面向?qū)椢淦飨到y(tǒng)全壽命管理的大數(shù)據(jù)模型?

李 玨盧 鶴

（1.海軍駐北京航天一院軍事代表室 北京 100076）（2.首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076）

1 引言

當(dāng)前世界新軍事革命迅猛發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)加速向信息化戰(zhàn)爭(zhēng)演變，一體化聯(lián)合作戰(zhàn)成為基本作戰(zhàn)形式。與之相適應(yīng)，我國也日益加快國防現(xiàn)代化進(jìn)程，武器裝備的系統(tǒng)提升成為我軍生成強(qiáng)大戰(zhàn)斗力的迫切需求。全壽命周期管理能夠有針對(duì)性地對(duì)武器裝備的各個(gè)階段實(shí)施管理，旨在通過系統(tǒng)科學(xué)的管理方法，更高效地利用現(xiàn)有資源，最大限度地提升武器裝備的質(zhì)量和可靠性[1]。

每項(xiàng)武器裝備從立項(xiàng)、生產(chǎn)直至退役會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)產(chǎn)生分散、涉及部門廣泛等難以利用并輔助裝備的優(yōu)化與決策。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展一方面帶來了極大地促進(jìn)了海量數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、分析能力，另一方面從思想上使得人們看重?cái)?shù)據(jù)和分析的益處[2]，這給裝備的全壽命周期管理提供了種新的技術(shù)支撐。

本文面向?qū)椢淦飨到y(tǒng)的全壽命管理需求，提出一種BDSMWSLM大數(shù)據(jù)模型（Big Data Service for Missile Weaponry System Life-cycle Manage?ment）。模型將針對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理的要求對(duì)各個(gè)階段不同來源的數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)，給出適應(yīng)全壽命周期的信息管理方案，并對(duì)數(shù)據(jù)加以分析挖掘，提供智能優(yōu)化和決策支持，以完善導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命周期的管理水平，輔助提升導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。

2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理特點(diǎn)分析

為有效輔助導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的全壽命管理，本文用大數(shù)據(jù)的方法為現(xiàn)有的管理難點(diǎn)提供解決方案。梳理其需求特點(diǎn)并分析現(xiàn)階段的管理狀況和存在的不足。

2.1 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理的定義和意義

武器裝備全壽命管理是指把武器裝備從立項(xiàng)論證到退役報(bào)廢的全壽命期作為整體進(jìn)行的管理。全壽命期包含了立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、工程研制、試驗(yàn)定型、生產(chǎn)、采購、調(diào)配保障、使用維護(hù)、退役報(bào)廢等各個(gè)階段[3]。管理的目的是使全壽命期內(nèi)各個(gè)階段的工作互相協(xié)調(diào)、彼此銜接，以確保武器裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，縮短形成初始作戰(zhàn)能力期限，提高綜合保障能力，降低全壽命費(fèi)用。

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是衡量國家軍事實(shí)力和綜合科技發(fā)展能力的重要指標(biāo)，在綜合的作戰(zhàn)體系里占有決定性的地位[4～5]。導(dǎo)彈具有作用特殊、構(gòu)成復(fù)雜、投資巨大、長(zhǎng)期貯存一次使用等的特點(diǎn)，使得全壽命周期管理尤為重要。

2.2 武器裝備應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的現(xiàn)狀

信息時(shí)代促成了大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展。大數(shù)據(jù)技術(shù)伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)在民用領(lǐng)域已經(jīng)為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)提供諸多裨益，在軍事領(lǐng)域給武器裝備的發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[6]。

美國最先啟動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略支持[7～8]。美國政府以《大數(shù)據(jù)研究與發(fā)展計(jì)劃倡議》為國家層面的計(jì)劃明確了大數(shù)據(jù)的重要意義，并促進(jìn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)的啟動(dòng)和研發(fā)。美軍更是深入挖掘大量歷史數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)分析效能，確保戰(zhàn)場(chǎng)信息主導(dǎo)權(quán)，實(shí)際應(yīng)用的軍事典型項(xiàng)目有：全球情報(bào)搜集和處理系統(tǒng)“洞察”、美空軍“大數(shù)據(jù)集處理利用與分析”、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)網(wǎng)電戰(zhàn)模擬“賽博空間”、美軍國防后勤局武器裝備“聯(lián)合數(shù)據(jù)架構(gòu)”等。

2.3 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理應(yīng)用大數(shù)據(jù)的難點(diǎn)

