艦載機綜合保障信息管理發展對策

李軍亮, 祝華遠, 孫魯青, 王 正

(海軍航空大學青島校區,山東 青島 266041)

艦載機作為航母編隊的核心作戰力量，可遂行多種作戰任務。艦載機種類較多，包含了艦載戰斗機、電子戰飛機、艦載直升機、預警機、加油機等[1-2]。與陸基飛機相比，艦載機一般具有以下特性：① 功能和結構有較大的差異，比如有著艦裝置、折疊裝置、特殊的武器系統等；② 任務環境惡劣，需在沿海、近海、遠海等環境中服役，艦載裝備的材料和結構受到溫度、濕度、氣壓、鹽霧、振動、加速度等多種自然環境應力和平臺環境應力耦合作用，易導致機載產品性能劣化或失效，嚴重影響艦載機作戰效能的發揮；③ 維修保障難度大，保障流程復雜，且操作、存儲空間有限[3-6]。因此，如何有效地對艦載機進行維修保障，確保其戰備完好率是一項比較緊迫的任務。

美軍的艦載機保障工作經歷了以可靠性為中心的維修保障、綜合保障、基于性能的保障、自主式保障4個階段[7-9]。綜合保障的實踐最早應用于F/A-18A飛機，實施綜合保障后機群戰備完好率提高了20%，使用和保障費用降低了50%。隨著BIT技術、交互式電子手冊和手提式維修輔助裝置信息化技術的應用，在F/A-18E/F飛機上進行了自主式保障的探索，進一步降低了保障費用、提高了保障效率。20世紀90年代后期隨著信息技術快速發展，F-35B采取了自主式保障模式，其核心技術在于采用了健康管理與故障預測(Prognostics and Health Management,PHM)以及聯合分布式信息系統(Joint Distribution Information System,JDIS)。這種基于先進的數字化信息技術、全新的維修與保障系統，使原先的勞動密集型活動，如維修、備件供應及供應和運輸實現一種自動化方案。基于狀態監測，縮短了艦載出動時間，提高了出動強度。保障系統的維修人力減少20%～40%；后勤規模減少50%；出動架次率提高25%；使飛機的使用與保障費用比過去的機種減少了50%以上；使用壽命達8000 fh。美軍的保障實踐表明，信息技術的發展極大地加速和推進了保障模式的改變，提高了機群完好率和保障效能，同時降低了保障費用。因此對綜合保障信息進行科學管理，廣泛采用先進的信息采集技術、信息分析技術、信息通信技術、網絡技術，可以在提高艦載機完好率、降低保障費用、使用決策以及迭代發展中發揮極大作用。

但目前我軍艦載機綜合保障信息管理工作存在以下問題：① 管理手段落后，大部分信息反饋主要通過傳真電報、請示件等形式上報，信息化、標準化程度不高；② 現行《海軍航空質量控制信息系統》技術指標不完備，質量信息應該涵蓋的裝備質量特性包括專用質量特性和通用質量特性各方面所有數據，目前的質控系統主要是飛機使用信息、故障的登記統計信息，缺乏維修性、測試性、保障性、安全性和環境適應性方面的數據；③ 質量與可靠性數據資源的利用效率不高，重統計輕分析，系統的分析功能不夠強大，飛機的飛參數據采集系統與發動機監控系統不具備數據信息的深度分析能力，不能為裝備的狀態評估、預測、改進、提升提供有效支撐；④ 全壽命周期內數據運行機制不完備，設計部門、生成部門、使用部門數據溝通和交流存在壁壘。上述問題嚴重影響艦載機綜合保障工作的開展，不易實現“兩高、兩低”的目標；另外，上述問題的解決還可以有效推動艦載機保障信息化的發展，為海軍航空裝備在役考核和維修模式改革提供強有力的支撐，加速推進大數據技術、人工智能技術、可視化技術在綜合保障領域的應用。

