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王海峰 等 | 航空装备保障智能化发展认识与探讨

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摘要:自新一代人工智能技术迅猛发展以来,世界各国在智能领域动作频繁,军事化应用明显有加速之势,给装备保障带来了变革性发展的机遇。紧密围绕作战-装备-技术-保障之间的依托关系,从作战需求、装备特点、装备设计、诊断测试和技术驱动等五个角度梳理了装备保障发展的关键因素,给出了装备保障60余载发展历程的诸多原因和显著成果;通过对未来作战模式和未来作战平台保障需求的前瞻性判断,分析了未来作战需求和装备牵引装备保障转变的典型技术特征;并在装备保障领域人工智能技术的发展和应用现状总结分析的基础上,系统地提出了装备保障智能化发展的建设性意见和建议,为国内装备保障智能化发展探索了一个可能的技术方向。

 

关键词:装备保障;作战模式;诊断测试;智能化发展;认识与探讨

中图分类号:V240.2;TP206+.3文献标识码:A文章编号:1000-8829(2020)12-0001-09

doi:10.19708/j.ckjs.2020.12.001 

 

2016年3月,谷歌公司研制的阿尔法围棋(AlphaGo)以4∶1的压倒性胜利成为第一个战胜围棋世界冠军的人工智能程序。同年6月,辛辛那提大学开发的阿尔法空战系统在空战模拟器上驾驶第三代战斗机战胜了经验丰富的人类飞行员驾驶的第四代战斗机[1-2]。这两个标志性事件掀起了一股以深度学习为代表的新一代人工智能技术研究热潮,其在自主性、速度和耐力、力量倍增、信息处理等方面的技术优势,展现出非凡的军事应用前景[3-4]。
此后,美国在人工智能领域动作更为频繁,明显加速人工智能技术的整合与武器化。2018年9月,美国国防部成立联合人工智能中心并发布人工智能战略。2019年9月,美国空军发布《2019美国空军人工智能附录——响应国防部人工智能战略》[5],提出人工智能可以加强美国空军在空天优势、快速全球机动、情报/监视/侦察以及指挥控制等5个不同任务中对抗、威慑和制胜的能力。在此之前,2016年6月,美国国防部国防科学委员会发布《自主性研究报告》[6],对包括装备保障在内的4个领域引入自主性对作战人员带来的收益进行分析,并对包括预测性保障与自适应规划、面向快速部署的自适应保障等10个项目给出了发展建议。2019年3月,美国空军首席科学家办公室发布《自主性地平线:前进之路》[7],对自主系统和人工智能的未来发展进一步提出了详细的建议。
技术始终是战争样式不断发生变化的基础。总体来看,自新一代人工智能技术迅猛发展以来,装备向智能化方向发展日渐成为共识。智能装备的具体形态表现为自主系统,其能力属性用自主性度量,实现手段则依靠新一代人工智能技术,例如人工智能在战斗机领域的评价标准就是自主控制等级[8]。为了将装备和保障系统组成的装备系统建设成为自主系统,除了装备自身的智能化外,还应与作战形态发展趋势及装备发展特点相适应,在装备研制追求高作战效能这个永恒不变的目标牵引下,有必要通过引入人工智能技术提高装备保障的自主性,认识和探讨装备保障智能化发展方向,变革传统保障方法和手段,使装备保障的智能化水平与装备自身的智能化特点相匹配,以支撑在自主保障体系基础上创新构建未来装备保障体系。

 

1  驱动装备保障发展的关键要素

装备保障是装备系统的重要组成部分,共同影响着装备整体作战效能的发挥,已逐渐发展成为战斗力提升的关键。装备保障发展受诸多因素影响,但始终不变的是需要从需求牵引、技术支撑、装备特点、装备设计赋予、诊断测试等关键发展要素入手,为装备保障智能化发展需求、关键技术、发展建议等梳理奠定技术基础。

 

1.1围绕作战需求发展装备保障

现代化战争作战样式的变革带来作战资源消耗规模和速度急剧增加,装备保障需求日新月异,逐渐发展成为与作战能力同等重要的关键能力,但不同的作战样式和需求也带来相应装备保障需求的差异。
(1) 慢节奏、低强度作战可采用事后维修方式。

朝鲜战争至越南战争期间,由于机载武器、雷达探测以及地面防空等能力有限,空战形态主要表现为垂直攻击、一击脱离制胜等战术,追求速度和高度。这个时期的战争节奏相对较慢、空战规模和强度相对较低,对大规模、高频次出动需求不强烈,装备保障主要是伴随保障,对飞机进行事后维修或无针对性的定时维修[9]。

