海军远程维修支援保障系统的构建方法研究*

宋 蕾

(91550部队93分队 大连 116023)



海军远程维修支援保障系统的构建方法研究*

宋 蕾

(91550部队93分队 大连 116023)

研究了装备远程维修支援保障系统的支撑技术。分析了远程支援保障的特点,以轴承失效为例,进行了故障树分析和XML语言描述,建立了分布式装备支援保障系统,初步实现了面向舰员的海军运程装备维修支援保障系统的设计。

舰员; 远程维修; 支援保障; 专家诊断

Class Number U674

1 引言

在21世纪,信息网络技术更加广泛、深入地渗透到军事领域,军队的作战方式和手段发生了重大的变化,“网络中心战”正成为主要的作战模式,信息技术是海军获得信息优势和作战能力的主要支柱。

装备技术支援保障是靶场承担的使命之一。在信息化条件下,传统的人员梯队配置、答疑授课、定点保障、后送维修、标校排故的保障模式以及功能单一的维修手段已不能适应“能打仗、打胜仗”的要求。因此,靶场的装备支援保障工作必须着眼于信息化的要求和特点,朝着“信息化、一体化、多元化”方向发展,运用信息技术,实现面向舰员的远程维修支援保障是提高装备综合保障能力的重要途径。

2 远程维修支援保障系统的支撑技术

面向舰员的海军远程维修支援保障系统,是采用与互联网络一致的技术体系,依托军队宽带网实现装备维修的技术支援,利用专家系统提供解决方案,或者直接与后方专家建立实时交互,指导舰员排除故障。这是一个综合性的网络系统,涉及到分布式数据库技术、流媒体技术、ASP.NET技术和XML语言、人工智能专家系统等多个相关领域。

2.1 分布式数据库

2.1.1 分布式数据库的特点

文献[1]对分布式数据库定义为:“分布式数据库是一个数据集合,这些数据在逻辑上属于同一个系统,但实际上又分散在一个计算机网络的若干节点上。”分布式数据具有物理分布性、逻辑整体性、分布透明性、场地自治性和数据冗余性的特点。分布式数据的最大特点是在物理上是分布的,在逻辑上是统一的。

2.1.2 分布式数据库的关键技术

分布式数据库的出现在一定程度上解决了大容量数据的存储问题,非常适合大量海军装备维修数据的存储。为了充分利用这一技术,必须研究它的关键技术[2]。

1) 数据的分割、分布和冗余

为了满足局部自治性,提供高效率与高可靠性,需要分割、(可能冗余地)分布数据。

2) 分布式查询处理

分布式查询分为定位和策略选择。所谓定位,即把用户请求中的数据访问翻译为逻辑节点地址。复杂的请求,可能涉及多个节点,因而要求系统提供一个网络范围的策略。所谓策略选择,即在处理每个用户请求时,网络必须确定一种策略。当一个请求不能由单一的节点完成处理时,称之为复合请求。对于复合请求,网络必须负责把它分解,确定该请求的不同部分在不同节点上完成,完成这个请求是否有特定的顺序要求。

3) 分布并发控制

分布并发控制要解决两方面的问题:一是当多个用户同时读写相同数据时,系统必须做出协调,保证结果的正确性和数据库的完善性,并尽可能地提高并行性;另一方面,在系统中包含冗余数据的情况下,在处理用户的更新操作时,系统也必须以最小的开销保持各冗余副本的一致性。

4) 异质数据库的相联

异质数据库综合已经存储在独立的网络数据库中。这些网络使用独立的模式。异质数据库对存储在局部系统中的数据提供一个总的视图。因此,为建立这样的系统,必须能够构造全局模式。

2.2 流媒体技术

流媒体指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体。流媒体的“流”指的是媒体数据的网络传输方式和播放方式。流媒体对媒体文件采用分组存储技术,当网络用户在调用浏览服务器上的文件时,服务器不是以传统的方式将整个文件发送到用户端后才开始播放,而是把一个文件分成多个较小的部分进行封装、传输,当第一组数据到达客户端后流媒体播放器就开始播放媒体文件。在播放的同时后续数据源源不断地流向用户,直到传送结束[3]。流媒体技术具有实时性和交互性,为远程维修系统的快捷高效提供了技术保障。

2.2.1 实时流式传输

实时流式传输指媒体信号带宽与用户网络连接带宽相匹配,使媒体文件能被实时地观看到。实时流式传输的过程是将音视频文件实时编码,并将文件流直接发送到请求方,特别适合传递现场事件[4]。因此实时流式传输方式比较适合直播,其结构如图1所示。

