基于5G技术的装备远程故障诊断系统设计

夏云鹏

摘要：随着我国军事力量的不断发展和军事理念的变革，装备维修保障的重要性越来越突出，保障工作面临着巨大的挑战，对装备维修保障的模式提出了更高的要求。为适应新形势下装备保障工作发展的需要，结合5G通信技术的发展和普及，本文设计一套基于5G技术的装备远程故障诊断系统，该系统能够在大幅度降低装备日常维修保障成本的同时，能够及时、有效的解决装备故障问题，对于提升装备的保障能力、保证装备战备完好性、使装备保持战斗力方面具有重要的实用价值。

关键词：5G;装备;远程;故障诊断

中图分类号：TP206.3

0  引言

随着我国军事现代化的不断发展，功能强、复杂程度高的大批量武器装备已在海军各个战区、岛礁等属地装备和使用，为保障装备效能发挥，装备交付后的维修保障工作尤为重要！装备维修保障长期以来受技术手段的限制，主要依靠技术专家到现场进行维保。随着某型武器装备部署规模的扩大、训练强度以及演习任务的增加，这种保障模式就面临巨大挑战，亟需提升保障技术手段与部队装备保障的及时、有效性要求相适应[1-4]。近年，随着移动通信技术的不断进步，5G移动通信技术体系的蓬勃发展为装备远程诊断的实现提供了可能。5G技术指的是第五代移动通信技术，其主要有一是数据传输速率高，二是大容量，三是低延时[5-6]等特点，能够满足海量数据远程传输的需求。

因此，本文针对5G和远程诊断技术进行研究，设计一套基于5G技术的武器装备远程诊断系统，在技术专家不在现场的情况下，通过技术专家与远程现场维修人员的远程信息交互、远程诊断、远程协同实现远程维保，及时、有效解决装备故障问题，提升武器装备的保障效率和保障能力。

1  系统组成及功能

基于5G技术的装备远程诊断系统主要由5G头盔、5G网络和控制协作中心三部分组成，系统总体组成如图1所示。

远程现场人员通过佩戴的5G头盔，采集现场高清视频，并通过5G网络实时传输至远端控制协作中心。远端控制协作中心的专家以第一视角观看现场视频并指挥现场人员完成维修任务，并可对装备故障情况进行收集、整理和分析形成装备故障知识库，装备出现故障时，专家系统可通过模糊匹配等方法识别故障并确定故障原因提出参考解决方案。

远程现场5G头盔的主要功能是采集4K高清视音频并经压缩编码加密后传向控制协作中心，并在控制协作中心回传信息时完成接收和显示。作为5G终端，5G头盔采用4K高清摄像头，并配备白光灯和激光指示灯作为辅助照明和激光定位，白光灯在晚上或光线不足的情况下自动开启，为5G头盔提供充足的光照度支持，保证传回的4K实时高清视频的亮度和品质，激光指示灯的主要功能是为实时视频取景和故障点地位提供参考。

控制协作中心作为5G远程诊断系统的管理应用平台，是整个5G远程诊断系统的指挥和控制中心，主要功能是使用局端5G终端设备接收从远程现场5G头盔传来的4K实时高清视音频，以维修者的第一视角清晰获知现场情况，经专家分析判断后给出装备故障诊断意见并远程指导维修。

2  系統设计和实现步骤

2.1 5G头盔

5G头盔采用便携式分体设计，方便穿戴和随身装备，可解放双手方便维修操作，适用于远程现场维修人员完成专业维修任务，主要包括4K高清摄像头、主处理器、5G工业模组、国密安全模块、激光指示器、LED白光灯、存储器、耳麦和蓝牙模块等。其他外围电路还包括：HDMI输出接口、电源转换电路和程序调试与下载电路等。

5G头盔的核心硬件设计分别选择HUAWEI MH5000-31 5G工业模组和Hisilicon Hi3559AV100芯片组合作为通信和主控处理器芯片。

1）Hi3559A主处理器

主处理器选用Hi3559AV100芯片，是专业的 8K Ultra HD Mobile Camera SOC，它提供了 8K30/4K120 广播级图像质量的数字视频录制，支持多路 Sensor 输入，支持 H.265 编码输出或影视级的RAW 数据输出，并集成高性能 ISP 处理，同时采用先进低功耗工艺和低功耗架构设计，为用户提供了卓越的图像处理能力。基于5G技术的装备远程诊断系统的Hi3559AV100主处理器芯片的系统设计图见图3。

