艦船通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究?

徐 池 肖博凱 韓 東

1 引言

隨著艦船通信系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和一體化信息系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，艦船通信裝備之間的連接關(guān)系、信息流程、性能匹配等方面的技術(shù)復(fù)雜性達(dá)到了新的高度。艦船通信裝備的組織運(yùn)用也在從集中式管控、內(nèi)外通分離，向分布式接入、控制，一體化集成應(yīng)用方向發(fā)展。當(dāng)前，對(duì)于艦船通信系統(tǒng)的綜合保障和組織運(yùn)用過程中，裝備的匹配特性、系統(tǒng)的綜合效能等方面的問題越來越多，也愈發(fā)突出。從提高艦船通信系統(tǒng)綜合保障能力和組織運(yùn)用能力的角度出發(fā)，通信保障人員迫切需要一種能夠全面掌控艦船通信系統(tǒng)工作狀態(tài)和效能的監(jiān)控評(píng)測(cè)手段，為充分發(fā)揮艦船通信系統(tǒng)效能、增強(qiáng)艦船通信整體保障能力提供有力支撐。本文以構(gòu)建艦船通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)的需求為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)研究，為系統(tǒng)建設(shè)提供一定參考借鑒。

2 系統(tǒng)研制需求分析

電子設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)和診斷技術(shù)在不斷推進(jìn)，美國(guó)研制開發(fā)了軍用綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)ICAS（Integtated Condition Assessment System），針對(duì)海軍裝備特性提出了基于狀態(tài)健康管理的分布式體系結(jié)構(gòu)，相關(guān)系統(tǒng)在美國(guó)海軍艦船上已得到實(shí)際應(yīng)用，極大提高了艦船裝備的可用度和任務(wù)可靠性［1-5］。同時(shí)，全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地掌握艦船通信系統(tǒng)狀態(tài)性能及其變化趨勢(shì)，是充分發(fā)揮通信系統(tǒng)綜合效能，順利完成通信保障任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前，通信保障人員更多地依賴傳統(tǒng)測(cè)試方法，通過各種儀器儀表對(duì)通信裝備個(gè)別性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。傳統(tǒng)方法涉及的測(cè)量?jī)x器種類名目繁多，測(cè)試連接關(guān)系較為復(fù)雜，存在耗時(shí)費(fèi)力、專業(yè)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度低等不足，無法做到裝備關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)采集和記錄，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)狀態(tài)性能的全面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通信裝備的機(jī)內(nèi)自檢能夠?qū)崿F(xiàn)部分監(jiān)測(cè)功能，例如部分系統(tǒng)可通過傳遞心跳或狀態(tài)報(bào)文的簡(jiǎn)單形式監(jiān)測(cè)裝備的工作狀態(tài)，但是自檢信息往往僅限于裝備內(nèi)部的關(guān)鍵模塊是否故障的簡(jiǎn)單信息，且獲取的故障信息沒有可預(yù)知性，不能完全反映裝備構(gòu)成系統(tǒng)后的實(shí)際工作性能，且有些導(dǎo)致性能下降的故障僅靠機(jī)內(nèi)自檢無法檢測(cè)，如發(fā)射功率降低、接收靈敏度降低等。艦船通信系統(tǒng)各組成要素的關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)和特性參數(shù)都無法依靠設(shè)備現(xiàn)有的自檢功能提供。為滿足艦船通信系統(tǒng)在值勤維護(hù)管理、組織運(yùn)用和綜合保障等方面的迫切需求，需要研制艦船通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集艦船通信系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)信息，監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)和可靠性狀況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，分析、評(píng)估、預(yù)測(cè)系統(tǒng)綜合效能，為艦船通信保障人員提供艦船通信系統(tǒng)綜合能力的全面態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)和分析預(yù)測(cè)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及組成設(shè)計(jì)

