艦船通信裝備效能監控評測系統設計研究?

徐 池 肖博凱 韓 東

1 引言

隨著艦船通信系統規模的不斷擴大和一體化信息系統的推廣應用，艦船通信裝備之間的連接關系、信息流程、性能匹配等方面的技術復雜性達到了新的高度。艦船通信裝備的組織運用也在從集中式管控、內外通分離，向分布式接入、控制，一體化集成應用方向發展。當前，對于艦船通信系統的綜合保障和組織運用過程中，裝備的匹配特性、系統的綜合效能等方面的問題越來越多，也愈發突出。從提高艦船通信系統綜合保障能力和組織運用能力的角度出發，通信保障人員迫切需要一種能夠全面掌控艦船通信系統工作狀態和效能的監控評測手段，為充分發揮艦船通信系統效能、增強艦船通信整體保障能力提供有力支撐。本文以構建艦船通信裝備效能監控評測系統的需求為出發點，對系統進行總體設計研究，為系統建設提供一定參考借鑒。

2 系統研制需求分析

電子設備狀態檢測和診斷技術在不斷推進，美國研制開發了軍用綜合狀態評估系統ICAS（Integtated Condition Assessment System），針對海軍裝備特性提出了基于狀態健康管理的分布式體系結構，相關系統在美國海軍艦船上已得到實際應用，極大提高了艦船裝備的可用度和任務可靠性［1-5］。同時，全面、實時、動態地掌握艦船通信系統狀態性能及其變化趨勢，是充分發揮通信系統綜合效能，順利完成通信保障任務的基礎和前提。當前，通信保障人員更多地依賴傳統測試方法，通過各種儀器儀表對通信裝備個別性能指標進行測試。傳統方法涉及的測量儀器種類名目繁多，測試連接關系較為復雜，存在耗時費力、專業性強、自動化程度低等不足，無法做到裝備關鍵狀態參數的自動采集和記錄，無法實現對通信系統狀態性能的全面、實時監測；通信裝備的機內自檢能夠實現部分監測功能，例如部分系統可通過傳遞心跳或狀態報文的簡單形式監測裝備的工作狀態，但是自檢信息往往僅限于裝備內部的關鍵模塊是否故障的簡單信息，且獲取的故障信息沒有可預知性，不能完全反映裝備構成系統后的實際工作性能，且有些導致性能下降的故障僅靠機內自檢無法檢測，如發射功率降低、接收靈敏度降低等。艦船通信系統各組成要素的關鍵技術狀態和特性參數都無法依靠設備現有的自檢功能提供。為滿足艦船通信系統在值勤維護管理、組織運用和綜合保障等方面的迫切需求，需要研制艦船通信裝備效能監控評測系統，實時采集艦船通信系統關鍵參數信息，監控系統工作狀態和可靠性狀況，結合歷史數據和環境數據，分析、評估、預測系統綜合效能，為艦船通信保障人員提供艦船通信系統綜合能力的全面態勢呈現和分析預測。

3 系統架構及組成設計

艦船通信系統一般包括短波、超短波、衛星、內部通信等分系統，設備種類包括通信終端、服務器、發信機、收信機、電臺、合并器、多路耦合器及各頻段天線等。各類設備通過艦船內部的音頻電纜、控制電纜、網線、光纜、射頻電纜等連接在一起，系統體系結構和配置使用非常復雜。艦船通信系統具有結構組成復雜、設備連接環節多、配置使用靈活等特點，其復雜性和層次性決定了通信裝備效能監控評測要以全系統的角度統攬全局，全面、實時地掌控裝備技術狀態，以保證全系統的功能完好性。

