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苗学问 等 | 航空装备智能保障系统论证研究

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苗学问1, 胡杨1, 钱征文1, 路涛2

1.中国人民解放军第93184部队,北京100076 2.中国人民解放军第93131部队,北京100038

 

摘要:为适应未来智能化战争形态演变的大趋势,以及大规模持久作战保障和高机动敏捷保障的现实需求,支撑新一代航空装备发展,破解目前装备保障规模大、战备完好率低、出动准备时间长等瓶颈问题,急需将智能技术与装备保障有机结合起来,发展和构建新一代航空装备智能保障系统。剖析了高端对抗条件下航空装备保障现状、问题和需求,提出智能保障系统的概念、目标图像,并从态势感知、行动决策、作业执行、评估验证4个方面论证了发展智能保障系统的关键技术。

关键词:航空装备智能保障系统;保障系统需求;智能保障系统框架;智能保障关键技术

中图分类号:TP206文献标识码:A文章编号:1000-8829202012-0022-06

doi10.19708/j.ckjs.2020.12.004

 

现代战争空中作战力量运用的复杂性和任务环境的不确定性大幅提高,对装备保障能力提出了更高要求,保障力与杀伤力、生存力共同构成了战斗力,成为了空军装备发展建设的核心能力。近年来,在快速保障、机动保障、持续保障等实战需求牵引下,航空装备保障体系建设快速发展,健康管理、自主保障信息系统等保障新技术逐步得到应用,保障系统在保障规划、资源调配和管理方面,初步实现了信息化保障,但仍难以适应大规模持久作战保障和高机动敏捷保障的需求[1-5]。

随着大数据、物联网、边缘计算、人工智能等新理论新技术的驱动,智能增强时代正在拉开序幕,以深度学习、自主操控、虚拟/增强现实等为代表的智能技术正在引领诸多领域产生颠覆性变革,也为新一代航空装备保障系统赋能进化奠定了基础[6-10]。

本文剖析了航空装备保障能力建设需求,梳理了高端对抗条件下保障能力问题,寻求智能化技术与现有保障系统的结合点,研究并提出航空装备智能保障系统总体架构和构建智能保障系统的关键技术,为规划设计新一代航空装备保障体系建设路径提供支撑。

 

1航空装备保障能力需求

1.1现代空战作战任务特点

现代空战已发生革命性变革,其主要特点为:① 复杂、大规模、持久作战对抗行动,特别是进攻作战行动,军用飞机运用具有全时性、全球性、全域性特征;② 快速灵活应对国家利益攸关区的突发事件,特别是随时投入战斗的能力需求,作战行动具有显著的实战性、灵活性、敏捷性特征。上述特点要求空中力量提供全方位、灵活、机动的作战能力,能够在强敌对抗中,“招之能战,战之必胜”[5-6,11-12]。

1.2军用飞机保障能力需求分析

我国当前正处于由大向强迈进的关键脆弱期,强敌通过发展具备自主、穿透、分布、全域等特征的新装备,打造未来“高端”战争形态。为此,我国空军装备保障体系建设应能适应高端战争威胁,满足保障敏捷性、持久性、适应性和通用性的需求,主要体现在以下几个方面[13-15]。

① 快速和机动部署能力。航空装备全时运用、快速响应的行动特点,必然要求装备快速保障部署能力,这也是战场生存能力的一种体现。同时,航空兵具有机动兵力规模大、机动范围广的特点,还必须通过强大的机动部署能力来弥补装备规模和数量的短板。快速部署要求能够快速部署与展开、快速任务转换和再出动。机动部署要求精简保障系统、压缩保障规模,便于空、海、陆等多种运输方式运输,实现适时、适量、适地的投送。

② 平时高战备完好能力。战备完好性直接影响可投入作战使用的装备规模,是遂行任务的前提条件。作为高价值主战装备,必须使保障资源与装备匹配,最大限度地发挥使用和维修保障的作用,保持装备平时的战备完好能力。提高平时战备完好能力,保障系统应能精准掌握飞机状态、根据任务需求和保障资源状态,智能生成保障方案、快速调度保障资源,最大限度地减少保障延误。

