曹 誠,趙 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

艦載無線通信設備通用測試診斷專家系統設計*

曹 誠,趙 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

針對艦船在航渡過程中無線通信設備故障維修保障難度大的情況,結合目前艦載主用無線通信設備的性能指標和結構特點,研究設計了基于規則和模糊推理的艦載無線通信設備通用測試診斷專家系統,通過故障診斷專家知識庫提供的知識和經驗進行邏輯推理和分析判斷,可對故障設備整機和單板進行自動檢測,實現了對多型艦載無線通信設備的故障診斷定位,提高了艦船在航渡過程中無線通信設備維修保障的能力和水平。

無線通信 專家系統 測試診斷

0 引 言

隨著無線通信技術的發展,艦載無線通信設備涵蓋了超長波、長波、短波、超短波、微波、散射和衛星等多個頻段,其設備類型多樣,品種繁多,操作使用程序不一,維修保養要求不同,特別是當艦船在海上航渡過程中當其通信設備出現故障時,如何在有限的技術保障條件下對故障設備進行性能檢測和故障診斷,是艦載無線通信設備維修保障工作中亟待解決的一個難題。

專家系統(Expert System)是比較成熟的一種人工智能技術,是具有大量專門知識與經驗的程序系統,根據專家提供的知識和經驗進行推理和判斷,模擬專家的決策過程,解決復雜問題[1]。目前專家系統的推理機制主要有基于模型的推理(MBR, Model-Based Reasoning)、基于規則的推理(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)。本文在對目前艦載主用無線通信設備的性能指標和常見故障案例進行分析的基礎上,研究設計了一型基于規則和模糊推理的艦載無線通信設備通用測試診斷專家系統。該專家系統采用模塊化和通用化設計思路,利用嵌入式硬件和面向對象及軟件工程管理技術,集設備系統級、單元級、板級、元器件級測試和故障診斷定位等功能于一體,實現了艦載無線通信設備故障的快速檢測定位和維修保障方案的及時制定。

1 系統總體設計

艦載無線通信設備通用測試診斷專家系統體系結構如圖1所示。被測無線通信設備通過射頻檢測線纜連通系統中的接口模塊后,測試診斷管理模塊依據系統提供的來自專家數據庫的典型故障特征程序集所需的待測信息項,通過射頻矩陣切換單元控制接口電路,選通測試診斷模塊中的虛擬測試儀表,采集被測設備當前狀態的信息數據,并將測試結果傳輸到測試診斷管理模塊,與專家數據庫提供的典型故障特征進行比對和邏輯推理,根據特征相似度鎖定故障類型或故障范圍,從而實現對故障進行診斷和定位的功能。

圖1 系統體系結構Fig.1 System structure chart

邏輯推理方法是專家系統設計的關鍵,該系統的邏輯推理采用基于規則的精確推理和模糊推理相結合的方法設計。基于規則的精確推理主要是把專家數據庫中與無線通信設備性能指標和故障案例有關的專家知識進行形式化描述,形成系統規則數據庫,運用相關算法進行故障診斷和推理[2]。基于規則的精確推理流程如圖2所示。

圖2 基于規則的精確推理流程Fig.2 Exact inference flow chart based on rules

基于模糊的推理規則是根據對關鍵信號參數的測試,推測計算出故障隸屬度數值。首先通過研究被診斷設備,確定故障征兆和故障原因,并對其采用適當的方法進行模糊化和反模糊化處理,即確定隸屬函數的表示形式;其次是根據事前的歸納和搜索或通過該領域的專家,總結出故障征兆和故障原因之間的邏輯關系,并建立模糊規則庫;最后是采用模糊推理方法建立模糊推理機,以完成根據故障征兆進行模糊診斷推理的全過程[3]。模糊故障診斷的典型方法是模糊故障向量識別法,其診斷方法如圖3所示。

圖3 模糊故障診斷方法Fig.3 Method of fuzzy fault diagnosis chart

2 系統硬件設計

專家系統硬件包括嵌入式控制核心模塊、測量切換矩陣模塊、標準接口模塊、總線控制模塊、數控電源和電源管理模塊、人機界面模塊,以及由外圍測試儀器設備構成的測量模塊和連接被測無線通信設備的通用射頻測試電纜等組成[4]。

嵌入式控制核心模塊是系統的主控單元,以ARM MICRO2440A核心板為基礎,嵌入了WIN CE操作系統,并基于LabView開發了系統主控軟件,實現對整個系統的控制與管理[5]。測量切換矩陣模塊以TMS320F 28335數字信號處理器為核心,通過GPIB/VIX總線控制各種虛擬測試儀器,對采集到的信號數據進行運算和解析,并將解析后的數據上傳給主控單元進行對比分析。標準接口模塊提供LAN、USB、串行、GPIB、VXI等多種接口,通過切換矩陣來控制其中的射頻同軸開關、可調衰減器、功率探測器和濾波放大器等接口電路[6]。測量模塊包含綜合測試儀、矢量分析儀、頻譜分析儀等測試儀表,用于采集所需的信號數據。總線控制模塊通過RS232和1394接口實現主控單元對系統各部件的控制。數控電源和電源管理模塊對系統供電進行智能化控制和管理。人機界面模塊通過LCD屏實現專家對系統的操作和人機交互。

3 系統軟件設計

系統軟件設計運用VC/VC++高級語言和NI公司的LabView,開發了故障測試診斷程序集、故障診斷專家知識庫與設備信息數據庫,以及儀器驅動程序集等軟件系統,其結構如圖4所示。

