基于虚拟现实技术的武器装备远程维修保障系统研究

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　　摘要：本文针对目前我军装备保障现状，基于北斗卫星通信及虚拟现实技术设计了一套武器装备远程维修保障系统，并对系统的组成、基本工作原理、关键技术等进行了介绍。该系统运用现代卫星通信技术建立远程保障信息传输网络并基于虚拟现实技术再现装备故障情况，可以广泛应用于我军武器装备远程维修保障中，促进新型复杂装备维修保障能力生成，并从一定程度上实现保障资源的配置和调度，有效提高我军武器装备的综合保障能力，对部队作战能力的提升具有重要现实意义。
　　關键词：卫星通信;虚拟现实;武器装备;远程维修保障
　　中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）03-0175-04
　　0 引言
　　随着我国国防工业的不断发展，越来越多的先进武器装备生产并列装部队，军队武器装备越来越集成化、小型化、智能化，技术含量越来越高[1]，基于天地一体信息网络的体系作战也是未来战争的重要形态之一[2]，列装先进武器的部队分布在全国各地乃至国外，并且经常大范围机动，对我军及国防军工企业前方伴随保障技术人员的要求也越来越高。
　　武器装备维修保障能力是部队战斗力的关键因素之一。在节奏转换快速的现代信息化战场中，传统的人员梯队配置，定点伴随保障、后送维修，校标排故的保障模式及功能单一的维修模式已不能适应现代战争的要求[3]，人员的数量和技术水平难以同时满足应对多个地点、多种型号装备的复杂保障任务。因此，未来实战及演习靶场的武器装备维修保障工作必须满足现代战场的需求，朝着“信息化、集成化、多元化、智能化、远程化、网络化”的方向发展。运用现代卫星通信技术建立远程保障信息传输网络并基于虚拟现实技术再现装备故障情况，建立军地双方高效多媒体交互平台，可以充分利用后方装备研制的专业技术队伍和保障基础设施，促进新型复杂装备维修保障能力生成，并从一定程度上实现保障资源的配置和调度，有效提高我军武器装备的综合保障能力，对部队作战能力的提升具有重要现实意义。
　　1 系统组成及工作原理
　　1.1 系统组成
　　基于卫星通信及虚拟现实技术的武器装备远程维修保障系统由远程保障中心系统（分为保障中心服务器子系统、装备维修业务调度管理子系统、桌面式虚拟故障诊断平台子系统）、北斗卫星通信系统、现场维修保障系统（分为北斗便携式保障终端及车载保障终端）组成，如图1所示。
　　1.2 系统工作原理
　　当现场发现装备故障时，须建立卫星通信链路，与保障中心进行联通，各部分之间通过卫星通信网络进行通信连接。
　　系统以保障中心服务器作为站点，便携式保障终端和车载保障终端作为移动端。当某型号装备出现故障时，现场人员可以在几分钟内通过便携式保障终端或车载保障终端通过卫星与站点进行通信，现场维修人员通过单兵可穿戴设备将现场装备出现的故障现象实时传到保障中心，保障中心专家根据故障现象，在服务器上找到对应装备的3D模型，通过模型的实时仿真拆卸及维修，让现场人员在无任何基础的情况下就能方便的排除故障，基于卫星通信及虚拟现实技术的装备远程故障诊断系统工作流程如图2所示。
　　2 系统关键技术
　　2.1 基于虚拟现实技术的诊断系统
　　2.1.1 虚拟现实技术与虚拟样机
　　虚拟现实技术是综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、网络技术等多种科学技术的基础上发展起来的，具有沉浸、交互和构想三个特征[4]。基于虚拟现实技术的远程故障故障诊断系统利用Pro/E等三维制图软件对各型武器装备进行三维建模，根据各型武器的工作原理进行动画制作和程序编译，并与计算机进行结合，技术人员可以通过友好的图形界面来模拟故障现象、故障部位拆装等故障诊断及维修过程。
　　虚拟样机组成包括各型装备三维模型数据库、专家知识库、交互系统等。在虚拟样机建立过程中，可以依托八部总体部优势，将各型号装备、零件的详细结构参数纳入整个三维模型数据库。可以利用八院保障中心近十几年海量数据，存储各型装备的故障种类、各类故障现象所对应的故障排除方法等信息，建立专家知识库，并具备自学习功能，能对新的故障案例进行学习并存储在专家知识库。交互系统即现场技术人员可以对虚拟的三维数字装备模型进行控制，实现放大、缩小、移动、翻转等功能，从而帮助维修现场更好的理解和把握维修操作过程，实现装备快速维修[5-6]。
　　2.1.2 基于虚拟样机的远程故障诊断技术
　　现场专家通过操作虚拟环境中的虚拟样机来模拟维修操作过程，通过这种交互，使人主观上产生真实的存在感，“沉浸”模拟的三维模型中。
