張旭冉 顏世東 楊望燦/ 9900 部隊(duì) 9404 部隊(duì)

0 引言

遠(yuǎn)海大洋是航母編隊(duì)部署的重點(diǎn)區(qū)域，其根據(jù)海上戰(zhàn)略、軍事需求遂行多樣化任務(wù)。艦載機(jī)是航母及大型水面艦船的核心作戰(zhàn)力量，完好性對編隊(duì)使命達(dá)成具有決定性作用。然而，遠(yuǎn)海艦載飛機(jī)的航空保障及維修支援面臨資源有限、通信受限、空間局限、技術(shù)缺陷等短板弱項(xiàng)，存在諸多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，尤其是高精度、復(fù)雜性、時(shí)效急的飛機(jī)疑難雜癥故障，定位難度大、排故技術(shù)高、恢復(fù)時(shí)間長，急需陸基研制廠所及領(lǐng)域?qū)＜业倪h(yuǎn)程支援。

鑒于傳統(tǒng)的維修方式在廣域、復(fù)雜、緊急狀況下無法完全滿足作戰(zhàn)保障要求，基于衛(wèi)星通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能穿戴、知識圖譜等技術(shù)的遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)已開始應(yīng)用實(shí)踐。程占昕等[1]利用現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星通信資源和能力，研究了艦載雷達(dá)遠(yuǎn)海維修支援系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了故障信息快速交互和專家遠(yuǎn)海支援，對維修人員進(jìn)行現(xiàn)場維修指導(dǎo)。郭子豪等[2]提出以AR 智能眼鏡為基礎(chǔ)提供可視化的信息支持，從而替代繁雜的工作手冊、流程圖、對講機(jī)等工作裝備，并實(shí)現(xiàn)專家故障會診，提高航空機(jī)務(wù)的問題解決力與效率值。崔海青等[3]提出一種基于HoloLens 的飛機(jī)維修遠(yuǎn)程指導(dǎo)系統(tǒng)，采用改進(jìn)的P 算法對重點(diǎn)維修部位進(jìn)行標(biāo)注，提高維修人員對專家給出的特定維修部位和重點(diǎn)維修流程的理解程度。以上技術(shù)應(yīng)用在遠(yuǎn)程維修支援問題解決上都進(jìn)行了有益探索，但距離功能適用、可靠穩(wěn)定、高效靈活的要求還存在一定差距，主要原因一方面是技術(shù)尚未完全成熟，另一方面是研制廠所跨行業(yè)、多領(lǐng)域，體系化解決問題能力尚未形成，設(shè)備使用中存在研用分離、水土不服現(xiàn)象，需要論證方、研制方、試驗(yàn)方、使用方在信息融合、要素集成的大背景下科學(xué)聯(lián)動。本文基于實(shí)踐應(yīng)用提出功能構(gòu)想，為新武器裝備保障的信息化、智能化建設(shè)提供有益探索。

1 國內(nèi)外遠(yuǎn)程維修支援研究現(xiàn)狀

國外在軍用裝備維修支援方面的研究時(shí)間較早且已開展應(yīng)用實(shí)踐，多家研究機(jī)構(gòu)及軍火商經(jīng)過深入研究和戰(zhàn)場摸索，已經(jīng)取得了一系列成果。

波音公司研究員Tom Caudell 于1990 年首次提出“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)概念，并將其應(yīng)用于飛機(jī)制造中的輔助布線系統(tǒng)，掀起一股設(shè)備維修支援與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的潮流[4]。2015 年，在美國陸軍的需求下，哥倫比亞大學(xué)開發(fā)了一套面向裝甲運(yùn)輸車炮塔的輔助維修支援系統(tǒng)[5]，提升了作戰(zhàn)人員的維修技能和效率，如圖1 所示。

我國則在20 世紀(jì)80 年代開始了裝備維修、任務(wù)支援、保障自動化方面的研究。隨著國防和軍隊(duì)改革的深入，軍事裝備維修體制和保障模式進(jìn)入快車道，虛擬設(shè)計(jì)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和網(wǎng)信互通等人機(jī)交互技術(shù)得到了持續(xù)深入探索，但在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配、裝備虛擬維修等領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟。

