劉 政，陳 晨，張 賽

(1.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京 100094；2.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，南京 211156)

0 引言

近年來，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和武裝實(shí)力有了飛躍式的進(jìn)步，艦船裝備在海上作戰(zhàn)、任務(wù)執(zhí)行、領(lǐng)土維護(hù)等任務(wù)執(zhí)行過程中是必不可少的協(xié)作工具，另外艦艇也被廣泛地應(yīng)用于海上運(yùn)輸、醫(yī)療、偵察等多個(gè)領(lǐng)域，提高了海上的經(jīng)濟(jì)收益。為提高艦艇裝備性能檢測(cè)的精準(zhǔn)度，本文提出基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)艦艇裝備的工作狀態(tài)，判斷艦艇的工作性能情況，對(duì)于性能不達(dá)標(biāo)的艦艇，給予停用或者檢修處理，提高艦艇領(lǐng)域整體的工作效益[1-2]。

艦艇又稱為海軍艦艇，是為數(shù)不多的具有武器裝備的運(yùn)輸工作，艦艇是一款體積較大，成本高的軍用多技術(shù)融合設(shè)備，艦艇的工作一旦出現(xiàn)微小的偏差，就會(huì)使得工作結(jié)果不具有意義。艦艇結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很容易出現(xiàn)隱性故障，為了可以及時(shí)地將工作性能達(dá)不到要求的艦艇停用處理，文章分別從硬件區(qū)域和軟件區(qū)域兩方面出發(fā)，設(shè)計(jì)基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，以便達(dá)到本文預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。最后通過對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，證明了此測(cè)試系統(tǒng)具有實(shí)用性。

1 基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件由處理器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、監(jiān)測(cè)器組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 處理器設(shè)計(jì)

處理器是基于ATML技術(shù)的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件區(qū)域的核心器件，也被稱為中央處理器，處理器的工作是處理系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，并且監(jiān)督執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)器件的運(yùn)行指令。處理器性能的強(qiáng)弱直接影響到系統(tǒng)性能的極限，本文為了保證測(cè)試系統(tǒng)的工作效率，選擇麒麟990系列的處理器[3-4]。器件不僅在硬件功能上得到升級(jí)，而且對(duì)于系統(tǒng)的音段進(jìn)行均衡處理，性價(jià)比極高。處理器采用6核心12進(jìn)程的模式，器件的運(yùn)行睿頻最高可以達(dá)到4.3 GHz，最低為34 GHz，突破傳統(tǒng)的處理器，內(nèi)部設(shè)置了多個(gè)進(jìn)程緩沖空間，降低處理器內(nèi)部的負(fù)載，有利于提高處理器的運(yùn)行速度[5]。

處理器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 處理器結(jié)構(gòu)

由圖2可知，處理器的熱功耗為65 W，支持DDR4雙通道的內(nèi)存卡，采用400系列的主板，主板和處理器芯片不是相關(guān)聯(lián)的，降低處理器的維修成本[6-7]。

1.2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

基于ATML技術(shù)的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件區(qū)域驅(qū)動(dòng)器的工作任務(wù)是，識(shí)別到需要測(cè)試的艦艇設(shè)備時(shí)，快速調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的處理器，與之協(xié)作，快速驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件區(qū)域內(nèi)部所有器件，提高測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)速度。為了使得驅(qū)動(dòng)器具有以上敘述的功能，本文選擇HDJ-8交流驅(qū)動(dòng)器，此驅(qū)動(dòng)器體積大，成本低，功能強(qiáng)，是目前驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域器件最佳的選擇[8-9]。HDJ-8交流驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 HDJ-8交流驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

由圖3可知，HDJ-8交流驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)系統(tǒng)面對(duì)的不同型號(hào)的測(cè)試對(duì)象進(jìn)行不同電壓等級(jí)的驅(qū)動(dòng)，分別為2.7 kV、5.7 kW、10 kV三個(gè)級(jí)別，額度工作電壓為380 V，有效的輸出功率為2.7 W，額定轉(zhuǎn)速為1 500。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用24 V共陰連接方法，為了提高驅(qū)動(dòng)器的適用性，內(nèi)部額外增加了增量式編碼器，將不同格式的器件文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化。驅(qū)動(dòng)器的電源采用三相AC220V模型，由于測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置了多種不同類型的接口，常見的接口為usb接口、CN引腳、SIGN引腳、無線接口[10-12]。驅(qū)動(dòng)器接口如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)器接口

