柏 苗,楊 丹,范明虎,劉麗冰

(西南計算機有限責(zé)任公司技術(shù)中心,重慶 400060)

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

目前,我軍電子信息裝備的遠程維護保障技術(shù)還處于比較落后的階段,現(xiàn)役裝備在數(shù)據(jù)采集方面存在一定的設(shè)計不足,維護保障自動化系統(tǒng)和軍地維護保障網(wǎng)絡(luò)尚未建立,產(chǎn)品全壽命階段的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、遠程狀態(tài)監(jiān)控和維護支持技術(shù)未進行深入的研究和應(yīng)用,只是簡單地改造現(xiàn)役裝備信息系統(tǒng),這導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)種類不豐富、覆蓋面不全、數(shù)據(jù)量有限,不足以支撐基于狀態(tài)的維修保障技術(shù)。

隨著電子信息裝備信息系統(tǒng)的不斷建設(shè)發(fā)展,同時，隨著“裝備云”體系的逐步成熟,基于大數(shù)據(jù)平臺的遠程故障預(yù)測與分析對裝備保障起著至關(guān)重要的作用。因此,建立統(tǒng)一的電子信息裝備數(shù)據(jù)采集規(guī)范體系和形成較為成熟、好用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),對于提升電子信息裝備的保障能力具有重要意義。

本文通過選取典型電子信息裝備作為研究對象,對裝備的初始化設(shè)置參數(shù)、運行狀態(tài)、外部環(huán)境(溫度、濕度、氣壓)等信息進行統(tǒng)計,并梳理出維修保障數(shù)據(jù)采集表。針對采集信息表,設(shè)計智能傳感盒及維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在邊緣層對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,并上報至“裝備云”大數(shù)據(jù)平臺。

1.1 總體框架

最近十幾年來,分布式存儲、大數(shù)據(jù)分析、云計算、虛擬化、邊緣計算、深度學(xué)習(xí)等先進理念和技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了較好發(fā)展。我軍的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)充分借鑒了各種技術(shù)在民用領(lǐng)域的成果,構(gòu)建了基于“裝備云”的網(wǎng)絡(luò)信息體系?！把b備云”具備“物理分布、邏輯一體、架構(gòu)一致”的“1+N”體系。該體系支持微服務(wù)架構(gòu),可以逐步形成對全軍的信息服務(wù)能力。在組網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)方面,在傳統(tǒng)軍事綜合信息網(wǎng)的基礎(chǔ)上還可以靈活利用多種組網(wǎng)方式,如北斗衛(wèi)星組網(wǎng)、大S衛(wèi)星通信組網(wǎng)、軍用CDMA組網(wǎng)。在局部區(qū)域,也可以利用LTE進行區(qū)域組網(wǎng)。在整個網(wǎng)絡(luò)中,采用了VPN、加密解密、物理隔離等密碼學(xué)通信技術(shù),保證了通信安全。各種終端可以在不同的場所,比如固定場區(qū),機動環(huán)境下實現(xiàn)快速的按需接入。在應(yīng)用方面,借鑒了當(dāng)前移動互聯(lián)網(wǎng),APP應(yīng)用等技術(shù),通過開發(fā)各種專用APP,并部署和配置在各種專用的信息終端,如武器平臺、業(yè)務(wù)機關(guān)、裝備保障隊等,實現(xiàn)了移動互聯(lián),終端和云平臺的快速數(shù)據(jù)交互。“裝備云”采用“云、網(wǎng)、端”一體化系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)了安全可靠,隨需接入,應(yīng)用多樣,實時采集等功能。

基于“裝備云”的維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。根據(jù)裝備現(xiàn)場維修保障需求,智能傳感盒可通過有線方式與現(xiàn)場的便攜式計算機連接;也可直接通過無線方式接入“裝備云”,與大數(shù)據(jù)診斷中心或維修保障專家互聯(lián)。

