鄭 娟，羅昌俊，馬永一，王小飛，高 虎

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心計(jì)算所，四川 綿陽 621000；2.陜西萬禾數(shù)字科技有限公司，西安 710100)

0 引言

風(fēng)洞是開展空氣動力學(xué)研究和飛行器研制的重要基礎(chǔ)地面設(shè)備，其試驗(yàn)任務(wù)的有效遂行依賴于水、電、高壓氣源、中壓氣源、真空、氮?dú)?、氫氣、氧氣等多種動力資源的有力保障。風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)具有分布分散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高的特點(diǎn)，需要通過先進(jìn)的技術(shù)手段提高人員培訓(xùn)、設(shè)備維修以及技術(shù)資料管理的效益和效率。為此，引入交互式電子技術(shù)手冊IETM技術(shù)，遵循第五代IETM的集成思想，以IETM系統(tǒng)、PMA系統(tǒng)為核心，同時(shí)與現(xiàn)有的風(fēng)洞動力資源相關(guān)的信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成一體化的風(fēng)洞動力資源綜合保障方案，為風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的使用、維修、維護(hù)、培訓(xùn)等保障工作提供系統(tǒng)、全面的技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

風(fēng)洞動力資源綜合保障系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)以IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將其作為便攜式輔助維修終端PMA的系統(tǒng)服務(wù)；同時(shí)與現(xiàn)有的風(fēng)洞動力設(shè)備健康管理系統(tǒng)(PHM系統(tǒng))、設(shè)備信息管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)進(jìn)行集成。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、核心設(shè)備健康狀態(tài)智能分析、故障智能報(bào)警及維修工單下發(fā)等功能。設(shè)備信息管理系統(tǒng)和倉庫系統(tǒng)提供風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)全生命周期的動態(tài)履歷、維修活動和備品備件的精細(xì)化和規(guī)范化管理。

IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)按照GJB6600標(biāo)準(zhǔn)，采用多種多媒體手段，將風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的工程圖紙、操作、維修、故障診斷規(guī)則、維修保養(yǎng)規(guī)范、應(yīng)急預(yù)案及備品備件等信息有機(jī)組織起來，形成一部超級“數(shù)字寶典”，為最終用戶提供一個(gè)無紙化、向?qū)偷慕换ナ叫畔⒒Ｕ檄h(huán)境，使用戶能夠準(zhǔn)確、快速、直觀地獲取所需信息。同時(shí)，IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)還作為“專家系統(tǒng)”，為PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞動力設(shè)備故障診斷與確認(rèn)、維修方案制定等提供技術(shù)支持；為PMA終端現(xiàn)場執(zhí)行風(fēng)洞動力設(shè)備維修保養(yǎng)、設(shè)備巡檢等任務(wù)提供設(shè)備拆卸、安裝、維護(hù)、維修等操作的技術(shù)支持。

PMA手持終端為便捷高效開展風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的維修保養(yǎng)、現(xiàn)場巡檢等活動提供服務(wù)，主要負(fù)責(zé)維修/巡檢任務(wù)的接受、維修/巡檢任務(wù)的執(zhí)行與記錄和IETM技術(shù)手冊的瀏覽查詢等內(nèi)容。PMA終端不僅具有PC端IETM所有功能；還能提供崗位人員身份識別、二維碼掃描、工單導(dǎo)入、現(xiàn)場巡檢/維修實(shí)時(shí)記錄、巡檢/維修記錄導(dǎo)出等功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場巡檢、維修過程中的操作方法、故障診斷等技術(shù)支持，以及設(shè)備狀態(tài)采集(支持文本、圖像、視頻等多種格式信息)、處理方式、處理結(jié)果實(shí)時(shí)記錄等。同時(shí)，PMA終端還與PHM系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、設(shè)備信息管理系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)維修/巡檢工單下發(fā)與任務(wù)反饋、維修器材申領(lǐng)與歸還、設(shè)備履歷信息更新等任務(wù)。

2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)

IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞動力資源IETM數(shù)據(jù)模塊開發(fā)、發(fā)布、瀏覽等功能，如圖2所示。

圖2 IETM 研制思路

根據(jù)風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)日常訓(xùn)練、維修和保養(yǎng)等工作的需要，IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)以文本顯示、圖文熱點(diǎn)交互、3D虛擬手冊、問答式故障診斷、向?qū)皆O(shè)備操作/故障恢復(fù)等多種方式對高壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等動力資源系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、操作規(guī)程、工藝流程、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范、常見故障識別與處理、安全規(guī)程、崗位規(guī)章制度等技術(shù)信息進(jìn)行組織管理；依此對GJB660進(jìn)行了裁剪，利用陜西萬禾數(shù)字科技有限公司自主研發(fā)的IETM創(chuàng)編平臺完成描述類(descript)、程序類(procedure)、故障類(fault)、圖解零部件目錄類(ipd)、過程類(process)數(shù)據(jù)模塊等6大類數(shù)據(jù)模塊的制作、存儲、校驗(yàn)、管理、解析及顯示；提供手冊、目錄、查詢、過濾等多種導(dǎo)航方式以及歷史信息記錄、打印等功能；提供基于功能、用戶、角色、部門的多維度權(quán)限控制，并采用數(shù)據(jù)加密存儲/傳輸?shù)炔呗源_保IETM數(shù)據(jù)的安全訪問。

