交互式電子技術手冊在通信裝備中的應用設計*

劉宏波 宋光明 馬俊凱 李麗華

(海軍工程大學電子工程學院1) 武漢 430033)(海軍裝備研究院系統所2) 北京 100161)

1 引言

通信裝備的技術手冊是部隊用戶收到的最重要文件,它是裝備不可分割的一部分,也是綜合后勤保障(ILS)系統中的保障資源之一。傳統的紙質手冊或現階段的電子文件都只具有一般閱讀功能,沒有交互能力和多種媒體綜合能力[1]。交互式電子技術手冊(ITEM,Interactive Electronic Technical Manual),是以數字形式在一種合適的介質上,采用人工編程或自動編輯系統編寫的具有較強用戶交互功能的電子化文件,用于為某一終端用戶提供電子窗口顯示并具有如下三個特性:

1)顯示信息的格式和形式對窗口方式顯示是最優化的,確保最大的包容性,即顯示格式“面向幀”而不是“面向頁”;

2)構成ITEM的技術數據元素是相關的,以保證用戶存取所需信息時的最深入程度,并可以通過多種途徑實現;

3)由計算機控制的IT EM顯示設備在提供操作過程指南、導向、附加信息以及向輔助維修的后勤保障功能提供支持方面具備交互式功能(響應用戶需求和信息輸入)。

目前,已研究的IETM類型已達5種級別以上,如表1所示[2]。IETM 不是紙質文件簡單地轉換為電子文件,而是能實現紙質文件功能增值的具有用戶交互功能的軟件,并能實現數據庫或網絡環境下的集成共享,符合數據互用、互操作和信息共享的目標要求。由于IETM能綜合多種媒體,表現力豐富,因此可以兼有培訓教材功能,特別適合個人自學使用。由于構成ITEM的技術數據元素作為獨立信息元素保存在數據庫里,不存在信息的冗余性,因此,IETM結構不是面向文件而是面向信息元素的,特別方便于技術手冊的修改,手冊中完全相同的信息只需要在數據庫修改一處。據美國國防部統計:與傳統模式比較,采用IETM可使數據傳遞差錯率減少98%、文件編寫費減少40%、出版費減少60%、故障查找準確率提高35%。

表1 IETM信息結構

2 通信裝備的IETM國內外發展現狀

2.1 國外發展概況

通信裝備的技術資料是實施裝備保障活動的重要依據,能否及時獲得相關的技術資料,直接影響到裝備保障活動的質量和進度。近年來,隨著信息技術的迅速發展,“持續采辦和壽命周期保障(CALS)”策略已經被世界各國軍方所接受。CALS策略的普及實施,使得裝備保障效率大幅度提高。在 CALS策略中,交互式電子技術手冊(IETM)是效果最顯著、應用最廣泛的領域。交互式電子技術手冊是將技術手冊的內容以數字化的格式存儲,并以交互方式進行查閱,通過計算機控制的電子顯示系統(EDS),將維修技術人員或系統操作人員所需的特定信息(如文字、聲音、影像、圖片等),精確地展現在使用者面前,以加速裝備使用和保障活動的實施。

在發展交互式電子手冊的過程中,美國走在了世界各國軍隊的前列。1992年,美國國防部提出開展IETM項目的研究與開發。經過十多年的努力,美國制定了一系列通用標準和專用標準,用以指導IETM的開發、應用與實施,并以統一的格式規范IETM開發質量,使IETM能在不同部門之間、不同計算機平臺上互操作,進而實現美三軍之間的互操作[3]。2003年的伊拉克戰爭中,IETM 在各類信息化裝備中得以充分應用,在“長弓—阿帕奇”(AD-64D)直升機的數字化維修系統中,在“艾布拉姆斯”主戰坦克的數字診斷與預測“工具箱”中,都出現了IETM的身影。

韓國軍方起先引進美國技術,后來組織專家進行一年多的研究開發,形成了適合本國需要的IETM 技術,現已開發出IETM 制作工具;臺灣軍方組織中山科學研究院、國防管理學院、華夏科技公司等研究機構深入研究IETM;北約國家在CALS戰略的研發方面處于相對落后的局面,但從1998年以來,受美國國防部的影響,北約國家積極采取各項步驟,努力推動實施CALS戰略,強調以數據格式標準為先導,將IETM作為一種重要的CALS應用技術加以研究。其他一些國家和地區近年來也開始加入交互式電子手冊的研究行列,預計2010年左右,許多國家的裝備保障人員將在保障活動中大量使用交互式電子技術手冊。