2 遠(yuǎn)程維修支援面臨的難點(diǎn)

受任務(wù)特點(diǎn)和條件制約，艦載機(jī)遠(yuǎn)海維修作業(yè)與傳統(tǒng)陸基作業(yè)截然不同，換件替代是目前保障的主要方式，但遇到特殊情況，則必須取得領(lǐng)域?qū)＜液徒鉀Q方案的支援，開展此類工作還面臨諸多難點(diǎn)和瓶頸。

1）遠(yuǎn)距高速通信難以達(dá)成

遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)必須通過平臺外衛(wèi)星通信、平臺內(nèi)有線/無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。衛(wèi)星通信方面，雖然覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)，但帶寬條件有限、信息傳輸不穩(wěn)、視頻交互不清。艦內(nèi)通信方面，有線網(wǎng)絡(luò)難以方便快捷地抵達(dá)維修地點(diǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)受船艙隔離屏蔽，傳輸距離較短，無法做到跨越覆蓋。

2）話音畫面識別尚不精確

航空維修人員工作的環(huán)境嘈雜，背景噪聲較大，目前話音識別技術(shù)的精確度和適應(yīng)性還有差距。在基于視頻流的專家指導(dǎo)方式下，維修過程中受光照條件、拍攝角度、距離空間等環(huán)境方面因素的影響，成像效果不佳。維修環(huán)境和虛擬技術(shù)的融合難以獲得完全匹配的效果，維修過程中將文字、聲音、標(biāo)注等疊加于飛機(jī)的部件上不夠精準(zhǔn)，如圖2所示。

3）數(shù)據(jù)資料知識管理低效

當(dāng)前飛機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)資料包羅萬象，研制方案、試驗(yàn)報(bào)告、維修手冊、故障案例、三維模型等不勝枚舉，主要介質(zhì)還是紙質(zhì)資料和電子網(wǎng)頁。紙質(zhì)版本查閱不方便；網(wǎng)頁版本的手冊便于維護(hù)但要點(diǎn)零散、關(guān)聯(lián)度低，不同機(jī)型幾乎沒有相互參考性和相互指導(dǎo)性。尋找顆粒度更小、關(guān)聯(lián)度更高的數(shù)據(jù)保障方式成為遠(yuǎn)程維修迫切需求。

4）集成攻堅(jiān)技術(shù)相對困難

艦載機(jī)遠(yuǎn)程維修支援技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要地理上跨越岸?？仗欤脚_上聯(lián)通衛(wèi)星艦機(jī)，技術(shù)上融合虛擬與現(xiàn)實(shí)，系統(tǒng)建設(shè)中需要軍隊(duì)和地方幾十個(gè)部門的參與協(xié)同，流程復(fù)雜且煩瑣，因數(shù)據(jù)信息的敏感性，傳輸過程中各環(huán)節(jié)均需數(shù)據(jù)解密和技術(shù)交底，使得信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和聯(lián)通面臨更大的困難。

圖1 美軍裝甲運(yùn)輸車炮塔輔助維修支援系統(tǒng)

圖2 基于視頻流的遠(yuǎn)程支援指導(dǎo)識別不夠精準(zhǔn)

3 系統(tǒng)組成及功能設(shè)想

隨著新一代衛(wèi)星通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，以及AR 輔助維修在遠(yuǎn)程協(xié)助領(lǐng)域的日漸成熟，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、流暢、清晰的岸艦維修指導(dǎo)不再是空中樓閣。加強(qiáng)遠(yuǎn)程專家的參與程度，能夠隨時(shí)切換觀察視角，便捷獲取維修領(lǐng)域圖譜知識，保障專家與設(shè)備的交互以及對維修人員的指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)專家賦能到現(xiàn)場人員，以更小信息量的方式支持雙方的遠(yuǎn)程通信，將是未來解決復(fù)雜性故障的有效手段。