1 艦載機綜合保障信息的范疇

在裝備的壽命周期內，為滿足系統戰備完好性的要求，降低壽命周期的費用，應綜合考慮裝備的保障問題，確定保障性的要求，進行保障性設計，規劃并研制保障資源，及時提供裝備所需保障的一系列管理和技術活動[7-8]。艦載機綜合保障信息管理主要針對艦載機目前的保障現狀以及與之相關的數據信息管理現狀，結合艦載機的自身特點和使用特點，健全艦載機綜合保障信息管理的規范，構建完善信息數據庫，完善信息管理網絡，加強信息的統計分析，實現艦載機在全壽命周期內綜合保障信息管理的統籌優化與科學決策，重點完善其在使用階段的綜合保障信息管理。為艦載機的質量特性設計、評估、改進提供數據支撐，為裝備的作戰使用提供數據支撐，推動海軍航空裝備綜合保障工作發展，提高裝備戰備完好率，降低保障成本。艦載機綜合保障信息管理的邏輯及目標如圖1所示。

圖1 艦載機綜合保障信息管理的邏輯及目標

2 艦載機綜合保障信息管理的主要內容及關鍵技術

2.1 艦載機綜合保障信息管理的主要內容

2.1.1 艦載機綜合保障信息管理的法規體系構建

首先，應制定與完善信息管理制度，明確信息管理的責任與權限，對信息的收集、整理、分析和反饋制定專門的程序，并落實到設計、生產、使用部門質量體系的程序文件中，做到有據可依、有章可循、有較強的可操作性；其次，建立型號產品故障和事故信息通報制度、質量指標考核制度，從整體上明確信息管理的行為主體、權責與實施途徑，從組織層面和具體的操作層面上對質量與可靠性信息管理的內涵和外延做清晰的界定。

2.1.2 艦載機綜合保障信息數據庫構建

數據庫技術是對裝備設計、試驗、使用、維修、保障等信息的采集、統一管理和充分利用的一種有效形式。數據庫建設的重點在于合理的結構設計和完善的功能設計。合理的結構設計是指它能夠體現裝備故障的特點；完善的功能設計是指它能滿足對武器產品進行可靠性評定、狀態監控、故障診斷等工作的基本需要，包括武器設計、試制、生產、使用、退役和報廢等全生命周期的各類數據。在此基礎上，充分利用計算機網絡資源，建立一個開放的、動態鏈接的、方便友好的界面和應用程序接口的綜合保障信息數據庫，奠定信息分析、挖掘、使用的基礎。綜合保障信息數據庫的建設主要包括以下兩點。

(1) 基于型號的數據庫架構設計。

艦載機型號多，不同型號的裝備在壽命周期內的責任單位各不相同。在數據庫設計過程中，應該涵蓋型號設計、生產、試驗、使用、報廢、退役等過程中所有的責任單位之間以及內部適用的數據庫架構，從而實現全生命周期內的數據流轉。

(2) 完善裝備質量特性指標體系，明確數據庫功能。

裝備質量信息管理要為裝備工作服務，達到提高裝備系統效能、降低裝備壽命周期費用的目的。這要求裝備論證、研制、生產、試驗、使用和維修單位都須建立裝備質量信息系統，收集、分析和反饋裝備可靠性、維修性、安全性、環境適應性及其保障信息和費用信息，能實現為裝備使用、維修和管理決策提供依據等功能。質量特性指標體系的研究可細分為體系構建、模型構建和參數采集方法研究3個層次。

