王國(guó)輝，趙鐵軍

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器工程系,北京 100072)

現(xiàn)階段基層部隊(duì)和保障分隊(duì)中，技術(shù)資料主要以紙質(zhì)資料和PDF文檔為主，存在種類繁多、數(shù)量巨大、更新滯后等缺點(diǎn)，不利于官兵學(xué)習(xí)理解,使用性較差，造成裝甲裝備保障效率低、耗時(shí)長(zhǎng)。交互式電子技術(shù)手冊(cè)(Interactive Electronic Technical Manual, IETM)能有效解決這些問題，IETM把裝備維修大綱、維修規(guī)程、構(gòu)造及原理等資料電子化，以文字、圖表、視頻、動(dòng)畫、三維模型、VR等形式儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，提供給官兵生動(dòng)多樣的資料，提高使用效率和裝備保障信息化水平[1]。目前裝甲裝備IETM系統(tǒng)處于初步研究階段，在設(shè)計(jì)方案和原則上缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在功能設(shè)置、數(shù)據(jù)模型建立、編程等關(guān)鍵技術(shù)上難以突破。筆者結(jié)合IETM發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用情況，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決了裝甲裝備IETM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，完成了系統(tǒng)開發(fā)過程中主要領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及原則

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所結(jié)合了我國(guó)裝備的特點(diǎn)，制定了GJB 6600系列標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)地規(guī)范了IETM的總則、數(shù)據(jù)模塊編碼、模式、數(shù)據(jù)字典等內(nèi)容，然而相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)研究尚未成熟,在系統(tǒng)開發(fā)過程中存在一些問題。近年來世界各國(guó)都在發(fā)展自己的IETM，產(chǎn)生了許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，但是只有歐洲的 S1000D標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)的IETM體系標(biāo)準(zhǔn)擁有相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)，因此這兩種標(biāo)準(zhǔn)被大范圍使用和推廣。相比這兩大標(biāo)準(zhǔn)，S1000D標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)成員國(guó)多，版本更新快，美國(guó)、英國(guó)等十幾個(gè)國(guó)家加入S1000D維護(hù)組，S1000D版本已經(jīng)由1.0升級(jí)到4.2。使用CSDB建立規(guī)范化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)存和管理所有數(shù)據(jù)，創(chuàng)造了集成數(shù)據(jù)環(huán)境，提高了信息重用性與共享性。S1000D標(biāo)準(zhǔn)不僅成為海陸空天裝備IETM的使用標(biāo)準(zhǔn)，而且在民用大型機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域也被廣泛使用[2]。此外S1000D標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容全面具體，還使用了插圖、案例分析等進(jìn)行詳細(xì)描述，可操作性高，更好地指導(dǎo)IETM的開發(fā)工作,因此筆者選取S1000D標(biāo)準(zhǔn)作為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)IETM要經(jīng)過信息生成、信息管理、信息發(fā)布、交付4個(gè)步驟。

1.2 設(shè)計(jì)原則

1)安全性原則。系統(tǒng)采用CSDB儲(chǔ)存裝備所有的數(shù)據(jù)，其中有很多數(shù)據(jù)屬于機(jī)密級(jí)，為了保證數(shù)據(jù)的安全，按照部隊(duì)安全保密相關(guān)規(guī)定，要求數(shù)據(jù)有安全控制和備份機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳播過程要進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

2)先進(jìn)性原則。目前IETM技術(shù)正向第5代發(fā)展，裝甲裝備IETM要采用先進(jìn)的技術(shù)，保證系統(tǒng)先進(jìn)性，引入先進(jìn)的建模軟件、虛擬維修技術(shù)等，提高IETM的使用質(zhì)量和效能。系統(tǒng)要有較好的可拓展性和版本升級(jí)空間，可隨著裝備改進(jìn)更新數(shù)據(jù)和功能。

