軍用航材智能化保障系統(tǒng)設(shè)計及功能實現(xiàn)

張 飚，陳 軍，劉瑾洲

(陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401311)

隨著新時代軍隊改革的持續(xù)深入，智能化已成為軍隊發(fā)展的必然趨勢，航材保障作為軍隊保障工作的重要組成部分，其智能化程度直接影響未來戰(zhàn)場的走向。

近年來，我軍的航材供應(yīng)保障工作取得了一定的進(jìn)展，空軍航材系統(tǒng)基本普及了計算機，并在開發(fā)航材信息管理系統(tǒng)方面做了很多工作，取得了初步的成功?？哲姾讲男畔⒐芾硐到y(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，使航材管理與航材信息系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)模化，為航材保障的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)[1]，但與發(fā)達(dá)國家相比，還存在著較大的差距。

美國空軍于20世紀(jì)80年制定了“空軍后勤現(xiàn)代化管理系統(tǒng)規(guī)劃”，用于全面改進(jìn)后勤自動化[1]，并將航材保障納入該自動化系統(tǒng)。得益于其先進(jìn)的保障理念，美軍航材保障總體呈現(xiàn)出方式靈活，供應(yīng)鏈供應(yīng)能力強，需求響應(yīng)及時，需求與供應(yīng)對接精確等特點。

針對我軍航材保障特點，學(xué)者們也開展了大量的研究，其中，對航材庫存管理[2]，需求定制[3-4]，供應(yīng)鏈運行[5-6]，航材共享[7]等具體細(xì)節(jié)的研究論證比較充分，但對航材保障的整體運行模式關(guān)注不夠，對航材智能化保障工作缺乏系統(tǒng)的研究。

本文以智能化保障系統(tǒng)設(shè)計為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)功能實現(xiàn)為落腳，從開發(fā)工具、總體設(shè)計思路以及功能實現(xiàn)三個方面對航材智能化保障展開研究。

1 開發(fā)工具

本系統(tǒng)以Python語言為主要開發(fā)設(shè)計工具。Python語言是Guido van Rossum在1990年開發(fā)的編程語言,至今已經(jīng)有29年歷史，是一個輕語法，弱類型的腳本語言[8]。Python語言能夠和其他語言如C++、Java等結(jié)合，它具有語法簡潔，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高效，運算速度快和內(nèi)存管理效率高等特點，具有很強的實用性，開源且能夠跨Windows、Linux、MacOS、Amiga等平臺使用，被廣泛應(yīng)用在web開發(fā)、游戲腳本、網(wǎng)頁爬蟲、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域[9]。除此之外，Python還能夠在流行的手機平臺以及微軟平臺中來進(jìn)行運行，在當(dāng)今社會Python隨處可見。

與C語言相比，Python語言沒有指針、地址等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元素，對于變量無須定義直接使用，由解釋器自動匹配；語言代碼十分簡潔，可以支持面向過程和面向?qū)ο髢煞N程序設(shè)計方法，并不要求程序通過函數(shù)封裝，代碼行數(shù)可以縮減為C語言同樣功能的1/5到1/10。Python語言的可移植、可擴展等特點，使得Python成為人工智能首選的編程語言[10]。

在航材智能化保障系統(tǒng)設(shè)計中，利用Python語言可高效地處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和分析的目的。如：利用Python中的Matplotlib和Seaborn兩個可視化庫，對某單位某段時間內(nèi)某件消耗性航材消耗量進(jìn)行分析，使用Matplotlib繪制按日期序列分組統(tǒng)計的消耗量折線圖(見圖1)，代碼節(jié)選如下：

圖1 航材消耗量統(tǒng)計

import matplotlib

import matplotlib. dates as mdates

import matplotlib .pyplot as plt

matplotlib.rcParams['font. sans-serif ']=

['SimHei']

x=logs_y_ date['Time']

Y=logs by_ date['wastage']

plt.gca().xaxis.set_majore_formatter(mdates.Date Formatte('%m/%Y))

plt.gca().xaxis.set_major_ locator(mdates.MonthLocator(interval=1))

plt.plot(x,y,'r')

plt.gcf().autofmt_xdate()

plt. xlabel('日期')

plt.ylabel('消耗量')

plt.title('航材消耗量統(tǒng)計')

plt. show()

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

航材智能化保障系統(tǒng)設(shè)計分為業(yè)務(wù)層、邏輯層及數(shù)據(jù)層。針對各層級的功能需求，利用Python語言進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)的層級圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次圖

2.1 業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層面向航材管理機構(gòu)、使用機構(gòu)、供應(yīng)商、系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計人員等從事航材保障的全體人員，是使用人員獲得信息的直接窗口，用于顯示數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)，是人機交互的介質(zhì)。

