航天裝備綜合保障信息管理平臺體系架構(gòu)及工程研制實(shí)踐

邵世綱，邢冠楠，崔 寅，崔文星，劉 嶺

0 引 言

隨著高新技術(shù)在航天裝備中的廣泛應(yīng)用，裝備產(chǎn)品技術(shù)水平、復(fù)雜程度和使用要求不斷提高，對綜合保障系統(tǒng)的依賴程度也越來越大[1]。信息化、智能化、體系化正在成為航天裝備產(chǎn)品的發(fā)展方向，現(xiàn)代航天裝備面臨著系統(tǒng)集成度高、保障環(huán)境復(fù)雜、保障資源有限等諸多困境，存在著保障工作繁雜、保障鏈條冗長、多批次并行保障難度大、備件消耗難預(yù)測等實(shí)際問題。用戶對于裝備保障性能提出了更高的要求，裝備綜合保障性能與作戰(zhàn)使用指標(biāo)性能已趨于同等重要地位[2]。開展覆蓋航天裝備全生命周期的綜合保障系統(tǒng)體系架構(gòu)研究，采用虛擬現(xiàn)實(shí)、視景仿真、信息融合、大數(shù)據(jù)分析處理、交互式電子手冊等技術(shù)，集成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、保障方案設(shè)計與評估、故障維修、備件供應(yīng)與優(yōu)化、保障信息管理等多種功能，構(gòu)建一體化綜合保障信息管理平臺，已成為提升中國航天裝備保障性能的迫切需求。

1 航天裝備綜合保障概述

1.1 內(nèi) 涵

裝備綜合保障是指在裝備研制、使用、退役、報廢的全壽命周期內(nèi)，為保持和提升系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性，降低全壽命周期費(fèi)用，綜合考慮保障性問題，確定保障性要求，全面開展保障性設(shè)計、分析與驗(yàn)證評價，規(guī)劃、研制并及時提供裝備所需保障資源的一系列管理和技術(shù)活動[3]。主要包括：在方案論證時，綜合考慮裝備全壽命周期保障需求，圍繞戰(zhàn)備完好性目標(biāo)，開展保障性指標(biāo)論證及保障性設(shè)計；在裝備研制時，與主裝備同步開展相應(yīng)保障資源的規(guī)劃、研制及購置；在裝備部署使用時，考慮經(jīng)濟(jì)性與有效性，建立與主裝備相匹配的保障系統(tǒng)，提供所需的保障服務(wù)；在裝備超期服役和延壽使用時，提供有效的備件供應(yīng)和技術(shù)服務(wù)。裝備綜合保障是以經(jīng)濟(jì)合理的壽命周期費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性要求，滿足裝備全壽命周期保障需求，其貫穿于預(yù)研、設(shè)計、論證、試驗(yàn)驗(yàn)證、生產(chǎn)、部署和退役等各階段[4]。裝備綜合保障由保障資源要素、維修規(guī)劃和設(shè)計接口3個綜合保障結(jié)構(gòu)要素構(gòu)成，而保障資源要素則由器材保障、技術(shù)文件、保障設(shè)施、人力和人員、包裝-裝卸-儲存-運(yùn)輸管理、訓(xùn)練和訓(xùn)練保障、保障設(shè)備、計算機(jī)資源保障等八大要素構(gòu)成。

在航天裝備綜合保障工作中，應(yīng)圍繞全壽命周期綜合保障管理需求，采用信息化、自動化、故障診斷與健康管理等先進(jìn)技術(shù)，對相關(guān)保障信息進(jìn)行系統(tǒng)分析和分類處理，實(shí)現(xiàn)裝備保障流程的科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、可視化管理，完成裝備預(yù)防性維修向預(yù)測性維修轉(zhuǎn)變，提升航天裝備全生命周期保障的自主化、智能化水平[5]。

1.2 信息管理平臺建設(shè)需求

傳統(tǒng)航天裝備研制過程中，主要考慮射程、運(yùn)載能力、精度等性能指標(biāo)，涉及實(shí)戰(zhàn)能力的綜合保障等方面的設(shè)計則考慮不多，再加上對保障資源缺乏提前規(guī)劃，使得裝備形成戰(zhàn)斗力的周期長，戰(zhàn)備完好率低，壽命周期費(fèi)用高。受制于國家預(yù)算、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、信息化程度、管理模式等因素的影響，中國航天領(lǐng)域綜合保障體系建設(shè)還處于起步階段，總體來看還存在以下問題：a）沒有完整的、覆蓋航天裝備全生命周期的在綜合保障系統(tǒng)頂層體系規(guī)劃；b）缺失保障性和維修性設(shè)計，裝備自診斷能力差，裝備使用保障、維護(hù)保障自動化智能化程度不夠；c）缺少全生命周期覆蓋、全資源集成、全系統(tǒng)協(xié)同和全數(shù)據(jù)管理的綜合保障信息管理平臺。

