陳建平 張樂 陳敬賢 李蘇杭

摘要：本文針對目前我軍裝備保障現(xiàn)狀，基于北斗衛(wèi)星通信及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套武器裝備遠(yuǎn)程維修保障系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的組成、基本工作原理、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)建立遠(yuǎn)程保障信息傳輸網(wǎng)絡(luò)并基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)裝備故障情況，可以廣泛應(yīng)用于我軍武器裝備遠(yuǎn)程維修保障中，促進(jìn)新型復(fù)雜裝備維修保障能力生成，并從一定程度上實(shí)現(xiàn)保障資源的配置和調(diào)度，有效提高我軍武器裝備的綜合保障能力，對部隊(duì)作戰(zhàn)能力的提升具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信;虛擬現(xiàn)實(shí);武器裝備;遠(yuǎn)程維修保障

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0175-04

0 引言

隨著我國國防工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的先進(jìn)武器裝備生產(chǎn)并列裝部隊(duì)，軍隊(duì)武器裝備越來越集成化、小型化、智能化，技術(shù)含量越來越高[1]，基于天地一體信息網(wǎng)絡(luò)的體系作戰(zhàn)也是未來戰(zhàn)爭的重要形態(tài)之一[2]，列裝先進(jìn)武器的部隊(duì)分布在全國各地乃至國外，并且經(jīng)常大范圍機(jī)動，對我軍及國防軍工企業(yè)前方伴隨保障技術(shù)人員的要求也越來越高。

武器裝備維修保障能力是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的關(guān)鍵因素之一。在節(jié)奏轉(zhuǎn)換快速的現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場中，傳統(tǒng)的人員梯隊(duì)配置，定點(diǎn)伴隨保障、后送維修，校標(biāo)排故的保障模式及功能單一的維修模式已不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求[3]，人員的數(shù)量和技術(shù)水平難以同時滿足應(yīng)對多個地點(diǎn)、多種型號裝備的復(fù)雜保障任務(wù)。因此，未來實(shí)戰(zhàn)及演習(xí)靶場的武器裝備維修保障工作必須滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場的需求，朝著“信息化、集成化、多元化、智能化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化”的方向發(fā)展。運(yùn)用現(xiàn)代衛(wèi)星通信技術(shù)建立遠(yuǎn)程保障信息傳輸網(wǎng)絡(luò)并基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)裝備故障情況，建立軍地雙方高效多媒體交互平臺，可以充分利用后方裝備研制的專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍和保障基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)新型復(fù)雜裝備維修保障能力生成，并從一定程度上實(shí)現(xiàn)保障資源的配置和調(diào)度，有效提高我軍武器裝備的綜合保障能力，對部隊(duì)作戰(zhàn)能力的提升具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于衛(wèi)星通信及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武器裝備遠(yuǎn)程維修保障系統(tǒng)由遠(yuǎn)程保障中心系統(tǒng)（分為保障中心服務(wù)器子系統(tǒng)、裝備維修業(yè)務(wù)調(diào)度管理子系統(tǒng)、桌面式虛擬故障診斷平臺子系統(tǒng)）、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)、現(xiàn)場維修保障系統(tǒng)（分為北斗便攜式保障終端及車載保障終端）組成，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

當(dāng)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)裝備故障時，須建立衛(wèi)星通信鏈路，與保障中心進(jìn)行聯(lián)通，各部分之間通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信連接。

系統(tǒng)以保障中心服務(wù)器作為站點(diǎn)，便攜式保障終端和車載保障終端作為移動端。當(dāng)某型號裝備出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場人員可以在幾分鐘內(nèi)通過便攜式保障終端或車載保障終端通過衛(wèi)星與站點(diǎn)進(jìn)行通信，現(xiàn)場維修人員通過單兵可穿戴設(shè)備將現(xiàn)場裝備出現(xiàn)的故障現(xiàn)象實(shí)時傳到保障中心，保障中心專家根據(jù)故障現(xiàn)象，在服務(wù)器上找到對應(yīng)裝備的3D模型，通過模型的實(shí)時仿真拆卸及維修，讓現(xiàn)場人員在無任何基礎(chǔ)的情況下就能方便的排除故障，基于衛(wèi)星通信及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的診斷系統(tǒng)