2.2 邏輯層

邏輯層是系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，連接著數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層，包含著航材保障的邏輯思維。針對使用對象和機構(gòu)的不用，為不同用戶設(shè)計對應(yīng)的功能模塊，開放相應(yīng)的數(shù)據(jù)查看和管理權(quán)限。航材需求制定模塊可以制定選定時間段內(nèi)航材需求目錄及明細(xì)；航材庫存實力呈現(xiàn)模塊根據(jù)人員權(quán)限的不同呈現(xiàn)單個倉庫、轄區(qū)倉庫各類航材庫存余量；航材運輸路徑選擇模塊通過判斷距離、運輸成本、時效等因素選擇最優(yōu)配送路徑；航材共享模塊可在軍兵種之間、軍民航空機構(gòu)之間實現(xiàn)航材借用、租賃等融合式保障；航空維修模塊通過長期的故障積累，生成故障樹，在日常的航空維修保障中提供飛機故障排除、解決方案。

2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)層級，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、儲存及訪問。數(shù)據(jù)的采集設(shè)備包括傳感器、條碼掃描器、攝像頭、通信終端等各種硬件設(shè)備。采集的數(shù)據(jù)包括航材的使用、維修、消耗、周轉(zhuǎn)等航材供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及維修文件、管理規(guī)定、保障要求、上級指示等航材保障指導(dǎo)文件資料。采集而來的數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫、txt文檔、記事本、二進(jìn)制文件等數(shù)據(jù)在服務(wù)器、云端等進(jìn)行儲存。用戶通過各機場的局域網(wǎng)、軍網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)器、云端儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

航材保障過程中，各類人員負(fù)責(zé)的具體工作的差異造成了信息需求的不同，如航材使用人員需要掌握航材的生產(chǎn)日期，使用、修理情況等狀態(tài)信息，基層航材庫管理人員需要掌握航材需求、庫存情況等，航材管理機構(gòu)需要掌握所屬倉庫實力，航材供應(yīng)商需要掌握指定時間內(nèi)航材訂單信息等。針對不同人群的需求，將正確的信息向特定的人群呈現(xiàn)便是系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計的基本目標(biāo)。分析各類人員對信息的需求，將航材保障各類信息分為需求、庫存、運輸、航空維修、航材共享等幾類信息，各功能模塊的實現(xiàn)可從以下幾個方面展開討論。

3.1 航材需求制定

準(zhǔn)確的航材需求預(yù)測和合理的航材庫存的設(shè)計不僅依賴與保障人員的專業(yè)素養(yǎng)，更多的還得仰仗豐富的保障經(jīng)驗，這對航材保障人員提出了較高的要求。采用數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等手段找出各單位的航材消耗規(guī)律，結(jié)合年度(季度)訓(xùn)練任務(wù)和庫存余量制定準(zhǔn)確的航材需求，設(shè)計合理的航材庫存。航材管理人員只需要輸入訓(xùn)練時間、訓(xùn)練科目、參訓(xùn)人員(飛機)、庫存余量等重要變量，根據(jù)大數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)便可計算出年度(季度)的航材需求量，這對減輕航材保障人員工作量，協(xié)助開展工作發(fā)揮重要作用。

航材需求系統(tǒng)對某一特定時期(如某月、某季度等)的消耗數(shù)值進(jìn)行編碼、記錄，經(jīng)年累月便形成了一個歷史記錄空間。在往后的保障過程中，系統(tǒng)通過橫向、縱向的對比，在指定的更新規(guī)則下對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，該空間可為系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)提供判決依據(jù)，系統(tǒng)將按照指定的自學(xué)習(xí)策略對歷史記錄空間進(jìn)行分析，從而針對不同時期、不同機構(gòu)提出最優(yōu)的保障方案，如圖3。在運行過程中系統(tǒng)對已有行為的正確性或優(yōu)良度進(jìn)行評估，自動修改參數(shù)，從而改進(jìn)系統(tǒng)自身的品質(zhì)[11]。

圖3 航材需求系統(tǒng)學(xué)習(xí)圖

3.2 航材庫存實力呈現(xiàn)

航材庫存實力的呈現(xiàn)，可通過感知航材的出入庫情況、庫存余量等信息予以實現(xiàn)，而信息的采集可以通過安裝RFID標(biāo)簽以及標(biāo)簽閱讀器予以實現(xiàn)。利用以RFID為代表的自動識別技術(shù)，采集所有航材的型號、屬性等信息，將任一單件物品納入航材信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)航材可視化。在每件航材上加裝RFID標(biāo)簽，將航材信息寫入標(biāo)簽，如航材名稱、生產(chǎn)商、生產(chǎn)時間、使用時限等，在各航材庫出入口安裝標(biāo)簽閱讀器，采集航材出入庫信息，將此信息及時傳入航材庫存管理系統(tǒng)，系統(tǒng)對航材庫存數(shù)據(jù)實時進(jìn)行更新。

