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摘 要：分布式测试诊断技术适合于日益复杂化和信息化的现代武器装备的测试诊断，具有较高的实时性、准确性和可靠性。本文分别介绍了基于不同通讯构架的分布式测试诊断技术的整体结构、诊断机理和存在的不足，最后对武器装备分布式测试诊断技术的研究趋势做了展望。
關键词：武器装备；分布式；测试诊断
中图分类号：TP274
现代化武器装备朝着网络化、复杂化、信息化的方向发展，其动态性、分布性和不确定性等特性愈加突出，配套的测试诊断系统需要更高的可靠性和实时性。相对成熟的集中式测试诊断技术的不足日益暴露，比如，网络依赖性强、系统脆弱、实时性差，信息资源共享及协同能力弱，求解能力及分析手段尚不完善，导致诊断效率低下，并且可扩展性和兼容性不强。分布式测试诊断技术解决上述不足，它利用网络上所有节点的协同配合对整个系统进行监测和诊断，而不再是把诊断任务交给一个主节点来完成，大大提高了测试诊断的效率和准确性。
1 分布式测试诊断技术目前的研究成果
分布式系统基于分布式网络构架，多个互相协同的处理单元对系统进行分布式控制，并可对数据进行并行、并发和分布式处理的系统。
分布式测试诊断是建立在分布式系统网络构架之上的一种面向对象的测试诊断技术。目前在针对大型工业系统的测试诊断中，该技术展现出了其独特的实时性、准确性，逐渐成为一种主导测试诊断技术。
1.1 基于CAN总线的分布式测试诊断技术
现场总线是指工厂内的测量设备和控制设备之间的数字通讯网络，也称为现场网络，是一种全分布式控制系统结构。现场总线的应用在硬件上降低了系统的布线及维护成本，大幅度提高了系统的可靠性及抗干扰能力，在软件上使通讯更为灵活，实时性更好[1-2]。
鉴于CAN（Controller Area Network，控制器局域网）的诸多优点，CAN总线成为发展最为迅速、应用最为广泛的现场总线之一[2]。目前基于CAN总线的分布式测试诊断技术应用相对较为广泛，其总体的系统结构如图1所示。
图1 基于CAN总线的分布式测试诊断系统结构
该系统由数据信号采集器、单片机系统、CAN接口模块、系统服务器以及监测和诊断模块组成。其中数据信号采集器、单片机系统、CAN接口模块组成了系统的输入模块，输入模块的数量可以根据实际需要检测的节点数量相应增减。
输入模块中的数据采集节点通过单片机系统将检测到的故障征兆信号进行预处理，并将其打包发往上层的在线监测器，测试诊断系统通过对故障征兆信号进行识别和分析，并将结果数据传递给网络服务器。
基于CAN总线的分布式测试诊断技术是在系统硬件结构上做了相对于集中式测试诊断技术的调整，使整个诊断系统的实时性、可靠性和抗干扰性有了大幅度的提高和改善，并且使系统的硬、软件结构大大简化，降低了成本。为了提高测试诊断的准确率，该技术可将数学算法与人工智能相结合，但是由于CAN总线的传输速率并不令人满意，尚不能完全满足日益苛刻的实时性要求，并且其通讯标准尚未完全统一，所以这方面将是以后研究和改进的重点。
1.2 基于以太网的分布式测试诊断技术
以太网（Ethernet）是目前市场占有率最大、具有强大性能的区域和单元网络，鉴于其通讯速率快、资源共享能力强等突出优势，不少研究人员将其应用于测试诊断领域，并作出了不少实用性和经济性兼得的成果。
以太网提供了一个开放的标准，解决了现场控制和上层管理层之间协议不同的问题，并且易于实现设备的远程实时监控。目前以太网不断向现场设备级深入发展，并且逐步和其他网络模式实现融合。虽然现场总线更能完全实现全分布式系统，完全满足对底层控制网络的要求，但随着以太网的发展，它必将介入现场总线控制系统，并且大有取代现场总线技术的趋势[3]。
基于以太网的分布式测试诊断系统结构模式如图2所示。
图2 基于以太网的分布式测试诊断系统结构
该系统有多个现场智能节点，通过I/O接口对现场信号进行采集，并进行现场检测和故障报警，通过以太网将信号数据上传至上位机，上位机通过相应的软件技术对信号进行综合处理，完成对系统的整体监控。测试诊断机制可采用现有的测试诊断技术方法，比如人工智能诊断方法等。
