徐 池 肖博凱 韓 東

1 引言

隨著艦船通信系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和一體化信息系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，艦船通信裝備之間的連接關(guān)系、信息流程、性能匹配等方面的技術(shù)復(fù)雜性達(dá)到了新的高度。艦船通信裝備的組織運(yùn)用也在從集中式管控、內(nèi)外通分離，向分布式接入、控制，一體化集成應(yīng)用方向發(fā)展。當(dāng)前，對于艦船通信系統(tǒng)的綜合保障和組織運(yùn)用過程中，裝備的匹配特性、系統(tǒng)的綜合效能等方面的問題越來越多，也愈發(fā)突出。從提高艦船通信系統(tǒng)綜合保障能力和組織運(yùn)用能力的角度出發(fā)，通信保障人員迫切需要一種能夠全面掌控艦船通信系統(tǒng)工作狀態(tài)和效能的監(jiān)控評測手段，為充分發(fā)揮艦船通信系統(tǒng)效能、增強(qiáng)艦船通信整體保障能力提供有力支撐。本文以構(gòu)建艦船通信裝備效能監(jiān)控評測系統(tǒng)的需求為出發(fā)點(diǎn)，對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)研究，為系統(tǒng)建設(shè)提供一定參考借鑒。

2 系統(tǒng)研制需求分析

電子設(shè)備狀態(tài)檢測和診斷技術(shù)在不斷推進(jìn)，美國研制開發(fā)了軍用綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)ICAS（Integtated Condition Assessment System），針對海軍裝備特性提出了基于狀態(tài)健康管理的分布式體系結(jié)構(gòu)，相關(guān)系統(tǒng)在美國海軍艦船上已得到實(shí)際應(yīng)用，極大提高了艦船裝備的可用度和任務(wù)可靠性［1-5］。同時，全面、實(shí)時、動態(tài)地掌握艦船通信系統(tǒng)狀態(tài)性能及其變化趨勢，是充分發(fā)揮通信系統(tǒng)綜合效能，順利完成通信保障任務(wù)的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前，通信保障人員更多地依賴傳統(tǒng)測試方法，通過各種儀器儀表對通信裝備個別性能指標(biāo)進(jìn)行測試。傳統(tǒng)方法涉及的測量儀器種類名目繁多，測試連接關(guān)系較為復(fù)雜，存在耗時費(fèi)力、專業(yè)性強(qiáng)、自動化程度低等不足，無法做到裝備關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)的自動采集和記錄，無法實(shí)現(xiàn)對通信系統(tǒng)狀態(tài)性能的全面、實(shí)時監(jiān)測；通信裝備的機(jī)內(nèi)自檢能夠?qū)崿F(xiàn)部分監(jiān)測功能，例如部分系統(tǒng)可通過傳遞心跳或狀態(tài)報(bào)文的簡單形式監(jiān)測裝備的工作狀態(tài)，但是自檢信息往往僅限于裝備內(nèi)部的關(guān)鍵模塊是否故障的簡單信息，且獲取的故障信息沒有可預(yù)知性，不能完全反映裝備構(gòu)成系統(tǒng)后的實(shí)際工作性能，且有些導(dǎo)致性能下降的故障僅靠機(jī)內(nèi)自檢無法檢測，如發(fā)射功率降低、接收靈敏度降低等。艦船通信系統(tǒng)各組成要素的關(guān)鍵技術(shù)狀態(tài)和特性參數(shù)都無法依靠設(shè)備現(xiàn)有的自檢功能提供。為滿足艦船通信系統(tǒng)在值勤維護(hù)管理、組織運(yùn)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(jiān)控評測系統(tǒng)，實(shí)時采集艦船通信系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)信息，監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)和可靠性狀況，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，分析、評估、預(yù)測系統(tǒng)綜合效能，為艦船通信保障人員提供艦船通信系統(tǒng)綜合能力的全面態(tài)勢呈現(xiàn)和分析預(yù)測。

3 系統(tǒng)架構(gòu)及組成設(shè)計(jì)

艦船通信系統(tǒng)一般包括短波、超短波、衛(wèi)星、內(nèi)部通信等分系統(tǒng)，設(shè)備種類包括通信終端、服務(wù)器、發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、電臺、合并器、多路耦合器及各頻段天線等。各類設(shè)備通過艦船內(nèi)部的音頻電纜、控制電纜、網(wǎng)線、光纜、射頻電纜等連接在一起，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和配置使用非常復(fù)雜。艦船通信系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、設(shè)備連接環(huán)節(jié)多、配置使用靈活等特點(diǎn)，其復(fù)雜性和層次性決定了通信裝備效能監(jiān)控評測要以全系統(tǒng)的角度統(tǒng)攬全局，全面、實(shí)時地掌控裝備技術(shù)狀態(tài)，以保證全系統(tǒng)的功能完好性。