艦載機(jī)遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)的組成主要包括智能維修采集系統(tǒng)（維修端）、通信網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)（服務(wù)端）、維修支援會議中心（專家端）三部分。這三部分在軟件上以綜合調(diào)度、數(shù)據(jù)倉庫、知識圖譜為基礎(chǔ)，在硬件上以可穿戴頭盔、視頻會議系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和融合網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過全面系統(tǒng)、密不可分的結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整的環(huán)路。其組成及功能流程如圖3 所示。

3.1 智能維修采集系統(tǒng)（維修端）

智能維修采集系統(tǒng)由兩部分組成，分別為艦載機(jī)維修部署地和艦內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合中心。艦載機(jī)維修部署地由機(jī)務(wù)維修、可穿戴AR 頭盔、視頻會議、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控等分系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)故障現(xiàn)場維修、細(xì)節(jié)呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)監(jiān)控與采集、操作步驟記錄等功能。艦內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合由機(jī)務(wù)中心、指管系統(tǒng)、飛參室、數(shù)據(jù)中心等多個(gè)系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)合組成“內(nèi)網(wǎng)云”，負(fù)責(zé)在艦船平臺內(nèi)部為艦載機(jī)維修提供方案計(jì)劃、知識資料、信息傳遞以及數(shù)據(jù)記錄。

圖3 艦載機(jī)遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)功能及流程設(shè)想

當(dāng)艦載機(jī)出現(xiàn)復(fù)雜故障時(shí)，機(jī)務(wù)維修人員可根據(jù)“內(nèi)網(wǎng)云”的故障案例、維修示例、部件模型、專家視頻等信息進(jìn)行檢索，經(jīng)分析定位故障，實(shí)施故障定位自主維修。未能完成故障定位與維修修復(fù)的，可通過通信網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)申請專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程協(xié)助乃至多方會診支援，提供圖像、視頻、聲音、文字等數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程專家線上診斷，可穿戴AR頭盔、使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡作為交互及顯示設(shè)備，開展虛實(shí)融合工作獲取專家引導(dǎo)信息，直至完成裝備維修。維修完成后，維修過程中的各種多媒體記錄和過程數(shù)據(jù)可整理為新的案例，自動對故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行案例的增廣，形成知識積累和傳承。系統(tǒng)的測試與聯(lián)調(diào)由艦船總體設(shè)計(jì)單位牽頭組織，進(jìn)行系統(tǒng)驅(qū)動、連貫調(diào)試。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)（服務(wù)端）

通信網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)由兩部分組成，分別為岸艦衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信支持和艦內(nèi)綜合信息傳輸保障。岸艦衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信支持使用衛(wèi)星通信手段，提供穩(wěn)定、可靠的遠(yuǎn)海通信保障能力。岸基方面，圍繞軍事綜合信息網(wǎng)為核心構(gòu)建，以研制服務(wù)商、專業(yè)院校、友鄰部隊(duì)、領(lǐng)域第三方為代表構(gòu)成聯(lián)合支援機(jī)構(gòu)，所有“中心”“節(jié)點(diǎn)”和獨(dú)立“終端”都以“協(xié)同云”形式，通過維修支援中心平臺接入岸基軍事綜合信息網(wǎng)。艦基方面，艦內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合中心依托艦用衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收/發(fā)送話音、文電、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。艦內(nèi)綜合信息傳輸保障基于全艦信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，參與系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲等公共信息基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌與公用，實(shí)現(xiàn)維修支援各戰(zhàn)位的互聯(lián)互操、無縫流轉(zhuǎn)，提升信息共享和綜合決策能力。

當(dāng)艦載機(jī)出現(xiàn)復(fù)雜故障需遠(yuǎn)程維修支援時(shí)，系統(tǒng)基于岸艦衛(wèi)星遠(yuǎn)程通信支持以及艦內(nèi)綜合信息傳輸保障構(gòu)建綜合數(shù)據(jù)傳輸信道，依托艦內(nèi)外的通信系統(tǒng)、軍事綜合信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)、全艦信息網(wǎng)絡(luò)中心、岸基接入系統(tǒng)，通過聯(lián)合內(nèi)外通信實(shí)現(xiàn)與岸基遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援中心的互動。當(dāng)帶寬足夠時(shí)，優(yōu)先保障畫質(zhì)與清晰度以支持精細(xì)化維修支援；當(dāng)帶寬有限或網(wǎng)絡(luò)波動時(shí)，可采用“窄帶”傳輸模式，首要保證畫面流暢傳輸，降低延時(shí)和卡頓。目前衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)入到高速發(fā)展階段，很好地彌補(bǔ)了以往在區(qū)域覆蓋、信息穩(wěn)定、帶寬不足等方面受到的限制。