采用以太网作为底层的现场级网络具有许多独特的优点。首先，以太网技术成熟且容易实现，并且有可直接选用的以太网产品，如以太网卡、10M/100M集线器、交换机、网关、网桥、路由器、中继器等；其次，相比现场总线以太网具有更高的带宽，而且可以方便升级为高速以太网，进一步提升了网络效率的同时保证其可靠性；第三，将现场以太网、内部网集成，可以使用户非常方便地对测试系统进行监控和维护，真正实现远程设置、远程测量、远程控制、远程诊断和报警等。
基于以太网的分布式测试诊断技术应用于武器装备测试诊断系统中，可以通过网络对武器系统进行实时监控，取代了大量的前置终端，实时性和实效性更好，可以实现武器装备维修策略由故障维修、定期维修向视情维修的转变，大大减少了维修维护的工作量和费用。
尽管以太网具有很多技术优势，但是仍有一些瓶颈问题难以解决，比如响应时间的实时性要求和网络整体性能的矛盾。以太网采用的数据链路层协议CSMA/CD具有不确定性，因此难以真正满足响应时间的实时性要求。比如，若采样时间较快，可以提高控制性能，但是会产生相当大的数据量，加大了网络通信负荷，进而降低了网络整体性能，而网络性能的下降最终又影响控制性能，甚至导致整个测试网络的崩溃。因此，根据需要选择合适的采样时间非常重要，应根据具体对象加以分析，确定合适的采样时间，以兼顾网络性能和控制性能。
此外，以太网测试系统的开放性也带来了一定的安全问题，若应用到武器系统测试诊断系统中，其安全性则更要优先考虑，必须做好安全性分级设计，在工厂级和现场级之间必须要有相应的安全防护措施，如身份验证、密码、过滤技术、实时监控、数据加密等。 1.3 基于MAS的分布式测试诊断技术
始于上世纪80年代的Multi-agent技术是起源于分布式人工智能（Distributed artificial intelligence，DAI）技术的一个前沿学科，特别适合动态的、分布的、实时的、不确定的大型复杂系統的智能求解。Wooldridge强调了Agent的自主能力、社交能力、反应能力和预动能力[4]，Bratman将Agent看作是有信念、能力、选择和承诺等行为能力的智能实体[5]。本文将Agent的定义为：在分布式系统或协作系统中，不需要人的干预，能在一定环境下持续自主发挥作用的智能实体，它不但具有自主性、交互性、反应性和主动性这四个最基本特性，而且每个Agent在应用的具体环节，分别拥有与其应用环境相适应的移动性、自适应性、通信能力、理性、持续性、自启动型等特性。
多个Agent组合起来协同工作就组成了MAS（Multi-Agent System），它可以模仿人类社会的组织结构，具有很强的鲁棒性和容错性，克服了单个Agent知识不完全、处理信息不确定的缺点，达到协作解决问题的目的。经过近几年的飞速发展，已经成为DIA研究领域里的主流方向，并且在测试诊断领域里取得了很多卓越的成果[6-10]。
将MAS技术应用于武器装备测试诊断领域，克服了传统集中式测试诊断技术的不足，其实时性好、容错性强、诊断准确性高、信息在最大程度上实现共享等突出优点将测试诊断技术又推向了一个更高的层次。MAS测试诊断技术可以构架于网络之上，实现系统的远程监控和诊断，也可以利用现场总线实现Agent之间的通信，每个Agent可具有不同的智能诊断方法，这可依据设计的实际需要进行选择。基于MAS的分布式测试诊断系统结构如图3所示。
图3 基于MAS的分布式测试诊断系统结构
该系统由数据采集子系统、任务分解子系统、任务控制子系统、诊断Agents子系统、用户界面子系统、公共数据库和信息路由器（Agent name service，ANS）构成。