3)網(wǎng)絡(luò)化原則。IETM網(wǎng)絡(luò)化能接入裝備信息化保障體系，通過衛(wèi)星傳輸信息，與器材供應(yīng)庫、遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)信息共享，提高系統(tǒng)間信息交互水平。

4)易用性原則。系統(tǒng)有配套的使用手冊(cè)，輔助使用者學(xué)習(xí)理解，讓每名官兵經(jīng)過簡(jiǎn)短的學(xué)習(xí)就能操作系統(tǒng)。裝甲裝備IETM系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，為了易于學(xué)習(xí)和使用，軟件使用過程要具有引導(dǎo)性，注重知識(shí)之間的關(guān)系，做好知識(shí)鋪墊，由表及里、由易到難地引導(dǎo)使用者學(xué)習(xí)，在重點(diǎn)部分給出提示講解。

2 功能設(shè)計(jì)

IETM有豐富的功能，不同的任務(wù)和使用人群需要的功能不同，需要功能的深度和范圍也不同，因此要結(jié)合部隊(duì)的任務(wù)進(jìn)行功能分析。建立裝甲裝備IETM功能表，如表1所示，描述子系統(tǒng)的內(nèi)容、功能，為收集創(chuàng)作資料和建立數(shù)據(jù)模塊需求列表提供依據(jù)。

表1 裝甲裝備IETM功能

確定系統(tǒng)功能后，需要分析系統(tǒng)各個(gè)功能子系統(tǒng)之間如何設(shè)置、如何聯(lián)系、如何運(yùn)行，以合理高效地實(shí)現(xiàn)部隊(duì)所需功能。UML通信圖能描述系統(tǒng)內(nèi)部的布局和各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，UML通信圖按照空間結(jié)構(gòu)布局,突出對(duì)象用什么鏈接進(jìn)行信息交互。因此建立裝甲裝備IETM系統(tǒng)的UML通信圖，分析對(duì)象之間的鏈接和數(shù)據(jù)的交互，官兵操作系統(tǒng)的原理。

裝甲裝備IETM通信圖如圖1所示，官兵打開IETM軟件，選擇角色類別、輸入賬號(hào)和密碼登錄，然后進(jìn)入IETM主窗口，主窗口顯示5個(gè)子系統(tǒng)的鏈接，官兵選擇子系統(tǒng)，進(jìn)入子系統(tǒng)窗口進(jìn)行操作。當(dāng)官兵輸入一條信息時(shí)，該子系統(tǒng)向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，在數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，組成出版物顯示在窗口供官兵瀏覽。

3 數(shù)據(jù)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)模塊(Data Module，DM)由XML格式組織的裝備數(shù)據(jù)組成，DM由狀態(tài)標(biāo)識(shí)部分和內(nèi)容部分組成，內(nèi)容部分用來表示裝備技術(shù)信息的主體部分，包括文本、多媒體等技術(shù)資料，警告、引用等注解部分，維修計(jì)劃等特定信息。標(biāo)識(shí)與狀態(tài)部分由數(shù)據(jù)模塊標(biāo)識(shí)、地址、合作責(zé)任方等組成。DM能最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重用、重構(gòu)、共享，便于維護(hù)、節(jié)省儲(chǔ)存空間，因此把裝甲裝備的構(gòu)造原理、維修資料等技術(shù)資料制作成DM。