(2) 大规模、持续出动作战需采用预防性维修方式。

海湾战争至伊拉克战争期间,美军提出的“空地一体战”和前苏联提出的“大纵深作战”等作战样式普遍要求大规模、持续出动和多机种联合作战,一般在本土、航母和海外基地、战区周边盟国基地等进行三线部署,调集大量作战飞机,对敌方形成立体包围[10]。海湾战争多国部队共出动战斗机11.6万架次;科索沃战争北约总共出动战斗机30000多架次。伊拉克战争联军飞机共出动41780架次[11]。面对大规模持续出动的作战需求,要求战斗机战备完好性高,这一时期的装备保障主要是在研制过程中注重保障性设计并同步考虑保障系统建设的综合保障理念,尽可能保持战斗机处于高完好状态。

(3) 高强度、高机动部署必须实现基于状态的维修。

进入21世纪以来,隐身战斗机的作战样式牵引装备向主动保障方向发展。以2014年F-22首次投入实战空袭叙利亚北部的“伊斯兰国”地面阵地为代表[12],隐身战斗机同时具备夺取制空权的能力,可通过为数不多的飞机执行威慑、驱离、监视等任务完成隐身制空作战,高战备完好、跨区域部署、远程奔袭、高强度作战是其战术特点。2018年,美军第94战斗机中队在6个月中东部署期间,完成超过590架次飞行任务,平均每架次飞行约7.8h,爆发出每天3架次的战斗高强度出动[13]。以F-22为核心创造的“快速猛禽”战术[14],4架F-22搭配1架C-17可随时部署到陌生的野战机场,24 h内具备作战能力,以应对日趋完善的“远程侦察-精确打击”体系对固定基地部署的威胁[15]。不难看出,当前时期作战样式的保障需求为通过较低的保障规模使飞机具备高的出动架次率和可用度以及强大的机动能力。因此,当前的装备保障主要是借助信息技术将基于状态的维修和整个信息链系统结合,达到保障信息一体化并进一步强化战斗机故障诊断、寿命预测与健康管理能力。从历次局部战争的作战特点可以看出,装备保障需求源于作战需求牵引,装备保障的形态必须适应作战样式特点并随着作战样式的变革而发生变化。

 

1.2适应平台特点研制装备保障

装备保障作为“使能”技术,其作用是使装备能用、管用、好用、耐用。专业属性决定了保障必须与装备共同存在,与装备发展特点相适应才能发挥其作用。但总体上来说,随着装备的发展,装备保障效能在不断提升[16]。
装备保障水平与装备技术特征相匹配,装备系统才能发挥最佳作战效能。机械化装备需要机械化保障方式,受装备自身所具有的机械化特点限制也不能支持信息化保障。只有当装备的信息化水平发展到一定的程度时,装备保障的信息化才能应运而生。
二代机由于不具备较强的机内自测试和飞行参数记录能力便不能实现快速故障检测和状态判读;三代机因为不具备预测与健康管理能力便不能支持基于状态的维修和主动保障。
然而,与装备平台的发展模式一样,装备保障发展并非是所有技术全面跃升或替代关系,新的装备保障理念仍然是在传统保障理念基础上提出的,甚至是某种包含关系。综合保障提出的保障设备、保障设施、技术资料、供应保障、人力人员、训练与训练保障、包装/装卸/储存/运输、计算机资源保障等八大资源的关键是随机设备、随机工具、随机资料、随机备件等“四随”。信息化保障的核心仍然是八大资源,只是根据装备特点和技术进步发展了综合维修信息系统、便携式维修辅助设备、交互式电子技术手册、综合培训系统。自主保障的实质依然凸显信息化,但在技术状态管理和维修管理信息化基础上增强了机内故障诊断、故障预测等能力,实现了系统知识、关键使用、维修和保障数据收集与利用的自动化。
但某些技术也可以迁移到其他装备上,并带来显著效果。将装备保障配套的“四随”完善成八大资源,装备保障方式将从保装备“可靠”为主调整到确保装备“可飞”,装备保障能力将大幅提升。若将装备产生的大量飞参数据利用起来固化成故障诊断模型、形成健康管理模式,装备的快速诊断能力将显著增强,有利于提高装备出动能力。
总之,不同的装备依靠先进技术实现作战能力的跃升,同样地,装备保障也应适应装备特点,为保障能力的跨越提升提供支撑,共同推动装备综合作战效能的跨代发展。

 

