海軍遠程維修支援保障系統的構建方法研究*

宋 蕾

(91550部隊93分隊 大連 116023)

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海軍遠程維修支援保障系統的構建方法研究*

宋 蕾

(91550部隊93分隊 大連 116023)

研究了裝備遠程維修支援保障系統的支撐技術。分析了遠程支援保障的特點,以軸承失效為例,進行了故障樹分析和XML語言描述,建立了分布式裝備支援保障系統,初步實現了面向艦員的海軍運程裝備維修支援保障系統的設計。

艦員; 遠程維修; 支援保障; 專家診斷

Class Number U674

1 引言

在21世紀,信息網絡技術更加廣泛、深入地滲透到軍事領域,軍隊的作戰方式和手段發生了重大的變化,“網絡中心戰”正成為主要的作戰模式,信息技術是海軍獲得信息優勢和作戰能力的主要支柱。

裝備技術支援保障是靶場承擔的使命之一。在信息化條件下,傳統的人員梯隊配置、答疑授課、定點保障、后送維修、標校排故的保障模式以及功能單一的維修手段已不能適應“能打仗、打勝仗”的要求。因此,靶場的裝備支援保障工作必須著眼于信息化的要求和特點,朝著“信息化、一體化、多元化”方向發展,運用信息技術,實現面向艦員的遠程維修支援保障是提高裝備綜合保障能力的重要途徑。

2 遠程維修支援保障系統的支撐技術

面向艦員的海軍遠程維修支援保障系統,是采用與互聯網絡一致的技術體系,依托軍隊寬帶網實現裝備維修的技術支援,利用專家系統提供解決方案,或者直接與后方專家建立實時交互,指導艦員排除故障。這是一個綜合性的網絡系統,涉及到分布式數據庫技術、流媒體技術、ASP.NET技術和XML語言、人工智能專家系統等多個相關領域。

2.1 分布式數據庫

2.1.1 分布式數據庫的特點

文獻[1]對分布式數據庫定義為:“分布式數據庫是一個數據集合,這些數據在邏輯上屬于同一個系統,但實際上又分散在一個計算機網絡的若干節點上。”分布式數據具有物理分布性、邏輯整體性、分布透明性、場地自治性和數據冗余性的特點。分布式數據的最大特點是在物理上是分布的,在邏輯上是統一的。

2.1.2 分布式數據庫的關鍵技術

分布式數據庫的出現在一定程度上解決了大容量數據的存儲問題,非常適合大量海軍裝備維修數據的存儲。為了充分利用這一技術,必須研究它的關鍵技術[2]。

1) 數據的分割、分布和冗余

為了滿足局部自治性,提供高效率與高可靠性,需要分割、(可能冗余地)分布數據。

2) 分布式查詢處理

分布式查詢分為定位和策略選擇。所謂定位,即把用戶請求中的數據訪問翻譯為邏輯節點地址。復雜的請求,可能涉及多個節點,因而要求系統提供一個網絡范圍的策略。所謂策略選擇,即在處理每個用戶請求時,網絡必須確定一種策略。當一個請求不能由單一的節點完成處理時,稱之為復合請求。對于復合請求,網絡必須負責把它分解,確定該請求的不同部分在不同節點上完成,完成這個請求是否有特定的順序要求。

3) 分布并發控制

分布并發控制要解決兩方面的問題:一是當多個用戶同時讀寫相同數據時,系統必須做出協調,保證結果的正確性和數據庫的完善性,并盡可能地提高并行性;另一方面,在系統中包含冗余數據的情況下,在處理用戶的更新操作時,系統也必須以最小的開銷保持各冗余副本的一致性。

4) 異質數據庫的相聯

異質數據庫綜合已經存儲在獨立的網絡數據庫中。這些網絡使用獨立的模式。異質數據庫對存儲在局部系統中的數據提供一個總的視圖。因此,為建立這樣的系統,必須能夠構造全局模式。