圍繞航天裝備全壽命周期運(yùn)行狀態(tài)記錄、健康狀態(tài)評估、壽命預(yù)測、質(zhì)量管理與追溯、故障維修、測試維護(hù)、保障及訓(xùn)練設(shè)備、維修履歷、備件供應(yīng)等綜合保障業(yè)務(wù)管理需求，需要建立一個集航天產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、保障方案設(shè)計與評估、故障維修、備件供應(yīng)與優(yōu)化、保障信息管理等多種功能于一體的綜合保障信息管理平臺[6]。航天裝備綜合保障信息管理平臺建設(shè)基本需求如下：a）在設(shè)計階段考慮裝備的可維修性和互換性，并提供可維修性設(shè)計檢查工具；b）采集航天裝備從生產(chǎn)出廠到退役報廢全生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)信息，建立每個設(shè)備完備的電子履歷；c）監(jiān)控航天裝備日常運(yùn)行狀態(tài)，及時評估裝備的健康狀況，科學(xué)預(yù)測裝備剩余壽命，提前預(yù)測可能發(fā)生的故障并采取措施，將修復(fù)性保障轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性和預(yù)測性保障；d）為航天裝備的維護(hù)保養(yǎng)、故障診斷與維修、狀態(tài)記錄與分析、人員和保障設(shè)備管理等提供信息化管理手段；e）提供全新的人員培訓(xùn)訓(xùn)練和考核評定平臺，提高整體訓(xùn)練效果；f）提供遠(yuǎn)程專家支持服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和維修；g）對航天裝備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行管理，對部隊裝備保障能力進(jìn)行預(yù)測評估，為保持和提升裝備實(shí)戰(zhàn)性能提供依據(jù)。

2 信息管理平臺體系結(jié)構(gòu)

針對中國航天領(lǐng)域綜合保障體系建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題，圍繞航天裝備綜合保障信息管理平臺建設(shè)基本需求[7]，本文提出了由基礎(chǔ)支撐平臺、數(shù)字化綜合保障信息管理核心平臺、數(shù)字化設(shè)計和制造平臺、工程應(yīng)用平臺、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系和信息安全體系構(gòu)成的，集成一體化的航天裝備綜合保障信息管理平臺體系結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)支撐平臺從基礎(chǔ)硬件設(shè)施、數(shù)據(jù)中心和集成與接口服務(wù) 3個方面支撐綜合保障信息化平臺穩(wěn)定運(yùn)行，具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫的調(diào)配功能，通過數(shù)據(jù)容災(zāi)、備份等方式，確保應(yīng)用平臺層可以順暢使用數(shù)據(jù)中心中的數(shù)據(jù)，同時為綜合保障系統(tǒng)提供硬件運(yùn)行環(huán)境。數(shù)字化設(shè)計平臺和數(shù)字化制造平臺提供相應(yīng)的設(shè)計和制造數(shù)據(jù)，綜合保障信息管理平臺反饋保障分析數(shù)據(jù)，便于開展可維修性設(shè)計和可互換性制造優(yōu)化工作。

數(shù)字化綜合保障信息管理核心平臺由裝備數(shù)據(jù)采集分析及技術(shù)狀態(tài)管控、保障性設(shè)計和分析、虛實(shí)結(jié)合的交互式訓(xùn)練、遠(yuǎn)程專家支持、交互式電子手冊、健康與維護(hù)管理、供應(yīng)鏈管理等多個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)又包括若干個功能模塊，各個功能交織作用實(shí)現(xiàn)了裝備綜合保障全生命周期覆蓋、全資源集成、全系統(tǒng)協(xié)同和全數(shù)據(jù)管理。

工程應(yīng)用平臺是整個航天裝備綜合保障信息管理平臺對外提供的業(yè)務(wù)功能，用戶可通過工程應(yīng)用平臺驅(qū)動整個航天裝備綜合保障信息管理平臺協(xié)作運(yùn)行去完成特定任務(wù)和功能（如作戰(zhàn)支持和戰(zhàn)場搶修、遠(yuǎn)程故障診斷及技術(shù)支持、模擬訓(xùn)練及虛擬維修等）。

圖1 裝備綜合保障信息管理平臺體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Integrated Logistic Support Information Management Platform System Structure

3 信息管理平臺工程研制實(shí)踐

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺

3.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺主要由服務(wù)器端、客戶端、展示和交互端三部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示。其中服務(wù)器端完成各種資源的存儲和管理，C-PAD客戶端完成離線培訓(xùn)，PC客戶端完成在線培訓(xùn)和考核評定，展示和交互端完成沉浸式全景展示、交互式訓(xùn)練、虛擬維修等功能。

