fault diagnosis chart

2 系统硬件设计

专家系统硬件包括嵌入式控制核心模块、测量切换矩阵模块、标准接口模块、总线控制模块、数控电源和电源管理模块、人机界面模块,以及由外围测试仪器设备构成的测量模块和连接被测无线通信设备的通用射频测试电缆等组成[4]。

嵌入式控制核心模块是系统的主控单元,以ARM MICRO2440A核心板为基础,嵌入了WIN CE操作系统,并基于LabView开发了系统主控软件,实现对整个系统的控制与管理[5]。测量切换矩阵模块以TMS320F 28335数字信号处理器为核心,通过GPIB/VIX总线控制各种虚拟测试仪器,对采集到的信号数据进行运算和解析,并将解析后的数据上传给主控单元进行对比分析。标准接口模块提供LAN、USB、串行、GPIB、VXI等多种接口,通过切换矩阵来控制其中的射频同轴开关、可调衰减器、功率探测器和滤波放大器等接口电路[6]。测量模块包含综合测试仪、矢量分析仪、频谱分析仪等测试仪表,用于采集所需的信号数据。总线控制模块通过RS232和1394接口实现主控单元对系统各部件的控制。数控电源和电源管理模块对系统供电进行智能化控制和管理。人机界面模块通过LCD屏实现专家对系统的操作和人机交互。

3 系统软件设计

系统软件设计运用VC/VC++高级语言和NI公司的LabView,开发了故障测试诊断程序集、故障诊断专家知识库与设备信息数据库,以及仪器驱动程序集等软件系统,其结构如图4所示。

图4 软件系统结构Fig.4 Software system structure chart

3.1 故障测试诊断程序集

测试诊断程序集软件由设备整机测试软件和单板测试诊断软件组成。整机测试程序根据诊断数据库提供的信息以树型方式显示功能检测项,当用户选择测试项后,系统依据测试诊断数据库中定义的测试流程完成测试并将测量结果和诊断数据库中的有关数据相比较,从而确定待测设备是否存在故障。单板诊断程序内部包括单板的各种信息注册表,该表将单板具有的所有特征信息组织在一起,可以直观显示单板中各元器件的型号参数等信息,在故障诊断过程中能以文字和图像突出显示的方式指导操作人员进行测试探头或夹具的定位,并能对故障诊断结论中的失效元件在实物图像上闪烁显示,使测试操作生动直观,诊断结果一目了然。

3.2 故障诊断专家知识库与设备信息数据库

故障诊断专家知识库包括与整个诊断软件运行相关的专家诊断数据信息(如通信设备故障判别准则信息、检测参数指标、失效判据信息、检测部位-失效类型-失效判据-检测方法逻辑对照信息、故障预测结果、故障预测报告、历史维护记录、系统预设信息、代码信息等),全面反映通信设备及各板件的累计使用情况、历次维修情况、当前健康状况、损伤残留及待查隐患、任务能力评估以及预定的维修安排等,用来支持推理机根据检测数据对通信系统、子系统和设备板卡当前检测状况的变化做出正确的认定。

设备信息数据库包括实时数据库和关系数据库,实时数据库用来装载来自接口适配器的实时检测数据,关系数据库用来装载通信装备整机及单板的型号、厂家、出厂日期、性能指标等基本属性信息表。

3.3 仪器驱动程序

VXI总线即插即用(VPP,VXIplug&play)仪器驱动程序规范规定了仪器驱动程序开发者编写驱动程序的规范与要求,侧重于仪器的互操作性,可使得多个厂家仪器驱动程序共同使用,增强了系统级的开放性、兼容性和互换性。VPP规范提出了两个基本机构模型,第一个模型是仪器驱动程序的外部接口模型,它表示仪器驱动程序如何与外部软件系统接口,外部接口模型包括函数体、交互式开发接口、程序开发接口、VISA I/O接口和子程序接口,第二个模型是内部设计模型,它定义了仪器驱动程序函数体的内部结构,使用一些部件函数共同实现完整的测试和测量操作[6]。