2.2 流媒體技術

流媒體指在網絡中使用流式傳輸技術的連續時基媒體。流媒體的“流”指的是媒體數據的網絡傳輸方式和播放方式。流媒體對媒體文件采用分組存儲技術,當網絡用戶在調用瀏覽服務器上的文件時,服務器不是以傳統的方式將整個文件發送到用戶端后才開始播放,而是把一個文件分成多個較小的部分進行封裝、傳輸,當第一組數據到達客戶端后流媒體播放器就開始播放媒體文件。在播放的同時后續數據源源不斷地流向用戶,直到傳送結束[3]。流媒體技術具有實時性和交互性,為遠程維修系統的快捷高效提供了技術保障。

2.2.1 實時流式傳輸

實時流式傳輸指媒體信號帶寬與用戶網絡連接帶寬相匹配,使媒體文件能被實時地觀看到。實時流式傳輸的過程是將音視頻文件實時編碼,并將文件流直接發送到請求方,特別適合傳遞現場事件[4]。因此實時流式傳輸方式比較適合直播,其結構如圖1所示。

圖1 流式服務網絡結構

2.2.2 單播

單播技術是一種單點到單點的數據傳輸模式。HTTP和FTP等應用協議均采用單播模式。這種模式的缺點是如果多個用戶同時請求同一份數據,服務器必須通過網絡給這多個用戶一次發送多份拷貝,多次占用服務器的I/O資源和網絡帶寬資源。但是,根據海軍裝備遠程維修的實際,對同一資源同時使用的概率較小,采用單播的方式比較簡單和實際。主要原因:這種傳輸技術僅需要在兩臺計算機之間進行交換,數據傳輸的準確性較高。

2.2.3 流媒體傳輸協議

流媒體傳輸協議包括實時傳輸協議(RTP)、實時傳輸控制協議(RTCP)和實時流放協議(RTSP)[5～7]。系統采用RTP和RTCP協議。

RTP是一種提供端對端傳輸服務的實時傳輸協議。它被定義在一對一或一對多的傳輸情況下工作,其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP本身不能為按順序傳輸的數據包提供可靠的傳輸機制,也不提供流量控制或擁塞控制。提供這些服務的是RTCP。

RTCP和RTP一起提供流量控制和擁塞服務。在RTP會話期間,各個參與者周期性地傳輸RTCP包。在RTCP包中含有已發送的數據包的數量,丟失的數據包的數量等統計資料。服務器可以利用這些信息動態改變傳輸速率等。RTP和RTCP配合使用,能以有效的反饋和最小的開銷令傳輸效率最佳化,特別適合傳輸網上的實時數據。目前RTP/RTCP已經成為流媒體傳輸使用最廣泛的協議。

2.2.4 數據存儲

在設計海軍遠程維修支援保障系統時采用分組存儲算法。分組存儲算法是將媒體數據按照時序關系分割成若干數據單元,這些數據單元稱為分組。將媒體數據按照分組的形式存儲于媒體服務器的存儲設備上,這一過程稱為媒體數據的分組存儲。之所以采用該方法,是因為媒體數據一般占用磁盤空間較大,在執行VCR操作時,需要較長時間的緩沖。而采用分組存儲的數據,定位簡單,利于VCR操作。

2.3 ASP.NET與XML語言

在利用專家系統進行遠程維修診斷的過程中,必然面對原始數據的輸入、數據庫查詢匹配、輸出結論、保存事例等一系列過程,其中對數據庫的檢索是信息系統中最為頻繁的一種操作,也是最為重要的功能之一,對整個系統的功能和性能有較大的影響。

2.3.1 ASP.NET

ASP.NET是ASP的后繼版本。ASP.NET為網站設計人員和網絡程序員提供了更簡單快捷的開發方法。當前,ASP.NET僅支持完全面向對象的VisualBasic、C#和JVScript。ASP.NET是完全基于組件的,所有的頁面、COM對象乃至HTML元素都可以被視為對象。在ASP.NET中可以使用.NET Platform提供的各種運行環境服務,如豐富的類庫、數據訪問、自動內存管理等,從而可以大大提高開發效率。

