航天裝備質量態勢生成機理分析

王嘉慧，侯興明，鮮思德，朱 軍

（航天工程大學航天保障系，北京 102200）

0 引言

隨著經濟和科學技術的發展，航天裝備的技術含量越來越高，系統越來越復雜，我國高密度發射的航天發展形勢對航天裝備的質量提出了更高的要求。航天裝備研制周期長，技術要求高，提高其質量水平一直都是我國航天裝備研制和發展中關注的重點，為了保證航天裝備在全壽命周期各個階段都能保持良好的質量狀態，滿足各類航天任務中航天裝備高質量水平的需求，必須采用先進的信息技術，及時準確地把握裝備質量狀態，科學預測裝備質量變化發展趨勢，對裝備可能出現的問題未雨綢繆。

1 航天裝備質量態勢生成機理的概念及特點

盡管在航天裝備研制生產和航天任務發射過程中，世界各國都非常重視裝備的質量，在把握航天裝備質量現狀和預測質量發展趨勢等方面進行了很多研究，但是目前在軍語等軍事資料中還沒有“航天裝備質量態勢”的權威定義。

1.1 航天裝備質量態勢的定義

“態勢”指事物發展的形勢及狀態。借鑒“戰場態勢[1]”、“裝備保障態勢[2]”等概念，將航天裝備質量態勢定義為航天裝備及其質量的當前狀態和發展變化趨勢。航天裝備質量態勢內涵包括態勢主體、態勢客體、生成依據、評估標準、生成方法等。態勢主體由各級指揮員、裝備質量管理人員和保障人員組成；態勢客體是航天裝備質量狀態和發展趨勢；生成依據指獲取的航天裝備質量數據；評估標準是對航天裝備質量狀態的分析和評價準則；生成方法是具體實施態勢生成的技術、規范和方法。航天裝備質量態勢外延即與裝備質量態勢有聯系的其他事物，包括裝備質量管理體制、裝備保障機制、任務強度等。

1.2 航天裝備質量態勢生成機理的概念

機理是事物變化的理由和道理，即為實現某一特定功能，一定的系統結構中各要素的內在工作方式以及諸要素在一定環境條件下相互聯系、相互作用的運行規則和原理。

航天裝備質量態勢生成機理就是為了生成可靠的航天裝備質量態勢，航天裝備質量態勢中各要素在態勢生成中發揮的作用及各要素之間相互聯系、相互作用的運行規則和原理。換言之，航天裝備質量態勢生成機理就是為了滿足任務需求，采取一定的技術手段，按照既定的法規標準，實現信息獲取、處理、儲存以及態勢預測和態勢顯示的過程。

1.3 航天裝備質量態勢生成的特點

（1）數據來源具有多樣性。航天裝備結構復雜、零部件種類多，各個部件都可能來自不同的生產廠家，各廠家的數據獲取、處理和儲存的方式不同，數據格式也不同。航天裝備質量態勢生成過程中，同樣會產生大量的質量數據，這些信息有計量的，有計數的，有文字類的，也有圖表類的，數據格式不一，分析方法也不同，需要預先制定統一的標準和規范。

（2）數據收集具有針對性。航天裝備從研制生產時期，就有其明確的質量特性和質量問題的規律和特點，在收集數據時，可以首先分析裝備的質量特性和故障規律及特點，有針對性地對相關數據進行收集。

（3）數據支撐作用明顯。裝備質量態勢生成主要依賴于裝備全壽命各個階段的數據，包括研制論證數據、試驗鑒定數據、裝備歷史故障數據以及國內外和軍地類似產品的故障數據等，根據這些數據預測裝備質量發展趨勢，要求數據的高質量和高標準。

（4）數據庫不斷充實。裝備質量態勢生成中的數據庫除了不斷獲取的裝備質量相關數據，生成的態勢信息也作為歷史數據儲存到數據庫中，為之后的質量態勢生成提供數據支持。

（5）態勢展現具有層次性。不同層次的人員對于裝備質量的關注點不同，對質量態勢的需求也不同，航天裝備質量態勢生成必須區分層次，根據各級的需求產生態勢信息，并實現可視化。

2 航天裝備質量態勢生成影響因素

航天裝備質量態勢生成受到多方面因素的影響，任何影響因素的變化都可能引起質量態勢生成結果和態勢顯示內容的不同。

2.1 需求

航天裝備質量態勢生成的訴求是各級人員對航天裝備質量情況掌控的需求[3]。態勢生成面臨著各類航天任務的牽引，其根本目的是為裝備指揮決策服務，以保證裝備發揮最佳效能。航天作戰任務的指揮員需要考慮航天裝備的攻防、偵察、通信、測繪、導航、定位、預警、檢測和氣象預報等能力，關注的側重點必然在這些裝備的戰術技術性能上；裝備試驗任務的指揮員關注的是航天裝備質量特性是否符合標準化的要求，確定裝備是否可用；航天發射任務則更加關注航天裝備在極端環境下的質量指標。不同的航天任務決定了需要關注何種裝備的質量狀態，收集哪些裝備質量信息和數據，態勢生成的結果自然也不同，可以說航天裝備質量態勢生成需求決定了態勢生成的結果。