数据采集子系统利用传感器和数据采集卡采集诊断对象的状态数据，并存储于数据库中，以供诊断Agents子系统读取使用。诊断Agents子系统实现各种具体的测试诊断分析和算法。任务分解子系统将整个诊断任务通过结构分解和故障分解化为诊断子任务集，这样便使子任务的目标更为明确，且各个子任务之间的耦合也尽量变小，大大提高了诊断的效率。任务控制子系统负责诊断任务的分配、协调和控制，诊断Agents子系统接受任务控制子系统的诊断请求，并根据该诊断请求从数据库中读取相应的状态数据，应用于合适的诊断方法来完成相应的诊断子任务，并将结果返回给任务控制子系统。用户接口子系统提供了人机交互界面，将用户的诊断任务及控制策略输入系统，并将系统的诊断结果反馈给用户，以便用户作出最终决策。ANS是所有Agent的信息交换枢纽，Agent要先注册到ANS，然后才能通过ANS与其他Agent进行通信，如果系统比较庞大，可以采用多个ANS来进行扩展。
MAS技术是是构建分布式复杂工程应用系统的新一代模型，如果应用于武器装备测试诊断中肯定会有相当广阔的前景，但目前的MAS技术在应用中还存在一些不足，主要表现在：（1）标准化程度不高：不同的MAS模型缺少统一的定义和描述标准；（2）兼容性有待提高：MAS的特性是相互作用和相互协调的，但相应的软件往往达不到预期的要求，且可重用性较低；（3）实际应用少，且不够成熟。
2 结束语
本文介绍了基于不同网络构架的针对现代武器装备的分布式测试诊断技术，其中对基于MAS的测试诊断技术做了重点介绍。分布式测试诊断技术解决了传统集中式测试诊断的不足，通过利用网络上所有节点的协同配合共同对整个系统进行监测和诊断，大大提高了测试诊断的效率和准确性，较好的满足了测试诊断技术对准确性和实时性的要求。
目前分布式测试诊断技术的研究重点和难点是数据的传输和通讯问题，工程应用中则是以实用、可靠、低成本为原则，所以，单一的网络构架往往不适用于实际应用，我们必须面对多种网络技术并存的现实问题，可以集中不同通讯网络的优点按照实际应用的需求进行综合考虑。由于分布式诊断系统是一个复杂的系统，在实际应用中会广泛涉及多个子系统的协调、任务分配等问题，如何提高系统的整体协作能力也是以后研究的重点。考虑到武器装备的特殊性和应用局限性，基于网络融合的武器装备分布式测试诊断技术可以朝以下几个方面进行研究：（1）基于CAN总线与以太网的分布式测试诊断技术；（2）基于CAN总线的Multi-Agent测试诊断技术；（3）基于以太网的Multi-Agent测试诊断技术；（4）基于以太网/CAN总线的远程分布式测试诊断技术。
参考文献：
[1]沈学东，王蔚然.现场总线技术综述[J].东北电力技术，1999.
[2]甘永梅等.现场总线技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]徐皑冬.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制，2000（02）：182-186.
[4]Wooldridge MJ，Jennings NR.Intelligent Agents：Theory and practice.The Knowledge Engineering Review，1995（02）：115-152.
[5]Bratman，M.E.Intentions Plans and Practical Reason.Harvard University Press：Cambridge，MA，1987.
[6]李卫宁.基于MAS的智能诊断技术集成方法研究[J].运筹与管理，2005（05）：13-17.
[7]蒋伟进，许宇胜.基于MAS的分布式智能故障诊断模型与关键技术研究[J].南京大学学报（自然科学版），2004（04）：483-496.
[8]周泽渊，金涛，吴向君.基于MAS的分布式智能管网漏损控制[J].海军工程大学学报，2013（05）：95-99.
[9]何泳.基于MAS的智能管理信息系统构建浅析[J].计算机光盘软件与应用，2011（11）.
[10]海林鹏，文运平.面向服务的MAS组织模型与控制策略[J].计算机光盘软件与应用，2011（17）.
[11]赵东伟，童广萍.分布式远程诊断与预警系统框架研究[J].计算机测量与控制，2012（01）：1-3.