图1 流式服务网络结构

2.2.2 单播

单播技术是一种单点到单点的数据传输模式。HTTP和FTP等应用协议均采用单播模式。这种模式的缺点是如果多个用户同时请求同一份数据,服务器必须通过网络给这多个用户一次发送多份拷贝,多次占用服务器的I/O资源和网络带宽资源。但是,根据海军装备远程维修的实际,对同一资源同时使用的概率较小,采用单播的方式比较简单和实际。主要原因:这种传输技术仅需要在两台计算机之间进行交换,数据传输的准确性较高。

2.2.3 流媒体传输协议

流媒体传输协议包括实时传输协议(RTP)、实时传输控制协议(RTCP)和实时流放协议(RTSP)[5～7]。系统采用RTP和RTCP协议。

RTP是一种提供端对端传输服务的实时传输协议。它被定义在一对一或一对多的传输情况下工作,其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP本身不能为按顺序传输的数据包提供可靠的传输机制,也不提供流量控制或拥塞控制。提供这些服务的是RTCP。

RTCP和RTP一起提供流量控制和拥塞服务。在RTP会话期间,各个参与者周期性地传输RTCP包。在RTCP包中含有已发送的数据包的数量,丢失的数据包的数量等统计资料。服务器可以利用这些信息动态改变传输速率等。RTP和RTCP配合使用,能以有效的反馈和最小的开销令传输效率最佳化,特别适合传输网上的实时数据。目前RTP/RTCP已经成为流媒体传输使用最广泛的协议。

2.2.4 数据存储

在设计海军远程维修支援保障系统时采用分组存储算法。分组存储算法是将媒体数据按照时序关系分割成若干数据单元,这些数据单元称为分组。将媒体数据按照分组的形式存储于媒体服务器的存储设备上,这一过程称为媒体数据的分组存储。之所以采用该方法,是因为媒体数据一般占用磁盘空间较大,在执行VCR操作时,需要较长时间的缓冲。而采用分组存储的数据,定位简单,利于VCR操作。

2.3 ASP.NET与XML语言

在利用专家系统进行远程维修诊断的过程中,必然面对原始数据的输入、数据库查询匹配、输出结论、保存事例等一系列过程,其中对数据库的检索是信息系统中最为频繁的一种操作,也是最为重要的功能之一,对整个系统的功能和性能有较大的影响。

2.3.1 ASP.NET

ASP.NET是ASP的后继版本。ASP.NET为网站设计人员和网络程序员提供了更简单快捷的开发方法。当前,ASP.NET仅支持完全面向对象的VisualBasic、C#和JVScript。ASP.NET是完全基于组件的,所有的页面、COM对象乃至HTML元素都可以被视为对象。在ASP.NET中可以使用.NET Platform提供的各种运行环境服务,如丰富的类库、数据访问、自动内存管理等,从而可以大大提高开发效率。

2.3.2 XML

XML是针对网络应用的一项新技术。它具有内容和形式的分离、扩展性、跨平台移植性和自描述等特点。XML的较大优势体现在进行数据交换上。在数据表达上,由于XML是数据驱动的,它几乎可以表达任意复杂的数据形式。将XML与HTML相结合,就可以实现传输任意形式的文件、以合理方式管理信息和使信息高度结构化的功能。

2.3.3 ASP.NET与XML之间的联系

ASP.NET中的应用主要是体现在数据访问和Web应用程序方面,ASP.NET的数据来源主要是SQLServer和XML资源。对于数据的操作,ASP.NET是通过ADO.NET对象完成的。XML除了可以作为数据资源的格式以外,在ASP.NET Framework中,还有更为重要的作用,这就是作为服务器和客户端之间的信息交换语言。XML文档通过API接口动态地被应用程序生成,然后由指定的解析器解析文档,将得到的信息转给其他的应用程序来达到信息交换的目的。

2.3.4 DOM与XML文档

DOM是一个程序接口,应用程序和脚本可以通过这个接口访问和修改XML文档数据[8]。DOM接口将XML文档转换为树型的文档结构。对象树是XML文档内元素之间关系的反映,通过对象树,可以访问和修改XML文档的数据。应用程序可以通过树型模型对XML文档数据进行层次化访问。文档中的信息包括数据、数据的意义和数据的关系都由DOM接口转换为树型结构的节点和节点的关系。应用程序通过DOM的各种操作实现对XML文档的操作。

2.4 专家系统

由于海军装备技术密集,舰员在遇到维修困难时,面对的肯定是复杂的诊断问题。所以远程维修支援保障系统的专家诊断系统必须是建立在知识表示及推理机制基础上的复杂的软件系统,必须能解决复杂的故障诊断问题。