圖1 維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框架

智能傳感盒通過串口接收便攜式計算機的配置命令和數(shù)據(jù)采集命令,通過網(wǎng)口、RS232串口等通用接口采集被測裝備BIT狀態(tài)信息,通過傳感口采集被測裝備外部供電電壓、電流,外部環(huán)境(溫度、濕度、氣壓)信息,通過無線接口(民用3G/4G、軍用LTE)上報采集數(shù)據(jù)到“裝備云”;便攜式計算機上的維修保障數(shù)據(jù)采集軟件作為前端APP可以對采集到的維修保障數(shù)據(jù)進行顯示、存儲并發(fā)送。維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與診斷、遠程數(shù)據(jù)采集與診斷、運行狀態(tài)定期監(jiān)控與記錄三種典型應(yīng)用場景。

1.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與診斷

1)加電,啟動智能傳感盒,并完成狀態(tài)自檢;

2)現(xiàn)場的便攜式計算機根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需要,向智能傳感盒發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令;

3)智能傳感盒接收現(xiàn)場的便攜式計算機發(fā)來的狀態(tài)感知命令后,按照系統(tǒng)信息交換編碼協(xié)議,完成命令解析;

4)根據(jù)被測信息裝備維修保障數(shù)據(jù)的輸出條件,可通過向被測裝備發(fā)送測試信令或通過直接讀取布設(shè)機內(nèi)、外的傳感器信息,獲取裝備主要電路的運行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù),并完成數(shù)據(jù)處理;

5)智能傳感盒按信息交換編碼規(guī)則將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)組織成格式化報文,實時發(fā)送給便攜式計算機;

6)便攜式計算機對智能傳感盒傳來的裝備狀態(tài)信息進行解析、處理、存儲,輔助現(xiàn)場維護人員完成信息裝備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等。

1.3 遠程數(shù)據(jù)采集與診斷

1)便攜式計算機通過“裝備云”申請遠程技術(shù)支持;

2)智能傳感盒接入“裝備云”,接收裝備承研承制單位技術(shù)專家通過固定式遠程計算機發(fā)來的狀態(tài)感知命令,按照系統(tǒng)信息交換編碼協(xié)議,完成命令解析;

3)根據(jù)被測信息裝備維修保障數(shù)據(jù)的輸出條件,可通過向被測裝備發(fā)送測試信令或通過直接讀取布設(shè)機內(nèi)、外的傳感器信息,獲取裝備主要電路的運行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù),并完成數(shù)據(jù)處理;

4)智能傳感盒按信息交換編碼規(guī)則將處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)組織成格式化報文,實時發(fā)送并存儲到云端的數(shù)據(jù)庫;

5)裝備承研承制單位技術(shù)專家通過固定式遠程計算機訪問裝備云端的數(shù)據(jù)庫,獲取智能傳感盒傳來的裝備狀態(tài)信息,并完成解析、處理,完成對信息裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)的遠程采集,從而遠程輔助現(xiàn)場維修人員完成故障診斷。

1.4 運行狀態(tài)定期監(jiān)控與記錄

1)加電,啟動智能傳感盒,完成狀態(tài)自檢;

2)根據(jù)被測信息裝備維修保障數(shù)據(jù)的輸出條件,可定期向被測裝備發(fā)送測試信令或通過直接讀取布設(shè)機內(nèi)、外的傳感器信息,獲取裝備主要電路的運行狀態(tài)參數(shù)及環(huán)境參數(shù),并完成數(shù)據(jù)處理;

3)將處理完的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲在本地磁盤上;

4)根據(jù)需要導(dǎo)出磁盤上存儲的數(shù)據(jù),輔助維修人員定期檢查裝備運行狀態(tài)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 數(shù)據(jù)采集參數(shù)體系模型