每一個(gè)DM有唯一的數(shù)據(jù)模塊代碼，數(shù)據(jù)模塊代碼是按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)制作DM標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化的標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)模塊代碼作為DM的唯一標(biāo)識(shí)，在分類、存儲(chǔ)、管理、獲取DM時(shí)使用，方便IETM模塊化設(shè)計(jì)、創(chuàng)建與管理。數(shù)據(jù)模塊代碼由數(shù)字和字母組成，數(shù)字使用0～9，字母使用除“I”和“O”以外的其他字母。S1000D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)據(jù)模塊代碼由硬件/系統(tǒng)標(biāo)識(shí)部分、信息類型部分、學(xué)習(xí)類型部分組成。硬件/系統(tǒng)標(biāo)識(shí)部分由型號(hào)識(shí)別碼(MI)、系統(tǒng)區(qū)分碼(SDC)、系統(tǒng)層次碼(SNS)、分解碼/分解差異碼(DC/DCV)組成。硬件/系統(tǒng)標(biāo)識(shí)部分描述裝備類型和下屬層次的部分，信息類型部分描述裝備使用、維修等信息類別，學(xué)習(xí)類型描述學(xué)習(xí)、訓(xùn)練等信息類別，裝甲裝備編碼根據(jù)S1000D標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.1 確定數(shù)據(jù)模塊需求列表

對(duì)裝甲裝備技術(shù)資料分析過程中，會(huì)涉及到很多數(shù)據(jù)，要結(jié)合部隊(duì)需求、使用范圍、使用人群、任務(wù)，確定系統(tǒng)的用途、內(nèi)容和深度，然后把裝備信息進(jìn)行分解，從而找出有效數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)模塊需求列表(DMRL)分析有效數(shù)據(jù)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、類別。裝甲裝備IETM開發(fā)工作較為復(fù)雜，需要多個(gè)單位合作完成，DMRL應(yīng)該一次制定，階段性的匯總。根據(jù)S1000D標(biāo)準(zhǔn)把裝甲裝備IETM信息類別分為描述信息、故障信息等7類信息，把裝備結(jié)構(gòu)劃分為裝備、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件和零件5層，并進(jìn)一步劃分為DM，通過數(shù)據(jù)模塊代碼對(duì)DM進(jìn)行存儲(chǔ)、尋址、處理[3]。

建立裝甲裝備IETM系統(tǒng)的DMRL如表2所示，表中包含每個(gè)層次的編碼和屬性。表中具體型號(hào)和廠家用“*”替代。

表2 裝甲裝備IETM數(shù)據(jù)模塊需求列表

3.2 建立層次數(shù)據(jù)模型

層次數(shù)據(jù)模型是以記錄型為節(jié)點(diǎn)的有向樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄型，每個(gè)記錄型包含若干字段，記錄型描述實(shí)體，實(shí)體是裝備、零件、修理員等客觀存在的事物，字段描述實(shí)體的屬性，在樹中根記錄無雙親節(jié)點(diǎn)，從記錄僅有一個(gè)雙親，記錄之間的關(guān)系可以唯一的用雙親節(jié)點(diǎn)表示。用樹形結(jié)構(gòu)表示實(shí)體和實(shí)體之間的聯(lián)系，層次數(shù)據(jù)模型的路徑是按照雙親/子聯(lián)系依次連接，由根記錄到最后一個(gè)記錄。層次數(shù)據(jù)模型能結(jié)構(gòu)分明、層次清晰、路徑明了地反映數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系，便于數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，使用效率高[4]。建立裝甲裝備層次數(shù)據(jù)模型如圖2所示。層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和XML程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致，都是樹狀結(jié)構(gòu)，建立層次數(shù)據(jù)模型是XML編程的基礎(chǔ)。

3.3 建立實(shí)體-聯(lián)系數(shù)據(jù)模型

實(shí)體-聯(lián)系數(shù)據(jù)模型(Entity Relationship Data Model, E-R數(shù)據(jù)模型)把現(xiàn)實(shí)中管理的實(shí)體轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)模型，E-R數(shù)據(jù)模型能轉(zhuǎn)化成層次數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)模型，是這3種模型相互轉(zhuǎn)化的中介，建立E-R數(shù)據(jù)模型方便數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計(jì)。E-R數(shù)據(jù)模型可以用來描述多領(lǐng)域的組合屬性，能分析裝甲裝備結(jié)構(gòu)、組成、功能等[5]，以層次化結(jié)構(gòu)描述裝備各部分的多重屬性，E-R數(shù)據(jù)模型可以用E-R圖表示，E-R圖包括實(shí)體、屬性、聯(lián)系3個(gè)基本圖素，以表2中的某型坦克為例建立E-R圖，如圖3所示。把該裝備的各個(gè)部分有機(jī)結(jié)合起來，清晰地描述系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和實(shí)體屬性，分析坦克組成和結(jié)構(gòu)，是裝備結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)模型的有效方法。