2.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬樣機(jī)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有沉浸、交互和構(gòu)想三個特征[4]?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程故障故障診斷系統(tǒng)利用Pro/E等三維制圖軟件對各型武器裝備進(jìn)行三維建模，根據(jù)各型武器的工作原理進(jìn)行動畫制作和程序編譯，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)合，技術(shù)人員可以通過友好的圖形界面來模擬故障現(xiàn)象、故障部位拆裝等故障診斷及維修過程。

虛擬樣機(jī)組成包括各型裝備三維模型數(shù)據(jù)庫、專家知識庫、交互系統(tǒng)等。在虛擬樣機(jī)建立過程中，可以依托八部總體部優(yōu)勢，將各型號裝備、零件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)納入整個三維模型數(shù)據(jù)庫?？梢岳冒嗽罕Ｕ现行慕畮啄旰Ａ繑?shù)據(jù)，存儲各型裝備的故障種類、各類故障現(xiàn)象所對應(yīng)的故障排除方法等信息，建立專家知識庫，并具備自學(xué)習(xí)功能，能對新的故障案例進(jìn)行學(xué)習(xí)并存儲在專家知識庫。交互系統(tǒng)即現(xiàn)場技術(shù)人員可以對虛擬的三維數(shù)字裝備模型進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)放大、縮小、移動、翻轉(zhuǎn)等功能，從而幫助維修現(xiàn)場更好的理解和把握維修操作過程，實(shí)現(xiàn)裝備快速維修[5-6]。

2.1.2 基于虛擬樣機(jī)的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)

現(xiàn)場專家通過操作虛擬環(huán)境中的虛擬樣機(jī)來模擬維修操作過程，通過這種交互，使人主觀上產(chǎn)生真實(shí)的存在感，“沉浸”模擬的三維模型中。

以維修某型裝備的變速箱齒輪為例，如圖3所示。首先收到故障報告（假設(shè)該故障為車輛掛擋有時掛不上，掛擋阻力大），根據(jù)故障信息（文字、音視頻等）及故障現(xiàn)象描述，遠(yuǎn)程保障中心專家初步斷定為變速箱齒輪傳動失效。專家根據(jù)裝備型號，在虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)庫中搜索該型號三維模型→同型號虛擬樣機(jī)→找到變速箱所在車體部位→取出變速箱三維虛擬樣機(jī)→找出故障齒輪，發(fā)現(xiàn)輪齒折斷→更換故障齒輪→故障修復(fù)→專家對故障原因解讀：輪齒受載時，齒根處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)齒輪重復(fù)受載后，齒根處會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輪齒斷裂，齒輪傳動部分失效，車輛出現(xiàn)掛檔有時掛不上，掛檔阻力大等現(xiàn)象。

2.2 保障中心服務(wù)器系統(tǒng)

遠(yuǎn)程保障服務(wù)器系統(tǒng)，由服務(wù)器、防火墻、加密機(jī)、多媒體服務(wù)器子系統(tǒng)組成，實(shí)時全天候服務(wù)。加密機(jī)能夠保障通信數(shù)據(jù)安全。多媒體服務(wù)器系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供語音、視頻及文檔的交互，提供各個型號設(shè)備的3D建模。多媒體服務(wù)器能夠設(shè)立多個客戶登錄賬戶，可以對每個賬戶單獨(dú)設(shè)置不同的工作權(quán)限，從而保證賬戶安全。