2.2 裝備通用質量特性

裝備通用質量特性[4]指可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性，簡稱“六性”。在論證、研制、生產階段，合理確定通用質量特性的參數，保證裝備符合國軍標要求，在使用階段，各通用質量特性能夠在規定的時間內保證裝備保持規定功能，避免裝備質量狀態發生質變，影響了航天裝備質量態勢的波動情況。

2.3 技術手段

從裝備質量數據的獲取，到裝備質量態勢信息的輸出這一過程要經過多個環節，每一個環節都需要技術手段支持，包括態勢感知技術、大數據與云計算技術、可視化技術以及信息分層技術等，技術手段的選擇和技術應用的成熟度都對數據的獲取、處理、儲存、分發和顯示的精確性和時效性產生一定的影響。

2.4 設備

航天裝備質量的變化情況是航天裝備質量態勢生成的起點，為了獲取準確的質量狀態數據，需要對航天裝備進行技術狀態檢測。采用自動化、智能化的裝置，將航天裝備的故障特征信息存入裝置中，設置閾值，一旦裝備質量參數超出閾值，就可以主動獲取監測數據。監測裝置的布局對裝備質量數據獲取的精度具有一定的影響。

2.5 信息質量

裝備質量數據和信息是航天裝備質量態勢生成的基礎，而信息質量決定著生成的態勢信息能否準確表達航天裝備質量的真實情況和發展趨勢。信息質量指信息的準確性、完整性、一致性等，獲得可靠的數據是提高信息質量的基礎[5]。根據質量態勢的特點，提高信息質量要關注信息整體性、及時性、多源融合性、精確性、層次性、連續性、可理解性等指標。

2.6 法規標準

2.6.1 質量等級評價標準

航天裝備質量態勢生成歸根結底是對裝備質量狀態的監控與預測，為了提高態勢生成的效率和態勢信息的可信度，需要在態勢生成過程中預設質量裝備質量等級評價標準，等級評價標準的合理性對于裝備質量數據的獲取和分析有一定的影響。

2.6.2 信息標準

由于航天裝備質量數據來源廣、種類多且格式不統一，為了更好的對其進行分析處理，需要信息標準化，其表達方式通常用數字或符號表達。信息標準化必須采用統一的編碼對質量態勢生成的信息進行表達，不同的編碼表達會造成完全不同態勢顯示和態勢理解，因此這種表達方式必須具有權威性。

2.6.3 顯示標準

態勢顯示終端分布在各個單位或部門，顯示標準化有助于各單位部門得到一致的態勢顯示效果，態勢顯示標準化主要包括設備標準化、界面顯示標準化、標識顯示標準化、顯示方式標準化。不同的設備，態勢顯示的清晰度和顯示內容的多少也會不同；顯示界面各功能的布局在一定程度上影響了對態勢信息的操作；標識顯示標準化有助于各級人員理解態勢信息的一致性；態勢信息用何種顯示方式需要統一，避免對態勢信息的誤判。

2.7 軍地信息不對稱性

航天科研生產體系的一大特點是軍民融合，但是基于保密規定，生成的態勢信息只能有選擇地共享給民營企業，軍地雙方得到的質量態勢信息是不同的，因此民營企業無法完全了解航天裝備質量的具體情況，也無法采取針對性的措施提高裝備質量。另一方面，由于一些軍工技術落后于民用技術，軍用標準也落后于國家標準，標準和規范的不統一也影響民營企業參與提高航天裝備質量的研制生產工作。

3 航天裝備質量態勢生成過程及原理要求

盡管航天裝備質量態勢生成過程與其他態勢生成的過程大致相同，但是根據航天裝備質量的特點，生成過程中需要遵循的原理和要求有其特殊性。航天裝備質量態勢生成過程中由很多原理和要求，但主要是下面3 點。

3.1 航天裝備質量態勢生成原理

3.1.1 數據采集原理

利用傳感器和測量儀器對裝備質量的參數進行監測，根據變化情況發出信號并轉化成數據，數據獲取的頻率與裝備質量情況的時效性和真實性成正比，但是裝備質量變化的速度較慢，航天裝備質量數據獲取可根據采樣定理[6]，最低采樣頻率fs≥2fmax，其中，fmax為信號中最高頻率，這樣獲取的數據能夠完整的保留裝備質量變化的數據，一般情況下取fs＝（2.56～4）fmax。

3.1.2 信息報送原理

一般情況下，航天裝備有一定的故障規律，盡管數據傳輸和信息報送的速度與態勢信息的時效性成正比，但是待傳輸的數據和信息量巨大，且并非所有的信息都是必須隨時需要的。因此，可以建立合適的報送機制，根據單個裝備對整個航天裝備體系影響程度，信息報送可區分優先級，按照信息的重要程度和任務需求決定報送的先后順序和報送頻率。