根據(jù)裝備操作信息、維修信息、故障信息等建立E-R數(shù)據(jù)模型，研究數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、DM內(nèi)容部分的組成，以裝甲裝備IETM維修子系統(tǒng)為例建立E-R圖，如圖4所示，以層級(jí)遞進(jìn)的方式描述維修子系統(tǒng)的組成和數(shù)據(jù)間的關(guān)系，將系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)信息單元連為一體，是建立子系統(tǒng)的有效方法。

3.4 建立關(guān)系數(shù)據(jù)模型

關(guān)系數(shù)據(jù)模型用二維表描述實(shí)體與實(shí)體間的聯(lián)系[6]，表中的行表示元組，列表示屬性，用來表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系、信息之間的邏輯關(guān)系和基本屬性[7]。裝甲裝備IETM系統(tǒng)可以劃分為裝備信息數(shù)據(jù)表、系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)表、技術(shù)說明數(shù)據(jù)表、維修資料數(shù)據(jù)表等，每個(gè)表描述元組的基本屬性，不同的表之間存在關(guān)聯(lián)，每個(gè)表只有唯一一個(gè)主鍵，用于標(biāo)識(shí)表中一條記錄。

裝備信息數(shù)據(jù)如表3所示，表中具體型號(hào)和廠家用“*”替代。把MI作為主鍵，表中反映實(shí)體之間的聯(lián)系，數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)清晰易懂、數(shù)據(jù)量大，能有效整合各項(xiàng)實(shí)體信息并建立關(guān)聯(lián)。

表3 裝備信息數(shù)據(jù)表

對(duì)表3中裝備MI為Z1的坦克細(xì)化分析，建立該型坦克的系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)表，如表4所示，確定系統(tǒng)編碼，并描述基本屬性，關(guān)系數(shù)據(jù)模型之間通過定義相同的屬性名或者第3個(gè)關(guān)系組合到一起構(gòu)成關(guān)系數(shù)據(jù)庫，建立裝甲裝備信息的關(guān)系數(shù)據(jù)模型是建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。

表4 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)表

在建立關(guān)系數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要把E-R數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)模型，轉(zhuǎn)化時(shí)把E-R數(shù)據(jù)模型中實(shí)體的主鍵轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)模型中關(guān)系的主鍵，屬性轉(zhuǎn)化為關(guān)系的屬性。以圖3中實(shí)體坦克炮為例轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)模型如表5所示，E-R數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)模型可以用于建立數(shù)據(jù)庫。

表5 某型坦克炮數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化表

4 程序設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)數(shù)據(jù)共享性和通用性，在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、傳遞、處理和發(fā)布等過程，采用XML作為描述數(shù)據(jù)語言。XML具有繼承性好、開發(fā)效率高、代碼易維護(hù)、易于理解、容易使用等優(yōu)點(diǎn)，用XML編寫數(shù)據(jù)然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中[8]。XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是樹狀結(jié)構(gòu)的層次模型，以記錄型為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，記錄型包含若干描述屬性的字段，記錄型之間只能單線聯(lián)系。裝甲裝備IETM系統(tǒng)的程序按照XML語法規(guī)則、內(nèi)容表示、顯示方式設(shè)計(jì)，內(nèi)容由序言、主體、尾部組成，序言是文檔的第1部分，主體是儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的部分，尾部結(jié)束標(biāo)記。例如“武器系統(tǒng)信息”的XML文檔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