遠(yuǎn)程保障服務(wù)器系統(tǒng)以衛(wèi)星加密通信和北斗短報文通信鏈路構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，整合遠(yuǎn)程保障業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、裝備遠(yuǎn)程多媒體交互系統(tǒng)、裝備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、裝備虛擬樣機(jī)專家知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，桌面式虛擬故障診斷平臺等各類終端系統(tǒng)，通過接收現(xiàn)場裝備豐富、準(zhǔn)確的信息，包括采集到的裝備各項(xiàng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場音、視頻信息等，借助虛擬樣機(jī)專家知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、桌面式虛擬故障診斷平臺、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對現(xiàn)場故障裝備進(jìn)行故障診斷、分析、定位并快速制定維修方案，利用虛擬樣機(jī)指導(dǎo)前方進(jìn)行設(shè)備的維修、維護(hù)操作，同時可以利用多媒體交互系統(tǒng)，與相關(guān)裝備研制單位技術(shù)專家展開多方視頻會議，對部分疑難故障進(jìn)行專家會診。

2.3 基于天基信息的遠(yuǎn)程保障通信系統(tǒng)

2.3.1 單兵通信系統(tǒng)

單兵通信系統(tǒng)由單兵無線電臺和單兵多媒體頭盔及單兵便攜電腦組成，為單兵與保障中心服務(wù)器進(jìn)行音、視頻通信建立鏈路，單兵可以通過便攜電腦進(jìn)行SSL撥號與保障中心服務(wù)器通信，從而保證了單兵無線通信的數(shù)據(jù)安全。

2.3.2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)由便攜式衛(wèi)星天線、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、加密機(jī)組成。便攜式衛(wèi)星天線是拋物面天線，天線反射瓣可以拆卸，自帶BOC、LNB，天線可以實(shí)現(xiàn)自動搜星、對星，從而大大提高了搜星、對星的效率。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器可以設(shè)置不同的衛(wèi)星頻率、帶寬、發(fā)射功率，方便靈活[7]。加密機(jī)保障了接收和發(fā)射的數(shù)據(jù)安全。

當(dāng)單兵與遠(yuǎn)程保障中心建立衛(wèi)星通信后，其通信鏈路如圖4所示。

2.4 網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)系統(tǒng)

軍用裝備的保密性要求極高，在裝備遠(yuǎn)程保障維修的通信鏈路中建立了信息安全防護(hù)系統(tǒng)，如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)源加密，DMZ防火墻，入侵檢測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)防病毒系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及服務(wù)器加固，數(shù)據(jù)備份組成，保證了軍用裝備維修信息的安全。

2.5 裝備保障案例數(shù)據(jù)庫

裝備遠(yuǎn)程保障服務(wù)需要建立完善的裝備保障數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、培訓(xùn)資料數(shù)據(jù)庫、裝備信息數(shù)據(jù)庫、裝備測試數(shù)據(jù)庫、專家知識數(shù)據(jù)庫等，其信息來自裝備生產(chǎn)部門、使用管理部門以及裝備使用現(xiàn)場。

該數(shù)據(jù)庫主要包括以下方面內(nèi)容：

（1）裝備技術(shù)資料信息（包括使用說明、維修手冊、裝備參數(shù)、芯線表等）;

（2）裝備保障資源信息（包括保障機(jī)構(gòu)、保障器材、保障人員、備件等）及分布情況;

（3）裝備使用履歷信息（包括工作時間、作戰(zhàn)演習(xí)情況、故障修復(fù)記錄等）;

（4）裝備測試信息（包括自動采集數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)等）;

（5）故障維修案例知識信息（裝備典型故障現(xiàn)象及排除方法）;

（6）各個批產(chǎn)型號裝備三維仿真模型信息。

這些信息經(jīng)過預(yù)處理和分類后保存到數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行查詢、調(diào)用。

2.6 裝備維修業(yè)務(wù)調(diào)度管理系統(tǒng)

在大型軍事演習(xí)、遠(yuǎn)程維修任務(wù)繁多的情況下，快速、有效的對武器裝備維修任務(wù)進(jìn)行合理配置與調(diào)度將有效減少故障裝備的平均故障維修時間（MTTR，Mean Time To Repair），對維護(hù)戰(zhàn)場裝備的戰(zhàn)備完好性，提高部隊(duì)作戰(zhàn)能力具有重要意義。