1.3装备设计赋予固有保障能力

随着作战样式的不断变革以及装备复杂程度的不断提升,装备不仅要具备并能长期保持规定的执行任务能力,而且要在使用过程中好保障、故障少、寿命长,故障发生后检测准、隔离快且易于维修。为满足作战使用要求,装备设计不仅要赋予优良的战术技术性能,还必须赋予装备优良的保障特性。
保障能力是装备固有的重要设计特性之一。保障能力由装备自身的使用和维修保障特性以及建立的保障系统共同决定,是设计出来的、生产出来的、管理出来的、使用过程保证出来的。其中最为关键的是设计,要把保障能力与装备的其他能力一样进行设计,注重将保障特性要求转化成装备软硬件设计中易于实现的具体设计要求并提供一套可直接实现的保障性设计准则供产品设计权衡和验证。只有把装备系统的保障能力通过设计固化到装备保障特性和保障系统中,才谈得上生产过程和使用过程的保证。如果在设计阶段不同步研制保障特性,待到生产阶段之后发现问题再考虑,不仅影响装备投入使用后战斗力的尽快形成,同时势必需要花费更多的时间和代价,甚至有的问题根本无法解决,带来“先天不足,后患无穷”的局面。

其他型号历经的教训可以指引正确的设计方向。第一款隐身战斗机F-117在设计中以隐身性能为中心,致使刚投入使用时,每飞行小时的维修工时高达150~200工时,每架飞机平均每4天出动1次,能执行任务率不足50%。随后历时8年对隐身材料的喷涂工艺、航空电子设备的维修口盖等进行改进,F-117A每飞行小时的维修工时下降到45工时,在“沙漠风暴”行动中能执行任务率达到75.5%[17]。

型号研制成功的不二法则亦是在装备设计过程中综合考虑各种保障问题。美国F-22研制过程中开展了严格的保障特性设计,极大提高了航电系统的可靠性;重视可达性设计,不需要梯架就可以触摸到机上主要系统部件,发动机的全部外场可更换单元均在发动机下半部分单层安装;加强测试性与综合诊断设计,使飞机具有很强的故障检测和诊断能力;同时采用机载制氧、机载制氮、辅助动力等自保障设计,减少飞机对地面保障设备的依赖,极大改善飞机的部署机动性。

 

1.4诊断测试是装备保障的核心要素

战斗机具有出动强度大、机动能力强、可用度和任务成功性高等特殊的作战使用特点,故障的及时发现、快速排除对精确维修和敏捷保障尤为重要。
诊断测试是发现故障并触发保障的源头,是装备保障的核心要素。强大的机上测试诊断能力,可以快速检测、精确诊断故障,减少装备的地面停机时间,降低地面测试设备规模,提升装备的机动部署能力和平时战备完好性;简洁高效的诊断测试流程可确保战时工时的出动能力高[18]。
随着装备的发展建设,装备诊断测试和保障取得了显著成效,但仍面临着维修时间长、机动能力差、保障费用高等挑战。这些挑战均与装备的诊断测试能力不足存在些许关系。装备维修时间长,主要是装备的故障检测隔离水平不高,需要通过定期检查预防严重故障对安全或任务的影响,发生故障后需要人工分析或串件定位和隔离,故障件返厂维修故障不能复现率高甚至无故障返厂导致备件短缺,使得装备有相当长的时间处于定检或待修状态。机动能力差,主要是装备保障性设计水平和保障设备“三化”程度低造成的,但机内测试能力不足使装备在机动部署时需要携带大量的地面测试设备和备件以备不时之需,也是造成机动能力差的重要原因之一。

总的说来,诊断测试是装备保障发展的重要环节[19],应与装备保障建设同步规划诊断测试体系,装备诊断测试与保障同步发展的过程如图1所示,美国F-35和国内某新机均不同程度地综合考虑了机内诊断测试系统和部队级、基地级的测试资源并在此基础上扩展研制预测与健康管理系统,以增强诊断测试和故障预测能力,满足装备保障对诊断测试能力的实际需求。

图1装备诊断测试与保障同步发展

 

 

1.5新技术驱动保障能力提升

新技术一直是推动作战样式和武器装备不断发展的基础,同样也是保障能力不断提升的驱动力。
在可靠性工程出现前,主要靠传统的工程设计和质量控制方法来获得装备保障特性。对于故障的认识也仅限于装备使用中会有损耗,损耗能引起故障,故障必然影响飞行安全,飞机的安全可靠与使用时间直接相关,进而采取了针对性较差的定时维修。
随着可靠性、维修性和测试性设计技术相继发展,认识到装备的可靠性安全性和拆修间隔的控制并无必然的直接联系,进而形成了以可靠性为中心的维修思想。更重要的是已经认识到装备是否易于保障与装备的设计密切相关,需要从装备平台研制开始,考虑保障要求,进行保障性设计,规划保障方案,研究保障系统等,综合保障工程在这个阶段得到发展。
随着测试、信息与网络技术的飞速发展,以及先进试验方法和数字化设计技术在工程上充分应用,通过评估机内测试、状态监控或测试设备获得的系统运行状态信息并给出维修需求的能力迅速得到发展,使保障能力得到显著提升,基于状态的维修应运而生。以此为基础引入新技术实现实时或近实时的状态评估而采取维修行动,发展出了增强型基于状态的维修,使装备可靠性提高翻倍、维修工时减半,使用和保障费用降低。
应该说,每一次航空装备的改装与换代,都推动着装备保障的进步,而新技术的不断创新发展,也为装备保障的进步提供了可能。