① 質量特性指標體系構建。

質量特性是影響武器艦載機保障效能的重要因素，質量特性指標體系的構建應當涵蓋艦載機質量特性和專用質量特性的具體指標[10-12]。一為基于系統工程思想，構建包含環境因素的綜合保障系統的質量特性指標體系。現有的綜合保障系統包含作戰任務系統、裝備保障系統和保障對象系統，卻未將裝備的使用環境完全納入到整個系統中。但是環境適應性是艦載機面臨的一個比較突出的問題，且環境變化會對保障效能帶來很大影響，因此在研究過程中首先要從理論和工程方面將環境數據納入進來。二為完善規范功能特性和可靠性指標，補充規范其他“五性”指標體系。現役的大部分裝備在設計階段重點考慮了裝備的功能特性和可靠性，與之相關的信息采集和管理也相對更受重視，對于其他“特性”的研究不充分，但是艦載機仍然有很長的服役時間，在使用過程會產生諸多“質量”問題，對其使用和保障帶了困難。因此要結合型號《研制總要求》和《綜合保障建議書》針對性地論證質量特性指標體系，完善規范可靠性指標，補充規范其他“五性”指標體系。三為梳理規范現行各種業務系統的數據指標。艦載機全壽命周期質量信息管理具有多系統、多業務流向、多業務交叉等特點，隨著業務信息系統的建設，各級裝備管理部門在數據采集、數據處理、數據瀏覽、數據查詢機制、數據綜合分析等方面初步具備了一定的技術手段和工具。但是，缺乏統一的建設規劃和技術標準；各業務管理系統功能單一、業務銜接不夠緊密；縱向業務信息處理基本通過文件報盤方式傳遞，橫向交叉業務基本通過Excel等表格文件實現信息的傳遞，信息反饋不夠及時準確；裝備信息資源共享和業務互動困難，直接影響到業務數據的綜合分析、挖掘和關鍵性輔助決策信息的生成和利用，無法為各級機關提供全局性的數據分析決策的支持。

② 質量特性指標模型構建。

通用質量特性理論研究雖然經過了多年的發展，但是無論國內還是國外對于不同裝備體系，其度量指標是各不相同的。比如戰備完好性指標，可以用戰備完好率、裝備完好率和使用度等指標度量；使用度指標可以分為穩態可用度、動態可用度等。由于不同的指標度量的目標和目的不一樣，因此要結合裝備型號合理論證其對應的指標參數模型[3]。

③ 質量特性指標參數采集方法研究。

在確定好裝備型號的指標參數模型之后，要對模型當中涉及的技術數據進行歸納和分析。結合艦載機使用部門的編制體制，充分考慮艦與機的匹配性，合理確定指標采集的方法、時機、模板等內容。

2.1.3 基于可視化管理的軟件系統開發研究

(1) 系統可視化設計。

通過充分利用信息技術、網絡技術、智能技術領域的先進成果，為不同類型用戶提供個性化視圖，保證各類人員準確掌握艦載機及保障設備、保障資源、質量狀況及其健康狀態變化規律，為裝備的可靠性、可用性和可信性評估提供有力的數據支撐，實現裝備健康影響因素的全面管理，輔助制定有針對性的裝備健康管理解決方案，提高裝備的完好率和任務成功率，降低維修及保障費用，提升裝備保障能力。

(2) 數據編碼技術研究。

依據航空裝備制定的有關質量與可靠性信息分類和編碼等標準，對采用的代碼類型和結構、編碼的方法等要求和規定進行編碼，并符合具體型號裝備的編制代碼手冊。設計的代碼具有唯一、簡單、合理、適用等特性，并具有可擴充能力。各類代碼之間要協調、兼容。

(3) 保密和安全防護設計。

基于部隊保密和安全管理的技術要求，從物理安全、網絡安全、系統安全、數據安全、容災安全和用戶安全等多方面進行建設。

2.1.4 艦載機綜合保障信息管理網絡研究

艦載機綜合保障信息管理網絡建設是橫、縱各部門之間有序、有效開展信息管理工作的必然要求。為保證信息管理渠道的暢通與信息的完整，消除部門壁壘造成的信息不對稱現象，必須建立科學的矩陣式信息管理模式，對綜合保障信息的收集和處理分層次、分等級進行，建立現代信息管理立體網絡，以最佳的途徑和最快的速度對綜合保障信息進行收集、整理、存儲、分析和處理，并反饋到決策和執行部門。

2.1.5 綜合保障信息的統計分析和應用研究

信息是資源，是財富，信息管理的最終目的是使用信息，信息只有在使用中才能體現其價值。綜合保障信息數據庫建立的最終目標是對信息進行加工處理后形成滿足科研、生產、維修、保障等不同主體要求的數據分析報告，通過反饋進一步指導科研生產、使用決策和質量改進，提高信息的使用價值和利用率。尤其是采用深度學習、智能挖掘等先進技術加強數據信息的深度分析，可為裝備保障的智能化水平提高提供算法模型。