2.2 PMA手持終端

PMA手持終端的主要作用是作為風(fēng)洞動力設(shè)備電子履歷/歷史維修數(shù)據(jù)/IETM數(shù)據(jù)模塊等數(shù)據(jù)的可視化客戶端和故障現(xiàn)象/維修策略等數(shù)據(jù)的采集終端。PMA手持終端需要實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)與單位內(nèi)網(wǎng)動力資源相關(guān)業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步。鑒于單位內(nèi)部尚未建立無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，PMA終端具有在線與離線兩種運(yùn)行模式。為避免PMA終端與現(xiàn)場工作機(jī)直連，本系統(tǒng)通過增配OTG網(wǎng)卡的方式，實(shí)現(xiàn)PMA手持終端對單位內(nèi)網(wǎng)的接入和訪問。在線運(yùn)行時(shí)，PMA訪問應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器，分別從IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)、PHM系統(tǒng)、設(shè)備信息管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)中同步IETM數(shù)據(jù)、任務(wù)工單、設(shè)備技術(shù)狀態(tài)與履歷、維修器材與備品備件庫存量等信息。離線運(yùn)行時(shí)，PMA終端實(shí)現(xiàn)IETM數(shù)據(jù)的查詢與瀏覽、基于IETM的故障識別/隔離、設(shè)備拆卸/安裝、部件維修/更換等活動，并將新產(chǎn)生的維修信息記錄下來；當(dāng)再次連入內(nèi)網(wǎng)后，PMA終端自動將新建維修信息同步到PHM系統(tǒng)、設(shè)備信息管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)庫中。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)頂層規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)“一次生成，多次使用”的數(shù)據(jù)管理理念，IETM技術(shù)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，將所需技術(shù)信息分解為數(shù)據(jù)模塊、插圖和多媒體對象存儲在公共源數(shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可重用。數(shù)據(jù)頂層規(guī)劃的任務(wù)是將風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)信息合理劃分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)模塊，并建立數(shù)據(jù)模塊的編碼策略，包括設(shè)備結(jié)構(gòu)分解和信息集規(guī)劃兩項(xiàng)研究工作。

3.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)分解

設(shè)備結(jié)構(gòu)分解與是IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將高壓、真空、中壓等各類動力資源系統(tǒng)分解為若干獨(dú)立的單元。在分解中，必須合理規(guī)劃數(shù)據(jù)分解粒度，不僅要避免粒度過大帶來數(shù)據(jù)模塊重用性差的問題，還要避免粒度過小導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)運(yùn)行效率低的問題。風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)集成度高，其現(xiàn)場維修主要采用更換零部件進(jìn)行修復(fù)的模式。因此，風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的設(shè)備分解粒度以故障診斷策略中最小故障定位單元為標(biāo)準(zhǔn)，并采用“型號-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-分分系統(tǒng)-部件”的五級設(shè)備結(jié)構(gòu)分解模型。

3.1.2 信息集規(guī)劃

信息集規(guī)劃的主要任務(wù)是根據(jù)用戶需求研究確定需要制作哪些數(shù)據(jù)模塊，提出數(shù)據(jù)模塊需求清單，并根據(jù)GJB6600標(biāo)準(zhǔn)編制數(shù)據(jù)模塊編碼規(guī)則。本系統(tǒng)以特定風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成為主線，根據(jù)其任務(wù)活動剖面(如組裝、拆卸、測試、保養(yǎng)、維護(hù)、維修等)對各類技術(shù)信息進(jìn)行拆分，形成數(shù)據(jù)模塊需求列表DMRL，確定每個(gè)數(shù)據(jù)模塊描述的對象和內(nèi)容，并賦予其唯一的標(biāo)識，即數(shù)據(jù)模塊編碼DMC。GJB6600標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)模塊編碼DMC由英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)據(jù)混編而成，長度為17～41位字符。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊編碼采用17位字符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)模塊編碼規(guī)則

