基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)

蔡杰 夏云鵬

摘要：本發(fā)明提供了基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，屬于故障診斷領(lǐng)域.包括識別單元，寫入單元，只讀存儲單元，顯示單元和5G無線通訊收發(fā)模塊，收發(fā)模塊包括編碼單元，高頻發(fā)射單元，調(diào)制單元和解調(diào)模塊;還包括遠(yuǎn)程集合診斷單元，診斷單元包括微控制單元，云服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，微控制單元包括篩選單元，診斷單元，篩選單元將接收到的車內(nèi)模塊信息篩選，留下新故障代碼，通過診斷單元診斷，診斷結(jié)果進(jìn)入數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，數(shù)據(jù)分析服務(wù)器進(jìn)行校對，編輯用戶可讀格式，將最終診斷數(shù)據(jù)寫入微控制單元，由云服務(wù)器將最終診斷數(shù)據(jù)發(fā)至5G無線通訊收發(fā)模塊.本系統(tǒng)解決了現(xiàn)有車輛診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本和難度大等問題。

關(guān)鍵詞：5g技術(shù);遠(yuǎn)程診斷，裝備。

0引言

5G通信技術(shù)指的是第五代移動通信技術(shù)。5G通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率高，是4G時代傳輸速度的幾十倍;5G通信技術(shù)在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時還能夠大幅降低能耗，通信功耗問題的解決將極大推動智能化設(shè)備的廣泛運用;5G通信技術(shù)支持廣域大容量的高速移動終端;此外，5G通信技術(shù)還具有低延時，可實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的超高速處理。由于5G通信技術(shù)具有上述優(yōu)點，使得其具有無限廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。

1 5G在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

首先，5G通信技術(shù)將可能使軍隊擁有專用頻率。5G通信技術(shù)充分利用了現(xiàn)有的通信資源，還在向毫米波通信資源擴展，從而使軍隊擁有專門頻率成為可能。這將有效解決當(dāng)前存在的軍用移動通信系統(tǒng)與民用移動通信系統(tǒng)頻段重疊共用、互相干擾的問題。

其次，5G通信技術(shù)將推動戰(zhàn)場全域武器平臺互聯(lián)。5G通信技術(shù)能夠使更多的用戶利用同一頻率資源進(jìn)行通信，從而在不增加基站密度的情況下大幅提高頻率應(yīng)用效率。以此為基礎(chǔ)，戰(zhàn)場上的各類部隊不但能夠?qū)崿F(xiàn)戰(zhàn)場信息終端的互聯(lián)互通，還能夠?qū)崿F(xiàn)無障礙通信。

最后，5G通信技術(shù)將實現(xiàn)戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)深度融合。5G通信技術(shù)能夠?qū)?yīng)用于戰(zhàn)場的各種異構(gòu)信息通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度融合，形成一張相互兼容的高速信息網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)更高效的作戰(zhàn)行動。因此，5G通信技術(shù)將為軍隊提供一種廣域覆蓋、高速傳輸、強兼容性的空地一體化信息通信網(wǎng)絡(luò)，從而極大提升戰(zhàn)場的信息支援保障能力。

5G通信技術(shù)將從兩個方面對未來智能化戰(zhàn)爭產(chǎn)生重要的推動作用。

一方面，5G通信技術(shù)的通信特性使各國能夠在未來戰(zhàn)場上更加有效地指揮控制各種無人系統(tǒng)。特別是高速率、低延時的特性將使得對戰(zhàn)場各類無人系統(tǒng)的操控更加精準(zhǔn)、各類作戰(zhàn)系統(tǒng)的自主操控能力將得到極大提升。

另一個方面，5G通信技術(shù)將進(jìn)一步與人工智能技術(shù)相融合，從而能夠提升戰(zhàn)場智能化程度。總而言之，誰掌握了5G通信技術(shù)的主動權(quán)，誰就能在未來的智能化戰(zhàn)爭中掌握主動權(quán)。