2.2 裝備綜合保障信息管理的關鍵技術

2.2.1 通用質量特性指標體系論證技術

質量特性設計和管理是一項系統工程，質量特性之間相互關聯，具有很強的關聯性[13-14]。質量特性的指標體系應當涵蓋裝備性能指標和通用質量特性指標，裝備性能指標是比較明確的，而“六性”指標的論證和選取是一個難點問題。首先，各性內部有很多模型，比如可靠性指標就有故障率、故障時間間隔、平均故障時間間隔、可靠度等。雖然在本質上它們是互通的，但是在具體計算過程中所涉及的參數可能會不太一致，這就得結合裝備的實際使用情況和保障單位的實際運行情況來確定合理的指標。其次，各性指標之間的關聯性和耦合性較強，比如裝備可用性的計算需要裝備可靠性、保障性、維修性、測試性等相關數據作為支持。其中保障性中的保障資源等待時間、備件延誤時間等指標是衡量保障系統效能的重要指標之一，同時又受到維修性、測試性水平的制約，各性相互之間存在非線性的復雜關系。因此考慮度量各性指標的同時，需對“六性”指標的協調性和統一性進行分析。

2.2.2 大數據分析與挖掘技術

裝備數據中蘊含著大量的知識和規律，但這些知識隱藏在數據深處，并不能夠通過直接觀察數據的方式發現。美軍的F-35采用了PHM，利用傳感器等方式將艦載機系統、分系統或者設備的運行狀態、性能數據、環境數據等各類數據，通過特征提取、信號分析、數據融合建模，實現了艦載機系統運行狀態的監測、性能退化建模、剩余壽命預測和可靠性評估等功能[15-19]。我國艦載機的PHM水平與美國還有差距，但采用健康管理與故障預測技術是必然的趨勢。PHM是一個融合機、電、液、計算機、人工智能、通信、網絡等多學科交叉的高端技術。若需精確評估系統的健康狀態、預測其未來的狀態，不僅要清楚不同產品的故障機理，還要能構建融合故障數據、退化數據、環境應力數據、機械應力數據的分析模型，滿足處理多元數據之間非線性、隨機性、強耦合特征的基本要求，因此基于大數據分析與挖掘技術從海量裝備數據中發掘數據價值，構建適用于健康分析、任務決策等功能模型勢在必行。

2.2.3 大數據存儲與分布式計算技術

艦載機保障信息具有多樣性，并且隨著歷史數據的不斷累積，數據量巨大，需要具有高可靠存儲和擴展能力的數據中心進行支撐。此外，對于海量數據只有通過分析和挖掘才能發掘數據的價值。數據挖掘需要在海量數據上進行多種復雜算法的迭代處理，這需要高性能的計算技術進行支撐[15-17]。大數據存儲與計算技術通過分布式文件系統、分布式數據庫和分布式計算框架的結合使用，通過對于普通服務器的集群化就能夠實現海量數據的高可靠存儲、高性能計算，且具備水平擴展能力，是解決裝備保障信息存儲與計算最為有效的技術手段。F-35自主式保障的另一項關鍵技術就是分布式計算技術系統。

2.2.4 基于智能算法的保障運籌優化與維修決策技術

航母艦載保障具有多機種、小空間、短時間等約束特性，即如何在有限的空間內，最大效率地利用保障資源、保障人員，確保艦載機的快速出動，實現保障效能最大化。韓維等[20]分析了艦載機航母航空裝備的保障效能評估，認為目前航母航空裝備保障效能評估指標體系不夠完備、評估方法的科學性不足。針對該問題，其建議評估方法應當智能化、更加貼近實戰化、更加注重系統化。因為在實際工作中艦載機雖有規范的保障流程、保障人員分工明確、保障設備配備合理，但是在實際作戰情況下，保障任務具有突發性和隨機性。因此如何構建實戰化條件下的多約束優化模型，科學運籌保障人員、優化保障資源和保障作業流程、提高艦載機出動效率，是眾多學者研究的難點與熱點問題[4-6]。目前用到最多的方法就是群智能優化算法，包括蟻群、粒子群、魚群等，但是每一種算法都有一定的缺陷。為了滿足實際需求，需要將目前的群優化算法與神經網絡、深度學習等人工智能技術結合起來，實現保障系統運行的實時決策。

