基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏云鵬

摘要：隨著我國(guó)軍事力量的不斷發(fā)展和軍事理念的變革，裝備維修保障的重要性越來(lái)越突出，保障工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)裝備維修保障的模式提出了更高的要求。為適應(yīng)新形勢(shì)下裝備保障工作發(fā)展的需要，結(jié)合5G通信技術(shù)的發(fā)展和普及，本文設(shè)計(jì)一套基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在大幅度降低裝備日常維修保障成本的同時(shí)，能夠及時(shí)、有效的解決裝備故障問題，對(duì)于提升裝備的保障能力、保證裝備戰(zhàn)備完好性、使裝備保持戰(zhàn)斗力方面具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：5G;裝備;遠(yuǎn)程;故障診斷

中圖分類號(hào)：TP206.3

0 ?引言

隨著我國(guó)軍事現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，功能強(qiáng)、復(fù)雜程度高的大批量武器裝備已在海軍各個(gè)戰(zhàn)區(qū)、島礁等屬地裝備和使用，為保障裝備效能發(fā)揮，裝備交付后的維修保障工作尤為重要！裝備維修保障長(zhǎng)期以來(lái)受技術(shù)手段的限制，主要依靠技術(shù)專家到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維保。隨著某型武器裝備部署規(guī)模的擴(kuò)大、訓(xùn)練強(qiáng)度以及演習(xí)任務(wù)的增加，這種保障模式就面臨巨大挑戰(zhàn)，亟需提升保障技術(shù)手段與部隊(duì)裝備保障的及時(shí)、有效性要求相適應(yīng)[1-4]。近年，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，5G移動(dòng)通信技術(shù)體系的蓬勃發(fā)展為裝備遠(yuǎn)程診斷的實(shí)現(xiàn)提供了可能。5G技術(shù)指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，其主要有一是數(shù)據(jù)傳輸速率高，二是大容量，三是低延時(shí)[5-6]等特點(diǎn)，能夠滿足海量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)男枨蟆?/p>

因此，本文針對(duì)5G和遠(yuǎn)程診斷技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套基于5G技術(shù)的武器裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，在技術(shù)專家不在現(xiàn)場(chǎng)的情況下，通過技術(shù)專家與遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)維修人員的遠(yuǎn)程信息交互、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程協(xié)同實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維保，及時(shí)、有效解決裝備故障問題，提升武器裝備的保障效率和保障能力。

1 ?系統(tǒng)組成及功能

基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要由5G頭盔、5G網(wǎng)絡(luò)和控制協(xié)作中心三部分組成，系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)人員通過佩戴的5G頭盔，采集現(xiàn)場(chǎng)高清視頻，并通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)端控制協(xié)作中心。遠(yuǎn)端控制協(xié)作中心的專家以第一視角觀看現(xiàn)場(chǎng)視頻并指揮現(xiàn)場(chǎng)人員完成維修任務(wù)，并可對(duì)裝備故障情況進(jìn)行收集、整理和分析形成裝備故障知識(shí)庫(kù)，裝備出現(xiàn)故障時(shí)，專家系統(tǒng)可通過模糊匹配等方法識(shí)別故障并確定故障原因提出參考解決方案。

遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)5G頭盔的主要功能是采集4K高清視音頻并經(jīng)壓縮編碼加密后傳向控制協(xié)作中心，并在控制協(xié)作中心回傳信息時(shí)完成接收和顯示。作為5G終端，5G頭盔采用4K高清攝像頭，并配備白光燈和激光指示燈作為輔助照明和激光定位，白光燈在晚上或光線不足的情況下自動(dòng)開啟，為5G頭盔提供充足的光照度支持，保證傳回的4K實(shí)時(shí)高清視頻的亮度和品質(zhì)，激光指示燈的主要功能是為實(shí)時(shí)視頻取景和故障點(diǎn)地位提供參考。

控制協(xié)作中心作為5G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的管理應(yīng)用平臺(tái)，是整個(gè)5G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的指揮和控制中心，主要功能是使用局端5G終端設(shè)備接收從遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)5G頭盔傳來(lái)的4K實(shí)時(shí)高清視音頻，以維修者的第一視角清晰獲知現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)專家分析判斷后給出裝備故障診斷意見并遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)步驟

2.1 5G頭盔

5G頭盔采用便攜式分體設(shè)計(jì)，方便穿戴和隨身裝備，可解放雙手方便維修操作，適用于遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)維修人員完成專業(yè)維修任務(wù)，主要包括4K高清攝像頭、主處理器、5G工業(yè)模組、國(guó)密安全模塊、激光指示器、LED白光燈、存儲(chǔ)器、耳麥和藍(lán)牙模塊等。其他外圍電路還包括：HDMI輸出接口、電源轉(zhuǎn)換電路和程序調(diào)試與下載電路等。

5G頭盔的核心硬件設(shè)計(jì)分別選擇HUAWEI MH5000-31 5G工業(yè)模組和Hisilicon Hi3559AV100芯片組合作為通信和主控處理器芯片。

1）Hi3559A主處理器

主處理器選用Hi3559AV100芯片，是專業(yè)的 8K Ultra HD Mobile Camera SOC，它提供了 8K30/4K120 廣播級(jí)圖像質(zhì)量的數(shù)字視頻錄制，支持多路 Sensor 輸入，支持 H.265 編碼輸出或影視級(jí)的RAW 數(shù)據(jù)輸出，并集成高性能 ISP 處理，同時(shí)采用先進(jìn)低功耗工藝和低功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)，為用戶提供了卓越的圖像處理能力?；?G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的Hi3559AV100主處理器芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見圖3。