　　以维修某型装备的变速箱齿轮为例，如图3所示。首先收到故障报告（假设该故障为车辆挂挡有时挂不上，挂挡阻力大），根据故障信息（文字、音视频等）及故障现象描述，远程保障中心专家初步断定为变速箱齿轮传动失效。专家根据装备型号，在虚拟样机数据库中搜索该型号三维模型→同型号虚拟样机→找到变速箱所在车体部位→取出变速箱三维虚拟样机→找出故障齿轮，发现轮齿折断→更换故障齿轮→故障修复→专家对故障原因解读：轮齿受载时，齿根处产生弯曲应力，加上齿根过渡部分的截面突变及加工刀痕引起的应力集中作用，当齿轮重复受载后，齿根处会产生疲劳裂纹，并逐步扩展，最终导致轮齿断裂，齿轮传动部分失效，车辆出现挂档有时挂不上，挂档阻力大等现象。
　　2.2 保障中心服务器系统
　　远程保障服务器系统，由服务器、防火墙、加密机、多媒体服务器子系统组成，实时全天候服务。加密机能够保障通信数据安全。多媒体服务器系统能够实时提供语音、视频及文档的交互，提供各个型号设备的3D建模。多媒体服务器能够设立多个客户登录账户，可以对每个账户单独设置不同的工作权限，从而保证账户安全。
　　远程保障服务器系统以卫星加密通信和北斗短报文通信链路构建通信网络，整合远程保障业务管理系统、装备远程多媒体交互系统、装备远程数据采集系统、装备虚拟样机专家知识数据库系统，桌面式虚拟故障诊断平台等各类终端系统，通过接收现场装备丰富、准确的信息，包括采集到的装备各项数据和现场音、视频信息等，借助虚拟样机专家知识数据库系统、桌面式虚拟故障诊断平台、卫星通信网络等技术，对现场故障装备进行故障诊断、分析、定位并快速制定维修方案，利用虚拟样机指导前方进行设备的维修、维护操作，同时可以利用多媒体交互系统，与相关装备研制单位技术专家展开多方视频会议，对部分疑难故障进行专家会诊。 　　2.3 基于天基信息的远程保障通信系统
　　2.3.1 单兵通信系统
　　单兵通信系统由单兵无线电台和单兵多媒体头盔及单兵便携电脑组成，为单兵与保障中心服务器进行音、视频通信建立链路，单兵可以通过便携电脑进行SSL拨号与保障中心服务器通信，从而保证了单兵无线通信的数据安全。
　　2.3.2 卫星通信系统
　　卫星通信系统由便携式卫星天线、卫星调制解调器、加密机组成。便携式卫星天线是抛物面天线，天线反射瓣可以拆卸，自带BOC、LNB，天线可以实现自动搜星、对星，从而大大提高了搜星、对星的效率。衛星调制解调器可以设置不同的卫星频率、带宽、发射功率，方便灵活[7]。加密机保障了接收和发射的数据安全。
　　当单兵与远程保障中心建立卫星通信后，其通信链路如图4所示。
　　2.4 网络信息安全防护系统
　　军用装备的保密性要求极高，在装备远程保障维修的通信链路中建立了信息安全防护系统，如图5所示。网络信息安全防护系统主要由数据源加密，DMZ防火墙，入侵检测系统，网络防病毒系统，网络设备及服务器加固，数据备份组成，保证了军用装备维修信息的安全。
　　2.5 装备保障案例数据库
　　装备远程保障服务需要建立完善的装备保障数据库，包括基础数据库、培训资料数据库、装备信息数据库、装备测试数据库、专家知识数据库等，其信息来自装备生产部门、使用管理部门以及装备使用现场。
　　该数据库主要包括以下方面内容：
　　（1）装备技术资料信息（包括使用说明、维修手册、装备参数、芯线表等）;
　　（2）装备保障资源信息（包括保障机构、保障器材、保障人员、备件等）及分布情况;
　　（3）装备使用履历信息（包括工作时间、作战演习情况、故障修复记录等）;
　　（4）装备测试信息（包括自动采集数据、远程测试数据等）;
　　（5）故障维修案例知识信息（装备典型故障现象及排除方法）;
　　（6）各个批产型号装备三维仿真模型信息。
　　这些信息经过预处理和分类后保存到数据库中，以便进行查询、调用。
　　2.6 装备维修业务调度管理系统
　　在大型军事演习、远程维修任务繁多的情况下，快速、有效的对武器装备维修任务进行合理配置与调度将有效减少故障装备的平均故障维修时间（MTTR，Mean Time To Repair），对维护战场装备的战备完好性，提高部队作战能力具有重要意义。
　　保障中心在完成虚拟故障排除过程规划后，应根据各个故障装备维修方案所需的条件及现有保障资源进行合理配置，保证各个故障顺利排除。在装备维修业务调度管理系统中遵循：优先找到核心装备→优先解决制约装备核心性能的任务→简单任务优先→重要设备任务优先→距离保障资源最近的任务优先的原则，使维修配置效果达到最优。
　　3 系统应用
　　本系统技术可靠性高，未来应用将比较广泛，本系统可以应用到以下场景。
　　（1）大型军事演习保障任务中。大型演习过程中，对战场抢修，保证参试装备的战备完好性方面要求很高，基于天基信息及虚拟现实技术的武器装备远程维修保障系统应用到军事演习中，将极大提高战场快速抢修能力及战备完好性。