2.2 我國發展概況

交互式電子技術手冊(IETM)的概念、技術和方法,是裝備保障數字化進程中第三階段的成果。裝備保障數字化已經經歷了三個階段[4]:

第一階段是利用現有技術(各種文件編輯軟件)使書面文件數字化,并使用軟磁盤和 CDROM光盤儲存和傳送數字文件;

第二階段是用標準化計算機文件與供應商交換信息;

第三階段是構建網絡集成共享的綜合數字化數據環境。

在第一階段雖然可以解決紙型文件開銷大、數量大、數據傳遞實時性差、易產生重復和冗余等弊端,但數字化文本沒有的統一格式和標準,承包商采用不同的編輯軟件編制技術文檔,不同軟件之間的轉換繁瑣,部隊難以使用。第二階段把武器系統的技術信息統一標準,統一格式,解決了多種標準和多種格式帶來的問題,但仍然不能實現數據的互用、互操作和信息共享。第三階段的目標是建立一個利用數據庫共享或網絡集成共享的綜合數字化數據環境,使技術數據一次生成,多次傳遞使用。目前很多國家裝備保障數字化都已處于第三階段,國內IETM仍處于起步階段,目前還沒有高級的IETM系統,目前已有的電子技術手冊包括HTML、PDF、EXE等多種形式,根據自身的特點和使用對象的不同,各有特色,但按照上述階段劃分,多屬于第二階段IETM。

3 通信裝備的IETM設計原則

3.1 設計原則

整個系統必須具有開放性、實用性、可靠性、先進性、安全性和可擴充性[5],系統建設應充分利用現有網絡資源和計算機硬件資源。

1)開放性

各種設計規范、技術指標及產品均符合國際和工業標準,并可提供多廠家產品的支持能力。系統中的所有產品都要符合相關的國際標準和國內標準,是開放的可兼容系統,可以有效保護投資。

2)實用性

整個系統必須適合部隊目前的實際情況,立足實用,并能夠滿足未來規模擴展和系統管理的要求。

3)可靠性

整個系統必須能夠滿足長時間連續穩定運行的要求。

4)先進性

系統中所采用的所有硬件和軟件技術都應當是目前先進而成熟的技術。

5)安全性

系統本身應當具有一套嚴密的安全保護措施,選用的系統軟件應達到一定的安全級別,采取防病毒措施和在數據庫傳輸中對重要數據加密等。系統必須具有完備的用戶權限管理功能,禁止超越權限的操作。系統必須具有完整的備份功能,保證系統程序和數據的完整和安全。

6)可擴充性

系統必須具有良好的可擴展性和可擴充性,所選用的硬件平臺和系統軟件平臺是可升級的,數據庫中的各種文件資料知識庫等也有相應的方式進行擴充。

此外,整個手冊必須強調各項管理功能(文字管理、表格管理、文檔管理、位圖管理、視頻管理、電路圖管理、知識庫管理),能兼容多種形式的電子文件,支持模糊查詢,實現管理集中化,集教、學、管三大功能于一體,軟硬件相對分離,硬件對軟件透明,硬件升級時只需增加硬件設備而無需更改軟件。

3.2 總體要求

電子資源標準化,有利于實現有效的信息交流和資源共享,避免重復地低水平開發工作,可以節省大量的人力物力及各種國家資源。美國軍方的MIL-PRF-87269A(交互式電子技術手冊數據庫要求)和MIL-PRF-87268A(交互式電子技術冊通用內容、樣式、格式和交互要求)標準等。本交互式電子技術手冊設計將參照美國軍方電子手冊標準,這將會帶來如下各種好處:

1)所有標準化電子手冊及其他各種電子資源都可以無縫地整合到今后的電子手冊平臺中,可大大提高手冊的可用性。

2)通過采用教育部教育信息化技術標準—CELTS(Chinese e-Learning Technology Standardization)中,制定的各種先進的數據描述來組織我們的電子手冊資源,可以開發出非常智能的故障分析專家系統,使用戶能更快、更準確、更詳細地獲得需要的故障信息。