艦船通信系統(tǒng)一般包括短波、超短波、衛(wèi)星、內(nèi)部通信等分系統(tǒng)，設(shè)備種類包括通信終端、服務(wù)器、發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、電臺(tái)、合并器、多路耦合器及各頻段天線等。各類設(shè)備通過艦船內(nèi)部的音頻電纜、控制電纜、網(wǎng)線、光纜、射頻電纜等連接在一起，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和配置使用非常復(fù)雜。艦船通信系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、設(shè)備連接環(huán)節(jié)多、配置使用靈活等特點(diǎn)，其復(fù)雜性和層次性決定了通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)要以全系統(tǒng)的角度統(tǒng)攬全局，全面、實(shí)時(shí)地掌控裝備技術(shù)狀態(tài)，以保證全系統(tǒng)的功能完好性。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)監(jiān)控評(píng)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)采用分層體系架構(gòu)，包括設(shè)備級(jí)、鏈路級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三個(gè)層級(jí)，向用戶提供不同顆粒度的監(jiān)控評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足值勤維護(hù)管理及作戰(zhàn)訓(xùn)練時(shí)的使用需求。分層結(jié)構(gòu)與通信任務(wù)系統(tǒng)的通信頻段、業(yè)務(wù)類型構(gòu)成一個(gè)三維模型，其邏輯關(guān)系如圖1所示。其中，設(shè)備級(jí)負(fù)責(zé)完成對(duì)單設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，可通過心跳報(bào)文、工作狀態(tài)報(bào)文、設(shè)備BIT（Built-intest）信息上報(bào)等途徑獲得。該層級(jí)不具備設(shè)備間的交鏈能力，反映的是要素級(jí)的信息［6～9］。鏈路級(jí)負(fù)責(zé)完成基于業(yè)務(wù)的鏈路完好性測(cè)試，利用生成的典型業(yè)務(wù)測(cè)試信號(hào)，建立全鏈路測(cè)試流程，逐一采集鏈路上各設(shè)備輸出端的報(bào)文，并與信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)特征庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。該層級(jí)反映了各設(shè)備關(guān)聯(lián)后對(duì)所承載的具體業(yè)務(wù)的支撐情況以及設(shè)備間的性能匹配狀況。系統(tǒng)級(jí)則根據(jù)全系統(tǒng)通信保障任務(wù)，將通信對(duì)象、業(yè)務(wù)承載需求與鏈路匹配性能進(jìn)行分析，基于匹配模型、專家系統(tǒng)等對(duì)通信效果、狀態(tài)偏離程度進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，結(jié)合全艦通信資源狀態(tài)監(jiān)控情況，向用戶提供資源調(diào)整策略。

3.2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

據(jù)艦船通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)處理的方式以及面向用戶的需求，艦船通信裝備效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)由艦船通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性測(cè)試分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)、用戶終端顯示分系統(tǒng)等四個(gè)分系統(tǒng)組成。

1）數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)

傳感器、監(jiān)測(cè)模塊通用接口設(shè)備、便攜式狀態(tài)查詢輸入設(shè)備一起組成艦船通信系統(tǒng)射頻信號(hào)采集分系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率、駐波比、信噪比、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)的采集錄入。設(shè)備組成方面主要包括：短波發(fā)射機(jī)功放性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、短波發(fā)射機(jī)天饋系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、短波收信機(jī)及收信天線性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、衛(wèi)通設(shè)備中頻及射頻性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、超短波電臺(tái)及天線性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備和天線輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量等設(shè)備。

2）鏈路完好性測(cè)試分系統(tǒng)

艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性測(cè)試分系統(tǒng)主要完成設(shè)備初始狀態(tài)檢查、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)生成、基于業(yè)務(wù)流程的測(cè)試信號(hào)發(fā)送等功能，通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的比對(duì)完成艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性的測(cè)試。主要包括基于各業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)生成模塊：聲碼話測(cè)試模塊、短波超快速報(bào)測(cè)試模塊；各類格式數(shù)據(jù)報(bào)文測(cè)試模塊、IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測(cè)試模塊和視頻業(yè)務(wù)測(cè)試模塊。

