基于虛擬現實技術的武器裝備遠程維修保障系統研究

陳建平 張樂 陳敬賢 李蘇杭

摘要：本文針對目前我軍裝備保障現狀，基于北斗衛星通信及虛擬現實技術設計了一套武器裝備遠程維修保障系統，并對系統的組成、基本工作原理、關鍵技術等進行了介紹。該系統運用現代衛星通信技術建立遠程保障信息傳輸網絡并基于虛擬現實技術再現裝備故障情況，可以廣泛應用于我軍武器裝備遠程維修保障中，促進新型復雜裝備維修保障能力生成，并從一定程度上實現保障資源的配置和調度，有效提高我軍武器裝備的綜合保障能力，對部隊作戰能力的提升具有重要現實意義。

關鍵詞：衛星通信;虛擬現實;武器裝備;遠程維修保障

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0175-04

0 引言

隨著我國國防工業的不斷發展，越來越多的先進武器裝備生產并列裝部隊，軍隊武器裝備越來越集成化、小型化、智能化，技術含量越來越高[1]，基于天地一體信息網絡的體系作戰也是未來戰爭的重要形態之一[2]，列裝先進武器的部隊分布在全國各地乃至國外，并且經常大范圍機動，對我軍及國防軍工企業前方伴隨保障技術人員的要求也越來越高。

武器裝備維修保障能力是部隊戰斗力的關鍵因素之一。在節奏轉換快速的現代信息化戰場中，傳統的人員梯隊配置，定點伴隨保障、后送維修，校標排故的保障模式及功能單一的維修模式已不能適應現代戰爭的要求[3]，人員的數量和技術水平難以同時滿足應對多個地點、多種型號裝備的復雜保障任務。因此，未來實戰及演習靶場的武器裝備維修保障工作必須滿足現代戰場的需求，朝著“信息化、集成化、多元化、智能化、遠程化、網絡化”的方向發展。運用現代衛星通信技術建立遠程保障信息傳輸網絡并基于虛擬現實技術再現裝備故障情況，建立軍地雙方高效多媒體交互平臺，可以充分利用后方裝備研制的專業技術隊伍和保障基礎設施，促進新型復雜裝備維修保障能力生成，并從一定程度上實現保障資源的配置和調度，有效提高我軍武器裝備的綜合保障能力，對部隊作戰能力的提升具有重要現實意義。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

基于衛星通信及虛擬現實技術的武器裝備遠程維修保障系統由遠程保障中心系統（分為保障中心服務器子系統、裝備維修業務調度管理子系統、桌面式虛擬故障診斷平臺子系統）、北斗衛星通信系統、現場維修保障系統（分為北斗便攜式保障終端及車載保障終端）組成，如圖1所示。

1.2 系統工作原理

當現場發現裝備故障時，須建立衛星通信鏈路，與保障中心進行聯通，各部分之間通過衛星通信網絡進行通信連接。

系統以保障中心服務器作為站點，便攜式保障終端和車載保障終端作為移動端。當某型號裝備出現故障時，現場人員可以在幾分鐘內通過便攜式保障終端或車載保障終端通過衛星與站點進行通信，現場維修人員通過單兵可穿戴設備將現場裝備出現的故障現象實時傳到保障中心，保障中心專家根據故障現象，在服務器上找到對應裝備的3D模型，通過模型的實時仿真拆卸及維修，讓現場人員在無任何基礎的情況下就能方便的排除故障，基于衛星通信及虛擬現實技術的裝備遠程故障診斷系統工作流程如圖2所示。

2 系統關鍵技術

2.1 基于虛擬現實技術的診斷系統

2.1.1 虛擬現實技術與虛擬樣機

虛擬現實技術是綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、網絡技術等多種科學技術的基礎上發展起來的，具有沉浸、交互和構想三個特征[4]。基于虛擬現實技術的遠程故障故障診斷系統利用Pro/E等三維制圖軟件對各型武器裝備進行三維建模，根據各型武器的工作原理進行動畫制作和程序編譯，并與計算機進行結合，技術人員可以通過友好的圖形界面來模擬故障現象、故障部位拆裝等故障診斷及維修過程。

虛擬樣機組成包括各型裝備三維模型數據庫、專家知識庫、交互系統等。在虛擬樣機建立過程中，可以依托八部總體部優勢，將各型號裝備、零件的詳細結構參數納入整個三維模型數據庫。可以利用八院保障中心近十幾年海量數據，存儲各型裝備的故障種類、各類故障現象所對應的故障排除方法等信息，建立專家知識庫，并具備自學習功能，能對新的故障案例進行學習并存儲在專家知識庫。交互系統即現場技術人員可以對虛擬的三維數字裝備模型進行控制，實現放大、縮小、移動、翻轉等功能，從而幫助維修現場更好的理解和把握維修操作過程，實現裝備快速維修[5-6]。