需統(tǒng)籌技術(shù)能力、研發(fā)時(shí)間、經(jīng)費(fèi)預(yù)算、保障維修等各個(gè)方面的約束條件，以覆蓋導(dǎo)彈武器系統(tǒng)從論證到退役的全壽命周期。隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的復(fù)雜性和規(guī)模的逐步擴(kuò)大，對(duì)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用提出以下挑戰(zhàn)。

1）數(shù)據(jù)的采集。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理的過程涉及大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有數(shù)量龐大、數(shù)據(jù)類型繁多、數(shù)據(jù)價(jià)值高但密度不等、數(shù)據(jù)持續(xù)產(chǎn)生的特點(diǎn)。且產(chǎn)生時(shí)間周期長(zhǎng)、來源多，數(shù)據(jù)可能產(chǎn)自科研機(jī)構(gòu)、演示試驗(yàn)、生產(chǎn)部門、使用部隊(duì)等，這些不同機(jī)構(gòu)間各司其職，難以形成有效的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，存在數(shù)據(jù)的交流壁壘，影響最終的數(shù)據(jù)利用率。

2）數(shù)據(jù)的分析。有效的數(shù)據(jù)分析在應(yīng)用層面可以規(guī)劃作戰(zhàn)效能和貢獻(xiàn)指示；在研產(chǎn)層面，有效的數(shù)據(jù)分析可作為論證研制重點(diǎn)和后期優(yōu)化反饋。從裝備個(gè)體與作戰(zhàn)體系的不同視角下，均可利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建導(dǎo)彈數(shù)字模型以提升武器裝備性能、可靠性。

3）數(shù)據(jù)的安全與管理。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)相關(guān)戰(zhàn)技指標(biāo)和服役后的部署訓(xùn)練都是國家和軍隊(duì)的重要戰(zhàn)略信息。在數(shù)據(jù)安全方面，應(yīng)嚴(yán)格遵循現(xiàn)有保密條例，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并升級(jí)安全策略，對(duì)數(shù)據(jù)的管理和共享制定管理辦法。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分級(jí)，保證嚴(yán)格控制涉密信息的同時(shí)確保數(shù)據(jù)不孤立、不閑置。

3 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理的大數(shù)據(jù)需求分析

要將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理上，應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)功能需求。

1）建立覆蓋導(dǎo)彈武器系統(tǒng)“三維”信息的全壽命管理數(shù)據(jù)體系。健全的全壽命管理數(shù)據(jù)邏輯如圖1所示。時(shí)間上應(yīng)覆蓋導(dǎo)彈武器系統(tǒng)自論證至最終退役的各階段信息；空間上應(yīng)連接科研部門、生產(chǎn)部門、使用部隊(duì)和決策機(jī)關(guān)等的信息共享；層次上應(yīng)形成對(duì)武器系統(tǒng)各個(gè)層面上的數(shù)據(jù)支持。

圖1 武器裝備全壽命周期數(shù)據(jù)體系

2）綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)建模、機(jī)器學(xué)習(xí)，建立武器系統(tǒng)的分析模型。大數(shù)據(jù)的背景下，分析模型能夠在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型之上結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)力圖找出數(shù)據(jù)之間隱含的模式，以實(shí)現(xiàn)分類、聚類、預(yù)測(cè)、異常監(jiān)測(cè)等復(fù)雜的應(yīng)用需求。

3）加強(qiáng)數(shù)據(jù)的和可視化和可交互性，輔助分析、推理和決策。大量的導(dǎo)彈相關(guān)信息具有動(dòng)態(tài)、多量、價(jià)值密度低等特性，大數(shù)據(jù)中的并行計(jì)算和可視化繪制能供人們對(duì)數(shù)據(jù)有更直觀的認(rèn)識(shí)，使得人機(jī)交互更加高效、便利。

圖2 武器裝備分層級(jí)關(guān)注特性

4）健全反饋和共享機(jī)制，確保提高數(shù)據(jù)的利用率。對(duì)某型號(hào)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)而言，不同層次的關(guān)注特性如圖2所示。例如壽命管理即依賴于設(shè)計(jì)壽命、質(zhì)量保證也受貯存條件等的影響，壽命信息分布式產(chǎn)自研制生產(chǎn)和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)。為有效提升壽命性能做好健康預(yù)警工作，壽命模型應(yīng)分享至各部門。

