航天裝備綜合保障信息管理平臺體系架構及工程研制實踐

邵世綱，邢冠楠，崔 寅，崔文星，劉 嶺

0 引 言

隨著高新技術在航天裝備中的廣泛應用，裝備產品技術水平、復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、備件消耗難預測等實際問題。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)體系架構研究，采用虛擬現(xiàn)實、視景仿真、信息融合、大數(shù)據分析處理、交互式電子手冊等技術，集成系統(tǒng)優(yōu)化設計、保障方案設計與評估、故障維修、備件供應與優(yōu)化、保障信息管理等多種功能，構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 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，為保持和提升系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性，降低全壽命周期費用，綜合考慮保障性問題，確定保障性要求，全面開展保障性設計、分析與驗證評價，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，開展保障性指標論證及保障性設計；在裝備研制時，與主裝備同步開展相應保障資源的規(guī)劃、研制及購置；在裝備部署使用時，考慮經濟性與有效性，建立與主裝備相匹配的保障系統(tǒng)，提供所需的保障服務；在裝備超期服役和延壽使用時，提供有效的備件供應和技術服務。裝備綜合保障是以經濟合理的壽命周期費用，實現(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，其貫穿于預研、設計、論證、試驗驗證、生產、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)劃和設計接口3個綜合保障結構要素構成，而保障資源要素則由器材保障、技術文件、保障設施、人力和人員、包裝-裝卸-儲存-運輸管理、訓練和訓練保障、保障設備、計算機資源保障等八大要素構成。

在航天裝備綜合保障工作中，應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技術，對相關保障信息進行系統(tǒng)分析和分類處理，實現(xiàn)裝備保障流程的科學化、網絡化、信息化、可視化管理，完成裝備預防性維修向預測性維修轉變，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 信息管理平臺建設需求

傳統(tǒng)航天裝備研制過程中，主要考慮射程、運載能力、精度等性能指標，涉及實戰(zhàn)能力的綜合保障等方面的設計則考慮不多，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，壽命周期費用高。受制于國家預算、技術標準、信息化程度、管理模式等因素的影響，中國航天領域綜合保障體系建設還處于起步階段，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計，裝備自診斷能力差，裝備使用保障、維護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行狀態(tài)記錄、健康狀態(tài)評估、壽命預測、質量管理與追溯、故障維修、測試維護、保障及訓練設備、維修履歷、備件供應等綜合保障業(yè)務管理需求，需要建立一個集航天產品優(yōu)化設計、保障方案設計與評估、故障維修、備件供應與優(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基本需求如下：a）在設計階段考慮裝備的可維修性和互換性，并提供可維修性設計檢查工具；b）采集航天裝備從生產出廠到退役報廢全生命周期內的所有數(shù)據信息，建立每個設備完備的電子履歷；c）監(jiān)控航天裝備日常運行狀態(tài)，及時評估裝備的健康狀況，科學預測裝備剩余壽命，提前預測可能發(fā)生的故障并采取措施，將修復性保障轉變?yōu)轭A防性和預測性保障；d）為航天裝備的維護保養(yǎng)、故障診斷與維修、狀態(tài)記錄與分析、人員和保障設備管理等提供信息化管理手段；e）提供全新的人員培訓訓練和考核評定平臺，提高整體訓練效果；f）提供遠程專家支持服務，實現(xiàn)遠程故障診斷和維修；g）對航天裝備技術狀態(tài)進行管理，對部隊裝備保障能力進行預測評估，為保持和提升裝備實戰(zhàn)性能提供依據。

2 信息管理平臺體系結構

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

基礎支撐平臺從基礎硬件設施、數(shù)據中心和集成與接口服務 3個方面支撐綜合保障信息化平臺穩(wěn)定運行，具備基礎數(shù)據、數(shù)據庫的調配功能，通過數(shù)據容災、備份等方式，確保應用平臺層可以順暢使用數(shù)據中心中的數(shù)據，同時為綜合保障系統(tǒng)提供硬件運行環(huán)境。數(shù)字化設計平臺和數(shù)字化制造平臺提供相應的設計和制造數(shù)據，綜合保障信息管理平臺反饋保障分析數(shù)據，便于開展可維修性設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)據采集分析及技術狀態(tài)管控、保障性設計和分析、虛實結合的交互式訓練、遠程專家支持、交互式電子手冊、健康與維護管理、供應鏈管理等多個子系統(tǒng)構成，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)據管理。

工程應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)務功能，用戶可通過工程應用平臺驅動整個航天裝備綜合保障信息管理平臺協(xié)作運行去完成特定任務和功能（如作戰(zhàn)支持和戰(zhàn)場搶修、遠程故障診斷及技術支持、模擬訓練及虛擬維修等）。

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

3 信息管理平臺工程研制實踐

3.1 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺

3.1.1 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺系統(tǒng)結構

虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺主要由服務器端、客戶端、展示和交互端三部分構成，其系統(tǒng)結構如圖 2所示。其中服務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，PC客戶端完成在線培訓和考核評定，展示和交互端完成沉浸式全景展示、交互式訓練、虛擬維修等功能。

圖2 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺系統(tǒng)結構Fig.2 System Structure Diagram of Interactive Training Platform for Virtual Reality

3.1.2 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺功能構成

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

圖3 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺功能構成Fig.3 The Functional Composition of the Interactive Training Platform of Virtual Reality

3.1.3 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺軟硬件布置

虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺空間布局由培訓教室、服務器機房、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)實系統(tǒng)展示區(qū)等組成，虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺軟硬件布置如圖4所示。

虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺以服務器端軟件系統(tǒng)、客戶端軟件系統(tǒng)、文件服務器、數(shù)據庫服務器和應用服務器為綜合管理載體，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行內容編排，以通用的虛擬教學終端的可視化培訓、半實物仿真訓練、沉浸式推演訓練等培訓手段，集沉浸式虛擬教學、實戰(zhàn)化模擬訓練、交互式訓練考評、系統(tǒng)化訓練管理等多種功能為一體，進行裝備全壽命周期內持續(xù)的培訓訓練、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中的協(xié)同訓練與虛擬作戰(zhàn)演練，能夠滿足多個層次航天裝備使用、訓練、維護要求。

圖4 虛擬現(xiàn)實的交互式訓練平臺軟硬件布置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)構成

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

圖5 交互式電子手冊研制平臺系統(tǒng)構成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)據模塊需求列表（DMRL）；b）任務分配；c）制作編輯；d）確定發(fā)布內容；e）發(fā)布。對于一個出版物模塊，從公共源數(shù)據庫（Common Source Data Base，CSDB）中提取相應的數(shù)據對象，連同顯示框架、中間件進行打包，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，直觀展示裝備的結構組成、技術原理、維護維修、操作使用等，采用良好的人機交互界面，具有多種查詢和導航功能，可實現(xiàn)技術手冊的快速查閱、信息檢索、故障隔離及定位、專家診斷等功能，重點解決技術資料保存、保管、運輸、使用等方面存在的問題，提高技術資料使用的便捷性。交互式電子手冊用于裝備使用、維護、修理相關的操作手冊及技術文檔的管理和交互式瀏覽，交付用戶后具備航天裝備技術資料電子化能力，可初步滿足用戶操作使用指導、技術原理學習等實際需求。

4 結 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)據管理的綜合保障信息管理平臺體系結構，并以虛擬現(xiàn)實的交互式訓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)結構、功能組成等。該綜合保障信息管理平臺的建立和應用對實現(xiàn)航天裝備保障自主化和智能化、降低全壽命周期維護費用具有重要意義。