3.1 系統總體架構

系統監控評測功能的實現采用分層體系架構，包括設備級、鏈路級、系統級三個層級，向用戶提供不同顆粒度的監控評測數據，滿足值勤維護管理及作戰訓練時的使用需求。分層結構與通信任務系統的通信頻段、業務類型構成一個三維模型，其邏輯關系如圖1所示。其中，設備級負責完成對單設備的狀態監控，可通過心跳報文、工作狀態報文、設備BIT（Built-intest）信息上報等途徑獲得。該層級不具備設備間的交鏈能力，反映的是要素級的信息［6～9］。鏈路級負責完成基于業務的鏈路完好性測試，利用生成的典型業務測試信號，建立全鏈路測試流程，逐一采集鏈路上各設備輸出端的報文，并與信號的標準特征庫進行比對。該層級反映了各設備關聯后對所承載的具體業務的支撐情況以及設備間的性能匹配狀況。系統級則根據全系統通信保障任務，將通信對象、業務承載需求與鏈路匹配性能進行分析，基于匹配模型、專家系統等對通信效果、狀態偏離程度進行實時評估，結合全艦通信資源狀態監控情況，向用戶提供資源調整策略。

3.2 系統組成設計

據艦船通信裝備效能監控評測系統獲取的數據來源、數據處理的方式以及面向用戶的需求，艦船通信裝備效能監控評測系統主要應由艦船通信系統數據采集分系統、艦船通信系統鏈路完好性測試分系統、數據分析處理分系統、用戶終端顯示分系統等四個分系統組成。

1）數據采集分系統

傳感器、監測模塊通用接口設備、便攜式狀態查詢輸入設備一起組成艦船通信系統射頻信號采集分系統，主要實現對發射機輸出功率、駐波比、信噪比、接收機靈敏度等參數的采集錄入。設備組成方面主要包括：短波發射機功放性能數據采集設備、短波發射機天饋系統性能數據采集設備、短波收信機及收信天線性能數據采集設備、衛通設備中頻及射頻性能數據采集設備、超短波電臺及天線性能數據采集設備和天線輻射場強測量等設備。

2）鏈路完好性測試分系統

艦船通信系統鏈路完好性測試分系統主要完成設備初始狀態檢查、標準測試信號生成、基于業務流程的測試信號發送等功能，通過標準信號的比對完成艦船通信系統鏈路完好性的測試。主要包括基于各業務的標準信號生成模塊：聲碼話測試模塊、短波超快速報測試模塊；各類格式數據報文測試模塊、IP數據業務測試模塊和視頻業務測試模塊。

3）數據分析處理分系統

數據分析處理分系統通過調用相應的數據模型并結合數據庫系統長期存儲的歷史數據等信息對數據采集分系統送來的裝備自檢信息、工作參數、狀態數據等進行建模計算與評測，通過綜合計算與分析對裝備自檢信息的準確性和可靠性進行驗證分析與有效比對，完成設備性能及設備間匹配狀況的結論性分析，計算業務能量在通信系統傳遞全過程的能量衰減程度［10］。該分系統主要包括：匹配模型數據庫、基于業務的標準信號特征庫、智能分析比對模型、能量衰減傳遞誤差模型、性能預測模型和綜合效能評估模型。

4）用戶終端顯示分系統

用戶終端顯示分系統主要實現對艦船通信裝備工作狀態監控顯示、工作狀態評估結果顯示、工作狀態預測趨勢顯示，使艦船通信保障人員值班人員能夠根據任務需求，迅速、準確地了解艦船通信系統的整體、重點部位運行情況，形象、直觀地掌握艦船通信系統當前工作狀態和狀態趨勢，為用戶提供最終的人機交互界面。

4 系統功能設計

根據艦船通信保障人員實際需求和效能監控評測系統組成設計，系統主要實現的功能包括數據采集功能、鏈路完好性測試功能、數據分析處理功能、通信系統狀態效能評測功能和監控評測可視化功能。