3)使電子手冊能夠兼容各種不同格式、不同形式的資源,包括各種文本、音頻、視頻等,使課件的表現形式更多樣,更生動。

4 通信裝備的IETM總體設計

4.1 系統總體設計

系統的總體要求如下:

1)Client(客戶端)—Server(數據庫服務器)結構,用戶采用胖客戶端,需要安裝本軟件。

2)可檢索所有電子文檔,進行電子查閱。

3)軟件系統可以根據故障現象,通過專家系統,提供故障分析結果,指導排故工作。

4)能適應各種主流的操作系統,便于擴充和移植。

系統參照MIL-PRF-87269A(交互式電子技術手冊數據庫要求)和MIL-PRF-87268A(交互式電子技術冊通用內容、樣式、格式和交互要求)標準第四層次的要求設計,集成用戶環境,由數據庫管理系統管理,對話框驅動交互,能與其它應用功能集成,如零部件申領、維修計劃和故障診斷等。系統模型如圖1所示。

圖1 系統模型框圖

4.2 資料查閱部分

1)用戶界面

用戶界面遵循統一的標準,盡可能做到友好易用、方便快捷,采用對話框與用戶交互,包含多種查詢、導航和鏈接(包括資料之間相互鏈接和資料內部熱區鏈接)功能。

2)文檔內容

信息數據可以用文字、表格、圖像、圖紙、聲音、視頻、動畫等多種形式表現,包括 Acrobat文檔(.pdf)、Word文檔(.doc)、Excel表格(.xls)、Protel電路圖(.sch)、位圖圖像(.jpg、.gif、.bmp、…)、Autocad圖形(.dwg)、多媒體視頻(.mpg、.rm、.avi、…)等,這些數據都以原本的格式保存,減少了轉化損失,采用ActiveX控件或OLE(對象嵌入與鏈接)方式直接讀入,利用對象本身所具有的功能實現無級縮放、熱區等交互。

3)信息數據的相互關聯

系統所有的信息數據本身存在千絲萬縷的聯系。如何建立讓用戶能夠更容易了解系統的數據間的關聯是IETM必須考慮的問題。根據現有的信息數據,可以建立文字信息間的關聯、圖形與文字信息之間的關聯、圖形與圖形信息之間的關聯、表格與圖形信息的關聯和文字與表格信息的關聯等。

4)多樣化的檢索方式

檢索數據的方式包括導航瀏覽和直接檢索。使用直接檢索方式能夠直接查找到細節信息,包括普通信息和特殊信息。使用導航方式則是沿著由信息標識組成的目錄樹和頁面鏈接進行瀏覽。根據數據體系結構、用戶的不同要求,結合導航和檢索功能可以建立多種數據檢索方式。

4.3 專家系統部分

專家系統部分主要實現常見故障的向導式排除指引功能和針對組件的常規電氣參數值參照比較功能。專家系統部分的組成結構如圖2所示。

動態數據庫用于存放一些過程特征數據以及診斷過程的記錄信息,比如歷史數據表、臨時數據表、短期趨勢數據表、測點信息表等[6]。推理機實施對問題的整個求解過程的控制,它根據數據庫中的當前信息,將知識中的規則拿來匹配,然后利用適當的控制算法推斷出結論。解釋程序是對整個故障診斷過程做出的合理解釋。人機接口使得操作人員可以通過窗口、菜單、圖形進行形象的故障診斷。知識獲取是系統建立和修改知識庫的重要手段,知識庫和動態數據庫都存儲在關系型數據庫中。

圖2 專家系統部分組成框圖

1)知識庫

知識庫用來存儲和管理診斷知識,主要包括領域知識和專家啟發知識。知識庫中的知識必須以一種計算機能夠識別的形式存放,利用知識表達的有關技術,把現實中的知識轉換成為機器能夠理解的形式。將有關的知識和規則以適當的形式輸入計算機,建立知識庫,然后采用合適的控制策略,按輸入的原始數據選項,進行推理、演繹,做出判斷和決策,并能根據用戶的需要顯示出判斷、決策的過程,解決維修專家才能解決的問題。

本系統中的知識庫應包含常用測試條件、信號參考值、信號連接、推理規則等。在建立信號參考值庫的時候,由于各種不可知因素會導致測量結果的偏差,即使裝備工作在正常狀況下,實測值也往往和標稱值有一定差距,建立常規信號參考值的時候應充分考慮到這些因素。應當遵循的原則是在確保不誤判的情況下盡量做到不漏判,減少深度搜索時的冗余度。在建庫時,可綜合考慮多次不同時間,不同狀態下的測量值,設定一個合理的門限。