3.1.3 數據梳理原理

航天裝備質量數據來源廣泛且數量巨大，為了便于處理和儲存，必須進行有效的分類。數據分類的原則應以綜合實用性為主，從任務需求出發更便于實際操作，根據航天裝備質量數據具有多個屬性的特點，可采用交叉分類法按照多個標準對其進行分類。這樣的分類方法可以保證不管從任何角度對數據進行調用處理，都能夠迅速獲取所有需要的數據。

3.1.4 態勢預測原理

航天裝備質量態勢預測就是對裝備質量變化的趨勢進行預測，其原理有三個，即時間連續性原理、歷史類比性原理和預測因果性原理。時間連續性指航天裝備質量狀態在一般情況下是隨著時間的推移而變化的，其未來的發展趨勢必然與過去和現在的發展趨勢有一定的聯系。類比性指態勢的預測中，根據航天裝備質量的故障數據，總結出裝備的故障規律，再結合對獲取的質量數據的處理分析，發現質量特征參數出現與故障數據中類似的值，把裝備故障歷史規律類推到裝備未來發展規律上，對航天裝備質量變化趨勢進行預測。預測因果性原理是根據航天裝備質量變化的原因對其進行預測。航天裝備質量變化必然與其特征參數的變化相關，某個原因引起特征參數的變化，特征參數的值超出一定的閾值就會引起裝備質量的變化，認識了其中的因果關系，就能夠進行相應的預測。

3.2 航天裝備質量態勢生成要求

3.2.1 數據分析要求

數據分析是為了提取有用信息和形成結論而對數據加以詳細研究和概括總結的過程，簡而言之就是將數據進行分類和比較。航天裝備質量態勢生成過程中的數據分析目的是為了在數據之中發現新的特征，以保證質量態勢預測的準確性。裝備質量態勢數據分析首先要深度理解任務需求，為數據分析提供明確的目標；其次是數據整理分類，分類有助于發現數據的特征和規律，找出特征參數與裝備質量的關聯度；再次要根據任務的需求，確定關鍵指標，進行特征提取和特征選擇；最后將數據按照重要性和特點規律用圖表表示出來。

3.2.2 態勢顯示要求

態勢顯示最重要的目的是向人們展示需要的信息，態勢顯示的要求一是要突出重點[7]，將裝備按照質量等級劃分，各質量等級裝備采用不同的顏色標繪，重點強調任務關注的重要裝備，對故障裝備采取報警的方式提高關注度。二是分類分層顯示[8]，面向不同的任務需求，在顯示界面按照優先級排序，采用整體顯示和具體描述相結合的方式，各類標識的點、線、仿真模型效果區分大、中、小三類，具體的裝備質量情況描述內容適當隱藏，按需調取，避免顯示界面內容過多，降低信息感知速度。

3.3 航天裝備質量態勢生成過程

航天裝備質量態勢生成的起點是航天裝備質量在時間維度上的變化；生成的根基是裝備質量的各種數據和信息；生成的動力是技術手段，技術手段推動著質量數據的獲取、處理、分析和顯示等關鍵環節的運行；生成的關鍵是獲取全壽命周期和各相關單位裝備質量數據；生成的核心環節是裝備質量數據的獲取、處理和分析；生成的依托是完善的信息系統；生成的終點是質量態勢信息即對裝備質量現狀和發展趨勢的預測。

航天裝備質量態勢生成過程如圖1 所示。

圖1 航天裝備質量態勢生成過程

數據采集獲取階段，利用傳感器等測量設備對處于各個狀態（在役、在研、在修、在軌）的航天裝備質量情況進行監控，根據采樣規律對質量變化情況的數據進行收集。數據分析處理階段，根據裝備質量數據的分類標準將各類數據進行分類儲存；將格式多樣的數據進行格式統一并量化，方便之后的處理；通過對各類任務深度剖析，提取任務所需裝備的質量參數數據進行分析。態勢信息顯示階段，現調取裝備歷史數據，根據裝備故障規律和裝備質量等級評定標準，進一步對裝備質量變化數據進行分析，預測裝備質量發展趨勢；并利用標繪技術、信息分層技術將態勢信息發送給各層級指揮員，同時，根據保密機制，將態勢信息有選擇地共享給軍地各相關部門，按照各類態勢信息的顯示方式對預測的態勢信息最終可視化。

4 結束語

航天裝備質量態勢生成在各類航天任務中對裝備質量情況的掌控起著重要的作用。定義了航天裝備質量態勢生成機理的內涵及特點，分析了態勢生成的影響因素、生成過程及原理要求，從分析結果來看，航天裝備質量態勢的生成最關鍵的就是裝備質量數據，因此在下一步的研究中，要重視裝備質量數據的研究，充分利用裝備全壽命各個階段的質量數據，為質量態勢生成進一步的研究奠定基礎。