3）數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)通過調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)等信息對(duì)數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)送來的裝備自檢信息、工作參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行建模計(jì)算與評(píng)測(cè)，通過綜合計(jì)算與分析對(duì)裝備自檢信息的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析與有效比對(duì)，完成設(shè)備性能及設(shè)備間匹配狀況的結(jié)論性分析，計(jì)算業(yè)務(wù)能量在通信系統(tǒng)傳遞全過程的能量衰減程度［10］。該分系統(tǒng)主要包括：匹配模型數(shù)據(jù)庫(kù)、基于業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征庫(kù)、智能分析比對(duì)模型、能量衰減傳遞誤差模型、性能預(yù)測(cè)模型和綜合效能評(píng)估模型。

4）用戶終端顯示分系統(tǒng)

用戶終端顯示分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船通信裝備工作狀態(tài)監(jiān)控顯示、工作狀態(tài)評(píng)估結(jié)果顯示、工作狀態(tài)預(yù)測(cè)趨勢(shì)顯示，使艦船通信保障人員值班人員能夠根據(jù)任務(wù)需求，迅速、準(zhǔn)確地了解艦船通信系統(tǒng)的整體、重點(diǎn)部位運(yùn)行情況，形象、直觀地掌握艦船通信系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)和狀態(tài)趨勢(shì)，為用戶提供最終的人機(jī)交互界面。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)艦船通信保障人員實(shí)際需求和效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集功能、鏈路完好性測(cè)試功能、數(shù)據(jù)分析處理功能、通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評(píng)測(cè)功能和監(jiān)控評(píng)測(cè)可視化功能。

4.1 數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能主要完成裝備自檢數(shù)據(jù)、裝備工作參數(shù)、裝備性能參數(shù)、射頻數(shù)據(jù)傳感采集等任務(wù)。數(shù)據(jù)來源主要包括：一是裝備上報(bào)的自檢參數(shù)、工作參數(shù)等帶內(nèi)數(shù)據(jù)；二是通過現(xiàn)有的綜合控制寬帶傳輸系統(tǒng)、電磁頻譜管理系統(tǒng)等獲取的網(wǎng)管、頻管信息；三是利用部署的傳感器提取的設(shè)備射頻信號(hào)參數(shù)，主要包括發(fā)射機(jī)輸出功率、駐波比、信噪比、接收機(jī)靈敏度等。數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)對(duì)要素級(jí)信息的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)采集，主要包括裝備開機(jī)自檢、心跳報(bào)文、工作狀態(tài)報(bào)文、BIT測(cè)試數(shù)據(jù)等信息的采集；任務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理信息的采集；短波發(fā)射機(jī)功放及天饋系統(tǒng)、短波收信機(jī)及收信天線、超短波電臺(tái)及天線、衛(wèi)通設(shè)備等的中頻/射頻數(shù)據(jù)采集，采集參數(shù)主要包括輸出功率、駐波比、增益等指標(biāo)。

4.2 鏈路完好性測(cè)試功能

鏈路完好性測(cè)試功能指的是利用生成的典型業(yè)務(wù)測(cè)試信號(hào)，按照業(yè)務(wù)流程走向，逐一采集鏈路上各設(shè)備輸出端的報(bào)文，并與信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)特征庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。最終完成全鏈路的戰(zhàn)備完好性測(cè)試。鏈路完好性測(cè)試針對(duì)所承載的具體業(yè)務(wù)，將相關(guān)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)后開展測(cè)試，因此能反映出設(shè)備在任務(wù)模式下的性能指標(biāo)及設(shè)備間的匹配狀況。主要包括基于業(yè)務(wù)類型的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)生成功能；全系統(tǒng)全業(yè)務(wù)流程檢測(cè)功能和指定業(yè)務(wù)的快速檢測(cè)功能。

4.3 數(shù)據(jù)分析處理功能

數(shù)據(jù)分析處理功能對(duì)于采集到的設(shè)備參數(shù)以及鏈路完好性測(cè)試報(bào)文進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算，根據(jù)各種數(shù)學(xué)模型、匹配模型、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)特征庫(kù)等的分析與處理，給出設(shè)備性能及設(shè)備間匹配狀況的結(jié)論性數(shù)據(jù)。主要包括對(duì)射頻信號(hào)采集點(diǎn)回傳的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)；根據(jù)不同設(shè)備的戰(zhàn)技指標(biāo)要求，以及射頻衰減損耗模型、性能降級(jí)趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型等相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得到射頻鏈路的比對(duì)結(jié)果；對(duì)鏈路完好性測(cè)試回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)；根據(jù)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)特征庫(kù)，對(duì)回傳的鏈路測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到該通信鏈路所有設(shè)備的功能完好性測(cè)試比對(duì)結(jié)果。