2.1.2 基于虛擬樣機的遠程故障診斷技術

現場專家通過操作虛擬環境中的虛擬樣機來模擬維修操作過程，通過這種交互，使人主觀上產生真實的存在感，“沉浸”模擬的三維模型中。

以維修某型裝備的變速箱齒輪為例，如圖3所示。首先收到故障報告（假設該故障為車輛掛擋有時掛不上，掛擋阻力大），根據故障信息（文字、音視頻等）及故障現象描述，遠程保障中心專家初步斷定為變速箱齒輪傳動失效。專家根據裝備型號，在虛擬樣機數據庫中搜索該型號三維模型→同型號虛擬樣機→找到變速箱所在車體部位→取出變速箱三維虛擬樣機→找出故障齒輪，發現輪齒折斷→更換故障齒輪→故障修復→專家對故障原因解讀：輪齒受載時，齒根處產生彎曲應力，加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕引起的應力集中作用，當齒輪重復受載后，齒根處會產生疲勞裂紋，并逐步擴展，最終導致輪齒斷裂，齒輪傳動部分失效，車輛出現掛檔有時掛不上，掛檔阻力大等現象。

2.2 保障中心服務器系統

遠程保障服務器系統，由服務器、防火墻、加密機、多媒體服務器子系統組成，實時全天候服務。加密機能夠保障通信數據安全。多媒體服務器系統能夠實時提供語音、視頻及文檔的交互，提供各個型號設備的3D建模。多媒體服務器能夠設立多個客戶登錄賬戶，可以對每個賬戶單獨設置不同的工作權限，從而保證賬戶安全。

遠程保障服務器系統以衛星加密通信和北斗短報文通信鏈路構建通信網絡，整合遠程保障業務管理系統、裝備遠程多媒體交互系統、裝備遠程數據采集系統、裝備虛擬樣機專家知識數據庫系統，桌面式虛擬故障診斷平臺等各類終端系統，通過接收現場裝備豐富、準確的信息，包括采集到的裝備各項數據和現場音、視頻信息等，借助虛擬樣機專家知識數據庫系統、桌面式虛擬故障診斷平臺、衛星通信網絡等技術，對現場故障裝備進行故障診斷、分析、定位并快速制定維修方案，利用虛擬樣機指導前方進行設備的維修、維護操作，同時可以利用多媒體交互系統，與相關裝備研制單位技術專家展開多方視頻會議，對部分疑難故障進行專家會診。

2.3 基于天基信息的遠程保障通信系統

2.3.1 單兵通信系統

單兵通信系統由單兵無線電臺和單兵多媒體頭盔及單兵便攜電腦組成，為單兵與保障中心服務器進行音、視頻通信建立鏈路，單兵可以通過便攜電腦進行SSL撥號與保障中心服務器通信，從而保證了單兵無線通信的數據安全。

2.3.2 衛星通信系統

衛星通信系統由便攜式衛星天線、衛星調制解調器、加密機組成。便攜式衛星天線是拋物面天線，天線反射瓣可以拆卸，自帶BOC、LNB，天線可以實現自動搜星、對星，從而大大提高了搜星、對星的效率。衛星調制解調器可以設置不同的衛星頻率、帶寬、發射功率，方便靈活[7]。加密機保障了接收和發射的數據安全。

當單兵與遠程保障中心建立衛星通信后，其通信鏈路如圖4所示。

2.4 網絡信息安全防護系統

軍用裝備的保密性要求極高，在裝備遠程保障維修的通信鏈路中建立了信息安全防護系統，如圖5所示。網絡信息安全防護系統主要由數據源加密，DMZ防火墻，入侵檢測系統，網絡防病毒系統，網絡設備及服務器加固，數據備份組成，保證了軍用裝備維修信息的安全。

2.5 裝備保障案例數據庫

裝備遠程保障服務需要建立完善的裝備保障數據庫，包括基礎數據庫、培訓資料數據庫、裝備信息數據庫、裝備測試數據庫、專家知識數據庫等，其信息來自裝備生產部門、使用管理部門以及裝備使用現場。

該數據庫主要包括以下方面內容：

（1）裝備技術資料信息（包括使用說明、維修手冊、裝備參數、芯線表等）;

