艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曹 誠(chéng),趙 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

曹 誠(chéng),趙 菲,李 光

(海司信息化部,北京100841)

針對(duì)艦船在航渡過程中無線通信設(shè)備故障維修保障難度大的情況,結(jié)合目前艦載主用無線通信設(shè)備的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究設(shè)計(jì)了基于規(guī)則和模糊推理的艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng),通過故障診斷專家知識(shí)庫提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行邏輯推理和分析判斷,可對(duì)故障設(shè)備整機(jī)和單板進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多型艦載無線通信設(shè)備的故障診斷定位,提高了艦船在航渡過程中無線通信設(shè)備維修保障的能力和水平。

無線通信 專家系統(tǒng) 測(cè)試診斷

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,艦載無線通信設(shè)備涵蓋了超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、短波、超短波、微波、散射和衛(wèi)星等多個(gè)頻段,其設(shè)備類型多樣,品種繁多,操作使用程序不一,維修保養(yǎng)要求不同,特別是當(dāng)艦船在海上航渡過程中當(dāng)其通信設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),如何在有限的技術(shù)保障條件下對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行性能檢測(cè)和故障診斷,是艦載無線通信設(shè)備維修保障工作中亟待解決的一個(gè)難題。

專家系統(tǒng)(Expert System)是比較成熟的一種人工智能技術(shù),是具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng),根據(jù)專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷,模擬專家的決策過程,解決復(fù)雜問題[1]。目前專家系統(tǒng)的推理機(jī)制主要有基于模型的推理(MBR, Model-Based Reasoning)、基于規(guī)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(duì)目前艦載主用無線通信設(shè)備的性能指標(biāo)和常見故障案例進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,研究設(shè)計(jì)了一型基于規(guī)則和模糊推理的艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng)。該專家系統(tǒng)采用模塊化和通用化設(shè)計(jì)思路,利用嵌入式硬件和面向?qū)ο蠹败浖こ坦芾砑夹g(shù),集設(shè)備系統(tǒng)級(jí)、單元級(jí)、板級(jí)、元器件級(jí)測(cè)試和故障診斷定位等功能于一體,實(shí)現(xiàn)了艦載無線通信設(shè)備故障的快速檢測(cè)定位和維修保障方案的及時(shí)制定。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測(cè)無線通信設(shè)備通過射頻檢測(cè)線纜連通系統(tǒng)中的接口模塊后,測(cè)試診斷管理模塊依據(jù)系統(tǒng)提供的來自專家數(shù)據(jù)庫的典型故障特征程序集所需的待測(cè)信息項(xiàng),通過射頻矩陣切換單元控制接口電路,選通測(cè)試診斷模塊中的虛擬測(cè)試儀表,采集被測(cè)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信息數(shù)據(jù),并將測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)綔y(cè)試診斷管理模塊,與專家數(shù)據(jù)庫提供的典型故障特征進(jìn)行比對(duì)和邏輯推理,根據(jù)特征相似度鎖定故障類型或故障范圍,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障進(jìn)行診斷和定位的功能。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure chart

邏輯推理方法是專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,該系統(tǒng)的邏輯推理采用基于規(guī)則的精確推理和模糊推理相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)。基于規(guī)則的精確推理主要是把專家數(shù)據(jù)庫中與無線通信設(shè)備性能指標(biāo)和故障案例有關(guān)的專家知識(shí)進(jìn)行形式化描述,形成系統(tǒng)規(guī)則數(shù)據(jù)庫,運(yùn)用相關(guān)算法進(jìn)行故障診斷和推理[2]。基于規(guī)則的精確推理流程如圖2所示。

圖2 基于規(guī)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(guī)則是根據(jù)對(duì)關(guān)鍵信號(hào)參數(shù)的測(cè)試,推測(cè)計(jì)算出故障隸屬度數(shù)值。首先通過研究被診斷設(shè)備,確定故障征兆和故障原因,并對(duì)其采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行模糊化和反模糊化處理,即確定隸屬函數(shù)的表示形式;其次是根據(jù)事前的歸納和搜索或通過該領(lǐng)域的專家,總結(jié)出故障征兆和故障原因之間的邏輯關(guān)系,并建立模糊規(guī)則庫;最后是采用模糊推理方法建立模糊推理機(jī),以完成根據(jù)故障征兆進(jìn)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(shí)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

專家系統(tǒng)硬件包括嵌入式控制核心模塊、測(cè)量切換矩陣模塊、標(biāo)準(zhǔn)接口模塊、總線控制模塊、數(shù)控電源和電源管理模塊、人機(jī)界面模塊,以及由外圍測(cè)試儀器設(shè)備構(gòu)成的測(cè)量模塊和連接被測(cè)無線通信設(shè)備的通用射頻測(cè)試電纜等組成[4]。