5G技術(shù)在裝備保障中也有著廣泛的應(yīng)用。

5G還可應(yīng)用在部隊裝備維修及遠(yuǎn)程服務(wù)領(lǐng)域。利用5G網(wǎng)絡(luò)的智能生態(tài)系統(tǒng)，“老師傅”能為“新手”提供智能化、可視化的遠(yuǎn)程指導(dǎo)、驗收和運維工具，大幅提高了裝備維護(hù)效率效益，也有利于部隊裝備維修人才的新老傳承。

2 基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷維修系統(tǒng)設(shè)計

艦船裝備量大、維修保障任務(wù)繁多是維保工作所面臨的普遍問題，一方面，在靈活性及人力資源上無法滿足當(dāng)前實際的需要，特別是當(dāng)艦船在遠(yuǎn)洋執(zhí)行任務(wù)時，無法派遣技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行維修排故;另一方面，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，有時需要將故障點快速的定位并給出專業(yè)的解決方案，這個過程一般需要借助相關(guān)專家的幫助才能順利完成，但裝備的使用者一般只能解決簡單、常見的故障問題，無法及時處理疑難故障，因此，及時性不能滿足當(dāng)前的裝備維修保障的需求。

為了解決以上問題，鑒于目前5G的技術(shù)優(yōu)勢以及發(fā)展?jié)摿Γ谏逃?G網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有5G技術(shù)體系，研制基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)武器裝備信息的遠(yuǎn)程獲取、傳輸、診斷等功能，將會大大提高裝備的維保效能，解決人員調(diào)動以及故障解決不及時的問題，特別對實戰(zhàn)化應(yīng)急保障具有非常大的現(xiàn)實意義。

2.1 項目定位

本項目的應(yīng)用對象主要是停靠在碼頭上需要維保的艦船或者其他陸上裝備。根據(jù)信息的不同屬性，有不同的傳輸方式和要求。在做好了軟硬件三重加密和私有加密算法等數(shù)據(jù)保密措施的基礎(chǔ)上，主要實現(xiàn)由公網(wǎng)來傳輸非密維保信息、協(xié)同遠(yuǎn)程診斷等功能。在5G基礎(chǔ)建設(shè)逐漸成熟以及5G軍用相關(guān)保密標(biāo)準(zhǔn)明確的情況下，逐步實現(xiàn)信息由5G專網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)用軍用加密算法加密以及系統(tǒng)上其他功能的擴展。

2.2 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)由5G終端、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。

5G遠(yuǎn)程終端，即遠(yuǎn)程現(xiàn)場診斷裝置，其主要功能是采集終端音頻/視頻，經(jīng)壓縮編碼加密后傳向控制協(xié)作中心，并在控制協(xié)作中心完成終端信息接收和顯示。遠(yuǎn)程現(xiàn)場診斷裝置采用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開啟，為遠(yuǎn)程診斷裝置提供充足的光照支持，保證傳回的4K實時高清視頻的亮度和品質(zhì)。另外，激光指示燈作為故障點的定位指示器，其主要功能是為實時視頻取景和故障點的具體位置提供指示參考。

控制協(xié)作中心的硬件設(shè)備包含5G終端設(shè)備、國產(chǎn)品牌服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機以及4K顯示裝置等硬件設(shè)備。作為5G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的管理應(yīng)用平臺，也是整個5G遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的指揮和控制中心，其主要功能是接收從現(xiàn)場診斷裝置遠(yuǎn)程傳來的4K實時高清音視頻，在控制協(xié)作中心一端的專家以第一視角實時查看現(xiàn)場傳輸過來的視頻，指揮現(xiàn)場人員開展對設(shè)備的檢測、排查以及更換零配件等工作。另外，通過本系統(tǒng)，可以對裝備故障信息進(jìn)行收集、整理、匯總和分析，進(jìn)而匯集成裝備故障庫，當(dāng)裝備出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場人員可首先通過訪問專家故障庫系統(tǒng)進(jìn)行故障查詢，通過模糊/精準(zhǔn)匹配等方法確定故障范圍并針對當(dāng)前故障信息提供具有參考價值的解決方案。如若現(xiàn)場人員通過訪問專家故障庫無法解決當(dāng)前問題時，再嘗試采用遠(yuǎn)程請求專家連線的方式來解決裝備的維保問題。