4 面向武器裝備全壽命管理的大數(shù)據(jù)模型

本文面向?qū)椢淦飨到y(tǒng)全壽命管理提出了BDSMWSLM大數(shù)據(jù)模型（Big Data Service for Mis?sile Weaponry System Life-cycle Management）。 模型的系統(tǒng)框架圖如圖3所示，搭建數(shù)據(jù)服務(wù)中心，以獨(dú)立服務(wù)器實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算、虛擬化云平臺(tái)[9～10]。為確保數(shù)據(jù)的安全性，在緊急情況下不丟失，著重考慮了數(shù)據(jù)的冗余備份和容災(zāi)恢復(fù)能力。

數(shù)據(jù)采集平臺(tái)將應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)源多樣、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)更新變化快、保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和有效性以及采集平臺(tái)可靠性性能的多種要求。使用Flume數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)分布式的管道構(gòu)架，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)中心之間構(gòu)建Agent網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都包含數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)通道和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)池，并設(shè)定轉(zhuǎn)換機(jī)制確保數(shù)據(jù)不丟失，設(shè)置鏈路的交叉以構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)不覆蓋的節(jié)點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)擺渡，以確保涉密數(shù)據(jù)的安全。

圖3 BDSWLM大數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架圖

業(yè)務(wù)層將提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)和數(shù)據(jù)挖掘和輔助決策服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)保證了系統(tǒng)的日常運(yùn)行和界面友好。武器系統(tǒng)全壽命周期管理服務(wù)將對(duì)武器系統(tǒng)的不同時(shí)期、不同層級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，建立數(shù)據(jù)樹，實(shí)現(xiàn)全方位描述和監(jiān)控。數(shù)據(jù)挖掘與輔助決策服務(wù)將從海量信息中找出隱藏的模式和應(yīng)用，挖掘數(shù)據(jù)中的聯(lián)系[11]，能對(duì)決策中關(guān)心的問題給予回答。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法將結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的思想，實(shí)現(xiàn)分類、識(shí)別、判讀、行為預(yù)測(cè)和異常預(yù)警[12]。

展示層中將實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)模型的智能服務(wù)，為各個(gè)階段的用戶提供相應(yīng)權(quán)限的數(shù)據(jù)樹結(jié)構(gòu)，展示數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性、繼承性，并給出綜合狀態(tài)評(píng)估和優(yōu)化建議。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全，將嵌入安全保密系統(tǒng)和權(quán)限管理系統(tǒng)。

面向?qū)椢淦飨到y(tǒng)全壽命管理的大數(shù)據(jù)模型能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的管理，提高數(shù)據(jù)的利用率，將其分析結(jié)果用于輔助決策、優(yōu)化武器裝備體系。

1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。應(yīng)用大數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，使不同來源、不同階段的數(shù)據(jù)相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理。對(duì)不同數(shù)據(jù)研制匹配借口、制定統(tǒng)一化規(guī)則為后續(xù)數(shù)據(jù)的挖掘和分析提供支撐。

2）實(shí)現(xiàn)輔助決策支持。以單次作戰(zhàn)需求為例，大數(shù)據(jù)模型能夠更客觀地描述導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)、戰(zhàn)技指標(biāo)、組合貢獻(xiàn)率等全方位信息，為實(shí)現(xiàn)任務(wù)提供決策支持，并給出合理建議。

3）實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的優(yōu)化。大數(shù)據(jù)模型將指導(dǎo)武器裝備研發(fā)、保障等的水平不斷優(yōu)化。比如面對(duì)某型裝備的已知薄弱單機(jī)改進(jìn)問題，大量的維護(hù)數(shù)據(jù)可以提供設(shè)計(jì)改進(jìn)、工藝優(yōu)化、經(jīng)費(fèi)傾斜的明確指導(dǎo)。

5 結(jié)語

在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的全壽命管理問題中，以往的大量數(shù)據(jù)處于利用率低、未能有效集中整合的狀態(tài)。本文提出的大數(shù)據(jù)模型以安全性、可擴(kuò)展性和強(qiáng)適應(yīng)性為目的，實(shí)現(xiàn)武器裝備基于大數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、分析與輔助決策，提升導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理的水平。以海軍作戰(zhàn)為例，后續(xù)工作可首先針對(duì)某一型號(hào)導(dǎo)彈建立模型，再融合某一水面艦艇通垂發(fā)射的多型號(hào)導(dǎo)彈構(gòu)建協(xié)作平臺(tái)，并持續(xù)擴(kuò)大至結(jié)合水、潛、空的?；庩?duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命管理。