③ 高强度和持续出动能力。空中战场将是未来军事实力对抗的主战场,要求航空兵部队能够多波次出动飞机持续高强度作战。保障机构设置、维修作业和供应保障流程应简捷、高效,确保在战时能最大限度地发挥装备潜力,实现高强度持续出动。还应具备健壮的装备保障链条,建立合理的装备储备结构,包括前方仓库与后方仓库在地理位置、容量和装备储备数量,以及地理位置和交通运输因素,综合满足战时持续保障要求。

④ 复杂环境适应能力。我国幅员辽阔,地跨热带、温带和寒带;气候多样,既有潮湿的海洋性气候,也有干燥的沙漠气候;海拔落差大,既有海拔很低的平原,也有海拔超过4000 m的高原。未来主战装备首先必须具备全境部署、全境使用的能力,必要时还应具备在全球利益攸关区遂行军事行动,在陆海空天网等各维空间遂行作战的能力。

⑤ 综合训练能力。训练是保证装备安全运行以及快速形成、保持、提升战斗力的重要环节。未来战争任务多样、武器装备更新迅速,要求训练的内容更加宽泛、针对性更强、组合方式更加灵活、训练效果更加显见。应以作战需求牵引,覆盖全任务、全流程、全对象、全寿命的一体化训练系统来应对高强度持久作战。

1.3航空装备保障能力存在的主要问题

当前,我国航空装备的保障能力基本满足当前作战和训练的需要,但对于面临战略空军转型带来的作战任务特点改变和实战化训练要求,现有保障能力仍然面临较大挑战,突出表现为保障规模大、保障效率不高,装备完好率低和信息化智能化保障水平不高等。

① 在保障规模和保障效率方面,主是依托人员密集性保障模式,保障作业手段相对落后、保障人员多、保障设备繁杂,保障规模庞大、出动准备时间长、保障效率不高,我军保障规模约为美军同类型装备的3倍以上。

② 在战备完好性方面,质量缺陷、定检、缺少器材、大修等因素持续制约装备完好率提升,多型装备长年达不到预期的质量可靠性水平,主战机型全域完好率总体水平不高。

③ 在信息化方面,保障数据信息的获取与综合利用能力不高,保障信息分散,资源要素难以实时“可见”,保障态势感知不全面,保障辅助决策智能化水平低,难以快速生成灵活、精确的保障方案。

1.4航空装备保障系统发展方向

保障系统是指使用与维修装备所需的保障资源及其管理的有机组合,是一个由保障活动、保障资源和保障组织构成的相互联系的有机整体。保障系统与主装备共同构成装备系统,二者有机组合、协调匹配才能有效发挥作战效能。保障系统作为装备系统的重要组成部分,对能否以最低的费用最大程度地发挥装备效能起到决定性影响。随着网络信息、数据挖掘、智能协同等新技术的发展与应用,航空装备保障系统内涵已超出传统综合保障的范畴,逐步向机上与机下一体化、故障诊断与预测精确化、保障决策智能化的方向发展。为有效解决现有保障系统存在的问题,适应未来智能化战争形态演变的大趋势,满足大规模持久作战保障和高机动敏捷保障的现实需求,支撑新一代航空装备发展,航空装备保障系统需要向智能化方向迈进,逐步依托智能化实现“敏捷”保障目标[8,16-17]。

① 通过作战训练的数据积累,实现自学习的系统性能生长,不断提高装备保障能力。系统调度、决策调配的能力可以成长进阶,信息库和专家系统在大数据、云计算、边缘计算的技术支撑下可以实现自主升级,保障系统“与时俱进”,随着装备性能的更新换代而自主与之相匹配,提供最优的保障指挥方案。

② 充分实现装备的智能化,提高保障效率、增强连续作业能力,以适应飞机战时高强度运用和持续出动的作战需要。大量的地面保障装备和人员给部队机动带来很大的负担,制约了航空装备发挥其敏捷机动的能力,难以满足快速作战的需要,这极大地制约了飞机战斗力的发挥。发展智能保障系统可以释放大部分人力,快速稳定地完成简单机械、重复性高的工作,大幅提高保障效率。