2.3.2 XML

XML是針對網絡應用的一項新技術。它具有內容和形式的分離、擴展性、跨平臺移植性和自描述等特點。XML的較大優勢體現在進行數據交換上。在數據表達上,由于XML是數據驅動的,它幾乎可以表達任意復雜的數據形式。將XML與HTML相結合,就可以實現傳輸任意形式的文件、以合理方式管理信息和使信息高度結構化的功能。

2.3.3 ASP.NET與XML之間的聯系

ASP.NET中的應用主要是體現在數據訪問和Web應用程序方面,ASP.NET的數據來源主要是SQLServer和XML資源。對于數據的操作,ASP.NET是通過ADO.NET對象完成的。XML除了可以作為數據資源的格式以外,在ASP.NET Framework中,還有更為重要的作用,這就是作為服務器和客戶端之間的信息交換語言。XML文檔通過API接口動態地被應用程序生成,然后由指定的解析器解析文檔,將得到的信息轉給其他的應用程序來達到信息交換的目的。

2.3.4 DOM與XML文檔

DOM是一個程序接口,應用程序和腳本可以通過這個接口訪問和修改XML文檔數據[8]。DOM接口將XML文檔轉換為樹型的文檔結構。對象樹是XML文檔內元素之間關系的反映,通過對象樹,可以訪問和修改XML文檔的數據。應用程序可以通過樹型模型對XML文檔數據進行層次化訪問。文檔中的信息包括數據、數據的意義和數據的關系都由DOM接口轉換為樹型結構的節點和節點的關系。應用程序通過DOM的各種操作實現對XML文檔的操作。

2.4 專家系統

由于海軍裝備技術密集,艦員在遇到維修困難時,面對的肯定是復雜的診斷問題。所以遠程維修支援保障系統的專家診斷系統必須是建立在知識表示及推理機制基礎上的復雜的軟件系統,必須能解決復雜的故障診斷問題。

專家系統通常由知識庫、推理機、綜合數據庫、人機接口、解釋程序和知識獲取程序六個模塊組成,如圖2所示。

圖2 專家系統組成圖

2.4.1 知識庫

知識庫是所要求解知識的集合,含有顯式地表示的各種知識塊,包括基本事實、規則和其它相關信息[9]。專家系統的問題求解是運用專家提供的專門知識來模擬專家的思維方式進行的,這樣知識庫中擁有知識的數量和質量就成為一個專家系統中系統性能和問題求解能力的關鍵因素。知識庫的建立是建造專家系統的中心任務。

1) 知識的獲取

知識庫中擁有知識的多少以及知識的質量決定了一個專家系統所具有的解決問題的能力。專家系統在診斷過程中,只有通過不斷地擴充知識庫才能更好地完成診斷任務。在診斷專家系統中,為完成一個實際的診斷任務,一般認為應具備兩類知識,即“淺知識”和“深知識”。淺知識是指故障、征兆和原因等直接相聯系的專家啟發式經驗;深知識是指有關診斷對象的結構和功能的描述知識,通常主要包括設備的結構層次、功能層次和相互間的輸入、輸出行為關系以及設備本身的工作原理和有關方面所滿足的基本科學原理。

2) 知識庫的維護

知識庫的維護就是指為保證知識庫的有效性及規則的一致性所進行的操作。主要是檢查知識庫中的知識是否具有一致性和完整性,一致性是檢測知識庫是否有循環規則、矛盾規則、等價規則和子規則;完整性是檢測知識庫是否有遺漏規則、死子句和不可達子句。其主要操作包括規則的添加、刪除和修改。

3) 知識庫的基本原則

知識庫內容的物理組織依賴于知識的邏輯表示形式。在一定程度上,不同的知識表示模式應有知識庫的不同的組織方式。但是,不管怎樣組織,都應遵循一些基本原則:

(1)知識庫的組織應該保證今后知識庫與處理機構的獨立性,不會由于知識庫內部組織方式的改動而引起知識處理機構的大改動;

(2)要盡量便于今后對知識庫的擴充、維護與修改,使今后無論作功能上的擴充,還是作性能上的改進都有可能;

(3)要盡量便于今后對其內容的各種運用和輸入輸出等;