1.3 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器直接影響到基于ATML技術(shù)的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試效果，因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ魇菍⑿枰獪y(cè)試艦艇設(shè)備的信號(hào)、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效地傳輸，一旦傳感器出現(xiàn)問題，傳遞的信息就會(huì)出現(xiàn)格式錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)源丟失、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等問題，使艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果存在偏差。本文選擇的傳感器是HDU傳感器，此傳感器雖然成本高，但是功能齊全，傳感器的頻率為10～1 000 Hz的范圍之間，對(duì)于艦艇設(shè)備的自振頻率為10 Hz，艦艇的速度量測(cè)量范圍為0～100 mm/s，艦艇的位移的測(cè)試范圍為0～1 000 μm。傳感器的輸出阻抗小于500 Ω，輸出的有效電流為4～20 mA，有效電壓為10 V，為了提高傳感器的靈敏度，傳感器選用固態(tài)面振激光雷達(dá)，可以排除海上信號(hào)的干擾[13-15]。HDU傳感器具有獨(dú)特的850 nm的紅外發(fā)射波長(zhǎng)，與其他器件相連接時(shí)，可以選用LAN接口、RS32接口。

1.4 監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)器在本文設(shè)計(jì)的具體裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)硬件區(qū)內(nèi)的作用一方面是在系統(tǒng)測(cè)試前，監(jiān)測(cè)器進(jìn)行初步的測(cè)試如果設(shè)備存在明顯類型的故障，系統(tǒng)在狀態(tài)測(cè)試過程中具有正確的測(cè)試方向，簡(jiǎn)化測(cè)試流程。另一方面監(jiān)測(cè)器的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，一旦出現(xiàn)意外，立刻停止具體的運(yùn)行，防止形成更加惡劣的影響。監(jiān)測(cè)器內(nèi)部具有無線通信功能，監(jiān)測(cè)器選用驍龍芯片，內(nèi)置存儲(chǔ)空間為64 G，并且設(shè)置多個(gè)內(nèi)存卡槽[16-18]。

2 基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

艦艇裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)艦艇裝備的多個(gè)工作狀態(tài)將設(shè)備分為動(dòng)力結(jié)構(gòu)、主船體結(jié)構(gòu)、上層建筑控制結(jié)構(gòu)3部分，本文通過對(duì)艦艇裝備3個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，通過ATML(自動(dòng)測(cè)試標(biāo)記語言)技術(shù)分別進(jìn)行狀態(tài)分量建模，最后集成各個(gè)結(jié)構(gòu)的分狀態(tài)模型，完成艦艇裝備多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的建模。

艦艇的動(dòng)力供給結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)分量主要為動(dòng)力供給超標(biāo)狀態(tài)、動(dòng)力供給不足狀態(tài)以及動(dòng)力供給平衡狀態(tài)3個(gè)分量，3個(gè)分量程度通過向量的間斷值進(jìn)行分辨。艦艇裝備動(dòng)力供給狀態(tài)的特殊性在于，瞬時(shí)的動(dòng)力供給量存在一定的偏差，但是一段時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力供給量是可自由傳遞的，會(huì)出現(xiàn)供給修復(fù)和失效兩種情況，因此對(duì)于艦艇裝備動(dòng)力供給多狀態(tài)分量的狀態(tài)建模，本文借鑒一個(gè)變量躍遷系數(shù)，以便平衡艦艇裝備動(dòng)力供給狀態(tài)測(cè)試的誤差，具體狀態(tài)建模模型如下所示：

(1)

其中：ε表示艦艇裝備動(dòng)力供給狀態(tài)變量躍遷系數(shù)；pij表示不通過的狀態(tài)向量值；zx表示艦艇瞬時(shí)的動(dòng)力供給數(shù)值[19-21]。

對(duì)于艦艇裝備的主船體結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)來說，主要有3種狀態(tài)，分別是艦艇加速狀態(tài)、艦艇運(yùn)行故障狀態(tài)以及艦艇常態(tài)性狀態(tài)。根據(jù)艦艇本身的有效動(dòng)力輸出極限，設(shè)定艦艇的運(yùn)行速度在正常馬達(dá)的基礎(chǔ)上，船體運(yùn)行速度在正常速度的80%以下，為故障狀態(tài)。設(shè)定艦艇裝備船體結(jié)構(gòu)的多狀態(tài)分量模型如下所示：

(2)

其中：v表示艦艇船體的瞬時(shí)運(yùn)行速度；Δv表示艦艇設(shè)備船體和上層建筑的速度差；δ表示模型誤差介質(zhì)。

艦艇裝備的上層建筑控制結(jié)構(gòu)的狀態(tài)分量為無效控制狀態(tài)和有效控制狀態(tài)兩種，控制狀態(tài)通過艦艇裝備內(nèi)部的各個(gè)器件的調(diào)度靈敏度體現(xiàn)，具體的艦艇上層建筑控制狀態(tài)分量建模如下所示：

(3)