頭盔的作用主要采集回傳現(xiàn)場視頻和音頻到遠(yuǎn)程控制協(xié)作中心，便于專家跟隨現(xiàn)場維護(hù)人員以第一視角實時查看現(xiàn)場傳輸過來的視頻，指揮現(xiàn)場人員開展對設(shè)備的檢測、排查以及更換零配件等工作來完成維修保障任務(wù)。

音頻通過麥克風(fēng)采集后輸入核心處理器進(jìn)行壓縮編碼，視頻通過攝像頭采集輸入核心處理器進(jìn)行壓縮編碼，然后核心處理器對音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，再推流給5G模組進(jìn)行加密，之后上傳到云服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)程控制協(xié)作中心對視頻流拉流、解密和播放，從而完成音視頻的遠(yuǎn)程傳輸。

在5G信號無法覆蓋的區(qū)域或者保密性要求比較高的場所，無法通過建立5G小基站來保證網(wǎng)絡(luò)暢通的情況，可對現(xiàn)場裝備的信息進(jìn)行采集、編碼壓縮后存儲下來，通過對信息進(jìn)行脫密處理后，到5G信號良好的地方（比如甲板上）再向外進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

考慮到整個系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、安全性，基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的5G終端及控制協(xié)作中心的硬件設(shè)計選型，選用國產(chǎn)一線工業(yè)品類的高端芯片、元器件、配件和設(shè)備，數(shù)據(jù)安全方面的硬件選型也使用符合國密安全標(biāo)準(zhǔn)的模塊來實現(xiàn)。

通過對項目的調(diào)研和論證，確定了5G終端的通信模塊、主控處理器以及國密安全模塊的選型，分別選擇具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)且技術(shù)相對成熟的HUAWEIMH5000-315G工業(yè)模組、HisiliconHi3559AV100芯片、國產(chǎn)芯片TF32A09。分別設(shè)計了5G通訊電路和主控電路，并進(jìn)行了軟件設(shè)計。如圖2

2.4 系統(tǒng)驗證

經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，并進(jìn)行了驗證和測試，5G+4K視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的視頻播放比較流暢清晰，傳輸時延依據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況在2秒左右，時延問題有望在后期5G獨立組網(wǎng)覆蓋的情況下大幅度下降，測試現(xiàn)場如圖3所示。

3 總結(jié)

通過以上系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試、測試和試驗驗證，基于5G技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，經(jīng)驗證 5G+4K視頻遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的視頻播放比較流暢清晰，傳輸時延依據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況在2左右，時延問題有望在后期5G獨立組網(wǎng)覆蓋的情況下大幅度下降。在網(wǎng)絡(luò)安全上，在后期可通過5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)切割出來的“邏輯專網(wǎng)”來降低視頻傳輸在5G網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險;另外，隨著對項目的軟硬件加密算法進(jìn)行深入的優(yōu)化，實現(xiàn)硬件SM4對稱加密、三重加密算法以及私有加密算法，保證基本功能實現(xiàn)的同時，也保證了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)安全。

針對碼頭或艙體完全沒有5G信號覆蓋的情形，可通過增加5G小基站的方式來擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，來滿足對維保信息傳輸?shù)男枨螅床捎?G“宏站+小站”的解決方案，以小基站（small cell）為基本單位，使用5G移動小基站以多跳中繼組網(wǎng)的形式進(jìn)行覆蓋。小基站可以有針對性的補充宏基站信號弱覆蓋區(qū)域、覆蓋盲點，保證信號質(zhì)量，其覆蓋范圍在10-200米，可以在更小的范圍內(nèi)實行頻率復(fù)用，提升容量，幫助宏基站分流。小基站的特征主要有：小型化、低發(fā)射功率、可控性好、智能化和組網(wǎng)靈活。華為5G小基站如圖4。

綜上，此套系統(tǒng)在裝備故障遠(yuǎn)程診斷方面的研究意義重大，在專家人員無法及時到達(dá)現(xiàn)場的情況下，能夠提高裝備的維保效率，提高了裝備的應(yīng)急保障能力，保證了裝備的戰(zhàn)備完好性。

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