保障中心在完成虛擬故障排除過程規(guī)劃后，應(yīng)根據(jù)各個故障裝備維修方案所需的條件及現(xiàn)有保障資源進(jìn)行合理配置，保證各個故障順利排除。在裝備維修業(yè)務(wù)調(diào)度管理系統(tǒng)中遵循：優(yōu)先找到核心裝備→優(yōu)先解決制約裝備核心性能的任務(wù)→簡單任務(wù)優(yōu)先→重要設(shè)備任務(wù)優(yōu)先→距離保障資源最近的任務(wù)優(yōu)先的原則，使維修配置效果達(dá)到最優(yōu)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)技術(shù)可靠性高，未來應(yīng)用將比較廣泛，本系統(tǒng)可以應(yīng)用到以下場景。

（1）大型軍事演習(xí)保障任務(wù)中。大型演習(xí)過程中，對戰(zhàn)場搶修，保證參試裝備的戰(zhàn)備完好性方面要求很高，基于天基信息及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武器裝備遠(yuǎn)程維修保障系統(tǒng)應(yīng)用到軍事演習(xí)中，將極大提高戰(zhàn)場快速搶修能力及戰(zhàn)備完好性。

（2）軍事院校裝備培訓(xùn)中。可以為部隊(duì)提供武器裝備面向原理教學(xué)與操作的培訓(xùn)，為軍事院校學(xué)員提供“教、學(xué)、練、考、評”于一體的教學(xué)、訓(xùn)練方法，促進(jìn)我軍武器裝備保障人才能力的提升。

（3）軍貿(mào)產(chǎn)品的維修保障中?，F(xiàn)階段，我國軍貿(mào)出口主要對象為亞、非、拉等第三世界國家，位置偏遠(yuǎn)，國內(nèi)保障人員進(jìn)行伴隨保障面臨保障成本高、保障難度大等諸多問題?；谔旎畔⒓疤摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的武器裝備遠(yuǎn)程維修保障系統(tǒng)對軍貿(mào)裝備故障進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)維修，可以極大減少現(xiàn)場保障人員投入、解決軍貿(mào)裝備維修保障滯后等問題，提高我國軍貿(mào)產(chǎn)品在國際市場的競爭力。

（4）偏遠(yuǎn)、惡劣地區(qū)參試試驗(yàn)隊(duì)中。國防軍工企業(yè)在研制新裝備的過程中，會在某些偏遠(yuǎn)、地廣人稀、極端環(huán)境地區(qū)進(jìn)行各種試驗(yàn)任務(wù)，這些地方試驗(yàn)場往往交通不便、通信中斷，這時候如果裝備出現(xiàn)某些疑難雜癥，前方參試人員在嘗試多次無法解決的情況下，在現(xiàn)場利用基于天基信息的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與后方設(shè)計(jì)師、專家進(jìn)行聯(lián)系，利用后方強(qiáng)大智力支持，共同商討解決方案，不僅減少試驗(yàn)周期，而且可以提高外場試驗(yàn)成功率。

4 結(jié)語

在部隊(duì)不斷深入信息化建設(shè)的背景下，提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遠(yuǎn)程維修保系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將有效應(yīng)對未來信息化戰(zhàn)爭的需要，對戰(zhàn)場快速搶修、演習(xí)保障、軍貿(mào)服務(wù)、軍事教育培訓(xùn)及偏遠(yuǎn)地區(qū)試驗(yàn)等任務(wù)具有重要意義，為我軍提高信息化戰(zhàn)爭能力，保證戰(zhàn)時裝備完好性及我國軍工企業(yè)試驗(yàn)等提供重要支撐，具有較高的軍事價值。

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Abstract：This paper is aimed at the weapon system support status and designed a remote support system based on satellite communication and virtual reality technology， and introduced the composition， basic working principle and key technology of the system. This system applied modern satellite communication technology to establish the remote information transmission network and reappear weapon system failure condition base on the virtual reality technology， it can be wide used in weapon remote maintenance and support to promote new type and complex weapon support capacity building. This system also improve comprehensive support capability and have important practical significance on the military operation capacity improvement.

Key words：satellite communication;virtual reality technology;weapon system;remote maintenance and support