③ 克服复杂恶劣环境等因素影响,提高保障任务的可靠性,以适应飞机全境部署、高强度使用的需求。采用智能保障系统进行智能决策,根据环境条件自主寻找多准则下的最优保障方案,合理配置保障资源并自主执行实施,受自然环境影响较小,保障效率和稳定性高。

 

2航空装备智能保障系统总体框架

航空装备智能保障系统是面向装备作战任务与平时训练场景,应用人工智能、大数据、物联网、增强现实等智能化技术,具备保障态势感知、智能保障决策、高效作业执行、智能监督控制等功能的保障系统,包括目标图像、功能架构和技术架构3个层面[18-22]。

2.1运行视图

以装备保障需求为牵引,应用先进人工智能技术赋能,实现“智能”“敏捷”的新一代航空装备保障系统。智能保障系统以机上PHM系统为触发源,以智能化的保障信息系统为管理核心和信息传递中枢,根据作战使用、维修和训练计划安排装备的使用、维修和训练保障活动,并生成、传递和共享相关信息,使装备、保障资源、自主训练协调互动,达到最优的保障效能。智能保障系统运行视图如图1所示。

2.2功能架构

对应于敏捷保障能力需求,智能保障系统应有以下主要功能。

① 保障态势感知。借助PHM系统、全资可视化、检测设备等手段,全面感知装备健康状态、作战任务需求、装备部署情况、保障资源状态和需求等信息,为智能保障决策提供输入,主要包括任务状态感知、装备状态感知、保障资源状态感知等能力。

 

1智能保障系统运行视图

② 智能保障决策。利用人工智能技术,使保障系统模仿人的智能,具有思维、学习、推理判断和自行或辅助解决保障问题的能力,包括作战任务保障方案自主生成和平时训练保障智能规划等能力。

③ 保障作业执行。综合运用无人操作机构智能控制、自动驾驶、物联网、AR/VR、云平台等先进技术,在使用和维修保障活动中高度实现无人化,由“智能机器”代替“人”进行自主作业,在训练和供应保障过程中全面实现信息化和智能化,主要包括快速使用保障、快速检测与维修、智能作业支持、自主供应保障、智能训练保障等能力。

④ 自动监督控制。在保障系统运行过程中能对各保障流程和环节进行实时监控,能主动发现问题并进行自主排查和优化,包括全资可视化监督、自动统计分析、智能评估优化等能力。

2.3技术架构

智能化保障系统采用分布式架构,开放灵活,即插即用,可集成应用人工智能、大数据、云计算等先进技术的业务功能。智能化保障系统自底向上,分为支撑层、数据层、智能实现层和应用层,如图2所示。

 

2智能化保障系统技术架构

  应用层:面向系统用户,实现态势感知、保障决策、作业支持、监督控制等功能。

② 智能实现层:应用深度学习、神经网络、云计算、大数据等先进技术,实现统计分析、数据挖掘、预测推演、决策支持、结果生成等功能。

③ 数据层:由数据库、模型库、知识库、范例库等组成,可通过集成接口与作战指挥系统、产品数据管理系统等相关系统进行数据交换。

④ 支撑层:由网络、计算资源、存储资源等硬件条件构成。综上,智能保障系统是对传统保障系统的智能化改造,通过人工智能技术的接入来全面提升保障能力。智能保障系统研究应突出需求牵引、问题导向和技术驱动,充分挖掘智能保障系统的总体需求,规划关键技术攻关研究。

 

3航空装备智能化保障系统关键技术

3.1智能保障系统关键技术需求

人工智能的技术内涵特点决定了感知、决策、行动、监督是其核心,对应于空军航空装备保障具体场景,保障态势感知、保障行动决策、保障作业执行是智能保障系统的3项核心技术,可提高新一代空军航空装备保障效能,支撑大规模持久作战和快速灵活作战[5,23-25]。此外,在装备研制过程中,需要有可靠的智能能力评估与验证技术,能够对研制的智能系统进行实时评估验证,实现智能保障系统的功能应始终瞄准需求方向,其智能水平能够在使用过程中得到渐进式提升。根据空军装备的保障需求,对保障态势感知、保障行动决策、保障作业执行和智能能力评估与验证4项智能化保障系统关键技术开展需求分析,详见表 1