其中：u1(z,t)為艦艇運(yùn)行接收信號(hào)的靈敏度；ρ為模型可用度算子；z為艦艇裝備的穩(wěn)態(tài)系數(shù)；其他未知數(shù)的意義同上?；贏TML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件流程

ATML技術(shù)是近年來發(fā)現(xiàn)的測(cè)試組件技術(shù)之一 ，技術(shù)主要存儲(chǔ)自動(dòng)設(shè)備內(nèi)部器件的交互信息，技術(shù)采用傳統(tǒng)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息的傳遞和交流。對(duì)于本文設(shè)計(jì)艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試來說，可以精確測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于設(shè)備性能參數(shù)的描述以及保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，ATML技術(shù)特殊在于技術(shù)內(nèi)部交流的信息采用XML文檔，對(duì)于其他格式的文字文件，不具有測(cè)試權(quán)限。另外ATML技術(shù)在接入測(cè)試資源的同時(shí)，不會(huì)更改資源的數(shù)據(jù)源，干擾自動(dòng)設(shè)備內(nèi)部各個(gè)組件的調(diào)用速率，反而會(huì)提高艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與內(nèi)部資源的交互性。ATML技術(shù)對(duì)于測(cè)試自動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的虛擬資源以及信號(hào)提供專有的數(shù)據(jù)支持。

如圖5所示，采用ATML技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)自檢，完成系統(tǒng)調(diào)整并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，保證系統(tǒng)參數(shù)的完整、全面及準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上建立狀態(tài)分量建模，提取艦艇裝備多狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，完成基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，本文進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試。為了使試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)具有科學(xué)性和可信性，本文選用兩個(gè)通過專業(yè)測(cè)試的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)作為試驗(yàn)測(cè)試的對(duì)照系統(tǒng)，分別是基于GPS導(dǎo)航的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)和基于STD的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。

在對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試前，工作人員需要準(zhǔn)備3個(gè)計(jì)算機(jī)、一個(gè)數(shù)據(jù)分析儀以及一臺(tái)艦艇裝備設(shè)備，測(cè)試工作準(zhǔn)備好后，將3個(gè)艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)分別在3個(gè)相同型號(hào)的計(jì)算機(jī)內(nèi)啟動(dòng)，同時(shí)將3個(gè)系統(tǒng)一端接入艦艇裝備設(shè)備的控制中心，另一端接入數(shù)據(jù)分析儀器內(nèi)，測(cè)試環(huán)境搭建成功后，開始進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，本文將測(cè)試時(shí)間、測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)度、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的分析因素。同一時(shí)間開始試驗(yàn)后，工作人員不需要進(jìn)行其他的測(cè)試操作，當(dāng)3個(gè)測(cè)試系統(tǒng)全部向中心提交艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)后，結(jié)束試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析儀分析測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

因?yàn)閷?duì)比測(cè)試的流程具有一定的邏輯性和專業(yè)性，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有可信性。整理試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，得出不同艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的間隔時(shí)間如表1所示。

表1 間歇參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于GPS導(dǎo)航的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的平均測(cè)試間隔時(shí)間為15.4 s，基于STD的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的平均測(cè)試間隔時(shí)間為17.6 s，本文系統(tǒng)的平均測(cè)試間隔時(shí)間為0.49 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)在對(duì)艦艇裝備設(shè)備多個(gè)狀態(tài)共同測(cè)試時(shí)的間斷性較小，測(cè)試效果較好。

在此基礎(chǔ)上測(cè)試不同艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差，即艦艇裝備多狀態(tài)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，通過不同系統(tǒng)對(duì)艦艇裝備多狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比得出。得到實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與基于GPS定位的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試結(jié)果的誤差較大，本文選用艦艇裝備實(shí)際的性能狀態(tài)參數(shù)的均值誤差最小；本文設(shè)計(jì)的基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)在傳統(tǒng)艦艇基本狀態(tài)參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，還增加設(shè)備瞬態(tài)性參數(shù)的測(cè)試，并且每個(gè)狀態(tài)的各個(gè)等級(jí)的性能指標(biāo)都一一對(duì)照列出，使得測(cè)試結(jié)果簡(jiǎn)單化。

表2 測(cè)試系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上可以得出，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)性能比基于GPS定位的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的性能好，具有較高的測(cè)試準(zhǔn)確度和穩(wěn)態(tài)性，可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

通過以上的論述，完成了基于ATML的艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的研究，因?yàn)楸疚脑趥鹘y(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加了艦艇多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)模型，并且重新梳理了ATML技術(shù)測(cè)試資源的邏輯性，使得艦艇裝備多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的反應(yīng)速度最快，性能達(dá)到最佳。將本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)作為研究基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析其他海上航行設(shè)備的多狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，以期提高航行設(shè)備的工作效果，為促進(jìn)海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。