4.1 數據采集功能

數據采集功能主要完成裝備自檢數據、裝備工作參數、裝備性能參數、射頻數據傳感采集等任務。數據來源主要包括：一是裝備上報的自檢參數、工作參數等帶內數據；二是通過現有的綜合控制寬帶傳輸系統、電磁頻譜管理系統等獲取的網管、頻管信息；三是利用部署的傳感器提取的設備射頻信號參數，主要包括發射機輸出功率、駐波比、信噪比、接收機靈敏度等。數據采集功能實現對要素級信息的實時或準實時采集，主要包括裝備開機自檢、心跳報文、工作狀態報文、BIT測試數據等信息的采集；任務系統網絡管理、安全管理信息的采集；短波發射機功放及天饋系統、短波收信機及收信天線、超短波電臺及天線、衛通設備等的中頻/射頻數據采集，采集參數主要包括輸出功率、駐波比、增益等指標。

4.2 鏈路完好性測試功能

鏈路完好性測試功能指的是利用生成的典型業務測試信號，按照業務流程走向，逐一采集鏈路上各設備輸出端的報文，并與信號的標準特征庫進行比對。最終完成全鏈路的戰備完好性測試。鏈路完好性測試針對所承載的具體業務，將相關設備進行關聯后開展測試，因此能反映出設備在任務模式下的性能指標及設備間的匹配狀況。主要包括基于業務類型的標準測試信號生成功能；全系統全業務流程檢測功能和指定業務的快速檢測功能。

4.3 數據分析處理功能

數據分析處理功能對于采集到的設備參數以及鏈路完好性測試報文進行存儲、計算，根據各種數學模型、匹配模型、標準信號特征庫等的分析與處理，給出設備性能及設備間匹配狀況的結論性數據。主要包括對射頻信號采集點回傳的測試數據進行記錄與存儲；根據不同設備的戰技指標要求，以及射頻衰減損耗模型、性能降級趨勢預測模型等相應的數據模型，進行數據分析處理，得到射頻鏈路的比對結果；對鏈路完好性測試回傳的數據進行記錄與存儲；根據信號標準特征庫，對回傳的鏈路測試信號進行分析處理，得到該通信鏈路所有設備的功能完好性測試比對結果。

4.4 通信系統狀態效能評測功能

通信系統狀態效能評測功能是指利用各傳感器、采集點回傳的測試數據及對數據初步的分析結果，結合系統匹配性模型及基于歷史數據、經驗的專家系統，判斷當前通信系統健康狀況，并能估計當前的狀態偏離正常態的程度大小。對通信系統工作當前工作狀態、性能、系統匹配性能、狀態偏離程度進行全面評估，并給出現有裝備性能條件下的可參考的資源調整策略。主要包括通信系統可靠性評估；通信裝備匹配性分析；綜合通信效能評估；系統性能降級趨勢預測和通信資源調整配置方案評估。

4.5 監控評測可視化功能

監控評測可視化功能是指根據用戶實際需求進行艦船通信裝備狀態、關鍵參數的顯示。主要包括通信系統性能降級趨勢顯示；功率匹配衰減損耗分布顯示；收、發信機關鍵性能參數顯示；天線關鍵性能參數顯示和通信系統綜合效能變化趨勢顯示。

5 結語

運用效能監控評測系統，通過對艦船通信系統的狀態監測、系統鏈路的完好性檢測以及系統裝備匹配性分析、業務能量傳遞損耗的評測，可以有效提高艦船通信保障人員的裝備維護保障能力和組織運用能力，進一步充分發揮艦船通信系統的綜合效能［11-12］。系統的研制將有效解決用戶對通信裝備性能參數、狀態指標與匹配效能測試評估難等問題，在實時監測艦船通信系統工作狀態的基礎上，能夠根據監測統計分析評估結果，為艦船通信保障人員根據通信指示制定通信保障方案、為根據保障條件和裝備性能變化適時合理調整通信裝備資源提供科學的數據支撐；通過有效實時監控通信系統，直接保障和提升通信設備使用效能。

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