基于5G技術的裝備遠程故障診斷系統設計

夏云鵬

摘要：隨著我國軍事力量的不斷發展和軍事理念的變革，裝備維修保障的重要性越來越突出，保障工作面臨著巨大的挑戰，對裝備維修保障的模式提出了更高的要求。為適應新形勢下裝備保障工作發展的需要，結合5G通信技術的發展和普及，本文設計一套基于5G技術的裝備遠程故障診斷系統，該系統能夠在大幅度降低裝備日常維修保障成本的同時，能夠及時、有效的解決裝備故障問題，對于提升裝備的保障能力、保證裝備戰備完好性、使裝備保持戰斗力方面具有重要的實用價值。

關鍵詞：5G;裝備;遠程;故障診斷

中圖分類號：TP206.3

0 ?引言

隨著我國軍事現代化的不斷發展，功能強、復雜程度高的大批量武器裝備已在海軍各個戰區、島礁等屬地裝備和使用，為保障裝備效能發揮，裝備交付后的維修保障工作尤為重要！裝備維修保障長期以來受技術手段的限制，主要依靠技術專家到現場進行維保。隨著某型武器裝備部署規模的擴大、訓練強度以及演習任務的增加，這種保障模式就面臨巨大挑戰，亟需提升保障技術手段與部隊裝備保障的及時、有效性要求相適應[1-4]。近年，隨著移動通信技術的不斷進步，5G移動通信技術體系的蓬勃發展為裝備遠程診斷的實現提供了可能。5G技術指的是第五代移動通信技術，其主要有一是數據傳輸速率高，二是大容量，三是低延時[5-6]等特點，能夠滿足海量數據遠程傳輸的需求。

因此，本文針對5G和遠程診斷技術進行研究，設計一套基于5G技術的武器裝備遠程診斷系統，在技術專家不在現場的情況下，通過技術專家與遠程現場維修人員的遠程信息交互、遠程診斷、遠程協同實現遠程維保，及時、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 ?系統組成及功能

基于5G技術的裝備遠程診斷系統主要由5G頭盔、5G網絡和控制協作中心三部分組成，系統總體組成如圖1所示。

遠程現場人員通過佩戴的5G頭盔，采集現場高清視頻，并通過5G網絡實時傳輸至遠端控制協作中心。遠端控制協作中心的專家以第一視角觀看現場視頻并指揮現場人員完成維修任務，并可對裝備故障情況進行收集、整理和分析形成裝備故障知識庫，裝備出現故障時，專家系統可通過模糊匹配等方法識別故障并確定故障原因提出參考解決方案。

遠程現場5G頭盔的主要功能是采集4K高清視音頻并經壓縮編碼加密后傳向控制協作中心，并在控制協作中心回傳信息時完成接收和顯示。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開啟，為5G頭盔提供充足的光照度支持，保證傳回的4K實時高清視頻的亮度和品質，激光指示燈的主要功能是為實時視頻取景和故障點地位提供參考。

控制協作中心作為5G遠程診斷系統的管理應用平臺，是整個5G遠程診斷系統的指揮和控制中心，主要功能是使用局端5G終端設備接收從遠程現場5G頭盔傳來的4K實時高清視音頻，以維修者的第一視角清晰獲知現場情況，經專家分析判斷后給出裝備故障診斷意見并遠程指導維修。

2 ?系統設計和實現步驟

2.1 5G頭盔

5G頭盔采用便攜式分體設計，方便穿戴和隨身裝備，可解放雙手方便維修操作，適用于遠程現場維修人員完成專業維修任務，主要包括4K高清攝像頭、主處理器、5G工業模組、國密安全模塊、激光指示器、LED白光燈、存儲器、耳麥和藍牙模塊等。其他外圍電路還包括：HDMI輸出接口、電源轉換電路和程序調試與下載電路等。

5G頭盔的核心硬件設計分別選擇HUAWEI MH5000-31 5G工業模組和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，是專業的 8K Ultra HD Mobile Camera SOC，它提供了 8K30/4K120 廣播級圖像質量的數字視頻錄制，支持多路 Sensor 輸入，支持 H.265 編碼輸出或影視級的RAW 數據輸出，并集成高性能 ISP 處理，同時采用先進低功耗工藝和低功耗架構設計，為用戶提供了卓越的圖像處理能力?；?G技術的裝備遠程診斷系統的Hi3559AV100主處理器芯片的系統設計圖見圖3。