4.4 通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評(píng)測(cè)功能

通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評(píng)測(cè)功能是指利用各傳感器、采集點(diǎn)回傳的測(cè)試數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)初步的分析結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)匹配性模型及基于歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng)，判斷當(dāng)前通信系統(tǒng)健康狀況，并能估計(jì)當(dāng)前的狀態(tài)偏離正常態(tài)的程度大小。對(duì)通信系統(tǒng)工作當(dāng)前工作狀態(tài)、性能、系統(tǒng)匹配性能、狀態(tài)偏離程度進(jìn)行全面評(píng)估，并給出現(xiàn)有裝備性能條件下的可參考的資源調(diào)整策略。主要包括通信系統(tǒng)可靠性評(píng)估；通信裝備匹配性分析；綜合通信效能評(píng)估；系統(tǒng)性能降級(jí)趨勢(shì)預(yù)測(cè)和通信資源調(diào)整配置方案評(píng)估。

4.5 監(jiān)控評(píng)測(cè)可視化功能

監(jiān)控評(píng)測(cè)可視化功能是指根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行艦船通信裝備狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)的顯示。主要包括通信系統(tǒng)性能降級(jí)趨勢(shì)顯示；功率匹配衰減損耗分布顯示；收、發(fā)信機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)顯示；天線關(guān)鍵性能參數(shù)顯示和通信系統(tǒng)綜合效能變化趨勢(shì)顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用效能監(jiān)控評(píng)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)艦船通信系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)鏈路的完好性檢測(cè)以及系統(tǒng)裝備匹配性分析、業(yè)務(wù)能量傳遞損耗的評(píng)測(cè)，可以有效提高艦船通信保障人員的裝備維護(hù)保障能力和組織運(yùn)用能力，進(jìn)一步充分發(fā)揮艦船通信系統(tǒng)的綜合效能［11-12］。系統(tǒng)的研制將有效解決用戶對(duì)通信裝備性能參數(shù)、狀態(tài)指標(biāo)與匹配效能測(cè)試評(píng)估難等問題，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艦船通信系統(tǒng)工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估結(jié)果，為艦船通信保障人員根據(jù)通信指示制定通信保障方案、為根據(jù)保障條件和裝備性能變化適時(shí)合理調(diào)整通信裝備資源提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐；通過有效實(shí)時(shí)監(jiān)控通信系統(tǒng)，直接保障和提升通信設(shè)備使用效能。

［1］周林趙杰，馮廣飛.裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015：120-125.

［2］黃乘順，李星亮，蔡益宇.傳輸線阻抗匹配模型及精確計(jì)算［J］.通信技術(shù)，2007，40（11）：119-120.

［3］王倩.無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.10-12.

［4］王文嘉，邱伯華.基于PHM的艦載通信設(shè)備維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.船舶機(jī)電設(shè)備，2012（1）：70-73.

［5］孫博，康銳，謝勁松.故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2007，29（10）：1762-1767.

［6］章火寶，孟凡榮.艦船通信設(shè)備常見故障修理方法淺析［J］.艦船電子工程，2007（27）：12.

［7］賈心愷.艦船通信系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究［J］.艦電技術(shù)，2011，31（9）：30-32.

［8］曾聲奎，吳際.故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2005，26（5）：626-632.

［9］張寶珍.預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，27（2）：5-7.

［10］賈慧，青輝旗，屈清林.基于PHM的艦船裝備維修保障研究［J］.儀器儀表用戶，2006，13（3）：8-10.

［11］魯芳寧.載人航天任務(wù)通信設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008：2-6.

［12］王倩.無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012：5-12.