摘要：通信设备是保证舰船安全顺利航行的重要保障，一旦发生故障，将与外界失去联系，对正常的航行造成较大的影响，需要及时进行故障的诊断。舰载通信设备一般存在定位、隔离困难的难题，故障的诊断难度较大，针对这一情况，本文基于人工神经网络及专家系统，设计了一种舰载通信设备故障诊断系统，实现了通信设备故障的诊断定位，提高了舰船通信设备的保障水平。
【关键词】舰载通信设备；故障诊断；人工神经；网络；专家系统
1引言
随着通信技术的不断发展，舰载通信设备日趋完善，涵盖长波、短波、超短波、微波等多个频段，为舰船的航行提供了重要的保障。但随着舰载通信设备种类的增多，不同设备的维护要求不同，这给故障的诊断和定位带来了难题。本文针对舰载通信设备的故障诊断问题，基于人工神经网络及专家系统，设计了一种舰载通信设备的故障诊断系统。
2相关技术的简介
2.1人工神经网络
人工神经网络是一种信息处理角度对人脑神经网络的抽象，其作为一种计算模型，由大量的节点组成。人工神经网络作为一种非线性系统，网络的状态随时间发生非线性变化，因此其能够克服传统线性系统的弊端，具有较快的检索速度。BP神经网络作为典型的人工神经网络，主要由输入层、隐含层和输出层三个神经元层组成，其中各层的节点间相互关联，同一层的节点间不发生关联。神经网络模型能够将复杂的状态特征信息作为输入，并将其转化为逻辑输出值：通过对大量试验样本的训练，神经网络能够对不同路径权重的调整，最终建立输入状态量与输出逻辑值间的关系。
2.2专家系统
专家系统是一种具有大量知识和经验的计算机系统，主要有知识库和推理机两大部分组成，能够根据知识库中的已有知识，通过推理机模拟人类专家的决策过程，进而实现复杂问题的解决。知识库是专家系统中用来存储知识的数据库，知识库中知识的质量和数量直接决定着专家系统的决策水平和质量。一般来说，知识库与专家系统保持相对独立，用户通过对知识库的丰富可以实现专家系统性能的提高。推理机是针对输入的状态和条件，通过匹配知识库中的相应知识，反复推理最终得到推理结果的机制。推理机一般包括正向推理和逆向推理两种推理方式：正向推理是从输入的状态出发，在知识库中匹配相应的规则，并利用冲突消除机制，挑选最匹配的规则执行，待输入状态改变后，反复对知识库匹配迭代，最终得到与目标一致的结果或知识库不存在匹配规则为止；逆向推理是从目标出发，在知识库中匹配输出结果为已知目标的规则，并将该规则的输入状态作为新的目标，对知识库中的规则进行反复匹配，直到得到与输入状态一致的状态或不存在匹配规则为止。
3舰载通信设备故障诊断系统的设计
舰载通信设备故障诊断系统需要实现舰载通信设备的故障检测、故障识别以及故障评估等功能。故障检测环节通过对通信系统的输入和输出信号进行实时的采集，进而计算得到用于表征通信设备偏离正常状态程度的余差，并用于故障的识别；故障识别需要利用知识库中的先验知识，运用推理机按照一定的规则对系统的状态进行决策，诊断故障的种类、故障的位置以及故障程度等；故障评估是根据故障识别得到的故障信息，对故障的危害和进一步发展趋势进行预测和评估，为决策者提供支持。舰载通信设备故障诊断系统的故障诊断流程如图1所示。首先通过接口模块接收舰载通信设备的数据，之后运用推理机对获取的设备数据进行检测，并与知识库中的先验知识进行匹配，根据特征的相似程度最终确定故障的类型、范围等信息，实现故障的诊断功能。基于推理机的逻辑推理机制是影响故障诊断系统性能的重要因素，本文设计系统采用模糊推理与精确推理相结合的推理模式，大大提高了诊断的速度和准确性。首先利用模糊推理将通信设备整机的故障信息模糊化，并与模糊知识库进行匹配，具有较快的匹配速度和较好的匹配性能，避免了故障的漏判；其次利用通信设备模块的精确故障信息进一步与知识库进行比对，最终得到实现故障的定位与诊断。
3.1硬件部分设计