嵌入式控制核心模塊是系統(tǒng)的主控單元,以ARM MICRO2440A核心板為基礎(chǔ),嵌入了WIN CE操作系統(tǒng),并基于LabView開發(fā)了系統(tǒng)主控軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制與管理[5]。測(cè)量切換矩陣模塊以TMS320F 28335數(shù)字信號(hào)處理器為核心,通過GPIB/VIX總線控制各種虛擬測(cè)試儀器,對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和解析,并將解析后的數(shù)據(jù)上傳給主控單元進(jìn)行對(duì)比分析。標(biāo)準(zhǔn)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(guān)、可調(diào)衰減器、功率探測(cè)器和濾波放大器等接口電路[6]。測(cè)量模塊包含綜合測(cè)試儀、矢量分析儀、頻譜分析儀等測(cè)試儀表,用于采集所需的信號(hào)數(shù)據(jù)。總線控制模塊通過RS232和1394接口實(shí)現(xiàn)主控單元對(duì)系統(tǒng)各部件的控制。數(shù)控電源和電源管理模塊對(duì)系統(tǒng)供電進(jìn)行智能化控制和管理。人機(jī)界面模塊通過LCD屏實(shí)現(xiàn)專家對(duì)系統(tǒng)的操作和人機(jī)交互。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用VC/VC++高級(jí)語言和NI公司的LabView,開發(fā)了故障測(cè)試診斷程序集、故障診斷專家知識(shí)庫與設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫,以及儀器驅(qū)動(dòng)程序集等軟件系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Software system structure chart

3.1 故障測(cè)試診斷程序集

測(cè)試診斷程序集軟件由設(shè)備整機(jī)測(cè)試軟件和單板測(cè)試診斷軟件組成。整機(jī)測(cè)試程序根據(jù)診斷數(shù)據(jù)庫提供的信息以樹型方式顯示功能檢測(cè)項(xiàng),當(dāng)用戶選擇測(cè)試項(xiàng)后,系統(tǒng)依據(jù)測(cè)試診斷數(shù)據(jù)庫中定義的測(cè)試流程完成測(cè)試并將測(cè)量結(jié)果和診斷數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)數(shù)據(jù)相比較,從而確定待測(cè)設(shè)備是否存在故障。單板診斷程序內(nèi)部包括單板的各種信息注冊(cè)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(hào)參數(shù)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(dǎo)操作人員進(jìn)行測(cè)試探頭或夾具的定位,并能對(duì)故障診斷結(jié)論中的失效元件在實(shí)物圖像上閃爍顯示,使測(cè)試操作生動(dòng)直觀,診斷結(jié)果一目了然。

3.2 故障診斷專家知識(shí)庫與設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫

故障診斷專家知識(shí)庫包括與整個(gè)診斷軟件運(yùn)行相關(guān)的專家診斷數(shù)據(jù)信息(如通信設(shè)備故障判別準(zhǔn)則信息、檢測(cè)參數(shù)指標(biāo)、失效判據(jù)信息、檢測(cè)部位-失效類型-失效判據(jù)-檢測(cè)方法邏輯對(duì)照信息、故障預(yù)測(cè)結(jié)果、故障預(yù)測(cè)報(bào)告、歷史維護(hù)記錄、系統(tǒng)預(yù)設(shè)信息、代碼信息等),全面反映通信設(shè)備及各板件的累計(jì)使用情況、歷次維修情況、當(dāng)前健康狀況、損傷殘留及待查隱患、任務(wù)能力評(píng)估以及預(yù)定的維修安排等,用來支持推理機(jī)根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)通信系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備板卡當(dāng)前檢測(cè)狀況的變化做出正確的認(rèn)定。

設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫用來裝載來自接口適配器的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù),關(guān)系數(shù)據(jù)庫用來裝載通信裝備整機(jī)及單板的型號(hào)、廠家、出廠日期、性能指標(biāo)等基本屬性信息表。

3.3 儀器驅(qū)動(dòng)程序

VXI總線即插即用(VPP,VXIplug&play)儀器驅(qū)動(dòng)程序規(guī)范規(guī)定了儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者編寫驅(qū)動(dòng)程序的規(guī)范與要求,側(cè)重于儀器的互操作性,可使得多個(gè)廠家儀器驅(qū)動(dòng)程序共同使用,增強(qiáng)了系統(tǒng)級(jí)的開放性、兼容性和互換性。VPP規(guī)范提出了兩個(gè)基本機(jī)構(gòu)模型,第一個(gè)模型是儀器驅(qū)動(dòng)程序的外部接口模型,它表示儀器驅(qū)動(dòng)程序如何與外部軟件系統(tǒng)接口,外部接口模型包括函數(shù)體、交互式開發(fā)接口、程序開發(fā)接口、VISA I/O接口和子程序接口,第二個(gè)模型是內(nèi)部設(shè)計(jì)模型,它定義了儀器驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使用一些部件函數(shù)共同實(shí)現(xiàn)完整的測(cè)試和測(cè)量操作[6]。

4 主要技術(shù)指標(biāo)