 

1.6基于关键要素驱动的装备保障发展历程

基于以上1.1~1.5节对驱动装备保障发展的关键要素分析,不难理解装备保障60余载发展历程的诸多原因和显著成果,装备保障发展历程如表1所示,需求和技术共同驱动着装备保障的发展,装备平台是技术发展的承载,诊断测试技术是不同维修思想和保障理念的支撑,未来装备保障将在经历机械化、信息化发展后逐渐迈向智能化。
表1基于关键要素驱动的装备保障发展历程

 

 

2  适应未来作战模式的保障需求与技术

 

从装备保障发展可以看出,作战模式产生的保障需求以及作战平台特点决定的保障特点是装备保障发展的重要影响因素。通过对未来作战模式和未来作战平台保障需求的前瞻性判断,可分析适应未来装备保障需求的保障技术。

 

2.1未来作战模式的保障需求

近年来,对于未来作战模式的研究相继提出分布式作战、多域战、马赛克战、穿透性制空(PCA)等新概念,不同作战概念想定如图2所示。

图2未来作战概念示意图

分布式作战概念[20],强调对战场分布式信息和作战平台火力进行集成综合,对各作战单元在一体规划下分布式使用;多域战概念[21],最大限度利用陆、海、空、天、电磁等领域的联合作战能力,以实现跨域协同、同步跨域火力和全域机动;马赛克战概念[22],旨在根据现有的可用资源进行快速、灵活的组合,根据战时需要快速反应以适应动态变化的敌方威胁;穿透性制空概念[23],利用高隐身的飞行平台,深入敌方由陆基导弹和飞机构成的防空系统保护区域内作战,并为防区外作战平台提供信息支援。
不同的作战概念,对装备保障提出了新的需求。分布式作战通过协同、自主等方式执行作战任务,要求实时感知装备和保障资源状态,强调资源网络化调度的灵活性和自适应性,供应链不再是简单的线性活动;多域战和马赛克战,都属于“决策中心战”范畴,面对目标多变、任务多样的作战特点,决策成为取胜的关键,同样也要求维修保障决策聚焦作战任务,有针对性地提高装备任务执行能力,以体系作战效能为出发点进行维修决策并规划保障任务;穿透性制空,核心节点的决策和指挥能力发挥至关重要的作用,面向制空作战体系的保障效能也高度依赖维修保障决策和资源调度水平。
归纳起来,未来作战模式制胜领域超越传统的物质域和信息域,依靠决策优势占据作战优势,认知域成为制胜领域。面对未来智能化战争,传统依靠人工决策为中心的保障难以满足要求,在保障的感知、决策、调度、执行等环节都需要人工智能和自主系统发挥支撑作用,形成可感知、自主决策并执行的智能化装备保障。

 

2.2未来作战平台的保障需求

未来作战平台,以美军正在研制的穿透性制空核心节点战斗机为对象,新的能力要求带来了新的设计特点,如远航久航能力要求带来超大油箱设计、高杀伤力和极低隐身能力要求带来超大尺寸内埋弹舱设计,为飞行员提供决策支持的能力要求带来智能空战系统设计。未来作战平台的这些设计特点对测试保障提出了以下新需求。

(1) 快速战损评估能力。

未来穿透性制空战斗机作为核心节点,生存能力强并携带大量传感器和武器,对于制空作战体系而言不可或缺,同时,执行任务的距离远,单次任务飞行时间长,因此穿透性制空战斗机执行单次任务的成功性要求高。
提高任务成功性一方面是提高平台的固有可靠性水平,另一方面从任务可靠度的角度需提高平台带故障或降级使用的能力,需要以平台的快速战损评估能力为前提。一旦遭遇攻击或发生故障,应能在自身健康状态评估基础上立即评估装备剩余作战能力并根据战场态势实时调整作战规划,使装备能在有限条件下,在作战体系中充当正确战斗角色,实现剩余作战能力的发挥。
(2) 精准迅速的维修决策能力。
穿透性制空战斗机面临未来空战作战进程空前加快,要求平台具备智能空战决策支持能力。同样,使装备尽可能保持作战体系所需的作战能力、快速形成战斗力也尤为关键,这就要求精确迅速的维修决策能力,既要能根据作战体系需要,精准制定维修任务,还要能迅速做出维修决策。
(3) 弹性敏捷的保障能力。
美国由传统基地作战转变为从任意机场跳跃式作战,可随时从任何方向发起进攻。保障系统以“快”制“快”,涉及快速作战资源调动与集结、快速作战任务规划与下达、快速作战飞机起飞准备等方面。同时,穿透性制空带来作战资源消耗巨量化,单位时间内武器、弹药、装备等作战资源的消耗量将以裂变的方式增加,对装备供应保障的时效性提出了更高的要求,供应保障开始上升为影响战争胜负的关键。