維修周期決策也是艦載機綜合保障的一項關鍵技術。因為艦載機服役周期長，不同的維修周期對裝備的可用性、保障費用、保障資源規劃有很大的影響，這恰恰是影響綜合保障效能的重要指標[11-12]。預測性維修技術通過廣泛應用先進傳感器技術、數據處理技術、智能算法，可合理規劃維修周期、維修資源[21]。美軍F-35B飛機基于故障預測與健康管理技術實現了預測性維修，從而實現了保障效能的最大化。其本質是基于狀態管理的動態周期控制技術，區別于傳統的基于時間或者狀態的預防性維修周期決策，不僅要考慮裝備的歷史狀態、當前狀態，還要考慮裝備未來一段時間的狀態，從而對裝備的維修周期、維修模式進行規劃，實現了精確化保障，體現了智能化保障水平。預測性維修的發展不僅是技術的改變，也是一種理念和理論的改變。預測性維修決策能否實施將對中國艦載機的綜合保障模式產生重大意義。

3 艦載機綜合保障信息管理系統框架設計

綜合保障信息管理系統涉及到裝備綜合保障理論、大數據技術、分布式計算技術和數據可視化技術，是一項涉及多專業、多學科的復雜系統工程。艦載機綜合保障信息管理系統必須以系統工程的思想為指導，以綜合保障理論為依據，結合艦載機的服役環境和使用特點，以系統工程效益最佳為目標，針對艦載機綜合保障信息管理亟需解決的問題，將作戰任務系統、保障系統、保障裝備、環境等作為一個大系統來考慮；全面梳理目前理論研究與工程實踐中存在的難題和技術瓶頸，從數據產生、采集、存儲、統計、分析和管理的閉環全過程開展系統性研究，研究過程中注重信息管理工作的構成、流程、要素、邏輯關系、連續性和相互影響等，構建完備的綜合保障信息管理的理論體系，完善一套相互關聯的法規體系，論證健全艦載機綜合保障信息管理的網絡方案，完善系統統計分析功能；并基于型號集成應用平臺，提高艦載機綜合保障信息管理的科學化、規范化、精確化、信息化水平。系統研究的建設方案如圖2所示。

圖2 艦載機綜合保障信息管理系統設計方案

圖2中黃色部分為信息管理系統建設所對應的綜合保障體系運行的關鍵子系統；綠色部分為各系統指標體系、指標模型以相互邏輯關系的軟件設計與實現；藍色部分對每一項指標的采集、管理、存儲、分析進行研究，該部分研究內容的主要目標是明確系統建設的業務信息的主要內容、邏輯結構、算法模型、顯示方式、用戶權限以及責任主體等，明晰軟件設計的業務需求與功能需求，為系統的功能設計、界面設計、編碼和程序設計提供輸入信息。在完成上述內容的分析后，如紅色部分所示，進行系統的總體設計，即如何實現科學、完備、安全的實現系統功能，包括6個方面：功能設計、界面設計、編碼設計、程序設計、安全設計和保密設計。

4 結束語

分析了艦載機綜合保障信息產生、采集、管理與運用的邏輯，即作戰驅動、裝備使用、保障運行、環境制約的相互作用過程；明確了綜合保障信息管理的主要內容及關鍵技術；并借鑒美軍艦載機綜合保障信息發展的成果，設計中國艦載機綜合保障信息管理的框架。研究結果可應用于艦載機通用質量特性評估和在役考核的研究，對艦載機的綜合保障信息化水平的提高產生積極意義，促進大數據技術、人工智能技術在該領域的應用。