圖4 軟件系統結構Fig.4 Software system structure chart

3.1 故障測試診斷程序集

測試診斷程序集軟件由設備整機測試軟件和單板測試診斷軟件組成。整機測試程序根據診斷數據庫提供的信息以樹型方式顯示功能檢測項,當用戶選擇測試項后,系統依據測試診斷數據庫中定義的測試流程完成測試并將測量結果和診斷數據庫中的有關數據相比較,從而確定待測設備是否存在故障。單板診斷程序內部包括單板的各種信息注冊表,該表將單板具有的所有特征信息組織在一起,可以直觀顯示單板中各元器件的型號參數等信息,在故障診斷過程中能以文字和圖像突出顯示的方式指導操作人員進行測試探頭或夾具的定位,并能對故障診斷結論中的失效元件在實物圖像上閃爍顯示,使測試操作生動直觀,診斷結果一目了然。

3.2 故障診斷專家知識庫與設備信息數據庫

故障診斷專家知識庫包括與整個診斷軟件運行相關的專家診斷數據信息(如通信設備故障判別準則信息、檢測參數指標、失效判據信息、檢測部位-失效類型-失效判據-檢測方法邏輯對照信息、故障預測結果、故障預測報告、歷史維護記錄、系統預設信息、代碼信息等),全面反映通信設備及各板件的累計使用情況、歷次維修情況、當前健康狀況、損傷殘留及待查隱患、任務能力評估以及預定的維修安排等,用來支持推理機根據檢測數據對通信系統、子系統和設備板卡當前檢測狀況的變化做出正確的認定。

設備信息數據庫包括實時數據庫和關系數據庫,實時數據庫用來裝載來自接口適配器的實時檢測數據,關系數據庫用來裝載通信裝備整機及單板的型號、廠家、出廠日期、性能指標等基本屬性信息表。

3.3 儀器驅動程序

VXI總線即插即用(VPP,VXIplug&play)儀器驅動程序規范規定了儀器驅動程序開發者編寫驅動程序的規范與要求,側重于儀器的互操作性,可使得多個廠家儀器驅動程序共同使用,增強了系統級的開放性、兼容性和互換性。VPP規范提出了兩個基本機構模型,第一個模型是儀器驅動程序的外部接口模型,它表示儀器驅動程序如何與外部軟件系統接口,外部接口模型包括函數體、交互式開發接口、程序開發接口、VISA I/O接口和子程序接口,第二個模型是內部設計模型,它定義了儀器驅動程序函數體的內部結構,使用一些部件函數共同實現完整的測試和測量操作[6]。

4 主要技術指標

1)測試頻率范圍:1～500 MHz。

2)測試功能:頻譜分析、頻率/功率測量、信號激勵、時域波形分析、基本電參量測量、音頻信號分析、通信誤碼測試。

3)測試速率:不小于50 Mb/s。

4)系統支持:VXI、PXI和LXI總線技術。

5)系統軟件:LabView、Visual C++。

6)支持通信接口類型:GPIB接口、標準并口、RS232串口、LAN口、1394接口。

7)電源及功耗:AC220V±10%、功耗不小于2 kW。

8)環境適應性:工作溫度:-10～50℃,存儲溫度:-25～70℃。

5 主要功能

5.1 自治測試功能

系統提供序列化自動測試功能,其測試流程如圖5所示。以收信機為例,待測設備加電后,即可通過數據采集模塊采集必要的數據,如電壓、阻抗、頻率甚至波形信號等,經過信號分析模塊通過對測量的各種數據進行分析和處理完成對整機的診斷,如果整機診斷結果顯示有故障,故障診斷模塊會該將故障定位到某個板件,并在顯示設備中顯示相關結果,指導下一步的單板檢測操作。單板檢測需要將設備中板件卸下,插入系統的接口模塊,通過寬帶可控信號源模塊產生板件檢測所需要的電源、高頻信號、邏輯信號等相關工作數據,并傳送給板件,在故障診斷模塊的控制下進行故障的分析診斷,可將故障定位到某級電路,甚至元器件,并通過顯示設備顯示測試診斷結果。

5.2 故障診斷功能

系統通過不斷的采集被測試設備的信息獲得檢測信號,通過信號處理得到設備特征信息,并與故障診斷專家知識庫中的設備允許參數進行對比和一系列邏輯推理,快速找到最終故障或最有可能的故障位置,然后由用戶來證實并形成診斷決策,最后建立維修方案并對設備進行維護和維修。故障診斷流程如圖6所示。

圖5 系統自動測試流程Fig.5 Flow chart of automatic test system

圖6 故障診斷流程Fig.5 Flow chart of automatic test system

6 結 語

艦載無線通信設備通用測試診斷專家系統設計系統采用模塊化和通用性的設計方法,運用GPIB/ VXI混合總線架構,具有頻譜分析、頻率/功率測量、信號激勵、時域波形分析、基本電參量測量、音頻信號分析和通信誤碼測試功能,操作使用方便,顯示界面直觀,指標測試便捷,故障定位判斷準確,維修保障方案制定迅速,其設計理念新穎、測試診斷技術先進,適用多型艦載無線通信設備的測試和故障檢測診斷定位,方便維修人員直接對設備進行測試和故障診斷,有效地提高艦載無線通信設備技術保障的水平和效能。

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GUO Yuan-xing,LIU Qiang.Design of General Test Platform based on AXIe[J].Communication Technology,2014,47(2):226-230.

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

趙 菲(1962—),女,碩士,高級工程師,主要研究方向為通信工程;

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

李 光(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向為通信工程.

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 誠(1976—),男,碩士,工程師,主要研究方向為無線通信;

2014-06-05;

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