舰船通信装备效能监控评测系统设计研究∗

徐 池 肖博凯 韩 东

1 引言

随着舰船通信系统规模的不断扩大和一体化信息系统的推广应用，舰船通信装备之间的连接关系、信息流程、性能匹配等方面的技术复杂性达到了新的高度。舰船通信装备的组织运用也在从集中式管控、内外通分离，向分布式接入、控制，一体化集成应用方向发展。当前，对于舰船通信系统的综合保障和组织运用过程中，装备的匹配特性、系统的综合效能等方面的问题越来越多，也愈发突出。从提高舰船通信系统综合保障能力和组织运用能力的角度出发，通信保障人员迫切需要一种能够全面掌控舰船通信系统工作状态和效能的监控评测手段，为充分发挥舰船通信系统效能、增强舰船通信整体保障能力提供有力支撑。本文以构建舰船通信装备效能监控评测系统的需求为出发点，对系统进行总体设计研究，为系统建设提供一定参考借鉴。

2 系统研制需求分析

电子设备状态检测和诊断技术在不断推进，美国研制开发了军用综合状态评估系统ICAS（Integtated Condition Assessment System），针对海军装备特性提出了基于状态健康管理的分布式体系结构，相关系统在美国海军舰船上已得到实际应用，极大提高了舰船装备的可用度和任务可靠性［1-5］。同时，全面、实时、动态地掌握舰船通信系统状态性能及其变化趋势，是充分发挥通信系统综合效能，顺利完成通信保障任务的基础和前提。当前，通信保障人员更多地依赖传统测试方法，通过各种仪器仪表对通信装备个别性能指标进行测试。传统方法涉及的测量仪器种类名目繁多，测试连接关系较为复杂，存在耗时费力、专业性强、自动化程度低等不足，无法做到装备关键状态参数的自动采集和记录，无法实现对通信系统状态性能的全面、实时监测；通信装备的机内自检能够实现部分监测功能，例如部分系统可通过传递心跳或状态报文的简单形式监测装备的工作状态，但是自检信息往往仅限于装备内部的关键模块是否故障的简单信息，且获取的故障信息没有可预知性，不能完全反映装备构成系统后的实际工作性能，且有些导致性能下降的故障仅靠机内自检无法检测，如发射功率降低、接收灵敏度降低等。舰船通信系统各组成要素的关键技术状态和特性参数都无法依靠设备现有的自检功能提供。为满足舰船通信系统在值勤维护管理、组织运用和综合保障等方面的迫切需求，需要研制舰船通信装备效能监控评测系统，实时采集舰船通信系统关键参数信息，监控系统工作状态和可靠性状况，结合历史数据和环境数据，分析、评估、预测系统综合效能，为舰船通信保障人员提供舰船通信系统综合能力的全面态势呈现和分析预测。

3 系统架构及组成设计

舰船通信系统一般包括短波、超短波、卫星、内部通信等分系统，设备种类包括通信终端、服务器、发信机、收信机、电台、合并器、多路耦合器及各频段天线等。各类设备通过舰船内部的音频电缆、控制电缆、网线、光缆、射频电缆等连接在一起，系统体系结构和配置使用非常复杂。舰船通信系统具有结构组成复杂、设备连接环节多、配置使用灵活等特点，其复杂性和层次性决定了通信装备效能监控评测要以全系统的角度统揽全局，全面、实时地掌控装备技术状态，以保证全系统的功能完好性。

3.1 系统总体架构

系统监控评测功能的实现采用分层体系架构，包括设备级、链路级、系统级三个层级，向用户提供不同颗粒度的监控评测数据，满足值勤维护管理及作战训练时的使用需求。分层结构与通信任务系统的通信频段、业务类型构成一个三维模型，其逻辑关系如图1所示。其中，设备级负责完成对单设备的状态监控，可通过心跳报文、工作状态报文、设备BIT（Built-intest）信息上报等途径获得。该层级不具备设备间的交链能力，反映的是要素级的信息［6～9］。链路级负责完成基于业务的链路完好性测试，利用生成的典型业务测试信号，建立全链路测试流程，逐一采集链路上各设备输出端的报文，并与信号的标准特征库进行比对。该层级反映了各设备关联后对所承载的具体业务的支撑情况以及设备间的性能匹配状况。系统级则根据全系统通信保障任务，将通信对象、业务承载需求与链路匹配性能进行分析，基于匹配模型、专家系统等对通信效果、状态偏离程度进行实时评估，结合全舰通信资源状态监控情况，向用户提供资源调整策略。

3.2 系统组成设计

据舰船通信装备效能监控评测系统获取的数据来源、数据处理的方式以及面向用户的需求，舰船通信装备效能监控评测系统主要应由舰船通信系统数据采集分系统、舰船通信系统链路完好性测试分系统、数据分析处理分系统、用户终端显示分系统等四个分系统组成。

1）数据采集分系统

传感器、监测模块通用接口设备、便携式状态查询输入设备一起组成舰船通信系统射频信号采集分系统，主要实现对发射机输出功率、驻波比、信噪比、接收机灵敏度等参数的采集录入。设备组成方面主要包括：短波发射机功放性能数据采集设备、短波发射机天馈系统性能数据采集设备、短波收信机及收信天线性能数据采集设备、卫通设备中频及射频性能数据采集设备、超短波电台及天线性能数据采集设备和天线辐射场强测量等设备。