目前，裝備采集的狀態(tài)信息很多是為裝備內(nèi)部監(jiān)控分析所用,沒有為外部統(tǒng)一規(guī)劃使用。為此,本文中要求對多種電子裝備的電特性信號、工作狀態(tài)、外部環(huán)境及使用狀況等多維度狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集與感知。對電子裝備的工作狀態(tài)等信息的采集,用在線測試(BIT)方式對電子裝備的電特性信號的采集,采用智能傳感器技術(shù),通過在相應(yīng)的位置加裝相應(yīng)的傳感器,來完成對被測裝備相應(yīng)物理信號的實時采集，從而構(gòu)建一個基于不同接口和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息采集鏈路。通用信息裝備采集參數(shù)體系如圖2所示。

圖2 通用信息裝備采集參數(shù)體系模型

典型信息裝備維修保障數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。其中,靜態(tài)數(shù)據(jù)包括裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、裝備戰(zhàn)技指標、裝備拓撲結(jié)構(gòu)、性能功能、使用環(huán)境、運行條件等信息,可通過人工方式遠程錄入;動態(tài)數(shù)據(jù)采集包括運行狀態(tài)、地理位置等,可通過讀取裝備BIT信息或獲取傳感器信息兩種方式完成對信息裝備工作狀態(tài)信息的動態(tài)采集。

機內(nèi)測試(BIT)是指系統(tǒng)主裝備不用外部測試就能完成對系統(tǒng)、分系統(tǒng)或裝備的功能測試、故障診斷與隔離及性能測試,它將包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等在內(nèi)的智能理論應(yīng)用到裝備設(shè)計、檢測、診斷等方面,提高自測試自診斷的綜合效能,從而降低裝備全壽命周期費用。

BIT信息采集主要是采用連續(xù)或定期監(jiān)測裝備的關(guān)鍵性能參數(shù)和功能參數(shù),確定電子信息裝備的工作狀態(tài),對電子信息裝備的各種信號和參數(shù)進行測量,并根據(jù)專家知識庫進行分析、診斷和隔離，預(yù)測故障的發(fā)展趨勢,根據(jù)所設(shè)計的BIT執(zhí)行流程,在工作狀態(tài)下采取一定的維修決策,如轉(zhuǎn)換到冗余單元、及時修復(fù)、不影響繼續(xù)工作等。

傳感器信息采集是通過在被測裝備內(nèi)、外布設(shè)傳感器或傳感電路進行信息采集，對被測裝備的動態(tài)采集測試數(shù)據(jù)進行分析并診斷。使用環(huán)境、運行條件中供電方式、板件溫度通過布設(shè)傳感器采集。運行狀態(tài)中功能板卡工作時序參數(shù)通過布設(shè)傳感電路方式采集。地理位置中經(jīng)度、緯度通過布設(shè)北斗模塊方式采集。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模型

在基于“裝備云”的維修保障體系下,需要維護及采集的裝備眾多,如果將所有原始數(shù)據(jù)都放到“裝備云”進行處理和分析,計算存儲資源的需求較大,會耗時較多,增加了網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力。

邊緣計算目前在分布式架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的使用。通過提前訓(xùn)練好模型并部署在智能傳感盒中,智能傳感盒就可作為邊緣計算的處理設(shè)備對采集到的數(shù)據(jù)進行實時預(yù)處理。這樣的好處一是提高了數(shù)據(jù)預(yù)處理的實時性,數(shù)據(jù)的預(yù)處理發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)的邊緣,而不再需要在服務(wù)器端再進行處理;二是降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力,只有經(jīng)過預(yù)處理判斷有效的數(shù)據(jù)才會通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸;三是緩解了服務(wù)器端/集群的計算壓力,服務(wù)器的計算能力可以用于其他的計算任務(wù)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不暢時,數(shù)據(jù)無法上傳到“裝備云”時,及時有效地發(fā)現(xiàn)并處理裝備故障,才不會對裝備本身或者人員造成傷害,本文利用存在本地的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對故障進行診斷,主要的實施步驟如下:

1)對電子信息裝備數(shù)據(jù)進行采集,包括過去的調(diào)試與試驗記錄中搜集的數(shù)據(jù)、制造某個故障讓其運行,按一定采樣頻率采集的數(shù)據(jù),越多的數(shù)據(jù)越有利于數(shù)據(jù)特征的提取。