4 主要技术指标

1)测试频率范围:1～500 MHz。

2)测试功能:频谱分析、频率/功率测量、信号激励、时域波形分析、基本电参量测量、音频信号分析、通信误码测试。

3)测试速率:不小于50 Mb/s。

4)系统支持:VXI、PXI和LXI总线技术。

5)系统软件:LabView、Visual C++。

6)支持通信接口类型:GPIB接口、标准并口、RS232串口、LAN口、1394接口。

7)电源及功耗:AC220V±10%、功耗不小于2 kW。

8)环境适应性:工作温度:-10～50℃,存储温度:-25～70℃。

5 主要功能

5.1 自治测试功能

系统提供序列化自动测试功能,其测试流程如图5所示。以收信机为例,待测设备加电后,即可通过数据采集模块采集必要的数据,如电压、阻抗、频率甚至波形信号等,经过信号分析模块通过对测量的各种数据进行分析和处理完成对整机的诊断,如果整机诊断结果显示有故障,故障诊断模块会该将故障定位到某个板件,并在显示设备中显示相关结果,指导下一步的单板检测操作。单板检测需要将设备中板件卸下,插入系统的接口模块,通过宽带可控信号源模块产生板件检测所需要的电源、高频信号、逻辑信号等相关工作数据,并传送给板件,在故障诊断模块的控制下进行故障的分析诊断,可将故障定位到某级电路,甚至元器件,并通过显示设备显示测试诊断结果。

5.2 故障诊断功能

系统通过不断的采集被测试设备的信息获得检测信号,通过信号处理得到设备特征信息,并与故障诊断专家知识库中的设备允许参数进行对比和一系列逻辑推理,快速找到最终故障或最有可能的故障位置,然后由用户来证实并形成诊断决策,最后建立维修方案并对设备进行维护和维修。故障诊断流程如图6所示。

图5 系统自动测试流程Fig.5 Flow chart of automatic test system

图6 故障诊断流程Fig.5 Flow chart of automatic test system

6 结 语

舰载无线通信设备通用测试诊断专家系统设计系统采用模块化和通用性的设计方法,运用GPIB/ VXI混合总线架构,具有频谱分析、频率/功率测量、信号激励、时域波形分析、基本电参量测量、音频信号分析和通信误码测试功能,操作使用方便,显示界面直观,指标测试便捷,故障定位判断准确,维修保障方案制定迅速,其设计理念新颖、测试诊断技术先进,适用多型舰载无线通信设备的测试和故障检测诊断定位,方便维修人员直接对设备进行测试和故障诊断,有效地提高舰载无线通信设备技术保障的水平和效能。

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XU Zhi,LI Hang,LI Yuan-yuan.Design and Application of Network Fault Diagnosis Expert System based on SVM[J].Communication Technology,2008,41(3): 71-73.

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JIANG Zhi-nong,WANG Hui,WEI Zhong-qing.Fault Diagnosis Expert System based on Case Reasoning and Rule Reasoning[J].Computer Engineering,2011,37 (1):238-240.

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CAO Cheng(1976-),male,M.Sci.,engineer,majoring in wireless communication.

赵 菲(1962—),女,硕士,高级工程师,主要研究方向为通信工程;

ZHAO Fei(1962-),female,M.Sci.,senior engineer, majoring in communication engineering

李 光(1980—),男,硕士,工程师,主要研究方向为通信工程.

LI Guang(1980-),male,M.Sci.,engineer,majoring in communication engineering

Design of General Test and Diagnosis Expert System for Shipboard Wireless Communication Equipments

CAO Cheng,ZHAO Fei,LI Guang
(The Navy Command Information Department,Beijing 100841,China)

Aiming at the difficulties of support for the ships in the navigation process of wireless communications equipment,and combining the performance index and structural characteristics of wireless communication equipments on current primary shipboard,the test and diagnosis expert system based on Rule-Based Reasoning and Fuzzy-Based Reasoning is designed and implemented.It can make logical reasoning and analytical judgment through the knowledge and experience which is provided by the fault diagnosis expert knowledge base,and can automatically detect the fault equipment and single board.As the system achieves fault diagnosis and location of multi-models shipboard communication equipments,so it can improve the capacities and efficiencies of maintenance support of shipboard wireless communication equipments in the navigation process.

wireless communication;expert system;test and diagnosis

TP919

A

1002-0802(2014)08-0963-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.025

曹 诚(1976—),男,硕士,工程师,主要研究方向为无线通信;

2014-06-05;

2014-07-05 Received date：2014-06-05;Revised date：2014-07-05