 

2.3未来作战与装备的保障技术发展需求

面向未来作战模式和未来作战平台,装备保障智能化需求愈发强烈。未来装备保障应该具备“聚焦战场态势,评估作战需求,智能维修预测,自动保障响应,行动精确高效,动态供应规划”等特征。要实现未来装备保障的能力特征,需要发展新的保障技术予以支撑。
(1) 精确健康诊断。
未来装备保障应能使装备通过自我“学习”具备对已检测过的、未见过的事件或原始数据进行精准故障预报检测处理能力,准确诊断自身健康状态,并针对故障预报结果给出合理的维修建议。
(2) 自我能力评估。
未来装备保障应能使装备在自身健康状态诊断基础上,进行作战能力自我评估,与作战体系各成员间相互协调,完成作战规划实时调整,继续遂行作战任务。
(3) 智能维修决策。
未来装备保障应能使装备在自身健康状态诊断基础上,基于数据驱动感知战场态势,结合作战能力自我评估,智能决策使用维修模式和维修需求的能力,并利用机群大数据分析和飞行员语音理解实时与地面维修保障之间共享数据,自主确定装备使用、维修保障策略和方式,提前准备保障。
(4) 自动维修管理。
未来装备保障应能根据装备智能决策的使用维修模式和维修需求,自动进行维修计划安排、保障资源调度,减少维修管理人员的主观意识参与。
(5) 分布式维修部署。
为适应未来作战需要,未来装备保障需要采用分布式维修保障体系,就近、快速维持作战能力的维修思想,将维修保障力量分布部署,采用“就近维修”的模式,确保装备快速出动执行任务。
(6) 保障自主实施。
保障及时响应、迅速实施维修是提高装备出动能力的主要途径之一,未来装备保障,应能根据装备维修需要,智能、主动响应保障,尽可能实施自动维修,减少维修人员的参与。
(7) 基于物联网的供应保障。

未来装备保障与作战体系、维修保障相关的航材、油料、武器弹药等供应物资,应能根据战场态势和装备维修保障需求,自动生成保障资源需求计划,自动进行供应规划和运输调度,并解决需求、库存、调度、生产、运输起点/目的地/路径等所有参数之间的冲突。

3  装备保障智能化技术应用分析

随着新一代人工智能技术的迅猛发展,对装备保障领域产生了重要的影响,在感知方式上,智能化的传感器可以自适应地感知装备和资源状态信息,并通过云网络实时共享,保障信息获取的信息量更丰富、实时性更高;在故障诊断和健康管理方面,大数据分析可以充分挖掘历史故障信息获取关联规则,诊断和预测准确性大幅提高;在维修方式上,以恢复作战能力为出发点进行维修决策,开展预测性维修;在保障任务执行方面,智能保障设备自主接收保障指令并无人化完成保障任务。为此,美国在装备保障领域开始广泛应用智能化技术,并在部分环节发挥了重要作用,为国内开展装备保障智能化技术应用提供了借鉴和启发。

 