（2）裝備保障資源信息（包括保障機構、保障器材、保障人員、備件等）及分布情況;

（3）裝備使用履歷信息（包括工作時間、作戰演習情況、故障修復記錄等）;

（4）裝備測試信息（包括自動采集數據、遠程測試數據等）;

（5）故障維修案例知識信息（裝備典型故障現象及排除方法）;

（6）各個批產型號裝備三維仿真模型信息。

這些信息經過預處理和分類后保存到數據庫中，以便進行查詢、調用。

2.6 裝備維修業務調度管理系統

在大型軍事演習、遠程維修任務繁多的情況下，快速、有效的對武器裝備維修任務進行合理配置與調度將有效減少故障裝備的平均故障維修時間（MTTR，Mean Time To Repair），對維護戰場裝備的戰備完好性，提高部隊作戰能力具有重要意義。

保障中心在完成虛擬故障排除過程規劃后，應根據各個故障裝備維修方案所需的條件及現有保障資源進行合理配置，保證各個故障順利排除。在裝備維修業務調度管理系統中遵循：優先找到核心裝備→優先解決制約裝備核心性能的任務→簡單任務優先→重要設備任務優先→距離保障資源最近的任務優先的原則，使維修配置效果達到最優。

3 系統應用

本系統技術可靠性高，未來應用將比較廣泛，本系統可以應用到以下場景。

（1）大型軍事演習保障任務中。大型演習過程中，對戰場搶修，保證參試裝備的戰備完好性方面要求很高，基于天基信息及虛擬現實技術的武器裝備遠程維修保障系統應用到軍事演習中，將極大提高戰場快速搶修能力及戰備完好性。

（2）軍事院校裝備培訓中。可以為部隊提供武器裝備面向原理教學與操作的培訓，為軍事院校學員提供“教、學、練、考、評”于一體的教學、訓練方法，促進我軍武器裝備保障人才能力的提升。

（3）軍貿產品的維修保障中。現階段，我國軍貿出口主要對象為亞、非、拉等第三世界國家，位置偏遠，國內保障人員進行伴隨保障面臨保障成本高、保障難度大等諸多問題。基于天基信息及虛擬現實技術的武器裝備遠程維修保障系統對軍貿裝備故障進行遠程指導維修，可以極大減少現場保障人員投入、解決軍貿裝備維修保障滯后等問題，提高我國軍貿產品在國際市場的競爭力。

（4）偏遠、惡劣地區參試試驗隊中。國防軍工企業在研制新裝備的過程中，會在某些偏遠、地廣人稀、極端環境地區進行各種試驗任務，這些地方試驗場往往交通不便、通信中斷，這時候如果裝備出現某些疑難雜癥，前方參試人員在嘗試多次無法解決的情況下，在現場利用基于天基信息的衛星通信網絡與后方設計師、專家進行聯系，利用后方強大智力支持，共同商討解決方案，不僅減少試驗周期，而且可以提高外場試驗成功率。

4 結語

在部隊不斷深入信息化建設的背景下，提出基于虛擬現實技術的遠程維修保系統設計方案，將有效應對未來信息化戰爭的需要，對戰場快速搶修、演習保障、軍貿服務、軍事教育培訓及偏遠地區試驗等任務具有重要意義，為我軍提高信息化戰爭能力，保證戰時裝備完好性及我國軍工企業試驗等提供重要支撐，具有較高的軍事價值。

參考文獻

[1] 楊輝，楊玉林，薛向鋒.陸軍裝備遠程維修保障及方法研究[J].火炮發射與控制學報，2008（2）：17-20.

[2] 孟光，孔曉俊.基于天地一體信息網絡的防空反導反臨裝備發展思考[J].空天防御，2018，1（1）：1-7.

[3] 宋蕾.海軍遠程維修支援保障系統的構建方法研究[J].艦船電子工程，2015，35（10）：9-14.

[4] 楊樹蓮.虛擬現實技術在機械故障診斷中的應用[J].機械工程師，2002（8）：11-12.

[5] 趙鴻飛，張琦，王海濤，等.桌面式工程機械虛擬維修訓練系統技術研究[J].中國工程機械學報，2013，11（5）：457-462.

[6] 胡江南，趙鴻飛，王海濤，等.裝備遠程虛擬化故障診斷支援系統設計與研究[J].機械制造與自動化，2015，44（2）：192-195.

[7] 范海洲，楊曦，王瀾濤，等.基于天基信息的裝備遠程服務保障系統研究[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