作者简介：马翔楠（1984.05-），男，河南偃师人，工程师，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程；魏洪栋（1981-），男，江苏徐州人，工程师，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程。
作者单位：96411部队，陕西宝鸡 721013
關键词：武器装备；分布式；测试诊断
中图分类号：TP274
现代化武器装备朝着网络化、复杂化、信息化的方向发展，其动态性、分布性和不确定性等特性愈加突出，配套的测试诊断系统需要更高的可靠性和实时性。相对成熟的集中式测试诊断技术的不足日益暴露，比如，网络依赖性强、系统脆弱、实时性差，信息资源共享及协同能力弱，求解能力及分析手段尚不完善，导致诊断效率低下，并且可扩展性和兼容性不强。分布式测试诊断技术解决上述不足，它利用网络上所有节点的协同配合对整个系统进行监测和诊断，而不再是把诊断任务交给一个主节点来完成，大大提高了测试诊断的效率和准确性。
1 分布式测试诊断技术目前的研究成果
分布式系统基于分布式网络构架，多个互相协同的处理单元对系统进行分布式控制，并可对数据进行并行、并发和分布式处理的系统。
分布式测试诊断是建立在分布式系统网络构架之上的一种面向对象的测试诊断技术。目前在针对大型工业系统的测试诊断中，该技术展现出了其独特的实时性、准确性，逐渐成为一种主导测试诊断技术。
1.1 基于CAN总线的分布式测试诊断技术
现场总线是指工厂内的测量设备和控制设备之间的数字通讯网络，也称为现场网络，是一种全分布式控制系统结构。现场总线的应用在硬件上降低了系统的布线及维护成本，大幅度提高了系统的可靠性及抗干扰能力，在软件上使通讯更为灵活，实时性更好[1-2]。
鉴于CAN（Controller Area Network，控制器局域网）的诸多优点，CAN总线成为发展最为迅速、应用最为广泛的现场总线之一[2]。目前基于CAN总线的分布式测试诊断技术应用相对较为广泛，其总体的系统结构如图1所示。
图1 基于CAN总线的分布式测试诊断系统结构
该系统由数据信号采集器、单片机系统、CAN接口模块、系统服务器以及监测和诊断模块组成。其中数据信号采集器、单片机系统、CAN接口模块组成了系统的输入模块，输入模块的数量可以根据实际需要检测的节点数量相应增减。
输入模块中的数据采集节点通过单片机系统将检测到的故障征兆信号进行预处理，并将其打包发往上层的在线监测器，测试诊断系统通过对故障征兆信号进行识别和分析，并将结果数据传递给网络服务器。
基于CAN总线的分布式测试诊断技术是在系统硬件结构上做了相对于集中式测试诊断技术的调整，使整个诊断系统的实时性、可靠性和抗干扰性有了大幅度的提高和改善，并且使系统的硬、软件结构大大简化，降低了成本。为了提高测试诊断的准确率，该技术可将数学算法与人工智能相结合，但是由于CAN总线的传输速率并不令人满意，尚不能完全满足日益苛刻的实时性要求，并且其通讯标准尚未完全统一，所以这方面将是以后研究和改进的重点。
1.2 基于以太网的分布式测试诊断技术
以太网（Ethernet）是目前市场占有率最大、具有强大性能的区域和单元网络，鉴于其通讯速率快、资源共享能力强等突出优势，不少研究人员将其应用于测试诊断领域，并作出了不少实用性和经济性兼得的成果。
以太网提供了一个开放的标准，解决了现场控制和上层管理层之间协议不同的问题，并且易于实现设备的远程实时监控。目前以太网不断向现场设备级深入发展，并且逐步和其他网络模式实现融合。虽然现场总线更能完全实现全分布式系统，完全满足对底层控制网络的要求，但随着以太网的发展，它必将介入现场总线控制系统，并且大有取代现场总线技术的趋势[3]。
基于以太网的分布式测试诊断系统结构模式如图2所示。
图2 基于以太网的分布式测试诊断系统结构
该系统有多个现场智能节点，通过I/O接口对现场信号进行采集，并进行现场检测和故障报警，通过以太网将信号数据上传至上位机，上位机通过相应的软件技术对信号进行综合处理，完成对系统的整体监控。测试诊断机制可采用现有的测试诊断技术方法，比如人工智能诊断方法等。