入庫時，倉庫入口處的RFID標(biāo)簽閱讀器自動讀取電子標(biāo)簽內(nèi)的航材信息，并將信息自動傳輸?shù)胶讲膸齑嫦到y(tǒng)。系統(tǒng)對航材庫存信息及時更新。同時，還可利用標(biāo)簽閱讀器采集的入庫信息與供貨清單進(jìn)行對比，若信息有誤，系統(tǒng)自動發(fā)出告警信息。

庫存盤點時，操作人員可通過手持的或者固定的標(biāo)簽閱讀器，采集航材信息。由于RFID具有非接觸性、多數(shù)據(jù)讀取的特性，在使用RFID技術(shù)進(jìn)行庫存盤點時可以同時自動采集庫存航材多方面數(shù)據(jù)，包括航材數(shù)量、名稱和貨位等，庫存系統(tǒng)自動將采集信息與盤點清單中的全部航材內(nèi)容互相比對生成清庫賬單，如果有誤，可以及時進(jìn)行核對，將問題報告管理人員進(jìn)行解決，完成庫存的盤點工作[12]。

出庫時，系統(tǒng)可查詢到各倉庫的庫存情況，根據(jù)出貨清單自動提供最佳供貨方案，通過系統(tǒng)顯示的位置(貨架)信息，指引人員、叉車進(jìn)行出庫操作。當(dāng)航材經(jīng)過倉庫出口時，出口處的閱讀器自動讀取航材信息，確認(rèn)出庫后，自動將航材調(diào)出信息傳入系統(tǒng)，系統(tǒng)生成出庫清單并與訂單進(jìn)行比對，出現(xiàn)錯誤時發(fā)出告警，提醒相關(guān)人員處理；比對無誤則保存數(shù)據(jù)，修改庫存，具體操作如圖4。

圖4 出入庫處理流程

將RFID技術(shù)運用于航材的出入庫管理、查詢、調(diào)配以及飛機故障排除等方面，將大大降低航材的運轉(zhuǎn)成本，提高航材的保障效率。國外一些航空公司對RFID技術(shù)在航空維修、航材管理方面的運用進(jìn)行了嘗試，并取得了一定的效果。如空客公司在A380的總裝線上運用RFID技術(shù)，將標(biāo)簽貼于各航材上，利用RFID技術(shù)跟蹤每件航材的流向，實現(xiàn)了整個航材供應(yīng)鏈的實時自動化和準(zhǔn)確可視性，有效減少了總裝過程中的人為差錯，大大提高了生產(chǎn)效率[13]。

3.3 航材運輸路徑選擇

航材調(diào)配方案的確定需要綜合庫存、需求、運輸路徑、費用等各項指標(biāo)，從而選擇路徑最短，費用最低的航材調(diào)配方案。這屬于路徑最優(yōu)化的選擇問題，可以運用最優(yōu)化方法的基本思想?yún)f(xié)助制定調(diào)配方案。

最優(yōu)化方法主要是運用數(shù)學(xué)方法研究各種系統(tǒng)的優(yōu)化途徑及方案[14]，航材調(diào)配方案追求路徑最短，費用最低，可采用最優(yōu)化方法中多目標(biāo)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。下面以某種航材的調(diào)配為例，建立數(shù)學(xué)模型，求解最優(yōu)的調(diào)配方案。

通過對該數(shù)學(xué)模型求解即可求出最優(yōu)的調(diào)配路徑和調(diào)配方案。

3.4 航材共享

20世紀(jì)末，歐美的大型航空公司提出了航材共享的理念，發(fā)展至今，該理念已在民用航空領(lǐng)域得到廣泛的運用[15]?；诂F(xiàn)代社會信息化條件，特別是云技術(shù)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷推進(jìn)與發(fā)展，“分散航材集中使用，集中航材分散服務(wù)”的航材共享理念，使得部隊航材保障工作的內(nèi)涵變得更為豐富，包含的內(nèi)容有了更多的延伸，由此，必然導(dǎo)致不同形態(tài)的航材共享。

在此背景下航材共享更顯得意義重大，通過建立統(tǒng)一的共享平臺，各軍兵種可以有針對地實現(xiàn)部分通用航材的共享，充分發(fā)揮聯(lián)勤保障，聯(lián)合作戰(zhàn)的優(yōu)勢。同時，在解決網(wǎng)絡(luò)安全，信息防護(hù)的條件下也可與部分民航機構(gòu)實現(xiàn)航材共享，這對縮短航材配送時間，提高保障效率意義重大。航材共享旨在改變以往單一的直線供給關(guān)系，在建立完善的審批機制的基礎(chǔ)上，拓寬供貨渠道，壓縮保障時間，提高保障效率。