(4)要考慮到在一個知識庫中同時存放多種模式表示的知識的可能。

2.4.2 推理機

推理機主要有調度程序與解釋程序組成,是問題求解的核心執行機構。其中應用的是推理技術。

推理技術是構造專家系統推理機的基本技術。推理功能是專家系統的顯著特征之一,沒有推理機就像專家失去了思維能力一樣,將失去專家的作用,推理的主要任務是由事實得出結論、要求增加合適的信息、根據要求對其結論和信息需求進行解釋。

從方法上,推理可大致分為三類:基于規則的推理、基于模型的推理和基于事例的推理。

2.5 解釋技術

專家系統的特點之一是它具有較好的透明性。所謂透明性是指一個系統的行為及系統自身能被用戶所理解的程度。良好的透明性不僅有助于提高系統的可接受性,也有利于調試和維護系統。專家系統解釋機制的設計通常與領域模型、領域原理、用戶模型和解釋策略等四方面因素有關。領域模型包括領域中各種事實和關系的描述,如術語定義、因果關系、層次關系等;領域原理包含領域問題的求解策略和啟發性知識;用戶模型存放用戶的有關知識,根據用戶的特征,確定哪些知識需要解釋以及解釋的深度和復雜性;解釋策略根據用戶模型和問題求解過程,將一個合適的回答提交給用戶[10]。

3 系統分析

3.1 遠程維修支援保障的特點

靶場對海軍作戰部隊裝備遠程維修支援保障是裝備保障信息化的必然產物,也是突破傳統保障手段的有效方式。從整體設計的角度看,遠程維修支援應該突出精確性、遠程性和實時性的特點。

3.2 海軍裝備故障分析與描述

3.2.1 裝備故障樹設計

故障診斷是一個復雜的過程,一個故障癥狀可能是一個或多個故障原因產生的,這些故障原因又可分別歸屬不同的故障子系統。本系統利用故障樹的方法描述各種故障之間的關系和故障診斷的流程。以艦船軸承實效為例說明,如圖3所示。

圖3 軸承失效故障樹

3.2.2 基于XML語言描述

在對軸承失效進行故障樹分析后,即可用XML語言進行定義標記,進而使整個遠程維修支援保障系統組成一個完整的信息體系。下面為軸承故障的XML語言描述。

〈name〉軸承失效〈/name〉

〈reason〉

〈name〉正常磨損〈/name〉

〈/reason〉

〈reason〉

〈name〉沖擊震動〈/name〉

〈reason1〉安裝失誤〈/reason1〉

〈reason2〉過載〈/reason2〉

〈/reason〉

〈reason〉

〈name〉潤滑失效〈/name〉

〈reason1〉油質不合格〈/reason1〉

〈reason2〉缺油〈/reason2〉

〈reason3〉油溫過高〈/reason3〉

… …

〈/reason〉

進行維修指導的XML文件,就相對簡單,用一簡單事實為例:

〈/故障〉

〈故障名稱〉缺油〈/故障名稱〉

〈解決方法〉

〈方法〉加適量潤滑油〈/方法〉

〈現象〉加油記錄中沒有按時加油記錄〈/現象〉

〈/解決方法〉

〈解決方法〉

〈方法〉先更換密封圈再加適量潤滑油〈/方法〉

〈現象〉有及時加油記錄〈/現象〉

〈現象〉有漏油現象〈/現象〉

〈/解決方法〉

〈/故障〉

… …

〈/repairs〉

XML語言的優勢在于其標簽更符合自然語言,便于艦員級用戶的理解與應用。

3.3 分布式支援保障系統的設計

3.3.1 設計原理

為了高效、準確地面向艦員提供支援,遠程支援保障系統設計為分布式支援系統,包括局部支援站點和遠程支援中心。局部支援站點設計為針對所屬范圍內的裝備特點進行支援的系統,其知識庫針對固定的裝備進行設計;遠程支援中心一方面與診斷專家協作,另一方面與局部支援站點交互,對各局域裝備故障特性進行總結,根據設備運行機理,提取各故障知識的本質特征,實現對各局部支援站點的支持。并對局部支援站點的工作進行協調。