2)在分析和處理數(shù)據(jù)之前,為保證最終結(jié)果的合理性以及可信度,需要對原始數(shù)據(jù)進行異常值剔除操作,即運用異常值剔除算法完成數(shù)據(jù)預(yù)處理;

假設(shè)樣本數(shù)據(jù)為

={，，，…，}，≤≤≤…≤

中位數(shù)的計算如下:

下四分位數(shù)是[，]的中位數(shù),上四分位數(shù)是[，]的中位數(shù),求出和。

四分位數(shù)間距的計算如下所示:

=-

+15和-15稱為內(nèi)限,+3和-3稱為外限。處于內(nèi)限以外的數(shù)據(jù)都是異常值,處于內(nèi)限和外限中間的異常值是溫和的異常值,處于外限以外的異常值是極端的異常值。數(shù)據(jù)的有效區(qū)間為[-15,+15]。當(dāng)數(shù)據(jù)處于有效區(qū)間內(nèi),數(shù)據(jù)正常;當(dāng)數(shù)據(jù)處于有效區(qū)間外,數(shù)據(jù)異常。

3)對數(shù)據(jù)集進行特征提取和特征篩選,搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涉及的訓(xùn)練模型眾多,計算量大,在邊緣設(shè)備端采用“裝備云”已訓(xùn)練模型進行搭建，模型的訓(xùn)練用到了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),而深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整又用到了反向傳播算法。反向傳播算法分為反向傳播過程和正向傳播過程。通過反向傳播過程來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中連線的權(quán)重,提高模型識別的準確率。當(dāng)模型訓(xùn)練好之后,將模型從未見過的新數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過前向傳播過程輸出一個概率值，概率值最大的結(jié)果,就是模型對這個數(shù)據(jù)的分類判斷結(jié)果。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真驗證

3.1 仿真環(huán)境

電子信息裝備維修保障數(shù)據(jù)采集技術(shù)仿真驗證環(huán)境如圖3所示。遠程維護保障技術(shù)支援包括遠程綜合故障診斷終端、數(shù)據(jù)搜集與分析終端、遠程狀態(tài)監(jiān)視終端、維修決策及評估報告終端、遠程教學(xué)終端、測試數(shù)據(jù)分析終端、備件管理庫以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸與處理。維護保障移動站包括移動智能感知設(shè)備(智能傳感盒),遠程維護終端。各個維修站點及維修中心內(nèi)部的各終端、服務(wù)器、交換機、路由器等設(shè)備通過電纜連接,對外接入民用3G/4G,構(gòu)建電子信息裝備遠程維護保障演示驗證系統(tǒng)。智能傳感盒的數(shù)據(jù)采集支持網(wǎng)口、串口、USB口、K口、A口、遠傳口等多種感知接口,支持有線、無線數(shù)據(jù)傳輸方式,能夠?qū)崿F(xiàn)對被測電子信息裝備的電特性信號、工作狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境及使用狀況等多維度狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、處理與傳輸。

圖3 維修保障數(shù)據(jù)采集技術(shù)仿真驗證環(huán)境

3.2 維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)主要依靠維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件來完成,能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)上報給大數(shù)據(jù)診斷中心或遠程保障計算機,為電子信息裝備遠程維護保障技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的體系架構(gòu)如圖4所示。維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件由信息裝備數(shù)據(jù)采集軟件和信息裝備數(shù)據(jù)監(jiān)控管理軟件組成。

圖4 維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)