采用以太网作为底层的现场级网络具有许多独特的优点。首先，以太网技术成熟且容易实现，并且有可直接选用的以太网产品，如以太网卡、10M/100M集线器、交换机、网关、网桥、路由器、中继器等；其次，相比现场总线以太网具有更高的带宽，而且可以方便升级为高速以太网，进一步提升了网络效率的同时保证其可靠性；第三，将现场以太网、内部网集成，可以使用户非常方便地对测试系统进行监控和维护，真正实现远程设置、远程测量、远程控制、远程诊断和报警等。
基于以太网的分布式测试诊断技术应用于武器装备测试诊断系统中，可以通过网络对武器系统进行实时监控，取代了大量的前置终端，实时性和实效性更好，可以实现武器装备维修策略由故障维修、定期维修向视情维修的转变，大大减少了维修维护的工作量和费用。
尽管以太网具有很多技术优势，但是仍有一些瓶颈问题难以解决，比如响应时间的实时性要求和网络整体性能的矛盾。以太网采用的数据链路层协议CSMA/CD具有不确定性，因此难以真正满足响应时间的实时性要求。比如，若采样时间较快，可以提高控制性能，但是会产生相当大的数据量，加大了网络通信负荷，进而降低了网络整体性能，而网络性能的下降最终又影响控制性能，甚至导致整个测试网络的崩溃。因此，根据需要选择合适的采样时间非常重要，应根据具体对象加以分析，确定合适的采样时间，以兼顾网络性能和控制性能。
此外，以太网测试系统的开放性也带来了一定的安全问题，若应用到武器系统测试诊断系统中，其安全性则更要优先考虑，必须做好安全性分级设计，在工厂级和现场级之间必须要有相应的安全防护措施，如身份验证、密码、过滤技术、实时监控、数据加密等。 1.3 基于MAS的分布式测试诊断技术
始于上世纪80年代的Multi-agent技术是起源于分布式人工智能（Distributed artificial intelligence，DAI）技术的一个前沿学科，特别适合动态的、分布的、实时的、不确定的大型复杂系統的智能求解。Wooldridge强调了Agent的自主能力、社交能力、反应能力和预动能力[4]，Bratman将Agent看作是有信念、能力、选择和承诺等行为能力的智能实体[5]。本文将Agent的定义为：在分布式系统或协作系统中，不需要人的干预，能在一定环境下持续自主发挥作用的智能实体，它不但具有自主性、交互性、反应性和主动性这四个最基本特性，而且每个Agent在应用的具体环节，分别拥有与其应用环境相适应的移动性、自适应性、通信能力、理性、持续性、自启动型等特性。
多个Agent组合起来协同工作就组成了MAS（Multi-Agent System），它可以模仿人类社会的组织结构，具有很强的鲁棒性和容错性，克服了单个Agent知识不完全、处理信息不确定的缺点，达到协作解决问题的目的。经过近几年的飞速发展，已经成为DIA研究领域里的主流方向，并且在测试诊断领域里取得了很多卓越的成果[6-10]。
将MAS技术应用于武器装备测试诊断领域，克服了传统集中式测试诊断技术的不足，其实时性好、容错性强、诊断准确性高、信息在最大程度上实现共享等突出优点将测试诊断技术又推向了一个更高的层次。MAS测试诊断技术可以构架于网络之上，实现系统的远程监控和诊断，也可以利用现场总线实现Agent之间的通信，每个Agent可具有不同的智能诊断方法，这可依据设计的实际需要进行选择。基于MAS的分布式测试诊断系统结构如图3所示。
图3 基于MAS的分布式测试诊断系统结构
该系统由数据采集子系统、任务分解子系统、任务控制子系统、诊断Agents子系统、用户界面子系统、公共数据库和信息路由器（Agent name service，ANS）构成。
数据采集子系统利用传感器和数据采集卡采集诊断对象的状态数据，并存储于数据库中，以供诊断Agents子系统读取使用。诊断Agents子系统实现各种具体的测试诊断分析和算法。任务分解子系统将整个诊断任务通过结构分解和故障分解化为诊断子任务集，这样便使子任务的目标更为明确，且各个子任务之间的耦合也尽量变小，大大提高了诊断的效率。任务控制子系统负责诊断任务的分配、协调和控制，诊断Agents子系统接受任务控制子系统的诊断请求，并根据该诊断请求从数据库中读取相应的状态数据，应用于合适的诊断方法来完成相应的诊断子任务，并将结果返回给任务控制子系统。用户接口子系统提供了人机交互界面，将用户的诊断任务及控制策略输入系统，并将系统的诊断结果反馈给用户，以便用户作出最终决策。ANS是所有Agent的信息交换枢纽，Agent要先注册到ANS，然后才能通过ANS与其他Agent进行通信，如果系统比较庞大，可以采用多个ANS来进行扩展。