2）链路完好性测试分系统

舰船通信系统链路完好性测试分系统主要完成设备初始状态检查、标准测试信号生成、基于业务流程的测试信号发送等功能，通过标准信号的比对完成舰船通信系统链路完好性的测试。主要包括基于各业务的标准信号生成模块：声码话测试模块、短波超快速报测试模块；各类格式数据报文测试模块、IP数据业务测试模块和视频业务测试模块。

3）数据分析处理分系统

数据分析处理分系统通过调用相应的数据模型并结合数据库系统长期存储的历史数据等信息对数据采集分系统送来的装备自检信息、工作参数、状态数据等进行建模计算与评测，通过综合计算与分析对装备自检信息的准确性和可靠性进行验证分析与有效比对，完成设备性能及设备间匹配状况的结论性分析，计算业务能量在通信系统传递全过程的能量衰减程度［10］。该分系统主要包括：匹配模型数据库、基于业务的标准信号特征库、智能分析比对模型、能量衰减传递误差模型、性能预测模型和综合效能评估模型。

4）用户终端显示分系统

用户终端显示分系统主要实现对舰船通信装备工作状态监控显示、工作状态评估结果显示、工作状态预测趋势显示，使舰船通信保障人员值班人员能够根据任务需求，迅速、准确地了解舰船通信系统的整体、重点部位运行情况，形象、直观地掌握舰船通信系统当前工作状态和状态趋势，为用户提供最终的人机交互界面。

4 系统功能设计

根据舰船通信保障人员实际需求和效能监控评测系统组成设计，系统主要实现的功能包括数据采集功能、链路完好性测试功能、数据分析处理功能、通信系统状态效能评测功能和监控评测可视化功能。

4.1 数据采集功能

数据采集功能主要完成装备自检数据、装备工作参数、装备性能参数、射频数据传感采集等任务。数据来源主要包括：一是装备上报的自检参数、工作参数等带内数据；二是通过现有的综合控制宽带传输系统、电磁频谱管理系统等获取的网管、频管信息；三是利用部署的传感器提取的设备射频信号参数，主要包括发射机输出功率、驻波比、信噪比、接收机灵敏度等。数据采集功能实现对要素级信息的实时或准实时采集，主要包括装备开机自检、心跳报文、工作状态报文、BIT测试数据等信息的采集；任务系统网络管理、安全管理信息的采集；短波发射机功放及天馈系统、短波收信机及收信天线、超短波电台及天线、卫通设备等的中频/射频数据采集，采集参数主要包括输出功率、驻波比、增益等指标。

4.2 链路完好性测试功能

链路完好性测试功能指的是利用生成的典型业务测试信号，按照业务流程走向，逐一采集链路上各设备输出端的报文，并与信号的标准特征库进行比对。最终完成全链路的战备完好性测试。链路完好性测试针对所承载的具体业务，将相关设备进行关联后开展测试，因此能反映出设备在任务模式下的性能指标及设备间的匹配状况。主要包括基于业务类型的标准测试信号生成功能；全系统全业务流程检测功能和指定业务的快速检测功能。

4.3 数据分析处理功能

数据分析处理功能对于采集到的设备参数以及链路完好性测试报文进行存储、计算，根据各种数学模型、匹配模型、标准信号特征库等的分析与处理，给出设备性能及设备间匹配状况的结论性数据。主要包括对射频信号采集点回传的测试数据进行记录与存储；根据不同设备的战技指标要求，以及射频衰减损耗模型、性能降级趋势预测模型等相应的数据模型，进行数据分析处理，得到射频链路的比对结果；对链路完好性测试回传的数据进行记录与存储；根据信号标准特征库，对回传的链路测试信号进行分析处理，得到该通信链路所有设备的功能完好性测试比对结果。

4.4 通信系统状态效能评测功能

通信系统状态效能评测功能是指利用各传感器、采集点回传的测试数据及对数据初步的分析结果，结合系统匹配性模型及基于历史数据、经验的专家系统，判断当前通信系统健康状况，并能估计当前的状态偏离正常态的程度大小。对通信系统工作当前工作状态、性能、系统匹配性能、状态偏离程度进行全面评估，并给出现有装备性能条件下的可参考的资源调整策略。主要包括通信系统可靠性评估；通信装备匹配性分析；综合通信效能评估；系统性能降级趋势预测和通信资源调整配置方案评估。

4.5 监控评测可视化功能

监控评测可视化功能是指根据用户实际需求进行舰船通信装备状态、关键参数的显示。主要包括通信系统性能降级趋势显示；功率匹配衰减损耗分布显示；收、发信机关键性能参数显示；天线关键性能参数显示和通信系统综合效能变化趋势显示。

5 结语

运用效能监控评测系统，通过对舰船通信系统的状态监测、系统链路的完好性检测以及系统装备匹配性分析、业务能量传递损耗的评测，可以有效提高舰船通信保障人员的装备维护保障能力和组织运用能力，进一步充分发挥舰船通信系统的综合效能［11-12］。系统的研制将有效解决用户对通信装备性能参数、状态指标与匹配效能测试评估难等问题，在实时监测舰船通信系统工作状态的基础上，能够根据监测统计分析评估结果，为舰船通信保障人员根据通信指示制定通信保障方案、为根据保障条件和装备性能变化适时合理调整通信装备资源提供科学的数据支撑；通过有效实时监控通信系统，直接保障和提升通信设备使用效能。

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