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)監(jiān)控評測功能的實(shí)現(xiàn)采用分層體系架構(gòu)，包括設(shè)備級、鏈路級、系統(tǒng)級三個層級，向用戶提供不同顆粒度的監(jiān)控評測數(shù)據(jù)，滿足值勤維護(hù)管理及作戰(zhàn)訓(xùn)練時的使用需求。分層結(jié)構(gòu)與通信任務(wù)系統(tǒng)的通信頻段、業(yè)務(wù)類型構(gòu)成一個三維模型，其邏輯關(guān)系如圖1所示。其中，設(shè)備級負(fù)責(zé)完成對單設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，可通過心跳報(bào)文、工作狀態(tài)報(bào)文、設(shè)備BIT（Built-intest）信息上報(bào)等途徑獲得。該層級不具備設(shè)備間的交鏈能力，反映的是要素級的信息［6～9］。鏈路級負(fù)責(zé)完成基于業(yè)務(wù)的鏈路完好性測試，利用生成的典型業(yè)務(wù)測試信號，建立全鏈路測試流程，逐一采集鏈路上各設(shè)備輸出端的報(bào)文，并與信號的標(biāo)準(zhǔn)特征庫進(jìn)行比對。該層級反映了各設(shè)備關(guān)聯(lián)后對所承載的具體業(yè)務(wù)的支撐情況以及設(shè)備間的性能匹配狀況。系統(tǒng)級則根據(jù)全系統(tǒng)通信保障任務(wù)，將通信對象、業(yè)務(wù)承載需求與鏈路匹配性能進(jìn)行分析，基于匹配模型、專家系統(tǒng)等對通信效果、狀態(tài)偏離程度進(jìn)行實(shí)時評估，結(jié)合全艦通信資源狀態(tài)監(jiān)控情況，向用戶提供資源調(diào)整策略。

3.2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

據(jù)艦船通信裝備效能監(jiān)控評測系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)處理的方式以及面向用戶的需求，艦船通信裝備效能監(jiān)控評測系統(tǒng)主要應(yīng)由艦船通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性測試分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)、用戶終端顯示分系統(tǒng)等四個分系統(tǒng)組成。

1）數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)

傳感器、監(jiān)測模塊通用接口設(shè)備、便攜式狀態(tài)查詢輸入設(shè)備一起組成艦船通信系統(tǒng)射頻信號采集分系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對發(fā)射機(jī)輸出功率、駐波比、信噪比、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)的采集錄入。設(shè)備組成方面主要包括：短波發(fā)射機(jī)功放性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、短波發(fā)射機(jī)天饋系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、短波收信機(jī)及收信天線性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、衛(wèi)通設(shè)備中頻及射頻性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備、超短波電臺及天線性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備和天線輻射場強(qiáng)測量等設(shè)備。

2）鏈路完好性測試分系統(tǒng)

艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性測試分系統(tǒng)主要完成設(shè)備初始狀態(tài)檢查、標(biāo)準(zhǔn)測試信號生成、基于業(yè)務(wù)流程的測試信號發(fā)送等功能，通過標(biāo)準(zhǔn)信號的比對完成艦船通信系統(tǒng)鏈路完好性的測試。主要包括基于各業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信號生成模塊：聲碼話測試模塊、短波超快速報(bào)測試模塊；各類格式數(shù)據(jù)報(bào)文測試模塊、IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試模塊和視頻業(yè)務(wù)測試模塊。

3）數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析處理分系統(tǒng)通過調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型并結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)長期存儲的歷史數(shù)據(jù)等信息對數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)送來的裝備自檢信息、工作參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行建模計(jì)算與評測，通過綜合計(jì)算與分析對裝備自檢信息的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析與有效比對，完成設(shè)備性能及設(shè)備間匹配狀況的結(jié)論性分析，計(jì)算業(yè)務(wù)能量在通信系統(tǒng)傳遞全過程的能量衰減程度［10］。該分系統(tǒng)主要包括：匹配模型數(shù)據(jù)庫、基于業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)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(yù)測模型和綜合效能評估模型。

4）用戶終端顯示分系統(tǒng)

用戶終端顯示分系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對艦船通信裝備工作狀態(tài)監(jiān)控顯示、工作狀態(tài)評估結(jié)果顯示、工作狀態(tài)預(yù)測趨勢顯示，使艦船通信保障人員值班人員能夠根據(jù)任務(wù)需求，迅速、準(zhǔn)確地了解艦船通信系統(tǒng)的整體、重點(diǎn)部位運(yùn)行情況，形象、直觀地掌握艦船通信系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)和狀態(tài)趨勢，為用戶提供最終的人機(jī)交互界面。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)艦船通信保障人員實(shí)際需求和效能監(jiān)控評測系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集功能、鏈路完好性測試功能、數(shù)據(jù)分析處理功能、通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評測功能和監(jiān)控評測可視化功能。