1)測(cè)試頻率范圍:1～500 MHz。

2)測(cè)試功能:頻譜分析、頻率/功率測(cè)量、信號(hào)激勵(lì)、時(shí)域波形分析、基本電參量測(cè)量、音頻信號(hào)分析、通信誤碼測(cè)試。

3)測(cè)試速率:不小于50 Mb/s。

4)系統(tǒng)支持:VXI、PXI和LXI總線技術(shù)。

5)系統(tǒng)軟件:LabView、Visual C++。

6)支持通信接口類型:GPIB接口、標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境適應(yīng)性:工作溫度:-10～50℃,存儲(chǔ)溫度:-25～70℃。

5 主要功能

5.1 自治測(cè)試功能

系統(tǒng)提供序列化自動(dòng)測(cè)試功能,其測(cè)試流程如圖5所示。以收信機(jī)為例,待測(cè)設(shè)備加電后,即可通過數(shù)據(jù)采集模塊采集必要的數(shù)據(jù),如電壓、阻抗、頻率甚至波形信號(hào)等,經(jīng)過信號(hào)分析模塊通過對(duì)測(cè)量的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理完成對(duì)整機(jī)的診斷,如果整機(jī)診斷結(jié)果顯示有故障,故障診斷模塊會(huì)該將故障定位到某個(gè)板件,并在顯示設(shè)備中顯示相關(guān)結(jié)果,指導(dǎo)下一步的單板檢測(cè)操作。單板檢測(cè)需要將設(shè)備中板件卸下,插入系統(tǒng)的接口模塊,通過寬帶可控信號(hào)源模塊產(chǎn)生板件檢測(cè)所需要的電源、高頻信號(hào)、邏輯信號(hào)等相關(guān)工作數(shù)據(jù),并傳送給板件,在故障診斷模塊的控制下進(jìn)行故障的分析診斷,可將故障定位到某級(jí)電路,甚至元器件,并通過顯示設(shè)備顯示測(cè)試診斷結(jié)果。

5.2 故障診斷功能

系統(tǒng)通過不斷的采集被測(cè)試設(shè)備的信息獲得檢測(cè)信號(hào),通過信號(hào)處理得到設(shè)備特征信息,并與故障診斷專家知識(shí)庫中的設(shè)備允許參數(shù)進(jìn)行對(duì)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(shí)并形成診斷決策,最后建立維修方案并對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和維修。故障診斷流程如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)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(jié) 語

艦載無線通信設(shè)備通用測(cè)試診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模塊化和通用性的設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用GPIB/ VXI混合總線架構(gòu),具有頻譜分析、頻率/功率測(cè)量、信號(hào)激勵(lì)、時(shí)域波形分析、基本電參量測(cè)量、音頻信號(hào)分析和通信誤碼測(cè)試功能,操作使用方便,顯示界面直觀,指標(biāo)測(cè)試便捷,故障定位判斷準(zhǔn)確,維修保障方案制定迅速,其設(shè)計(jì)理念新穎、測(cè)試診斷技術(shù)先進(jìn),適用多型艦載無線通信設(shè)備的測(cè)試和故障檢測(cè)診斷定位,方便維修人員直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和故障診斷,有效地提高艦載無線通信設(shè)備技術(shù)保障的水平和效能。

[1] 許志,李航,李爰媛.基于SVM的網(wǎng)絡(luò)故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].通信技術(shù),2008,41(03):71-73.

XU Zhi,LI Hang,LI Yuan-yuan.Design and Application of Network Fault Diagnosis Expert System based on SVM[J].Communication Technology,2008,41(3): 71-73.

[2] 江志農(nóng),王慧,魏中青.基于案例與規(guī)則推理的故障診斷專家系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(01):238-240.

JIANG Zhi-nong,WANG Hui,WEI Zhong-qing.Fault Diagnosis Expert System based on Case Reasoning and Rule Reasoning[J].Computer Engineering,2011,37 (1):238-240.

[3] 何偉,任濤.基于模糊推理的電網(wǎng)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J].電力系統(tǒng)通信,2008,29(19):47-50.

HE Wei,REN Tao.Research on Power System Fault Diagnosis Expert System based on Fuzzy Inference.Power System Communication[J].2008,29(191):47-50.

[4] 高澤涵.電子電路故障診斷技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

GAO Ze-han.The Fault Diagnosis Technology of Electronic Circuit[M].Xi'an:Xi'an Electronic and Science University Press,2000.

[5] 謝昭莉,蔣濤,劉亮,等.基于ARM嵌入式系統(tǒng)的VGA接口的研究與設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2007, 22(06):761-763.

XIE Zhao-li,JIANG Tao,LIU Liang et al.Research and Design of VGA Interface based on ARM Embedded System[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2007,22(6):761-763.

[6] 郭元興,劉強(qiáng).基于AXIe架構(gòu)的通用測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2014,47(02):226-230.

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(jí)工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?

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?yàn)橥ㄐ殴こ?

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(chéng)(1976—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)闊o線通信;

2014-06-05;

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