计算机仿真技术在发射机运维中的应用与探索

1 引言随着现代广播技术的蓬勃发展，无线局及其下属各发射台站信息化建设迅速开展与实施，逐步形成以局机关为中心的全国性覆盖网络，为计算机及其网络技术在安全传输发射工作中的具体应用奠定了坚实的基础。利用计算机软件编程实现发射机设备系统模型的仿真，使其在具体的运行维护工作中发挥作用，实现状态实时监控、数据综合分析和故障智能诊断等功能，可以大幅提升发射台在安全播出工作中的技术防范能力，具有重大的现实意义。下文主要针对TSW2500型500KW PSM（脉阶调制）短波发射机控制系统的仿真研究展开论述。2 发射机控制系统概述瑞士THALES公司生产的TSW2500型超大功率PSM短波发射机是当今世界最先进的短波发射机之一，它具有运行稳定性高、自动调谐精度高、控制系统集成度高和安全保护机制健全等特点。

图1 发射机控制单元框架图

该发射机的控制部分主要由增强型中央控制系统、顺序控制系统、马达控制系统和PSM控制系统等构成，如图1所示。其中，中央控制系统负责发射机各子控制系统的协同运行监视与控制、数据运算处理与存储以及远程自动化控制等；马达控制系统负责发射机可调谐元器件的精确定位控制；发射机顺序控制系统是发射机控制单元的枢纽与核心，负责控制发射机相关部件或附属设备的协同运行，利用两片专用EPLD（可擦除可编辑逻辑器件）进行硬件逻辑保护运算，形成发射机的快速逻辑保护机制，确保人身安全和设备安全。因此，下文重点讲述顺序控制系统模型构建过程以及如何实现系统模型的软件仿真，探讨计算机仿真技术在安全传输发射工作中的应用价值与前景。3 系统对象模型构建分析与设计发射机顺序控制系统的外围电路交错复杂，为便于从研究对象中抽象出一个确定的系统对象，建立其数学模型或算法模型，首先要把顺序控制系统从发射机控制单元中剥离出来，忽略各子系统间的物理关联性，把它当作独立的系统对象来进行分析和研究。3.1 系统信号及算法模块的关联性分析

图2输入/输出信号的划分及归类示意图

从信号输入输出关系的视角来研究和分析系统对象，即发射机顺序控制系统，将有效简化建立其仿真算法模型的思路。通过对发射机顺序控制系统电路的分析，将其外围信号归纳划分为：模拟采样信号、数字开关量信号、数据总线信号和串行数据信号等，如图2所示。其中，模拟采样信号经由模拟信号滤波墙电路进行滤波处理，数字开关量信号经由I/O接口板进行电气隔离。

图3 系统对象算法模块构成及因果递进关系示意图

通过对系统仿真对象内部集成电路原理的分析以及输入输出信号同步验证的实验，将其归纳划分为9种信号监控算法模块，对应发射机的不同运行状态。根据发射机实际运行状态，算法模块可以产生对应的控制指令或信息告警，准确控制发射机相关设备或部件执行相应的动作或操作，如图3所示。把系统对象中和输入输出相关的因素提取出来构建其信号算法模型，将使对象模型因果关系和递进关系更加清晰，也更具层次感，如图3所示。图中各算法模块自上而下形成因果递进关系，要实现STEP2的状态首先要满足STEP1的条件，依次类推，即要实现STEP6的状态就要满足STEP1至STEP5的全部条件方可。3.2 系统对象逻辑算法模型的实现

图 4 MODULE ON模块信号逻辑算法模型示意图

系统对象模型中算法模块构成及其因果递进关系确定后，就需要将各种信号算法模块依据实验验证情况逐一构建出来。以[MODULE ON]模块信号算法模型的构建为例，当确立其组件模块内部信号之间的逻辑关系之后，就可以使用逻辑元件建立各路信号的逻辑算法模型，如图4所示。在图3中[MODULE TSM]模块状态保持条件成立的前提下，若图4中的各路信号条件也全部成立，即代表[MODULE ON]模块对应的发射机状态保持条件成立，本例中代表发射机高压状态保持条件成立。依照上述方法，对9种信号监控算法模块内部逻辑关系算法模型全部设计完成之后，再依据图3中的因果递进关系组合起来，系统对象的逻辑算法模型也就构建出来了。3.3 系统对象仿真模型的设计将系统对象的逻辑算法模型构建出来之后，下一步就需要使用计算机语言将系统对象模型进行转化，然后假设态势（输入），判断其输出结果，验证模型是否正确，发现问题及时对模型参数进行修正，如此迭代反复进行，直至仿真模型符合设计标准。为使系统对象仿真模型更贴合广播发射台实际工作使用需求，需要使用高级编程语言重新开发仿真环境或平台。在此，以Visual C++ 开发环境的研发实践过程为例展开论述。3.3.1 基本运算元件库的设计要实现系统对象模型的仿真，首先就要设计基本运算元件。在对系统对象模型分解过程中，归纳的基本元件主要包括接口电路I/O元件、数字逻辑运算元件、比较器、触发器和延时电路等。在设计基本运算元件过程中，一方面要保留电子元件的基本运算属性，另一方面要通过附加属性，使运算元件的实用性和兼容性更强，使其更加符合广播发射台具体工作的应用，这也是重新开发仿真环境或平台的初衷。在此，以逻辑运算元件库的设计为例，探讨其程序编码的设计思路。首先，定义元件结构体，将元件标识符ID、坐标及尺寸参数、元件逻辑运算类型、输入输出信号节点信息、状态标识符、关联信号字符和备注信息字符等进行数据类型定义。之后，要依据其具体属性编写元件构造函数、视图绘制函数、逻辑运算函数和消息响应函数等等。最后，将运算元件进行归纳分类，封装到对应的元件库中，以便于在系统仿真环境或平台中移植调用。3.3.2 信号系统仿真平台的设计要实现系统对象从数学算法模型到系统仿真模型的转化，就必须依托系统仿真环境提供需求模型和功能验证服务，为此，我们需要开发设计配套使用的信号系统仿真平台。信号系统仿真平台以工业控制计算机为载体，为用户提高良好的人机交互界面，实现对各类数据信号的采集和分析。用户可以根据需求对系统对象仿真模型进行可视化设计，也可根据实际需求来配置数据卡的资源，达到对受测或受控设备的信号驱动和功能分析等。