<？xml version =＂2.0＂encoding=＂UTF-8＂standalone=＂no＂?>

保存XML文檔片段的內(nèi)容是實(shí)體，每一個(gè)實(shí)體都有一個(gè)名字，文檔中用名字代替實(shí)體的內(nèi)容，XML分析應(yīng)用程序時(shí)用內(nèi)容代替實(shí)體名。以表3裝備數(shù)據(jù)表為例定義實(shí)體如下：

<？xml version =＂2.0＂encoding=＂UTF-8＂standalone=＂no＂?>

]>

XML Schema是描述XML文檔的標(biāo)準(zhǔn)，通常簡(jiǎn)寫為XSD(XML Schema Define)，S1000D 4.0版規(guī)定使用XML Schema，XML Schema規(guī)定了XML的語言、文檔結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、組織方式，XSD為元素設(shè)置數(shù)據(jù)類型時(shí)，向元素的內(nèi)容添加限定。每一個(gè)元素可以設(shè)置一個(gè)或者多個(gè)屬性，用“=”標(biāo)記符賦予屬性值，一個(gè)元素也可以包含若干元素，當(dāng)元素包含屬性時(shí)就是復(fù)雜元素，定義方法有復(fù)雜結(jié)構(gòu)法和分離結(jié)構(gòu)法，復(fù)雜結(jié)構(gòu)法在復(fù)雜元素的子元素設(shè)置復(fù)雜類型，分離結(jié)構(gòu)是通過復(fù)雜元素引用定義在外部的復(fù)雜類型。通過使用XSD通用化，XML文檔解析器不必編程即可驗(yàn)證XML文檔的結(jié)構(gòu)、合法性和有效性。XML文檔以層次結(jié)構(gòu)組織，以圖2中層次數(shù)據(jù)模型中系統(tǒng)、子系統(tǒng)為例，用XML編寫的程序如下：

<？xml version =＂2.0＂?>

<武器系統(tǒng)信息>

<坦克炮子系統(tǒng)>

<并列機(jī)槍子系統(tǒng)>

<高射機(jī)槍子系統(tǒng)>

程序中“武器系統(tǒng)信息”是根節(jié)點(diǎn)，包含3個(gè)子元素，子元素嵌套在根元素中，反映了XML的內(nèi)容定義、層次結(jié)構(gòu)、屬性描述。

IETM將裝備的所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，按照S1000D標(biāo)準(zhǔn)用XML對(duì)數(shù)據(jù)編程，通過XML與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)XML在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)與調(diào)用。從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中調(diào)用的數(shù)據(jù)，要通過解析映射把數(shù)據(jù)反向轉(zhuǎn)換為XML文檔。

5 結(jié)束語

IETM系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)技術(shù)資料無紙化、數(shù)據(jù)共享與互操作，使資料查詢和使用方便快捷，從而帶來巨大的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著裝備綜合保障信息化建設(shè)的推進(jìn)，IETM在空軍裝備領(lǐng)域被廣泛使用,裝甲裝備IETM系統(tǒng)研發(fā)工作剛剛開始，在系統(tǒng)規(guī)劃布局上存在較多難題。筆者根據(jù)裝甲裝備保障任務(wù)，對(duì)裝甲裝備IETM系統(tǒng)做了整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)IETM系統(tǒng)功能，采用多種技術(shù)建立數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)并編寫程序，用XML對(duì)數(shù)據(jù)編程。文章的創(chuàng)新之處在于建立的多種數(shù)據(jù)模型能全面地反映裝甲裝備的屬性、特點(diǎn)、邏輯結(jié)構(gòu)、組成和聯(lián)系等，而且能用S1000D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的XML把數(shù)據(jù)模型寫入程序。研究表明，該設(shè)計(jì)方案有效解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)裝甲裝備IETM系統(tǒng)開發(fā)具有參考價(jià)值。