3.2 DMRL結(jié)構(gòu)化構(gòu)建

建立數(shù)據(jù)模塊需求列表DMRL是IETM研制前期工作的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)信息集規(guī)劃中，常以設(shè)備組成結(jié)構(gòu)為主線，采用“分蛋糕”的方式將現(xiàn)有的技術(shù)資料進(jìn)行分解，逐漸形成DMRL。這種劃分模式取決于DMRL規(guī)劃者的經(jīng)驗(yàn)，存在劃分標(biāo)準(zhǔn)隨意、手動形成DMRL清單工作量大等問題。為此，本系統(tǒng)提出一種結(jié)構(gòu)化DMRL構(gòu)建技術(shù)，具體步驟如下：

1)由于本系統(tǒng)采用五級設(shè)備結(jié)構(gòu)分解模型，因此采用度為5的無序樹T=(Dn，Rn)表示特定風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，對應(yīng)無序樹中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。n表示T中結(jié)點(diǎn)的總數(shù)，Dn表示所有結(jié)點(diǎn)的集合，Rn表示各結(jié)點(diǎn)的關(guān)系集合。采用“鏈?zhǔn)酱鎯Ψā睂o序樹T進(jìn)行存儲，如圖4所示。然后通過計(jì)算機(jī)編程，遍歷T的所有路徑，實(shí)現(xiàn)Dn中所有節(jié)點(diǎn)的硬件/系統(tǒng)標(biāo)識碼的自動編碼，形成設(shè)備結(jié)構(gòu)單元集En。

圖4 設(shè)備結(jié)構(gòu)樹表達(dá)示例

2)以GJB6600信息碼分類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，根據(jù)用戶需求裁剪確立所需的信息類別集Im，m是信息類別的總數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對En和Im進(jìn)行“笛卡爾積”運(yùn)算，得到最大信息集Am×n。

3)根據(jù)用戶需求，對最大信息集Am×n進(jìn)行梳理，明確是否需要建立對應(yīng)的信息集，并利用“0-1”矩陣Bm×n進(jìn)行表示。“0”表示“無需求”，“1”表示“有需求”，如表1所示。

4)對Am×n和Bm×n進(jìn)行“點(diǎn)乘”運(yùn)算，去除其中為“0”的元素，即可得到數(shù)據(jù)模塊需求列表DMRL，并編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊的自動編碼。

3.3 綜合故障診斷

本系統(tǒng)將IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)/PMA 終端與風(fēng)洞動力資源健康系統(tǒng)(PHM系統(tǒng))、設(shè)備信息管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫鏈接，呈現(xiàn)給維修人員一個(gè)更加多元化的設(shè)備維修解決方案。

1)基于故障報(bào)警的故障確認(rèn)。PHM系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常后發(fā)出報(bào)警。PHM系統(tǒng)將根據(jù)故障報(bào)警數(shù)據(jù)，自主查詢調(diào)用 IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)中相關(guān)的故障診斷數(shù)據(jù)模塊，維修人員以交互的方式實(shí)現(xiàn)故障定位與確認(rèn)。

2)基于維修任務(wù)的工單制定。一旦明確故障設(shè)備、故障類型后，PHM系統(tǒng)將創(chuàng)建維修工單。PHM系統(tǒng)根據(jù)故障代碼自動匹配IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)中該故障的隔離/維修程序，并根據(jù)此故障隔離/維修程序中的“準(zhǔn)備信息”列出維修此故障所需專用工具、耗材、備件信息、人員要求信息，為制定維修方案提供輔助決策。同時(shí)，生成維修器材申領(lǐng)單向倉庫管理系統(tǒng)提交申請。

表1 DML規(guī)劃示例

3)基于故障定位的維修實(shí)施。維修人員將維修任務(wù)下載至PMA終端，領(lǐng)取維修所需各類器材，現(xiàn)場實(shí)施維修活動。PMA終端中離線IETM模塊提供設(shè)備拆卸安裝程序、故障維修程序、應(yīng)急程序等指導(dǎo)故障維修等信息支持。PMA終端提供文本輸入、現(xiàn)場拍照/錄制視頻等手段，離線記錄故障現(xiàn)象、維修過程、維修結(jié)論和實(shí)際耗材等信息。聯(lián)網(wǎng)后，將新的維修記錄上傳至相關(guān)系統(tǒng)，完善更新其數(shù)據(jù)庫，擴(kuò)充其知識庫。

3.4 3D虛擬手冊

傳統(tǒng)IETM多采用文本與2D圖形相結(jié)合的方式對信息技術(shù)進(jìn)行描述。這種方式不利于用戶快速獲取和理解技術(shù)信息。為此，本系統(tǒng)應(yīng)用交互式3D技術(shù)，利用萬禾數(shù)字科技有限公司司自主研發(fā)的3D Builder工具，直接重用風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)3D-CAD模型，將原始的3D-CAD模型加工、轉(zhuǎn)化并輕量化后形成自定義vab格式的3D模型，嵌入IETM數(shù)據(jù)模塊中，并為3D模型添加引用或熱區(qū)。發(fā)布后，IETM瀏覽模塊利用IETM 3D Viewer1103_Setup、3DVIAPlayer、X-Codec-Pack等插件對內(nèi)容解析處理，使3D模型可以在一個(gè)單獨(dú)的窗口中打開查看，直觀地展示風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、安裝、拆卸、設(shè)備操作、故障維修等技術(shù)信息，增強(qiáng)本系統(tǒng)設(shè)備輔助維修、人員培訓(xùn)等功能。