2）MH5000 5G工業(yè)模組

5G工業(yè)模組選用HUAWEI MH5000-31模組，此工業(yè)模組核心采用華為巴龍5000芯片，核心器件包括主芯片、PMU、射頻等完全自主可控;支持NSA/SA雙模，幫助客戶靈活接入不同5G模式網(wǎng)絡(luò)，支持5G SA網(wǎng)絡(luò)建設(shè);支持單芯全模，2G/3G/4G/5G全兼容，直接同步5G網(wǎng)絡(luò)同步覆蓋節(jié)奏，保護(hù)客戶設(shè)備投資。下行速率達(dá)到2Gbps，上行速率高達(dá)230Mbps，滿足行業(yè)應(yīng)用的高帶寬要求，模塊電路框圖如圖4所示。

2.2 控制協(xié)作中心

控制協(xié)作中心由5G終端設(shè)備、4K高清視頻監(jiān)視器（或大屏）、專用服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等硬件設(shè)備等組成。控制協(xié)作中心5G終端設(shè)備主要器件與5G頭盔基本一致，主要作用是接收從認(rèn)證過身份的5G頭盔設(shè)備傳輸過來(lái)的4K實(shí)時(shí)高清視音頻信號(hào)，完成硬件的解碼解密后輸出至4K高清視頻監(jiān)視器（或大屏）進(jìn)行顯示。在控制協(xié)作中心，專家以第一視角觀看從5G頭盔傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻，并指揮現(xiàn)場(chǎng)工作人員完成故障定位和維修任務(wù)。

遠(yuǎn)程指導(dǎo)指令是通過控制協(xié)作中心的5G終端向遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送遠(yuǎn)程指導(dǎo)4K高清視音頻信號(hào)，信號(hào)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?G頭盔后通過耳麥和顯示屏遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修人員完成維修工作。圖5所示為5G終端設(shè)備接收4K高清視音頻系統(tǒng)圖。

3 ?關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

3.1 數(shù)據(jù)安全

在核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)安全保證的情況下，基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用相應(yīng)的軟硬件加密措施，以保證武器裝備遠(yuǎn)程診斷各項(xiàng)業(yè)務(wù)操作的保密安全。

在本項(xiàng)目中，5G頭盔及控制協(xié)作中心的硬件設(shè)備都包含一款用于4K高清視音頻傳輸數(shù)據(jù)安全的國(guó)密安全模塊電路，在硬件層面做相應(yīng)的加密處理，硬件加密技術(shù)滿足相關(guān)加密標(biāo)準(zhǔn)，確保在設(shè)備硬件層面不泄密。

基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有三重硬件加密機(jī)制和私有軟件加解密機(jī)制：

（1）核心處理器HI3559A內(nèi)置硬件加解密。可以硬件實(shí)現(xiàn)AES/DES/3DES三種加密算法，實(shí)現(xiàn)RSA1024/2048/3072/4096簽名校驗(yàn)算法，實(shí)現(xiàn)HASH防篡改算法，支持HASH的SHA1/224/256/384/512、HMAC_SHA1/224/256/384/512算法;

（2）5G模組內(nèi)置軟硬件雙重加解密機(jī)制及空口傳輸保護(hù);

（3）外擴(kuò)專用國(guó)密安全模塊TF32A09，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密功能。設(shè)備身份認(rèn)證流程如圖6所示。

3.2小型化設(shè)計(jì)

5G頭盔為可穿戴設(shè)備，設(shè)計(jì)以安全可靠、使用便捷為目標(biāo)，重量大約500克左右，重量輕尺寸小便于使用，從LED白光燈、激光指示器、攝像頭安裝、供電和散熱等多方面綜合考慮后完成小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

硬件電路電路板為模塊化設(shè)計(jì)，安裝在與5G頭盔連接的5G終端設(shè)備機(jī)殼內(nèi)，考慮到尺寸、散熱和天線接收效率等因素，將主處理器模塊、4K高清攝像頭采集模塊、5G模塊、天線模塊等分別設(shè)計(jì)，并合理安排模塊尺寸和安裝位置。天線接收效率對(duì)性能影響很大，采用內(nèi)置8根共形天線的設(shè)計(jì)思路，并通過各種調(diào)節(jié)，提高效率，降低輻射。

供電方面，支持外接電源適配器和電池供電兩種方式，供電電池封裝后內(nèi)置于5G終端設(shè)備中，5G終端設(shè)備使用專用電纜與5G頭盔相連接，使用時(shí)掛在工作人員腰間。

散熱方面，在頭盔正面設(shè)計(jì)兩道進(jìn)氣孔，在頭頂處安排散熱通道，保證整體散熱良好，工作可靠。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

基于5G通信技術(shù)，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)，通過進(jìn)行系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)、主要電路設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程視頻及音頻的傳輸、遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)能夠改變傳統(tǒng)的裝備現(xiàn)場(chǎng)保障的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷的功能，達(dá)到節(jié)約裝備保障成本，提升裝備保障效率，促進(jìn)戰(zhàn)備完好性的目標(biāo)，能夠適應(yīng)海軍數(shù)字化、信息化保障建設(shè)的需要，具有較大的實(shí)用性。

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