3.1美国在装备保障智能化方面的主要做法

美国应用人工智能技术在智能故障诊断与预测性维修、自主化使用保障、智能机器人维修检测以及人机混合与增强现实的空地勤训练等方面发展形成了装备保障智能化雏形,初步显现了智能化保障的技术优势。
(1) 智能故障诊断与预测性维修。
2017年,美国国防部国防创新试验小组与工业部门合作,率先在F-16战斗机及E-3“哨兵”预警机上集成人工智能驱动的软件,收集执行任务期间及执行任务之后的相关维修信息,保存在基于云的统一数据库镜像中,利用人工智能等技术对所有可用信息进行分析以预测飞机设备在何时可能出现故障或需要更换等潜在维护需求[24]。在2019年初完成的深度学习项目中,美国空军创新中心人员研究了E-3机队近10年的保障数据和近5年的维修报告,最终将29%的偶发非计划维修转变为可控的计划性维修,同时揭示了“极有可能过度保养”的48个部位更换过于频繁[25]。目前,项目团队正致力于将该研究成果扩展到F-16战斗机和C-5运输机上,计划在2020年将使用预测性维护技术的飞机数量增加2倍。
(2) 自主化使用保障。
美国空军研究实验室与Stratom有限公司合作共同研发飞机地面自动加油系统(AAGR)并成功在F-35战斗机加油面板模型上进行了多次机器人加油演示[26],旨在替换现有的人工加油方式,减少发动机不停车进行热加油时飞机附近的地勤数量,提高加油作业的安全性与效率,以满足智能作战的目标;美国和俄罗斯在先进挂弹装置研制上成果较为显著,能够做到自主识别、高效挂弹、快速挂弹、自动挂弹,美国“福特”级航母采用自动挂弹机器人为舰载机挂弹[27],提高了弹药搬运和挂载速度,使得原每架次需要7~8人的弹药搬运和挂载工作简化至1~3人,为“一站式保障”腾出更多作业空间,便于加油、挂弹、维修等工作同时进行。美军地面自动加油系统及自动挂弹机器人演示如图3所示。

图3 地面自动加油系统及自动挂弹机器人

(3)智能机器人维修检测。
以灵巧机械臂为代表的工业机器人因其结构轻巧、操作灵活和定位精度高已应用在战斗机狭窄空间或封闭区域内执行维修检测任务。2017年2月,美国空军研究实验室在A-10攻击机上演示了一种基于蛇形机械臂机器人的远程进入无损检测(RANDE)系统[28],具备在不拆卸飞机机体、仅通过一个直径7.62 cm的检查孔就能进行“微创”无损检测的能力,节省了29 h飞机检测时间,更减小了因检测拆卸而引发的机体损坏的可能性,大幅降低检测成本,美军利用蛇形机械臂机器人开展无损检测的演示如图4所示。美国空军“使用小型无人机系统对大型飞机外部进行维修检查”,使得维修检查时间由45min~1 h缩短至几分钟。

图4 蛇形机械臂机器人开展无损检测

(4) 人机混合与增强现实的空地勤训练。在美国空军教育与训练司令部的飞行员未来训练(PTN)项目中,依靠虚拟现实/增强现实、生物识别、人工智能和大数据分析等新技术训练飞行员[29]。其中,借助先进的数据分析和相关的智能算法对实时训练数据进行分析,为持续改进训练过程、优化训练大纲提供了直接和客观的支撑;飞行学员生物特征识别并经智能分析,可针对不同学员量身定制更有效的训练;由于头戴式显示技术和虚拟现实技术的进步,项目使用的模拟器已经小型化、便携式和可机动部署,大部分内容放在云端,本地占用空间小,给学员提供了不受场地限制的便利;同时广泛地使用真实、虚拟和构造(LVC)技术来帮助开展体系化对抗训练,替代部分实装训练,采用混合现实训练飞行员的场景,如图5所示。总的来说,使用新技术缩短了训练周期、降低了训练成本、提升了训练效果[30]。

图5 混合现实训练

 

3.2对国内装备保障智能化发展的借鉴意义

美国在装备保障领域已广泛应用人工智能技术,探索了一条装备保障智能化发展路线,对国内装备保障发展具有一定的借鉴意义。
①各国军方尤其是美军,普遍已认识到智能技术将对作战样式、武器装备及其维修保障带来积极影响,并成体系颁布了战略与规划文件,确保其在军事领域应用取得决定性优势。中国在智能制造领域具备较好的发展基础,但需加强基础研究,注重在军事领域的应用推进。
②智能技术应用的核心举措之一是解决军方关键任务和问题,特别强调要利用智能技术提高操作设备的安全性、实施预测性维修和补给等,以便更好地预测飞机维修保障需求。
③ 当前战斗机维修保障领域仅在具体的某几类单项技术方向应用智能技术,可有效缩短保障时间、提升保障质量,但体系发展不足,需加快研究形成统一认可的智能保障体系内涵概念和能力标准,牵引保障技术智能化建设发展。

 