3.3 維修支援會議中心（專家端）

維修支援會議中心由三部分組成，分別為專家會商指導(dǎo)平臺、信息與資源數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)平臺。專家會商指導(dǎo)平臺由聯(lián)合支援機(jī)構(gòu)的研制服務(wù)商、專業(yè)院校、友鄰部隊(duì)、領(lǐng)域第三方為終端節(jié)點(diǎn)組成，硬件平臺可依托現(xiàn)單位資產(chǎn)資源，統(tǒng)一部署運(yùn)行專家會商指導(dǎo)平臺軟件系統(tǒng)。信息與資源數(shù)據(jù)庫采用知識圖譜技術(shù)，囊括了飛機(jī)性能、機(jī)務(wù)維修、操作手冊、故障案例、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等一系列圖形式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資料信息，可梳理多個(gè)事件間的邏輯聯(lián)系，深入挖掘故障信息，指導(dǎo)專家與機(jī)務(wù)維修人員搜索、查詢、比對。數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)平臺提供畫面優(yōu)化、遠(yuǎn)程調(diào)度、虛擬呈現(xiàn)、智能輔助、數(shù)據(jù)分析、衛(wèi)星通信、事件記錄等基礎(chǔ)功能，保障系統(tǒng)在應(yīng)用中滿足視頻采集素材準(zhǔn)確、清晰，麥克風(fēng)收音正常、可識別，調(diào)度指引可靠、靈活，分析呈現(xiàn)多樣、直觀。

當(dāng)艦載機(jī)出現(xiàn)復(fù)雜故障需遠(yuǎn)程維修支援時(shí)，艦內(nèi)機(jī)務(wù)人員發(fā)出遠(yuǎn)程維修支援申請，岸基維修中心值班人員綜合調(diào)度任務(wù)與專家，在預(yù)定時(shí)間研制總師及領(lǐng)域?qū)＜铱衫帽镜剞k公條件運(yùn)行軟件系統(tǒng)入網(wǎng)會商，前端軍事綜合信息網(wǎng)接入平臺，配置安全加密芯片經(jīng)安全接入確認(rèn)后由衛(wèi)星通信鏈接艦載頻道，實(shí)現(xiàn)音視頻同步、虛擬指導(dǎo)、同步維修的實(shí)時(shí)交互，維修人員在高識別度的標(biāo)識圖與精準(zhǔn)疊加的AR 模型上精細(xì)操作。在需要調(diào)閱資料、數(shù)據(jù)時(shí)，將以知識圖譜技術(shù)為基礎(chǔ)自動生成的圖文合成信息推送給機(jī)務(wù)維修人員，幫助機(jī)務(wù)人員查詢、搜索和參考，提高維修效率與智能化。

4 結(jié)束語

艦載機(jī)維修支援是遂行遠(yuǎn)洋任務(wù)的保障基礎(chǔ)，為了保證維修能力、解決修理難題，本文提出了遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)的思路，依托現(xiàn)有岸艦衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及岸基通信網(wǎng)等資源設(shè)施，使用AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)，為遠(yuǎn)海艦載機(jī)維修涉及的技術(shù)支援、遠(yuǎn)程監(jiān)測、問題診斷、故障維修、經(jīng)驗(yàn)反哺提供可靠的、網(wǎng)絡(luò)化的共享知識協(xié)同環(huán)境，同時(shí)整合岸基領(lǐng)域?qū)＜屹Y源，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵指導(dǎo)、知識共享、數(shù)據(jù)挖掘、集成管理等運(yùn)維流轉(zhuǎn)，從而有效推進(jìn)航空裝備維修與管理不斷創(chuàng)新發(fā)展。