信息裝備數(shù)據(jù)采集軟件包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、預(yù)測診斷、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)收發(fā)、授時服務(wù)及定位服務(wù)等功能。數(shù)據(jù)采集作為最重要的功能,主要完成對被測裝備群路A接口功能、電臺接口等功能指標的狀態(tài)采集;裝備編號、裝備類型等運行條件的狀態(tài)采集;端口及板件的狀態(tài)采集及被測裝備的整機電壓、電流、溫度等傳感器數(shù)據(jù)及MCS板、PTC版等關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)預(yù)處理完成對傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)解析、分類、融合和標識;預(yù)測診斷完成現(xiàn)場裝備故障診斷的分類預(yù)測;數(shù)據(jù)存儲完成將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中;數(shù)據(jù)收發(fā)按照接口傳輸協(xié)議,完成各項采集命令的打包并發(fā)送,以及對各項數(shù)據(jù)上報信息進行解析并接收;授時服務(wù)完成系統(tǒng)時間的設(shè)置;定位服務(wù)完成經(jīng)度、緯度、地形地貌、海拔高度等數(shù)據(jù)的采集。

信息裝備數(shù)據(jù)監(jiān)控管理軟件包括數(shù)據(jù)導(dǎo)出、網(wǎng)絡(luò)配置、北斗管理、用戶管理及端口監(jiān)控與訪問。數(shù)據(jù)導(dǎo)出將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示并按照特定格式存儲在本地,提供按需導(dǎo)出功能;網(wǎng)絡(luò)配置完成IP地址、系統(tǒng)時間、采集參數(shù)、采集頻率的設(shè)置;北斗管理完成對北斗信息的配置;用戶管理完成對訪問者權(quán)限的設(shè)置;端口監(jiān)控與訪問完成對網(wǎng)口、采集板串口、專用口等端口的打開、讀寫功能。

維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件按照采集數(shù)據(jù)方式、采集數(shù)據(jù)種類可以分為傳感器采集數(shù)據(jù)表、功能參數(shù)表、設(shè)置運行交互模式表、MCS板工作時序表、PTC板工作時序表、VOIP板工作時序表、HDSL板工作時序表、CHR板工作時序表、GPP板工作時序表、A口板工作時序表、HUB工作時序表、K口板工作時序表、V口板工作時序表、RDC板工作時序表、 電源板工作時序表、端口及板件狀態(tài)表、北斗地理位置表。以端口及板件狀態(tài)表為例,屬性描述如表1所示。

表1 端口及板件狀態(tài)屬性表

3.3 維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口

HTTP協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,是客戶端與服務(wù)端之間完成請求與應(yīng)答的一個標準。通常情況下,服務(wù)器端處于運行狀態(tài);客戶端發(fā)起請求,建立一個指向服務(wù)器特定端口的TCP連接;服務(wù)器端根據(jù)客戶端的請求產(chǎn)生相應(yīng)的回應(yīng)。HTTP接口常用于不同系統(tǒng)之間的對接,由于開發(fā)與調(diào)用非常方便,HTTP接口應(yīng)用十分廣泛。

但HTTP協(xié)議以明文方式發(fā)送內(nèi)容,不提供任何方式的數(shù)據(jù)加密,如果攻擊者截取了傳輸內(nèi)容,就可以直接讀懂其中的信息,因此,本文選用HTTPS 協(xié)議作為數(shù)據(jù)上傳協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)安全性。如圖5所示,維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)上報時,采用HTTPS v1.1協(xié)議,Restful規(guī)范進行信息交互,傳輸層端口可配置。在HTTPS頭部自定義字段中定義token字段,作為應(yīng)用APP與后端平臺建立連接的唯一標識。

圖5 維修保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口圖

4 結(jié)束語

論文結(jié)合電子信息裝備的運行及故障特點,從維修保障數(shù)據(jù)分析方法到數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)入手,為遠程信息感知、診斷決策提供了準確的數(shù)據(jù)支撐,通過系統(tǒng)仿真驗證,證明其研究成果可用于支持未來基于云架構(gòu)、大數(shù)據(jù)的裝備遠程維修保障系統(tǒng)工程建設(shè)中,而且可以指導(dǎo)后續(xù)的信息類裝備產(chǎn)品在測試性、保障性、維修性方面的設(shè)計,為我軍武器裝備信息化遠程維護保障的后續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)參考和研究方向。