专家系统通常由知识库、推理机、综合数据库、人机接口、解释程序和知识获取程序六个模块组成,如图2所示。

图2 专家系统组成图

2.4.1 知识库

知识库是所要求解知识的集合,含有显式地表示的各种知识块,包括基本事实、规则和其它相关信息[9]。专家系统的问题求解是运用专家提供的专门知识来模拟专家的思维方式进行的,这样知识库中拥有知识的数量和质量就成为一个专家系统中系统性能和问题求解能力的关键因素。知识库的建立是建造专家系统的中心任务。

1) 知识的获取

知识库中拥有知识的多少以及知识的质量决定了一个专家系统所具有的解决问题的能力。专家系统在诊断过程中,只有通过不断地扩充知识库才能更好地完成诊断任务。在诊断专家系统中,为完成一个实际的诊断任务,一般认为应具备两类知识,即“浅知识”和“深知识”。浅知识是指故障、征兆和原因等直接相联系的专家启发式经验;深知识是指有关诊断对象的结构和功能的描述知识,通常主要包括设备的结构层次、功能层次和相互间的输入、输出行为关系以及设备本身的工作原理和有关方面所满足的基本科学原理。

2) 知识库的维护

知识库的维护就是指为保证知识库的有效性及规则的一致性所进行的操作。主要是检查知识库中的知识是否具有一致性和完整性,一致性是检测知识库是否有循环规则、矛盾规则、等价规则和子规则;完整性是检测知识库是否有遗漏规则、死子句和不可达子句。其主要操作包括规则的添加、删除和修改。

3) 知识库的基本原则

知识库内容的物理组织依赖于知识的逻辑表示形式。在一定程度上,不同的知识表示模式应有知识库的不同的组织方式。但是,不管怎样组织,都应遵循一些基本原则:

(1)知识库的组织应该保证今后知识库与处理机构的独立性,不会由于知识库内部组织方式的改动而引起知识处理机构的大改动;

(2)要尽量便于今后对知识库的扩充、维护与修改,使今后无论作功能上的扩充,还是作性能上的改进都有可能;

(3)要尽量便于今后对其内容的各种运用和输入输出等;

(4)要考虑到在一个知识库中同时存放多种模式表示的知识的可能。

2.4.2 推理机

推理机主要有调度程序与解释程序组成,是问题求解的核心执行机构。其中应用的是推理技术。

推理技术是构造专家系统推理机的基本技术。推理功能是专家系统的显著特征之一,没有推理机就像专家失去了思维能力一样,将失去专家的作用,推理的主要任务是由事实得出结论、要求增加合适的信息、根据要求对其结论和信息需求进行解释。

从方法上,推理可大致分为三类:基于规则的推理、基于模型的推理和基于事例的推理。

2.5 解释技术

专家系统的特点之一是它具有较好的透明性。所谓透明性是指一个系统的行为及系统自身能被用户所理解的程度。良好的透明性不仅有助于提高系统的可接受性,也有利于调试和维护系统。专家系统解释机制的设计通常与领域模型、领域原理、用户模型和解释策略等四方面因素有关。领域模型包括领域中各种事实和关系的描述,如术语定义、因果关系、层次关系等;领域原理包含领域问题的求解策略和启发性知识;用户模型存放用户的有关知识,根据用户的特征,确定哪些知识需要解释以及解释的深度和复杂性;解释策略根据用户模型和问题求解过程,将一个合适的回答提交给用户[10]。

3 系统分析

3.1 远程维修支援保障的特点

靶场对海军作战部队装备远程维修支援保障是装备保障信息化的必然产物,也是突破传统保障手段的有效方式。从整体设计的角度看,远程维修支援应该突出精确性、远程性和实时性的特点。

3.2 海军装备故障分析与描述

3.2.1 装备故障树设计

故障诊断是一个复杂的过程,一个故障症状可能是一个或多个故障原因产生的,这些故障原因又可分别归属不同的故障子系统。本系统利用故障树的方法描述各种故障之间的关系和故障诊断的流程。以舰船轴承实效为例说明,如图3所示。

图3 轴承失效故障树

3.2.2 基于XML语言描述

在对轴承失效进行故障树分析后,即可用XML语言进行定义标记,进而使整个远程维修支援保障系统组成一个完整的信息体系。下面为轴承故障的XML语言描述。

〈name〉轴承失效〈/name〉

〈reason〉

〈name〉正常磨损〈/name〉

〈/reason〉

〈reason〉

〈name〉冲击震动〈/name〉

〈reason1〉安装失误〈/reason1〉

〈reason2〉过载〈/reason2〉

〈/reason〉

〈reason〉

〈name〉润滑失效〈/name〉

〈reason1〉油质不合格〈/reason1〉

〈reason2〉缺油〈/reason2〉

〈reason3〉油温过高〈/reason3〉

… …

〈/reason〉

进行维修指导的XML文件,就相对简单,用一简单事实为例:

〈/故障〉

〈故障名称〉缺油〈/故障名称〉

〈解决方法〉

〈方法〉加适量润滑油〈/方法〉

〈现象〉加油记录中没有按时加油记录〈/现象〉

〈/解决方法〉

〈解决方法〉

〈方法〉先更换密封圈再加适量润滑油〈/方法〉

〈现象〉有及时加油记录〈/现象〉

〈现象〉有漏油现象〈/现象〉

〈/解决方法〉

〈/故障〉

… …

〈/repairs〉

XML语言的优势在于其标签更符合自然语言,便于舰员级用户的理解与应用。

3.3 分布式支援保障系统的设计

3.3.1 设计原理

为了高效、准确地面向舰员提供支援,远程支援保障系统设计为分布式支援系统,包括局部支援站点和远程支援中心。局部支援站点设计为针对所属范围内的装备特点进行支援的系统,其知识库针对固定的装备进行设计;远程支援中心一方面与诊断专家协作,另一方面与局部支援站点交互,对各局域装备故障特性进行总结,根据设备运行机理,提取各故障知识的本质特征,实现对各局部支援站点的支持。并对局部支援站点的工作进行协调。

3.3.2 结构模型

当前海军武器装备的实际配置和部队的隶属关系呈现出集中分布的特点,决定了远程支援保障系统适合于建设为分布式。结构如图4所示。

图4 分布式远程故障诊断系统

远程支援中心提供广域范围内共享支援的平台,建立资源共享与各支援站点的协作机制,并为局部支援系统提供支持。远程支援中心的核心是诊断专家和故障诊断知识库。故障诊断知识库一方面为设备的故障诊断提供相应的知识;另一方面不断获取各局部支援站点的知识,并对其进行精炼、提取,以丰富自身的知识库,不断提高自身的诊断智能和远程服务能力。

局部支援站点为局部范围内的用户提供在线诊断、维修指导服务。并在必要时,获取远程智能故障诊断系统的支持。各局部支援站点在完成故障诊断的同时获得了大量的设备使用经验及诊断知识,在实际运行过程中对其不断整理、总结后可用来丰富其自身知识库,另一方面同远程智能故障诊断中心相交互,将新知识传递给诊断中心。从而完成了故障知识的获取、维护、传递工作,大大提高了系统的诊断智能。

4 设计与实现

面向舰员的远程维修支持保障系统选用ASP.NET脚本语言、Window2000 Server数据库服务器、IIS5.0 Web服务器和SQL Server2000数据库组合,由舰员端、局域网内的故障诊断专家系统和在线支援系统组成,系统整体结构如图5所示。

图5 系统整体结构图

工作原理为故障现场的舰员对故障进行初步分析和判断,如果属于舰员级,在自己维修能力范围之内,就现场解决,如果不清楚故障原因,不能找到维修方案,则首先通过支援入口登录远程支援系统专家系统模块(在局域服务系统还是在中心系统中进行运算,由系统自行完成),如果能够得到维修资料,则按其执行。如果专家系统无法诊断,则通过中继的组织启动在线诊断程序,由后方维修人员和技术专家进行远程“会诊”,如果发现故障,则研究其维修方法,并将该方法以声、图、文的方式传给维修现场,指导装备维修人员进行维修。

5 结语

论文通过运用多项研究技术,探讨和实现了将多媒体信息管理系统和专家系统相结合,构成了一种功能更全面、实用性更强的故障诊断专家系统和在线支援系统。即在系统中选用了分布式支援的方式,详细研究了流媒体技术,并以专家系统原理为基础,分别将数据库技术、网络数据库技术和多媒体信息管理与之相结合,作为系统开发的技术手段,设计和实现了一种故障诊断专家系统和在线诊断相结合的远程支援系统。

远程维修支援系统是现代装备管理保障的一个发展趋势,它涉及到计算机网络、数据库、多媒体、专家系统以及故障诊断等多个知识领域。因此,建立一个比较完善的实用的远程维修支援系统是一个技术难度很高的复杂工作。在论文研究的基础上,可以进一步探讨多媒体数据库存储、传输的压缩策略问题;在实时诊断方面,将现场状态监测和虚拟技术相结合,进一步探讨远程传输的实现问题。

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[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,工程师,研究方向:导弹武器系统。

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.003