3.3国内装备保障智能化发展的技术应用点分析

结合未来作战样式和作战平台的保障需求及保障技术,分析国内开展装备保障智能化的技术应用点,从以下7个方面入手逐步建立国内装备保障智能化发展路线。
(1) 基于云计算的分布式自主保障技术。
未来空战趋势更加注重分布式保障,通过云网络来共享保障信息和诊断数据,可以极大提升航空装备保障效率。研究基于云计算的分布式自主保障技术,突破以云为中心的综合保障信息系统体系结构、基于云服务的智能诊断、信息共享与分析等技术,解决航空装备保障资源与数据的互联、互通与共享问题,建立基于云服务的分布式智能保障信息平台,达到高效、精确、快速保障的目标。
(2) 智能健康管理与作战能力评估技术。
智能健康管理与作战能力评估技术是基于按需式的维护模式,重点在于利用作战体系以及机群的大数据分析预测装备性能衰退并进一步实现作战能力评估,进而为维持作战能力进行按需式维修的技术开发与应用。亟需解决对象系统复杂、故障先验知识缺乏、海量飞行数据尚未充分挖掘利用、多工况条件下的故障预测、故障/异常数据缺失条件下的预测评估等问题[31]。
(3) 智能人-机协同维修决策技术。
智能人-机协同维修决策技术在传统的维修决策基础上,运用大数据分析、深度学习、语音识别等人工智能手段,将传统决策考虑的装备自身的可靠性、维修性、保障性水平拓展到综合考虑装备飞行员通话、自身健康状态、剩余能力评估以及作战体系能力需求,进而由装备给出维修决策建议或作战规划调整建议。
(4) 精确维修控制与管理技术。
基于对数据的分析,通过基于数据驱动的智能决策构建方法以及基于人工智能的最优化调度方案设计等研究,构建数据驱动管理、决策和调度系统,智能进行维修任务下达以及保障资源调度,减少维修人员的决策、调度时间。
(5) 智能检测与机器辅助维修技术。
全机损伤快速检查,利用三维扫描仪进行机体损伤检查,形成损伤报告及维修建议,显著减少无损检查所需的时间。
部署增材制造能力,对因腐蚀、磨损或机械损伤而丢失的关键外形特征的零部件进行部队级快速修复,提高修复效率。
(6) 智能供应规划与调度技术。
基于大数据和物联网,构建装备保障体系智能化备件供应链系统。对各个维修保障层级的备件使用进行跟踪与定位,基于 RFID 技术实现全自动备件库。利用机器学习方法,采用备件需求预测模型对备件的采购数量与周期进行预测,自动生成备件需求与供应清单。应用基于离散事件的综合保障仿真方法,评估备件供应链的效能。
(7) 基于增强现实的维修辅助技术。

开展飞机增强现实智能维护技术研究,突破基于增强现实的飞机维修诱导建模、特征识别与信息可视化、人机交互方法及智能维护决策方法等关键技术,构建飞机增强现实智能维护引导系统,为飞机安全、高效的检测维护,以及可靠、经济的维修决策提供有效支持。

4  装备保障智能化发展建议

未来作战模式需要智能化装备,相应的智能化保障是未来保障必然趋势。装备保障智能化发展需要注重在现役装备保障困局中开拓新局面基础上,加强人工智能技术应用转化并建立体系规范,同时应注重基础研究与工程应用的协同推进、信息化与智能化保障的综合权衡。

 

4.1需要注重在现役装备保障困局中开拓新局面

随着可靠性、维修性、测试性、保障性、预测与健康管理以及综合保障技术的发展与应用,装备保障能力建设取得了一系列成果,对提升装备作战能力尤其是战斗机出动速度与架次、保持战斗机战备完好性、降低战斗机保障规模发挥了重要作用。但当前装备的保障力量总体上仍以数量规模型为主,保障模式仍以传统的自我保障为主,保障手段仍以机械化兼顾部分信息化为主,导致装备保障面临着维修时间长、机动能力差、维修费用高等相对棘手且难以解决的问题。新一代人工智能技术的出现,为装备维修保障设计人员提供了新的可用技术,应全力发展智能化保障理论和技术,以寻求装备保障模式转型的突破口。
诚然,新一代人工智能技术有望成为第四次工业革命的核心推动技术,正孕育着装备维修保障领域深入变革发展的新契机,在提升状态感知与决策、提升装备安全性、实施基于状态的维修与精确供应等方面有着广阔的发展前景。这并不意味着人工智能无所不能,其在很多领域还是比较稚嫩的。在装备保障智能化发展过程中,需正确看待其与传统维修保障技术间的应用关系,将人工智能作为处理装备维修保障问题的技术工具和方法,注重智能技术潜能的发挥以及与相关保障技术的整合,在不同的保障方向不同程度地应用智能化技术,牵引装备保障建设方向,支撑装备维修保障集成AI技术的工程实现,加速装备保障技术智能化。

 