MAS技术是是构建分布式复杂工程应用系统的新一代模型，如果应用于武器装备测试诊断中肯定会有相当广阔的前景，但目前的MAS技术在应用中还存在一些不足，主要表现在：（1）标准化程度不高：不同的MAS模型缺少统一的定义和描述标准；（2）兼容性有待提高：MAS的特性是相互作用和相互协调的，但相应的软件往往达不到预期的要求，且可重用性较低；（3）实际应用少，且不够成熟。
2 结束语
本文介绍了基于不同网络构架的针对现代武器装备的分布式测试诊断技术，其中对基于MAS的测试诊断技术做了重点介绍。分布式测试诊断技术解决了传统集中式测试诊断的不足，通过利用网络上所有节点的协同配合共同对整个系统进行监测和诊断，大大提高了测试诊断的效率和准确性，较好的满足了测试诊断技术对准确性和实时性的要求。
目前分布式测试诊断技术的研究重点和难点是数据的传输和通讯问题，工程应用中则是以实用、可靠、低成本为原则，所以，单一的网络构架往往不适用于实际应用，我们必须面对多种网络技术并存的现实问题，可以集中不同通讯网络的优点按照实际应用的需求进行综合考虑。由于分布式诊断系统是一个复杂的系统，在实际应用中会广泛涉及多个子系统的协调、任务分配等问题，如何提高系统的整体协作能力也是以后研究的重点。考虑到武器装备的特殊性和应用局限性，基于网络融合的武器装备分布式测试诊断技术可以朝以下几个方面进行研究：（1）基于CAN总线与以太网的分布式测试诊断技术；（2）基于CAN总线的Multi-Agent测试诊断技术；（3）基于以太网的Multi-Agent测试诊断技术；（4）基于以太网/CAN总线的远程分布式测试诊断技术。
参考文献：
[1]沈学东，王蔚然.现场总线技术综述[J].东北电力技术，1999.
[2]甘永梅等.现场总线技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[3]徐皑冬.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制，2000（02）：182-186.
[4]Wooldridge MJ，Jennings NR.Intelligent Agents：Theory and practice.The Knowledge Engineering Review，1995（02）：115-152.
[5]Bratman，M.E.Intentions Plans and Practical Reason.Harvard University Press：Cambridge，MA，1987.
[6]李卫宁.基于MAS的智能诊断技术集成方法研究[J].运筹与管理，2005（05）：13-17.
[7]蒋伟进，许宇胜.基于MAS的分布式智能故障诊断模型与关键技术研究[J].南京大学学报（自然科学版），2004（04）：483-496.
[8]周泽渊，金涛，吴向君.基于MAS的分布式智能管网漏损控制[J].海军工程大学学报，2013（05）：95-99.
[9]何泳.基于MAS的智能管理信息系统构建浅析[J].计算机光盘软件与应用，2011（11）.
[10]海林鹏，文运平.面向服务的MAS组织模型与控制策略[J].计算机光盘软件与应用，2011（17）.
[11]赵东伟，童广萍.分布式远程诊断与预警系统框架研究[J].计算机测量与控制，2012（01）：1-3.
作者简介：马翔楠（1984.05-），男，河南偃师人，工程师，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程；魏洪栋（1981-），男，江苏徐州人，工程师，硕士研究生，研究方向：控制理论与控制工程。
作者单位：96411部队，陕西宝鸡 721013