2)推理機

推理機是專家系統部分的核心,負責協調控制整個系統以決定如何使用知識庫中的知識[7]。本系統采用故障樹模型的推理機制。

診斷故障樹是以部件為依據,分層列出部件的故障事實形成的一種部件故障現象的樹型結構。它以系統最不希望的事件為頂事件,以可能導致頂事件發生的其他事件為中間事件和底事件,并用邏輯門表示事件之間聯系的一種倒樹狀結構。在故障診斷過程中,采用故障樹最小割集的方法進行故障搜尋FUSSEL定位。在測試過程中不斷更換測試點,同時將測試結果與故障樹中的各種情況作比較,找出電路故障的各種可能的起因,并沿著樹結構自頂向下逐步縮小其搜尋范圍,最終找到其原因,確定到某個具體的元器件或連線。所以在故障樹分析中,建立正確和完善的樹結構至關重要,它直接影響診斷結果的正確性和查找的速度。故障樹結構是在電路原理分析和通過大量的故障模擬實驗所得數據的基礎上構造出來的,針對不同的電路采用了不同的方法,比如,對組合邏輯主要采用“窮舉法”,時序電路采用“功能特征法”,模擬電路采用“故障字典法”或“功能模塊特征參數辨識法”,對大型電路則采用“功能分解法”。

為了對電路進行測試,可以利用信號參考值庫。測試時,通過用實際測量得到的輸出采樣信號與對應的參考信號進行比對,便可實現對電路功能的正確與否測試。對于功能不正確的電路,可采用故障樹結構進行“自頂向下”的故障定位,并可針對某一具體元器件或連線進行分析和測試。

3)知識獲取

知識獲取部分主要用來從專家那里獲取知識并為修改和擴充數據庫提供方便的手段。高級的系統中,應該具有進行知識一致性維護和從大量知識中進行自學習,總結出新知識的能力。

本系統中,層次之間的故障征兆、因果斷言既可以是經驗,也可以從系統的結構、功能設計方面直接得出。作為系統的設計者,其知識的主要來源應是對結構和功能方面的理解。當然,隨著實際應用的增加,系統也能夠不斷地積累故障診斷的知識和經驗,擴充和完善知識庫,從而在故障診斷的過程中不斷提高系統應用的準確性。

資料查閱和專家系統部分不是孤立的兩個部分,而是有機結合起來,在故障推理指引過程中,可以靈活調用各種資源,如圖片、多媒體資料,指導維修人員快速作出下一步行動或幫助其快速定位測試點、故障點,極大地提高維修效率。

5 結語

當前,隨著裝備保障信息化建設地開展,對IETM系統都提出了急切需求[8]。學習和借鑒外軍在軍用IETM的發展應用方面的經驗和教訓,對于發展具有我軍特色的通信裝備的ITEM系統和應用技術,保障通信裝備搶修、應急修理和機動保障能力方面,盡快恢復和持久保持通信裝備的綜合戰斗力,具有一定的積極意義。

[1]王航宇,邢昌鳳.艦載電子裝備綜合維修保障系統研究[J].海軍工程大學學報,2000(6):45～47

[2]張波,陳巖申,張桂芝.外軍電子自動測試系統及其相關技術的應用與發展情況研究[J].計算機測量與控制,2002(1):1～4

[3]陳信欽,王衛國.交互式電子技術手冊應用與發展展望[J].現代防御技術,2003(2):55～59

[4]王學奇,肖明清,周越文.交互式電子技術手冊及其應用研究[J].計算機工程,2002(5):227～229

[5]席澤敏,鞏偉,盛成明.海軍艦船電子裝備維修測試關鍵技術[J].中國修船,2001(12):35～38

[6]盧發興,王航宇,王杰.基于XML的裝備維修信息標準化[J].火力與指揮控制,2005(3):81～87

[7]王輝華,王航宇,盧發興.基于面向對象的交互式電子技術手冊數據庫建模[J].計算機工程,2003(10):45～49

[8]王衛國.電子裝備維修自動測試系統及相關技術的研究發展與應用[M].海軍裝備部艦船技術保障部,1999