4.2加快推动人工智能技术应用与转化

装备保障智能化运行的关键作用之一是实现增强型基于状态的维修(CBM+,即预测性维修),准确地判断装备的实际状态、预测可能发生的故障是至关重要的前提条件。传统基于模型分析装备状态的方法对模型的准确性和完整性要求较高,同时在多过程、多故障、突发性以及复杂系统故障预测方面具有局限性。人工智能技术在自主性、信息处理等方面拥有强大的生命力。智能算法可以利用维修手册、维修经验案例等数据资源建立专家系统,克服基于模型的诊断预测方法对模型的过度依赖,能够提高诊断的准确性。
因此,装备保障智能化发展建议加快人工智能技术在故障诊断与预测、维修决策方面的应用与转化,使健康管理系统外在表现更智能化,提升预测与健康管理精度与广度,提供健康状态结果支持任务与维修决策;使健康管理系统自身智能化,自主利用应用过程中不断积累的海量数据进行深度学习,循序渐进地增强预测与健康管理能力,进一步推动基于状态的维修,加大力度为装备保障智能化提供技术支撑。

 

4.3牵引建立智能保障体系及规范

装备保障智能化发展形成的智能保障体系,是在自主保障体系基础上发展而来的新型保障理念,除了应具备自主保障体系的“实时监控状态、提前触发保障、智能放飞决策、精确故障隔离、基于状态维修、机体个性翻修”等技术特征外,目前并没有形成认知统一、理念一致的体系技术内涵和规范,仅在某些局部进行了人工智能技术的单点应用,应用散、路线不明,不利于装备保障智能化发展与建设。

因此,装备保障智能化发展建议首要建立智能保障标准规范,牵引体系建设方向,助推关键技术攻关,以抢占在该技术领域的规则制定先机、扫清技术发展障碍、最大程度地降低技术风险,一举实现装备保障领域的技术跨越。

 

4.4协同推进基础研究与工程应用

装备保障智能化发展依赖于人工智能技术相关基础研究的突破,既需要基础研究领域专家共同努力、联合攻关,又需要工程应用上的正确理解、深刻认识与复合创新,在工程实践中探索基础技术应用方法。
因此,装备保障智能化发展建议新一代人工智能技术基础研究先行、工程应用独行。随国家重点规模化发展智能产品,进一步夯实智能算法、定位导航、图像识别、语音识别等基础技术,突破神经网络芯片、智能传感器、开源开放平台等核心关键技术。在基础技术向应用转化过程中,应注重工程实际与基础研究的应用辩证关系,以工程需求牵引基础技术,重点在于解决工程实际问题,而不是为了技术应用而在工程中努力寻找着力点或将基础技术全盘照搬到工程中。

 

4.5综合权衡信息与智能保障建设

未来作战模式和作战平台的发展趋势是协同化、智能化,但并不会改变装备的基本属性,即其是机械、机电、电子等产品以及软件组成的复杂系统。对于保持和恢复装备固有能力的保障体系来讲,智能化保障也只是装备维修保障发展的方向和应用的重点,机械化、信息化也是装备维修保障不可或缺的组成部分。
因此,装备保障智能化发展建议综合权衡信息与智能保障建设,重点在预测与健康管理、基于任务的维修决策、自主响应、动态调度、使用保障与维修执行等方面提升装备战备完好性、出动能力和降低维修保障规模方面的智能化发展,注重在维修管理、供应管理、工程支持等方面加强信息化建设,同时处理好传统维修保障的机械化建设水平,确保智能保障体系在智能化、信息化、机械化等方面实现一体化协同发展。

 

5  结束语

围绕日趋白热化的新一代人工智能技术发展与应用,各国军方与武器装备研制单位均不同程度地认识到其对作战和保障能力提升的重大意义。未来空中作战模式和作战平台正在悄然改变,作战样式呈现出体系化、协同化、分布式、智能化等发展趋势,多域战、马赛克战等作战新概念层出不穷,作战平台不再追求集多功能于一体等发展特点,穿透性制空、忠诚僚机等作战平台纷纷亮相,牵引着战斗机保障理念朝着聚焦任务维修、自主智能保障方向不断演变,对引入人工智能技术建立与作战模式和作战平台相适应的智能化装备保障的需求日益迫切。

当前,人工智能技术与设备已逐渐渗透并应用到预测维修、武器挂装、无损检测、飞行员培训等保障领域,改变了传统保障方法和手段,智能化装备保障已经具备一定技术基础。但为进一步增强装备保障效能、提升整个作战体系任务成功性,需要注重在自主保障体系基础上成体系规划智能保障,规范其技术内涵和能力特征、梳理运行模式、明确关键技术,为智能装备保障深化研究指明技术方向。

随着未来作战模式日渐清晰,未来作战平台逐步收敛,装备保障领域需进一步加大新一代人工智能技术的研究与应用,突破关键技术,形成原型系统与原理样机并开展演示验证,以期尽早与智能化装备同步实现智能化保障。

 

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