3.3.2 結構模型

當前海軍武器裝備的實際配置和部隊的隸屬關系呈現出集中分布的特點,決定了遠程支援保障系統適合于建設為分布式。結構如圖4所示。

圖4 分布式遠程故障診斷系統

遠程支援中心提供廣域范圍內共享支援的平臺,建立資源共享與各支援站點的協作機制,并為局部支援系統提供支持。遠程支援中心的核心是診斷專家和故障診斷知識庫。故障診斷知識庫一方面為設備的故障診斷提供相應的知識;另一方面不斷獲取各局部支援站點的知識,并對其進行精煉、提取,以豐富自身的知識庫,不斷提高自身的診斷智能和遠程服務能力。

局部支援站點為局部范圍內的用戶提供在線診斷、維修指導服務。并在必要時,獲取遠程智能故障診斷系統的支持。各局部支援站點在完成故障診斷的同時獲得了大量的設備使用經驗及診斷知識,在實際運行過程中對其不斷整理、總結后可用來豐富其自身知識庫,另一方面同遠程智能故障診斷中心相交互,將新知識傳遞給診斷中心。從而完成了故障知識的獲取、維護、傳遞工作,大大提高了系統的診斷智能。

4 設計與實現

面向艦員的遠程維修支持保障系統選用ASP.NET腳本語言、Window2000 Server數據庫服務器、IIS5.0 Web服務器和SQL Server2000數據庫組合,由艦員端、局域網內的故障診斷專家系統和在線支援系統組成,系統整體結構如圖5所示。

圖5 系統整體結構圖

工作原理為故障現場的艦員對故障進行初步分析和判斷,如果屬于艦員級,在自己維修能力范圍之內,就現場解決,如果不清楚故障原因,不能找到維修方案,則首先通過支援入口登錄遠程支援系統專家系統模塊(在局域服務系統還是在中心系統中進行運算,由系統自行完成),如果能夠得到維修資料,則按其執行。如果專家系統無法診斷,則通過中繼的組織啟動在線診斷程序,由后方維修人員和技術專家進行遠程“會診”,如果發現故障,則研究其維修方法,并將該方法以聲、圖、文的方式傳給維修現場,指導裝備維修人員進行維修。

5 結語

論文通過運用多項研究技術,探討和實現了將多媒體信息管理系統和專家系統相結合,構成了一種功能更全面、實用性更強的故障診斷專家系統和在線支援系統。即在系統中選用了分布式支援的方式,詳細研究了流媒體技術,并以專家系統原理為基礎,分別將數據庫技術、網絡數據庫技術和多媒體信息管理與之相結合,作為系統開發的技術手段,設計和實現了一種故障診斷專家系統和在線診斷相結合的遠程支援系統。

遠程維修支援系統是現代裝備管理保障的一個發展趨勢,它涉及到計算機網絡、數據庫、多媒體、專家系統以及故障診斷等多個知識領域。因此,建立一個比較完善的實用的遠程維修支援系統是一個技術難度很高的復雜工作。在論文研究的基礎上,可以進一步探討多媒體數據庫存儲、傳輸的壓縮策略問題;在實時診斷方面,將現場狀態監測和虛擬技術相結合,進一步探討遠程傳輸的實現問題。

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[9] Richard Forsyth. Expert system Principles and case studies[M]. New York: Chapman and Hall,1984.

[10] Wick M R, Slagle J R. An explanation facility for today’s expert systems[J]. IEEE Expert,1989,4(1):26-36.

Naval Remote Maintenance Support Technology and Construction Method

SONG Lei

(Unit 93, No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023)

The key technology about naval maintenance support is researched. And then, the features about remote maintenance support are analyzed. In the case of bearing failure, the fault tree’s XML and the distributed frame have been discussed. Finally, the naval remote maintenance support system is designed.

sailors, remote maintenance, support, expert diagnosing

2015年4月3日,

2015年5月28日

宋蕾,女,工程師,研究方向:導彈武器系統。

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.003