1) 3D圖解零部件目錄。提供風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)3D模型的多視角展示、3D交互式零部件目錄以及零部件安裝/拆卸等3D操作仿真，允許用戶放大、縮小、平移特定的零部件，并建立特定零部件模型與零件圖解、照片或維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)模型DM等技術(shù)信息之間的雙向鏈接功能，使零部件更加易于識別、掌握。

2)輔助維修。以風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)維修活動中的故障現(xiàn)象、處理過程、系統(tǒng)響應(yīng)等為仿真對象，在建立風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)3D虛擬樣機(jī)模型、維修過程模型等計(jì)算機(jī)模型，形象、逼真地展現(xiàn)特定故障的維修程序，同時(shí)還提供向?qū)降慕换ゾS修指導(dǎo)服務(wù)，幫助用戶快速實(shí)施故障排查以及維修任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行界面示例

根據(jù)風(fēng)洞動力資源綜合保障系統(tǒng)總體方案，設(shè)計(jì)并研發(fā)了兩個(gè)新系統(tǒng)，即基于B/S模式的IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)和基于C/S模PMA終端，如圖5所示。新系統(tǒng)研發(fā)采用Java軟件開發(fā)工具包JDK作為Java開發(fā)環(huán)境，采用SQL SERVER關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、Redis非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和Neo4J圖形數(shù)據(jù)庫作為開發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，采用可視化的SQL SERVER管理平臺SSMS來操作和管理數(shù)據(jù)庫，采用開源Web應(yīng)用服務(wù)器Apache Tomcat作為開發(fā)環(huán)境應(yīng)用服務(wù)器。 PMA終端采用7寸工業(yè)級電容式觸摸屏定制手持式設(shè)備，支持二維碼掃描及拍照、攝像功能，滿足EXib llc T6防爆等級要求，具有較強(qiáng)的防震、防水、防塵等防護(hù)措施。

系統(tǒng)正式上線運(yùn)行前，委托第三方評測機(jī)構(gòu)在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中，對風(fēng)洞動力資源綜合保障系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)級測試以及回歸測試。其中，重點(diǎn)測試了IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)與PMA等其他相關(guān)信息系統(tǒng)的集成性；同時(shí)還錄制各業(yè)務(wù)點(diǎn)腳本，使用負(fù)載生成器模擬并發(fā)用戶按設(shè)定梯度逐步遞增至100人的場景，對系統(tǒng)持續(xù)產(chǎn)生壓力，觀察各項(xiàng)性能指標(biāo)是否異常。測試結(jié)果表明：IETM系統(tǒng)在提供高壓系統(tǒng)、中壓系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等動力資源系統(tǒng)交互式電子手冊的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)IETM數(shù)據(jù)與裝備履歷、維修信息、庫管信息的聯(lián)通，完成事后故障維修“設(shè)備故障報(bào)警—故障確認(rèn)—維修工單制定與下發(fā)—維修任務(wù)執(zhí)行與上傳”以及巡檢維護(hù)“維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范自動觸發(fā)—巡檢工單制定與下發(fā)—巡檢任務(wù)執(zhí)行與上傳”等工作回路的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)；在100人并發(fā)的負(fù)載下，各關(guān)鍵業(yè)務(wù)點(diǎn)平均響應(yīng)時(shí)間約為0.067～2.444 s，總體性能良好。

5 結(jié)束語

本文以風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)為研究對象，初步探究IETM系統(tǒng)與外部信息系統(tǒng)的集成模式，實(shí)現(xiàn)了IETM系統(tǒng)與PMA終端、健康管理系統(tǒng)，倉庫系統(tǒng)、設(shè)備信息管理系統(tǒng)的等外部系統(tǒng)的單向集成，提供基于框架導(dǎo)航模式的技術(shù)資料的快速訪問、基于3D交互模式的操作過程指導(dǎo)、基于故障維修歷史數(shù)據(jù)的維修器材的自動申領(lǐng)，以及基于人機(jī)交互模式的故障診斷與確認(rèn)等功能，有效提高風(fēng)洞動力資源系統(tǒng)的運(yùn)行保障能力，為其他領(lǐng)域基于IETM的綜合保障系統(tǒng)研發(fā)提供參考。