　　（2）军事院校装备培训中。可以为部队提供武器装备面向原理教学与操作的培训，为军事院校学员提供“教、学、练、考、评”于一体的教学、训练方法，促进我军武器装备保障人才能力的提升。
　　（3）军贸产品的维修保障中。现阶段，我国军贸出口主要对象为亚、非、拉等第三世界国家，位置偏远，国内保障人员进行伴随保障面临保障成本高、保障难度大等诸多问题。基于天基信息及虚拟现实技术的武器装备远程维修保障系统对军贸装备故障进行远程指导维修，可以极大减少现场保障人员投入、解决军贸装备维修保障滞后等问题，提高我国军贸产品在国际市场的竞争力。
　　（4）偏远、恶劣地区参试试验队中。国防军工企业在研制新装备的过程中，会在某些偏远、地广人稀、极端环境地区进行各种试验任务，这些地方试验场往往交通不便、通信中断，这时候如果装备出现某些疑难杂症，前方参试人员在尝试多次无法解决的情况下，在现场利用基于天基信息的卫星通信网络与后方设计师、专家进行联系，利用后方强大智力支持，共同商讨解决方案，不仅减少试验周期，而且可以提高外场试验成功率。
　　4 结语
　　在部队不断深入信息化建设的背景下，提出基于虚拟现实技术的远程维修保系统设计方案，将有效应对未来信息化战争的需要，对战场快速抢修、演习保障、军贸服务、军事教育培训及偏远地区试验等任务具有重要意义，为我军提高信息化战争能力，保证战时装备完好性及我国军工企业试验等提供重要支撑，具有较高的军事价值。
　　参考文献
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　　[2] 孟光，孔晓俊.基于天地一体信息网络的防空反导反临装备发展思考[J].空天防御，2018，1（1）：1-7.
　　[3] 宋蕾.海军远程维修支援保障系统的构建方法研究[J].舰船电子工程，2015，35（10）：9-14.
　　[4] 杨树莲.虚拟现实技术在机械故障诊断中的应用[J].机械工程师，2002（8）：11-12.
　　[5] 赵鸿飞，张琦，王海涛，等.桌面式工程机械虚拟维修训练系统技术研究[J].中国工程机械学报，2013，11（5）：457-462.
　　[6] 胡江南，赵鸿飞，王海涛，等.装备远程虚拟化故障诊断支援系统设计与研究[J].机械制造与自动化，2015，44（2）：192-195.
　　[7] 范海洲，杨曦，王澜涛，等.基于天基信息的装备远程服务保障系统研究[J].空天防御，2015，6（4）：39-44.
　　Abstract：This paper is aimed at the weapon system support status and designed a remote support system based on satellite communication and virtual reality technology， and introduced the composition， basic working principle and key technology of the system. This system applied modern satellite communication technology to establish the remote information transmission network and reappear weapon system failure condition base on the virtual reality technology， it can be wide used in weapon remote maintenance and support to promote new type and complex weapon support capacity building. This system also improve comprehensive support capability and have important practical significance on the military operation capacity improvement.
　　Key words：satellite communication;virtual reality technology;weapon system;remote maintenance and support
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