根據(jù)目前聯(lián)勤保障的理念，在軍種之間建立溝通渠道，在信息互通的基礎(chǔ)上建立航材共享平臺，該平臺主要負(fù)責(zé)接收基層航材部門的求援信息，發(fā)布各級供給機構(gòu)的共享數(shù)據(jù)。軍內(nèi)各單位可將各自的庫存信息在專用平臺上進(jìn)行發(fā)布，在與民用航空公司、航材制造廠等地方企業(yè)建立戰(zhàn)略合作關(guān)系后，也要求其發(fā)布部分航材庫存信息，當(dāng)共享平臺收到求援信息時，可根據(jù)信息可視范圍內(nèi)的航材供給單位庫存實力、運送成本等因素綜合考慮，確定最佳的調(diào)配方案，如圖5。

圖5 航材共享

軍內(nèi)、軍地的航材共享可以優(yōu)化航材庫存布局，降低庫存成本，提高航材保障效率，既符合軍民深度融合的發(fā)展策略，也使軍地優(yōu)勢資源得到充分的發(fā)揮和運用。

3.5 航空維修

傳統(tǒng)維修模式下，機務(wù)人員需要經(jīng)歷漫長的帶教培訓(xùn)過程才能滿足崗位的技能需求，然而現(xiàn)代戰(zhàn)爭的節(jié)奏不斷加快，這就要求機務(wù)人員盡快勝任本職工作，提高維修效率。通過建立航空維修故障管理系統(tǒng)，將維修資料、法規(guī)、經(jīng)驗納入數(shù)據(jù)庫管理，將維修過程中的故障現(xiàn)象、故障成因、排除方法等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成數(shù)據(jù)庫。將故障進(jìn)行歸類總結(jié)，形成故障樹，如圖6。在飛機維修的過程中不斷豐富故障樹內(nèi)容，當(dāng)故障再次出現(xiàn)時，將故障現(xiàn)象、關(guān)鍵詞等輸入系統(tǒng)進(jìn)行查詢，對故障進(jìn)行診斷，生成排故指導(dǎo)方案，從而減少故障排除的時間耽誤，也將排故經(jīng)驗進(jìn)行有效傳承和積累。

圖6 故障樹結(jié)構(gòu)示意圖

航空維修工作一直堅持“以可靠性為中心”的原則，事后維修、定期檢修在預(yù)防飛行事故、排除飛機故障中發(fā)揮了重要作用，但依然存在著安全隱患處置不及時，過度維修損耗裝備等問題。隨著部隊信息化、實戰(zhàn)化的不斷推進(jìn)，航空維修面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。故障預(yù)測是航空維修的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代先進(jìn)維修理念——基于狀態(tài)維修(CBM，Condition-Based Maintenance)的重要組成部分[16]。RFID技術(shù)在故障預(yù)測、航材健康狀態(tài)、健康壽命監(jiān)控等方面表現(xiàn)突出。

20世紀(jì)90年代，智能化作為美軍的核心技術(shù)在其裝備維修中發(fā)揮著重要作用，尤其在M1坦克、阿帕奇直升機等裝備智能維修系統(tǒng)中的表現(xiàn)更為突出[17]。依賴RFID技術(shù)，維修人員可通過標(biāo)簽閱讀器或者人工輸入的方式向維修系統(tǒng)傳輸航材使用信息，系統(tǒng)通過比對航材使用時限等信息，為維修人員計算航材剩余壽命，預(yù)測故障，提醒修理人員及時更換航材，協(xié)助維修人員開展工作。例如，波音公司與日本航空公司聯(lián)合跟蹤波音777飛機上氧氣瓶的有效期，通常情況下一個人需要花費13小時才能完成，使用了RFID技術(shù)之后，檢查時間只需8.5分鐘即可完成[13]。

4 結(jié)束語

本文對航材智能化保障系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，提出以Python語言為主要設(shè)計工具對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，從業(yè)務(wù)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層三個方面對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，并從航材需求、航材庫實力、航材調(diào)運、航材共享以及航空維修等幾個方面具體功能的實現(xiàn)進(jìn)行分析，從而確定了以系統(tǒng)自學(xué)習(xí)方法為需求定制提供技術(shù)支撐，以RFID技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)解決庫存實力呈現(xiàn)的問題，以最優(yōu)化技術(shù)協(xié)助制定航材調(diào)配方案，以軍民融合為背景對航材共享進(jìn)行探索，以故障樹方法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐指導(dǎo)航材智能化維修工作開展。