图 5 信号系统仿真平台结构示意图

图5中的用户仿真设计界面（USDI）的主要功能就是为设计算法模型提供可视化界面，用户可根据自己的实际需求进行算法模型绘制或设计，通过调用已经设计好的仿真模型就可以实现对控制系统进行仿真评估。信号系统仿真平台的算法处理程序均封装为标准的库文件，各功能单元内部程序相对独立，仅通过接口程序通信衔接，新增元件或算法程序不会影响主程序其它功能的正常使用。这样，根据用户的仿真需求加载新的库文件，就可实现功能拓展，也便于系统的优化升级和维护管理。3.3.3 系统对象仿真模型的设计信号系统仿真平台设计好之后，用户就可以在平台上实现系统仿真模型的可视化设计。依据发射机顺序控制系统的工作原理和上文中系统对象算法模型的构建方法，用户在信号系统仿真平台就可进行可视化视图编辑，呈现系统对象各路信号因果递进及逻辑关系，完成系统对象仿真模型的设计和存储，用户仿真设计视窗的主要功能如图6所示。仿真模型的关键信息采取全局链表的存储方式，利用数据串行化处理方法将其生成为配置文件。这样，在信号系统仿真平台中调用不同的配置文件就可以实现对不同系统仿真模型的测试。

图 6 用户仿真设计界面功能示意图

4 系统仿真模型在故障智能诊断及定位系统中的应用在发射机控制系统的仿真模型构建完成之后，用户就可以使用信号系统仿真平台加载该模型，实现与发射机自动化系统或平台的衔接，把发射机自动化系统监控的核心参数或信息反馈至信号系统仿真平台上，利用发射机控制系统仿真模型的逆向运算功能，推算出发射机的理论运行状态，再根据信号逻辑仿真模型进行故障智能诊断与定位，为维护人员提供全方位的技术支持。4.1 系统基本结构发射机故障智能诊断及定位系统的结构示意图如图7所示，系统架构依托于信号系统仿真平台和发射机自动化系统来实现，通过数据采集、处理和分析，对发射机的运行故障进行仿真分析，将故障诊断信息或定位信息分配至固定或移动终端，供用户参考使用。

图7 发射机故障智能诊断及定位系统的结构示意图

在发射机故障智能诊断及定位系统中主要包括6种信号处理模块，其中，模块1主要负责对模拟量输入板的数据进行读取和处理，反映发射机控制系统发送的模拟量信号的实际情况；模块2主要负责向模拟量输出板发送数据，经过模拟量输出板进行D/A处理，向发射机控制系统提供模拟仿真的数据；模块3/4主要负责对数字量I/O接口板的控制，实时监视发射机发送的数字量数据，进行配置分配，同时，将上位机配置的逻辑关系反应到发射机控制系统之中；模块5/6主要负责串口通信和以太网通信数据的分析和处理等。4.2 故障智能诊断及定位的原理发射机故障智能诊断及定位系统的功能示意图如图8所示。该系统可以实时提醒故障预警或告警信息，通过仿真模型的逆向运算信息追踪故障路由信息，利用故障智能诊断分析单元和故障定位概率分析系统，以概率高低次序推荐处理方案，实时反馈发射机故障诊断及定位信息和处理方案至移动终端。处理方案中包括具体的故障处理方法和流程，提供具体元件的类型信息以及其库房储存信息，并配备实物参照图片。故障智能诊断及定位系统的应用可以有效提高维人员处理设备故障的能力，降低对数量庞大的电路图纸和参考资料的依赖度，缩短故障处理判断及其处理时间。

图8 故障智能诊断及定位系统原理示意图

5 应用价值及其发展前景当前，计算机仿真技术在无线广播发射台日常运行和设备维护中的应用，具有十分重要的现实意义，既可以实现发射机运行状态的全方位测试，又可以实现发射机故障的智能诊断与定位，大幅提升工作质量和效率，降低对人的依赖性，提高广播发射台安全播出工作的保障能力。但是，系统仿真技术在广播发射台的具体应用仍然处于探索起步阶段，需要广大技术人员积极的开展深层次的应用研究，并进一步融合多媒体技术、虚拟现实、人工智能以及可视化图形界面等技术，使计算机仿真技术在广播电台的安全传输发射工作中发挥越来越重要的作用。

参考文献

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