2）MH5000 5G工业模组

5G工业模组选用HUAWEI MH5000-31模组，此工业模组核心采用华为巴龙5000芯片，核心器件包括主芯片、PMU、射频等完全自主可控;支持NSA/SA双模，帮助客户灵活接入不同5G模式网络，支持5G SA网络建设;支持单芯全模，2G/3G/4G/5G全兼容，直接同步5G网络同步覆盖节奏，保护客户设备投资。下行速率达到2Gbps，上行速率高达230Mbps，满足行业应用的高带宽要求，模块电路框图如图4所示。

2.2 控制协作中心

控制协作中心由5G终端设备、4K高清视频监视器（或大屏）、专用服务器和网络交换机等硬件设备等组成。控制协作中心5G终端设备主要器件与5G头盔基本一致，主要作用是接收从认证过身份的5G头盔设备传输过来的4K实时高清视音频信号，完成硬件的解码解密后输出至4K高清视频监视器（或大屏）进行显示。在控制协作中心，专家以第一视角观看从5G头盔传输的现场实时视频，并指挥现场工作人员完成故障定位和维修任务。

远程指导指令是通过控制协作中心的5G终端向远程现场发送远程指导4K高清视音频信号，信号通过5G网络传输到5G头盔后通过耳麦和显示屏远程指导维修人员完成维修工作。图5所示为5G终端设备接收4K高清视音频系统图。

3  关键技术及解决措施

3.1 数据安全

在核心网网络服务安全保证的情况下，基于5G技术的装备远程诊断系统设计应用相应的软硬件加密措施，以保证武器装备远程诊断各项业务操作的保密安全。

在本项目中，5G头盔及控制协作中心的硬件设备都包含一款用于4K高清视音频传输数据安全的国密安全模块电路，在硬件层面做相应的加密处理，硬件加密技术满足相关加密标准，确保在设备硬件层面不泄密。

基于5G技术的装备远程诊断系统设计具有三重硬件加密机制和私有软件加解密机制：

（1）核心处理器HI3559A内置硬件加解密。可以硬件实现AES/DES/3DES三种加密算法，实现RSA1024/2048/3072/4096签名校验算法，实现HASH防篡改算法，支持HASH的SHA1/224/256/384/512、HMAC_SHA1/224/256/384/512算法;

（2）5G模组内置软硬件双重加解密机制及空口传输保护;

（3）外扩专用国密安全模块TF32A09，实现身份认证和数据加密功能。设备身份认证流程如图6所示。

3.2小型化设计

5G头盔为可穿戴设备，设计以安全可靠、使用便捷为目标，重量大约500克左右，重量轻尺寸小便于使用，从LED白光灯、激光指示器、摄像头安装、供电和散热等多方面综合考虑后完成小型化结构设计。

硬件电路电路板为模块化设计，安装在与5G头盔连接的5G终端设备机壳内，考虑到尺寸、散热和天线接收效率等因素，将主处理器模块、4K高清摄像头采集模块、5G模块、天线模块等分别设计，并合理安排模块尺寸和安装位置。天线接收效率对性能影响很大，采用内置8根共形天线的设计思路，并通过各种调节，提高效率，降低辐射。

供电方面，支持外接电源适配器和电池供电两种方式，供电电池封装后内置于5G终端设备中，5G终端设备使用专用电缆与5G头盔相连接，使用时挂在工作人员腰间。

散热方面，在头盔正面设计两道进气孔，在头顶处安排散热通道，保证整体散热良好，工作可靠。

4  结束语

基于5G通信技术，本文设计开发了一套装备远程故障诊断系统，通过进行系统的原理设计、主要电路设计等环节，实现了远程视频及音频的传输、远程信号传输等功能。该系统能够改变传统的装备现场保障的模式，实现对装备进行远程诊断的功能，达到节约装备保障成本，提升装备保障效率，促进戰备完好性的目标，能够适应海军数字化、信息化保障建设的需要，具有较大的实用性。

参考文献

[1]陈海岳，龙希望，黄高明.舰船装备远程故障诊断系统设计[J].舰船电子工程，2008.

[2]缪德志，严骏，贺伟雄，陈维常，韩鹏.某重型舟桥远程故障诊断系统设计[J].装备制造技术，2017.

[3]李胜德，张远，赵丽媛.基于4G网络的起重机远程诊断系统[J].起重运输机械，2016.

[4]陈吉龙，滕林，武迎春，于津仟.基于4G通信的远程诊断系统研究[J].工程与试验，2015.

[5]杨红梅，黄红艳.5G网络安全关键技术及标准化进展[J].信息通信技术与政策，2019.

[6]常秀颖，夏瑞雪.5G无线网络及其关键技术[J].通信电源技术，2019.