艦載機遠程維修支援系統功能設計研究

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域，其根據海上戰略、軍事需求遂行多樣化任務。艦載機是航母及大型水面艦船的核心作戰力量，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、技術缺陷等短板弱項，存在諸多難點和挑戰，尤其是高精度、復雜性、時效急的飛機疑難雜癥故障，定位難度大、排故技術高、恢復時間長，急需陸基研制廠所及領域專家的遠程支援。

鑒于傳統的維修方式在廣域、復雜、緊急狀況下無法完全滿足作戰保障要求，基于衛星通信、增強現實、智能穿戴、知識圖譜等技術的遠程維修支援系統已開始應用實踐。程占昕等[1]利用現有的北斗衛星通信資源和能力，研究了艦載雷達遠海維修支援系統的關鍵技術，實現了故障信息快速交互和專家遠海支援，對維修人員進行現場維修指導。郭子豪等[2]提出以AR 智能眼鏡為基礎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，并實現專家故障會診，提高航空機務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系統，采用改進的P 算法對重點維修部位進行標注，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。以上技術應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尚未完全成熟，另一方面是研制廠所跨行業、多領域，體系化解決問題能力尚未形成，設備使用中存在研用分離、水土不服現象，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聯動。本文基于實踐應用提出功能構想，為新武器裝備保障的信息化、智能化建設提供有益探索。

1 國內外遠程維修支援研究現狀

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用實踐，多家研究機構及軍火商經過深入研究和戰場摸索，已經取得了一系列成果。

波音公司研究員Tom Caudell 于1990 年首次提出“增強現實”技術概念，并將其應用于飛機制造中的輔助布線系統，掀起一股設備維修支援與虛擬現實技術相結合的潮流[4]。2015 年，在美國陸軍的需求下，哥倫比亞大學開發了一套面向裝甲運輸車炮塔的輔助維修支援系統[5]，提升了作戰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，虛擬設計、增強現實和網信互通等人機交互技術得到了持續深入探索，但在復雜系統設計裝配、裝備虛擬維修等領域的應用技術尚不成熟。

2 遠程維修支援面臨的難點

受任務特點和條件制約，艦載機遠海維修作業與傳統陸基作業截然不同，換件替代是目前保障的主要方式，但遇到特殊情況，則必須取得領域專家和解決方案的支援，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

遠程維修支援系統必須通過平臺外衛星通信、平臺內有線/無線網絡實現信息傳輸。衛星通信方面，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、視頻交互不清。艦內通信方面，有線網絡難以方便快捷地抵達維修地點，無線網絡受船艙隔離屏蔽，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境嘈雜，背景噪聲較大，目前話音識別技術的精確度和適應性還有差距。在基于視頻流的專家指導方式下，維修過程中受光照條件、拍攝角度、距離空間等環境方面因素的影響，成像效果不佳。維修環境和虛擬技術的融合難以獲得完全匹配的效果，維修過程中將文字、聲音、標注等疊加于飛機的部件上不夠精準，如圖2所示。

3）數據資料知識管理低效

當前飛機相關數據資料包羅萬象，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，主要介質還是紙質資料和電子網頁。紙質版本查閱不方便；網頁版本的手冊便于維護但要點零散、關聯度低，不同機型幾乎沒有相互參考性和相互指導性。尋找顆粒度更小、關聯度更高的數據保障方式成為遠程維修迫切需求。

4）集成攻堅技術相對困難

艦載機遠程維修支援技術的實現，需要地理上跨越岸?？仗?，平臺上聯通衛星艦機，技術上融合虛擬與現實，系統建設中需要軍隊和地方幾十個部門的參與協同，流程復雜且煩瑣，因數據信息的敏感性，傳輸過程中各環節均需數據解密和技術交底，使得信息化系統的設計和聯通面臨更大的困難。

圖1 美軍裝甲運輸車炮塔輔助維修支援系統

圖2 基于視頻流的遠程支援指導識別不夠精準

3 系統組成及功能設想

隨著新一代衛星通信技術的推廣應用，以及AR 輔助維修在遠程協助領域的日漸成熟，實現穩定、流暢、清晰的岸艦維修指導不再是空中樓閣。加強遠程專家的參與程度，能夠隨時切換觀察視角，便捷獲取維修領域圖譜知識，保障專家與設備的交互以及對維修人員的指導，實現專家賦能到現場人員，以更小信息量的方式支持雙方的遠程通信，將是未來解決復雜性故障的有效手段。

艦載機遠程維修支援系統的組成主要包括智能維修采集系統（維修端）、通信網絡支持系統（服務端）、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度、數據倉庫、知識圖譜為基礎，在硬件上以可穿戴頭盔、視頻會議系統、監控系統和融合網絡為基礎，通過全面系統、密不可分的結合，構成一個完整的環路。其組成及功能流程如圖3 所示。