2）MH5000 5G工業模組

5G工業模組選用HUAWEI MH5000-31模組，此工業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模式網絡，支持5G SA網絡建設;支持單芯全模，2G/3G/4G/5G全兼容，直接同步5G網絡同步覆蓋節奏，保護客戶設備投資。下行速率達到2Gbps，上行速率高達230Mbps，滿足行業應用的高帶寬要求，模塊電路框圖如圖4所示。

2.2 控制協作中心

控制協作中心由5G終端設備、4K高清視頻監視器（或大屏）、專用服務器和網絡交換機等硬件設備等組成?？刂茀f作中心5G終端設備主要器件與5G頭盔基本一致，主要作用是接收從認證過身份的5G頭盔設備傳輸過來的4K實時高清視音頻信號，完成硬件的解碼解密后輸出至4K高清視頻監視器（或大屏）進行顯示。在控制協作中心，專家以第一視角觀看從5G頭盔傳輸的現場實時視頻，并指揮現場工作人員完成故障定位和維修任務。

遠程指導指令是通過控制協作中心的5G終端向遠程現場發送遠程指導4K高清視音頻信號，信號通過5G網絡傳輸到5G頭盔后通過耳麥和顯示屏遠程指導維修人員完成維修工作。圖5所示為5G終端設備接收4K高清視音頻系統圖。

3 ?關鍵技術及解決措施

3.1 數據安全

在核心網網絡服務安全保證的情況下，基于5G技術的裝備遠程診斷系統設計應用相應的軟硬件加密措施，以保證武器裝備遠程診斷各項業務操作的保密安全。

在本項目中，5G頭盔及控制協作中心的硬件設備都包含一款用于4K高清視音頻傳輸數據安全的國密安全模塊電路，在硬件層面做相應的加密處理，硬件加密技術滿足相關加密標準，確保在設備硬件層面不泄密。

基于5G技術的裝備遠程診斷系統設計具有三重硬件加密機制和私有軟件加解密機制：

（1）核心處理器HI3559A內置硬件加解密?？梢杂布崿FAES/DES/3DES三種加密算法，實現RSA1024/2048/3072/4096簽名校驗算法，實現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模組內置軟硬件雙重加解密機制及空口傳輸保護;

（3）外擴專用國密安全模塊TF32A09，實現身份認證和數據加密功能。設備身份認證流程如圖6所示。

3.2小型化設計

5G頭盔為可穿戴設備，設計以安全可靠、使用便捷為目標，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構設計。

硬件電路電路板為模塊化設計，安裝在與5G頭盔連接的5G終端設備機殼內，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、天線模塊等分別設計，并合理安排模塊尺寸和安裝位置。天線接收效率對性能影響很大，采用內置8根共形天線的設計思路，并通過各種調節，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，供電電池封裝后內置于5G終端設備中，5G終端設備使用專用電纜與5G頭盔相連接，使用時掛在工作人員腰間。

散熱方面，在頭盔正面設計兩道進氣孔，在頭頂處安排散熱通道，保證整體散熱良好，工作可靠。

4 ?結束語

基于5G通信技術，本文設計開發了一套裝備遠程故障診斷系統，通過進行系統的原理設計、主要電路設計等環節，實現了遠程視頻及音頻的傳輸、遠程信號傳輸等功能。該系統能夠改變傳統的裝備現場保障的模式，實現對裝備進行遠程診斷的功能，達到節約裝備保障成本，提升裝備保障效率，促進戰備完好性的目標，能夠適應海軍數字化、信息化保障建設的需要，具有較大的實用性。

參考文獻

[1]陳海岳，龍希望，黃高明.艦船裝備遠程故障診斷系統設計[J].艦船電子工程，2008.

[2]繆德志，嚴駿，賀偉雄，陳維常，韓鵬.某重型舟橋遠程故障診斷系統設計[J].裝備制造技術，2017.

[3]李勝德，張遠，趙麗媛.基于4G網絡的起重機遠程診斷系統[J].起重運輸機械，2016.

[4]陳吉龍，滕林，武迎春，于津仟.基于4G通信的遠程診斷系統研究[J].工程與試驗，2015.

[5]楊紅梅，黃紅艷.5G網絡安全關鍵技術及標準化進展[J].信息通信技術與政策，2019.

[6]常秀穎，夏瑞雪.5G無線網絡及其關鍵技術[J].通信電源技術，2019.