4.1 數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集功能主要完成裝備自檢數(shù)據(jù)、裝備工作參數(shù)、裝備性能參數(shù)、射頻數(shù)據(jù)傳感采集等任務(wù)。數(shù)據(jù)來源主要包括：一是裝備上報(bào)的自檢參數(shù)、工作參數(shù)等帶內(nèi)數(shù)據(jù)；二是通過現(xiàn)有的綜合控制寬帶傳輸系統(tǒng)、電磁頻譜管理系統(tǒng)等獲取的網(wǎng)管、頻管信息；三是利用部署的傳感器提取的設(shè)備射頻信號參數(shù)，主要包括發(fā)射機(jī)輸出功率、駐波比、信噪比、接收機(jī)靈敏度等。數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)對要素級信息的實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時采集，主要包括裝備開機(jī)自檢、心跳報(bào)文、工作狀態(tài)報(bào)文、BIT測試數(shù)據(jù)等信息的采集；任務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理、安全管理信息的采集；短波發(fā)射機(jī)功放及天饋系統(tǒng)、短波收信機(jī)及收信天線、超短波電臺及天線、衛(wèi)通設(shè)備等的中頻/射頻數(shù)據(jù)采集，采集參數(shù)主要包括輸出功率、駐波比、增益等指標(biāo)。

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(yè)務(wù)測試信號，按照業(yè)務(wù)流程走向，逐一采集鏈路上各設(shè)備輸出端的報(bào)文，并與信號的標(biāo)準(zhǔn)特征庫進(jìn)行比對。最終完成全鏈路的戰(zhàn)備完好性測試。鏈路完好性測試針對所承載的具體業(yè)務(wù)，將相關(guān)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)后開展測試，因此能反映出設(shè)備在任務(wù)模式下的性能指標(biāo)及設(shè)備間的匹配狀況。主要包括基于業(yè)務(wù)類型的標(biāo)準(zhǔn)測試信號生成功能；全系統(tǒng)全業(yè)務(wù)流程檢測功能和指定業(yè)務(wù)的快速檢測功能。

4.3 數(shù)據(jù)分析處理功能

數(shù)據(jù)分析處理功能對于采集到的設(shè)備參數(shù)以及鏈路完好性測試報(bào)文進(jìn)行存儲、計(jì)算，根據(jù)各種數(shù)學(xué)模型、匹配模型、標(biāo)準(zhǔn)信號特征庫等的分析與處理，給出設(shè)備性能及設(shè)備間匹配狀況的結(jié)論性數(shù)據(jù)。主要包括對射頻信號采集點(diǎn)回傳的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與存儲；根據(jù)不同設(shè)備的戰(zhàn)技指標(biāo)要求，以及射頻衰減損耗模型、性能降級趨勢預(yù)測模型等相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得到射頻鏈路的比對結(jié)果；對鏈路完好性測試回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與存儲；根據(jù)信號標(biāo)準(zhǔn)特征庫，對回傳的鏈路測試信號進(jìn)行分析處理，得到該通信鏈路所有設(shè)備的功能完好性測試比對結(jié)果。

4.4 通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評測功能

通信系統(tǒng)狀態(tài)效能評測功能是指利用各傳感器、采集點(diǎn)回傳的測試數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)初步的分析結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)匹配性模型及基于歷史數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng)，判斷當(dāng)前通信系統(tǒng)健康狀況，并能估計(jì)當(dāng)前的狀態(tài)偏離正常態(tài)的程度大小。對通信系統(tǒng)工作當(dāng)前工作狀態(tài)、性能、系統(tǒng)匹配性能、狀態(tài)偏離程度進(jìn)行全面評估，并給出現(xiàn)有裝備性能條件下的可參考的資源調(diào)整策略。主要包括通信系統(tǒng)可靠性評估；通信裝備匹配性分析；綜合通信效能評估；系統(tǒng)性能降級趨勢預(yù)測和通信資源調(diào)整配置方案評估。

4.5 監(jiān)控評測可視化功能

監(jiān)控評測可視化功能是指根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行艦船通信裝備狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)的顯示。主要包括通信系統(tǒng)性能降級趨勢顯示；功率匹配衰減損耗分布顯示；收、發(fā)信機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)顯示；天線關(guān)鍵性能參數(shù)顯示和通信系統(tǒng)綜合效能變化趨勢顯示。

5 結(jié)語

運(yùn)用效能監(jiān)控評測系統(tǒng)，通過對艦船通信系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)鏈路的完好性檢測以及系統(tǒng)裝備匹配性分析、業(yè)務(wù)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(hù)保障能力和組織運(yùn)用能力，進(jìn)一步充分發(fā)揮艦船通信系統(tǒng)的綜合效能［11-12］。系統(tǒng)的研制將有效解決用戶對通信裝備性能參數(shù)、狀態(tài)指標(biāo)與匹配效能測試評估難等問題，在實(shí)時監(jiān)測艦船通信系統(tǒng)工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)分析評估結(jié)果，為艦船通信保障人員根據(jù)通信指示制定通信保障方案、為根據(jù)保障條件和裝備性能變化適時合理調(diào)整通信裝備資源提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐；通過有效實(shí)時監(jiān)控通信系統(tǒng)，直接保障和提升通信設(shè)備使用效能。

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