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System Structure Diagram of Interactive Training Platform for Virtual Reality

3.1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺功能構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺主要功能包括：服務(wù)器端的綜合管理、PC客戶端的在線培訓(xùn)和在線考試、C-PAD客戶端的離線培訓(xùn)和展示和交互端的全景展示和交互培訓(xùn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺的功能構(gòu)成如圖3所示。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺功能構(gòu)成Fig.3 The Functional Composition of the Interactive Training Platform of Virtual Reality

3.1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺軟硬件布置

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺空間布局由培訓(xùn)教室、服務(wù)器機(jī)房、C-PAD放置區(qū)、系統(tǒng)管理員辦公區(qū)、三維全息投影系統(tǒng)展示區(qū)和CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)展示區(qū)等組成，虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺軟硬件布置如圖4所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺以服務(wù)器端軟件系統(tǒng)、客戶端軟件系統(tǒng)、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器為綜合管理載體，通過圖文類、視頻類、二維動畫類、三維動畫類、三維輕量化模型展示和拆裝類、三維交互模型類等可視化多媒體課件形式進(jìn)行內(nèi)容編排，以通用的虛擬教學(xué)終端的可視化培訓(xùn)、半實(shí)物仿真訓(xùn)練、沉浸式推演訓(xùn)練等培訓(xùn)手段，集沉浸式虛擬教學(xué)、實(shí)戰(zhàn)化模擬訓(xùn)練、交互式訓(xùn)練考評、系統(tǒng)化訓(xùn)練管理等多種功能為一體，進(jìn)行裝備全壽命周期內(nèi)持續(xù)的培訓(xùn)訓(xùn)練、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的協(xié)同訓(xùn)練與虛擬作戰(zhàn)演練，能夠滿足多個層次航天裝備使用、訓(xùn)練、維護(hù)要求。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練平臺軟硬件布置Fig.4 The Software and Hardware Layout of the Interactive Training Platform for Virtual Reality

3.2 交互式電子手冊研制平臺（IETM）

3.2.1 交互式電子手冊研制平臺系統(tǒng)構(gòu)成

交互式電子手冊研制平臺主要由數(shù)據(jù)層、功能層和表現(xiàn)層3部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

圖5 交互式電子手冊研制平臺系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 Diagram of an Interactive Electronic Handbook Development Platform System

3.2.2 交互式電子手冊研制平臺工作原理

交互式電子手冊研制平臺工作原理如圖6所示。交互式電子手冊研制平臺工作過程包括以下5個步驟：a）確定數(shù)據(jù)模塊需求列表（DMRL）；b）任務(wù)分配；c）制作編輯；d）確定發(fā)布內(nèi)容；e）發(fā)布。對于一個出版物模塊，從公共源數(shù)據(jù)庫（Common Source Data Base，CSDB）中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象，連同顯示框架、中間件進(jìn)行打包，成為可交付的瀏覽包。

綜上所述，交互式電子手冊研制平臺以數(shù)字化格式進(jìn)行編制，采用文字、表格、圖像、聲音、視頻、動畫等多種表現(xiàn)形式，直觀展示裝備的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)原理、維護(hù)維修、操作使用等，采用良好的人機(jī)交互界面，具有多種查詢和導(dǎo)航功能，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)手冊的快速查閱、信息檢索、故障隔離及定位、專家診斷等功能，重點(diǎn)解決技術(shù)資料保存、保管、運(yùn)輸、使用等方面存在的問題，提高技術(shù)資料使用的便捷性。交互式電子手冊用于裝備使用、維護(hù)、修理相關(guān)的操作手冊及技術(shù)文檔的管理和交互式瀏覽，交付用戶后具備航天裝備技術(shù)資料電子化能力，可初步滿足用戶操作使用指導(dǎo)、技術(shù)原理學(xué)習(xí)等實(shí)際需求。

4 結(jié) 論

本文基于現(xiàn)有的航天裝備綜合保障系統(tǒng)理論，針對綜合保障系統(tǒng)建設(shè)中存在的問題，提出了航天裝備全生命周期覆蓋、全資源集成、全系統(tǒng)協(xié)同和全數(shù)據(jù)管理的綜合保障信息管理平臺體系結(jié)構(gòu)，并以虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式訓(xùn)練和交互式電子手冊平臺工程研制為例，詳述了航天裝備典型綜合保障信息管理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能組成等。該綜合保障信息管理平臺的建立和應(yīng)用對實(shí)現(xiàn)航天裝備保障自主化和智能化、降低全壽命周期維護(hù)費(fèi)用具有重要意義。