系统硬件部分主要负责通过各类传感器实现舰载通信设备相关数据的实时采集，并按照设计的逻辑规则，对数据进行处理和传输，最终实现故障的诊断。根据功能不同，系统硬件部分主要可以分为控制模型、测量模块、电源模块等部分组成。3.1.1控制模块控制模块是整个舰载通信设备故障诊断系统的核心控制单元，负责协调实现整个系统的各项功能。本文选用了ARMMICRO2440A作为主控单元，具有较强的数据处理性能，能够满足故障诊断系统的数据运算需要，并且本文还在主控单元中嵌入了WinCE操作系统，以便于对整个系统的控制与管理。3.1.2测量模块测量模块主要包括各类数据采集设备，一般包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、风机转速传感器、频谱分析仪等，主要负责采集舰载通信设备运行过程中的各类数据信息。在系统设计时，需要根据舰载通信设备的特点，合理地选择数据采集设备的型号，科学地设计布局，既保证有效数据的采集，又尽量避免冗余数据的采集。3.1.3总线模块总线模块是指诊断系统内各功能模块间的信息传输通路，主要负责配合主控单元，通过RS232以及1394接口，实现故障诊断系统内各功能模块间的数据交互与传输，协调整个系统完成故障的诊断。3.1.4电源模块电源模块是为舰载通信设备故障诊断系统的供电提供智能化管理的模块，主要具有两方面的任务：一方面，为了保证诊断系统的稳定可靠运行，电源模块需要保证可靠的电压和电流输出；另一方面为了避免电源对故障诊断的影响，电源模块还需要保证较小的电压和电流波动。
3.2软件部分设计
系统软件部分主要负责对硬件部分采集到的舰载通信设备的各种运行数据进行处理和分析，并运用推理机基于先验知识库完成设备故障的诊断。根据功能不同，系统软件部分主要包括人机交互模块、推理诊断模块以及知识库等几部分组成。3.2.1人机交互模块人机交互模块设计主要是指系统的人机交互界面设计。为了实现舰载通信设备故障的形象展示，便于相关人员及时发现、了解、掌握故障的位置和基本情况，本文在故障诊断系统中设计了人机交互界面。通过人机交互界面，相关人员可以了解舰载通信设备以及故障诊断系统的实时运行状态，并且当诊断出故障时，界面还将通过弹窗提醒等方式提醒工作人员故障的相关信息。3.2.2推理诊断模块推理诊断模块是系统故障诊断的核心逻辑判断模块，其通过将信号处理得到设备特征信息与知识库中的相关数据进行匹配，并对匹配结果进行一系列的逻辑推理和判断，最终诊断出故障的类型和位置。为了在故障诊断的基础上实现故障位置的定位，系统在推理诊断模块中设计了设备整机故障诊断和模块化的故障诊断两种诊断逻辑。设备整机故障诊断就是根据采集到的舰载通信设备运行中的各类数据，按照不同数据间的逻辑，建立数据表，并与知识库中的设备整机故障数据进行匹配，从而诊断舰载通信设备是否发生了故障；这种模糊—精确的推理机制既保证了较快的诊断速度，又具有较高的诊断精度，适用于实际的舰载通信设备故障诊断场景。3.2.3知识库模块知识库模块是整个舰载通信设备故障诊断那系统的数据基础，存储着舰载通信设备的各类故障信息，包括设备特性、故障数据参数、故障判别准则以及设备维护信息等，能够全方位反应舰载通信设备各功能模块的实际状况，同时全面地记录了通信设备故障时的各类特征数据，是实现故障快速准确诊断的重要数据支持。知识库中数据的全面性是故障诊断性能的重要保证，因此知识库的建立需要进行大量的故障试验。但由于各类故障的发生具有偶然性，通过试验难以保证遍历，同时部分通信设备可能无法进行故障试验，这就需要知识库还需要具备数据更新的功能，即在运行中对故障诊断系统无法判别的通信设备故障，能够将故障数据自动添加到知识库中，通过知识库的不断丰富实现故障诊断性能的不断优化。
4结束语
随着通信技术的不断发展，舰载通信设备在通信功能不断完善的同时，设备的复杂程度不断提高，故障发生的可能性也随之提高，实现舰载通信设备的实时故障诊断十分必要。本文设计的基于专家系统的舰载通信设备故障诊断系统，能够实现通信设备故障的实时诊断与定位，且具有自主学习的功能，具有较高的实际应用价值。
参考文献
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[3]徐志军,李渊.一种通信设备故障自动诊断系统的设计和实现[J].舰船电子工程,2012(09).
作者：谭联群 吴俊