1智能化保障系统关键技术需求分析

 

3.2智能保障态势感知关键技术

智能态势感知主要实现装备整体保障能力的提取,为整个保障流程提供信息输入。新一代航空装备保障数据种类繁多,关联关系复杂,涵盖飞机、发动机、弹药、吊舱、挂架、器材、设备工具、保障设施等资产实力数据,以及人员、部队、直属修理厂、主机厂所及配套供应商等保障组织数据,具有大体量、多维度、多源性的大数据特征,需从中提取出能够反映任务需求、装备状态、保障资源态势的关键信息,为保障行动决策与保障作业实施提供依据。主要技术包括:保障数据存储与管理技术、多源异构保障数据挖掘技术、智能测试诊断技术等[26-27]。

3.3智能保障行动决策关键技术

智能保障行动决策主要实现保障计划制定、资源调度和优化配置[8,24,28]。空军航空装备保障行动决策受作战需求、飞机状态、预防性维修计划、保障设备、人力、维修保障活动影响,是一个高度动态变化的决策问题,对其进行优化需要考虑多个因素在长时间内的变化情况,并根据变化实时给出满足长期任务目标的保障决策。主要技术包括:多智能体决策模型构建技术、智能保障层次化决策模型、层次化强化学习方法等。

3.4智能保障作业执行关键技术

航空装备智能保障作业主要是为使用保障、维修保障提供智能化手段支持,涉及智能挂弹、发动机安装辅助、隐身智能检测、狭小空间自主检查、交互式作业支持、库存智能管理供应等,从而提高作业的执行效率。主要技术包括:隐身智能检测技术、智能挂弹技术、狭小空间内部检测技术等[7,29]。

3.5航空装备智能保障系统能力评估与验证技术

智能保障系统在研制过程中需要持续进行功能验证确认以及智能水平的评估,为此需要研制智能保障演示验证系统、智能作业演示系统等对保障态势感知、智能保障决策、智能保障作业执行等相关关键技术进行原理演示和验证,集成航空装备保障智能态势感知和决策模型验证结果,并与形成的智能作业原理演示样机实现信息交互,对作业样机下达指令并收集反馈信息进行作业情况综合分析。最后构建智能保障仿真模型,开展仿真推演,验证智能保障系统的预期效益。主要技术包括:智能作业执行技术原理演示验证、航空装备智能保障系统能力评估方法、智能化保障系统保障效能仿真技术等[6,11,30]。

综上,在保障流程和保障资源引接智能技术,推动实现保障系统智能化,实现全面的保障态势感知、自主的保障行动决策、智能化的保障作业执行,有效解决现有保障系统数据利用率低、保障决策粗放、作业执行方式落后等痛点问题,大幅提升航空装备保障效能。4结束语保障能力始终是空军装备战斗力的核心组成部分,直接影响装备的作战能力,随着作战任务转变和装备技术复杂度的提升,装备保障系统构成也随之发生深刻转变。在人工智能技术正在引领诸多领域产生颠覆性变革的背景下,提出了智能保障系统的概念,分析了航空装备保障需求与人工智能技术特征的结合点,提出了智能化保障系统的总体架构和关键技术需求,可为新一代航空装备保障体系建设提供支持。后续将紧盯空中作战形态的演化,跟踪世界先进空军装备保障模式的变化和人工智能技术的发展,持续迭代智能化保障系统的能力需求与框架,提出智能保障系统的发展建设规划,确保智能保障系统的落地实施。可以预期,采用智能技术实现保障态势感知、保障辅助决策、保障作业执行等,推动航空装备保障模式和保障形态变革,可有效解决现有保障系统的保障规模大、效率低等顽疾,大幅提升航空装备保障效益。

 

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