3.1 智能維修采集系統（維修端）

智能維修采集系統由兩部分組成，分別為艦載機維修部署地和艦內多系統數據整合中心。艦載機維修部署地由機務維修、可穿戴AR 頭盔、視頻會議、數據采集、環境監控等分系統組成，實現艦載機故障現場維修、細節呈現、數據監控與采集、操作步驟記錄等功能。艦內多系統數據整合由機務中心、指管系統、飛參室、數據中心等多個系統設備聯合組成“內網云”，負責在艦船平臺內部為艦載機維修提供方案計劃、知識資料、信息傳遞以及數據記錄。

圖3 艦載機遠程維修支援系統功能及流程設想

當艦載機出現復雜故障時，機務維修人員可根據“內網云”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的，可通過通信網絡支持系統申請專家系統遠程協助乃至多方會診支援，提供圖像、視頻、聲音、文字等數據進行遠程專家線上診斷，可穿戴AR頭盔、使用增強現實眼鏡作為交互及顯示設備，開展虛實融合工作獲取專家引導信息，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據可整理為新的案例，自動對故障數據庫進行案例的增廣，形成知識積累和傳承。系統的測試與聯調由艦船總體設計單位牽頭組織，進行系統驅動、連貫調試。

3.2 通信網絡支持系統（服務端）

通信網絡支持系統由兩部分組成，分別為岸艦衛星遠程通信支持和艦內綜合信息傳輸保障。岸艦衛星遠程通信支持使用衛星通信手段，提供穩定、可靠的遠海通信保障能力。岸基方面，圍繞軍事綜合信息網為核心構建，以研制服務商、專業院校、友鄰部隊、領域第三方為代表構成聯合支援機構，所有“中心”“節點”和獨立“終端”都以“協同云”形式，通過維修支援中心平臺接入岸基軍事綜合信息網。艦基方面，艦內多系統數據整合中心依托艦用衛星通信系統接收/發送話音、文電、數據、視頻等業務數據。艦內綜合信息傳輸保障基于全艦信息網絡構架，參與系統的網絡、計算、存儲等公共信息基礎設施統籌與公用，實現維修支援各戰位的互聯互操、無縫流轉，提升信息共享和綜合決策能力。

當艦載機出現復雜故障需遠程維修支援時，系統基于岸艦衛星遠程通信支持以及艦內綜合信息傳輸保障構建綜合數據傳輸信道，依托艦內外的通信系統、軍事綜合信息系統、視頻監視系統、視頻會議系統、全艦信息網絡中心、岸基接入系統，通過聯合內外通信實現與岸基遠程維修技術支援中心的互動。當帶寬足夠時，優先保障畫質與清晰度以支持精細化維修支援；當帶寬有限或網絡波動時，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。目前衛星通信技術進入到高速發展階段，很好地彌補了以往在區域覆蓋、信息穩定、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平臺、信息與資源數據庫、數據服務技術平臺。專家會商指導平臺由聯合支援機構的研制服務商、專業院校、友鄰部隊、領域第三方為終端節點組成，硬件平臺可依托現單位資產資源，統一部署運行專家會商指導平臺軟件系統。信息與資源數據庫采用知識圖譜技術，囊括了飛機性能、機務維修、操作手冊、故障案例、行業標準等一系列圖形式結構化數據資料信息，可梳理多個事件間的邏輯聯系，深入挖掘故障信息，指導專家與機務維修人員搜索、查詢、比對。數據服務技術平臺提供畫面優化、遠程調度、虛擬呈現、智能輔助、數據分析、衛星通信、事件記錄等基礎功能，保障系統在應用中滿足視頻采集素材準確、清晰，麥克風收音正常、可識別，調度指引可靠、靈活，分析呈現多樣、直觀。

當艦載機出現復雜故障需遠程維修支援時，艦內機務人員發出遠程維修支援申請，岸基維修中心值班人員綜合調度任務與專家，在預定時間研制總師及領域專家可利用本地辦公條件運行軟件系統入網會商，前端軍事綜合信息網接入平臺，配置安全加密芯片經安全接入確認后由衛星通信鏈接艦載頻道，實現音視頻同步、虛擬指導、同步維修的實時交互，維修人員在高識別度的標識圖與精準疊加的AR 模型上精細操作。在需要調閱資料、數據時，將以知識圖譜技術為基礎自動生成的圖文合成信息推送給機務維修人員，幫助機務人員查詢、搜索和參考，提高維修效率與智能化。

4 結束語

艦載機維修支援是遂行遠洋任務的保障基礎，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的思路，依托現有岸艦衛星通信系統以及岸基通信網等資源設施，使用AR 增強現實與遠程協助技術，為遠海艦載機維修涉及的技術支援、遠程監測、問題診斷、故障維修、經驗反哺提供可靠的、網絡化的共享知識協同環境，同時整合岸基領域專家資源，實現關鍵指導、知識共享、數據挖掘、集成管理等運維流轉，從而有效推進航空裝備維修與管理不斷創新發展。