張旭冉 顏世東 楊望燦/ 9900 部隊 9404 部隊

0 引言

遠海大洋是航母編隊部署的重點區(qū)域，其根據(jù)海上戰(zhàn)略、軍事需求遂行多樣化任務(wù)。艦載機是航母及大型水面艦船的核心作戰(zhàn)力量，完好性對編隊使命達成具有決定性作用。然而，遠海艦載飛機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，存在諸多難點和挑戰(zhàn)，尤其是高精度、復(fù)雜性、時效急的飛機疑難雜癥故障，定位難度大、排故技術(shù)高、恢復(fù)時間長，急需陸基研制廠所及領(lǐng)域?qū)＜业倪h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、增強現(xiàn)實、智能穿戴、知識圖譜等技術(shù)的遠程維修支援系統(tǒng)已開始應(yīng)用實踐。程占昕等[1]利用現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星通信資源和能力，研究了艦載雷達遠海維修支援系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了故障信息快速交互和專家遠海支援，對維修人員進行現(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、對講機等工作裝備，并實現(xiàn)專家故障會診，提高航空機務(wù)的問題解決力與效率值。崔海青等[3]提出一種基于HoloLens 的飛機維修遠程指導(dǎo)系統(tǒng)，采用改進的P 算法對重點維修部位進行標(biāo)注，提高維修人員對專家給出的特定維修部位和重點維修流程的理解程度。以上技術(shù)應(yīng)用在遠程維修支援問題解決上都進行了有益探索，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間較早且已開展應(yīng)用實踐，多家研究機構(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“增強現(xiàn)實”技術(shù)概念，并將其應(yīng)用于飛機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。隨著國防和軍隊改革的深入，軍事裝備維修體制和保障模式進入快車道，虛擬設(shè)計、增強現(xiàn)實和網(wǎng)信互通等人機交互技術(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 遠程維修支援面臨的難點

受任務(wù)特點和條件制約，艦載機遠海維修作業(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和瓶頸。

1）遠距高速通信難以達成

遠程維修支援系統(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，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維修地點，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)前飛機相關(guān)數(shù)據(jù)資料包羅萬象，研制方案、試驗報告、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但要點零散、關(guān)聯(lián)度低，不同機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)保障方式成為遠程維修迫切需求。

4）集成攻堅技術(shù)相對困難

艦載機遠程維修支援技術(shù)的實現(xiàn)，需要地理上跨越岸海空天，平臺上聯(lián)通衛(wèi)星艦機，技術(shù)上融合虛擬與現(xiàn)實，系統(tǒng)建設(shè)中需要軍隊和地方幾十個部門的參與協(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)計和聯(lián)通面臨更大的困難。

圖1 美軍裝甲運輸車炮塔輔助維修支援系統(tǒng)

圖2 基于視頻流的遠程支援指導(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 輔助維修在遠程協(xié)助領(lǐng)域的日漸成熟，實現(xiàn)穩(wěn)定、流暢、清晰的岸艦維修指導(dǎo)不再是空中樓閣。加強遠程專家的參與程度，能夠隨時切換觀察視角，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程通信，將是未來解決復(fù)雜性故障的有效手段。

艦載機遠程維修支援系統(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，分別為艦載機維修部署地和艦內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合中心。艦載機維修部署地由機務(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，實現(xiàn)艦載機故障現(xiàn)場維修、細節(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)整合由機務(wù)中心、指管系統(tǒng)、飛參室、數(shù)據(jù)中心等多個系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)合組成“內(nèi)網(wǎng)云”，負責(zé)在艦船平臺內(nèi)部為艦載機維修提供方案計劃、知識資料、信息傳遞以及數(shù)據(jù)記錄。

圖3 艦載機遠程維修支援系統(tǒng)功能及流程設(shè)想

當(dāng)艦載機出現(xiàn)復(fù)雜故障時，機務(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、專家視頻等信息進行檢索，經(jīng)分析定位故障，實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)進行遠程專家線上診斷，可穿戴AR頭盔、使用增強現(xiàn)實眼鏡作為交互及顯示設(shè)備，開展虛實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)計單位牽頭組織，進行系統(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)星遠程通信支持和艦內(nèi)綜合信息傳輸保障。岸艦衛(wèi)星遠程通信支持使用衛(wèi)星通信手段，提供穩(wěn)定、可靠的遠海通信保障能力。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、領(lǐng)域第三方為代表構(gòu)成聯(lián)合支援機構(gòu)，所有“中心”“節(jié)點”和獨立“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)、計算、存儲等公共信息基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)籌與公用，實現(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)艦載機出現(xiàn)復(fù)雜故障需遠程維修支援時，系統(tǒng)基于岸艦衛(wèi)星遠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)外通信實現(xiàn)與岸基遠程維修技術(shù)支援中心的互動。當(dāng)帶寬足夠時，優(yōu)先保障畫質(zhì)與清晰度以支持精細化維修支援；當(dāng)帶寬有限或網(wǎng)絡(luò)波動時，可采用“窄帶”傳輸模式，首要保證畫面流暢傳輸，降低延時和卡頓。目前衛(wèi)星通信技術(shù)進入到高速發(fā)展階段，很好地彌補了以往在區(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)合支援機構(gòu)的研制服務(wù)商、專業(yè)院校、友鄰部隊、領(lǐng)域第三方為終端節(jié)點組成，硬件平臺可依托現(xiàn)單位資產(chǎn)資源，統(tǒng)一部署運行專家會商指導(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)，囊括了飛機性能、機務(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，可梳理多個事件間的邏輯聯(lián)系，深入挖掘故障信息，指導(dǎo)專家與機務(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)艦載機出現(xiàn)復(fù)雜故障需遠程維修支援時，艦內(nèi)機務(wù)人員發(fā)出遠程維修支援申請，岸基維修中心值班人員綜合調(diào)度任務(wù)與專家，在預(yù)定時間研制總師及領(lǐng)域?qū)＜铱衫帽镜剞k公條件運行軟件系統(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)安全接入確認后由衛(wèi)星通信鏈接艦載頻道，實現(xiàn)音視頻同步、虛擬指導(dǎo)、同步維修的實時交互，維修人員在高識別度的標(biāo)識圖與精準(zhǔn)疊加的AR 模型上精細操作。在需要調(diào)閱資料、數(shù)據(jù)時，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務(wù)維修人員，幫助機務(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

艦載機維修支援是遂行遠洋任務(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 增強現(xiàn)實與遠程協(xié)助技術(shù)，為遠海艦載機維修涉及的技術(shù)支援、遠程監(jiān)測、問題診斷、故障維修、經(jīng)驗反哺提供可靠的、網(wǎng)絡(luò)化的共享知識協(xié)同環(huán)境，同時整合岸基領(lǐng)域?qū)＜屹Y源，實現(xiàn)關(guān)鍵指導(dǎo)、知識共享、數(shù)據(jù)挖掘、集成管理等運維流轉(zhuǎn)，從而有效推進航空裝備維修與管理不斷創(chuàng)新發(fā)展。