大型光學(xué)設(shè)備全壽命周期管理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任同陽(yáng)， 姜 元， 賈建祿， 劉塔拉， 郭鵬飛

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 長(zhǎng)春 130033)

隨著地面光學(xué)設(shè)備向著大型化、集成化方向的升級(jí)，軟件在裝備的整體效能中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[1]。傳統(tǒng)的工程管理模式呈現(xiàn)出了效率低、執(zhí)行力差的特點(diǎn)，已經(jīng)不滿足現(xiàn)代大型光學(xué)儀器發(fā)展的需要。近十幾年，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，在民用和軍用市場(chǎng)上展現(xiàn)出了極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)力。隨著大型武器[2]、大型光學(xué)設(shè)備等裝備數(shù)量及儀器復(fù)雜程度的不斷增加，采用傳統(tǒng)管理模式不足以滿足設(shè)備的生產(chǎn)需求[3]。需要開發(fā)專用管理軟件以提升設(shè)備的前期運(yùn)營(yíng)和后期維護(hù)效率[4]。

在實(shí)際的大型光學(xué)設(shè)備的生產(chǎn)交付的管理過程中主要有三方面需要生產(chǎn)方提供：①技術(shù)文檔管理；②備品備件管理；③維修保養(yǎng)管理。在這三方面由于需求方和生產(chǎn)方往往存在地域、工作性質(zhì)等方面的限制，不利于技術(shù)人員實(shí)時(shí)對(duì)相應(yīng)問題進(jìn)行處理。這樣傳統(tǒng)的設(shè)備管理方式即耗費(fèi)了人力物力，又不利于系統(tǒng)化管理，使得技術(shù)人員很難對(duì)系統(tǒng)有連續(xù)的跟蹤了解,隨意對(duì)裝備進(jìn)行維修也不利于為后續(xù)類似故障提供相應(yīng)科學(xué)的、有指導(dǎo)性的意見[5]，十分不利于設(shè)備的可持續(xù)發(fā)展。鑒于此，設(shè)計(jì)了一款基于C/S模式的大型光學(xué)裝備全壽命周期管理軟件。

本文所設(shè)計(jì)的大型光學(xué)裝備的全壽命周期管理軟件采用Visual Studio 2015編譯環(huán)境，采用面向?qū)ο蟮木幊趟悸泛湍K化程序設(shè)計(jì)思想，使用微軟Access軟件構(gòu)造底層數(shù)據(jù)庫(kù)，采用C#語(yǔ)言進(jìn)行底層數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容調(diào)度和頂層操作界面的連接，用戶界面上使用WPF構(gòu)造， 相較于傳統(tǒng)的WinForm風(fēng)格增加了系統(tǒng)的美觀性和可移植性。該軟件集成了PDF閱讀器，使用軟件時(shí)無(wú)須安裝第三方文件閱讀器，可以提供給沒有文件閱讀器用戶計(jì)算機(jī)直接查閱技術(shù)文件的功能。同時(shí)技術(shù)文檔管理的功能具備文件管理功能，通過建立文件樹結(jié)構(gòu)對(duì)文件的層級(jí)分類，此項(xiàng)功能在大型光學(xué)系統(tǒng)的主系統(tǒng)、子系統(tǒng)說(shuō)明書、任務(wù)書等文檔分類中具有重大作用，方便了用戶對(duì)技術(shù)文件進(jìn)行系統(tǒng)查閱。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)需求分析

大型光學(xué)設(shè)備具有子系統(tǒng)繁多、龐大的特點(diǎn)，在大型武器裝備領(lǐng)域中已經(jīng)具有比較完備的全壽命周期管理系統(tǒng)在投入使用，并且逐步普及到航空[6]、航天[7]等關(guān)鍵領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)開展相關(guān)的研究?jī)H有幾十年的時(shí)間，總體來(lái)說(shuō)仍處于起步階段。目前該領(lǐng)域主要涉及大型雷達(dá)等軍事化大型裝備，應(yīng)用在光學(xué)裝備領(lǐng)域很少。大型地面光學(xué)裝備的管理系統(tǒng)主要對(duì)大型光學(xué)設(shè)備交付后的各類維修保障工作進(jìn)行細(xì)分并簡(jiǎn)化，集成在一個(gè)由項(xiàng)目承接方提供的軟件中，以數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用的方式完成各類信息的提取。

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)帶動(dòng)著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，先后出現(xiàn)了幾種不同的計(jì)算機(jī)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，在互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)還不普及時(shí)產(chǎn)生的終端/主機(jī)結(jié)構(gòu)(Termina/Mainframe)和文件服務(wù)器結(jié)構(gòu)(File/Server)，這兩種結(jié)構(gòu)適用于復(fù)雜程度不高的應(yīng)用，占用主機(jī)資源較大，不便維護(hù)和更新。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中當(dāng)今的應(yīng)用模式主要有C/S模式和B/S模式(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu))。其中B/S模式需要依托于廣域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)面臨網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)內(nèi)容，不利于軍方項(xiàng)目開展。故本設(shè)計(jì)采用C/S模式[8]，考慮數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)用戶操作界面、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器均在本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。這樣做保證了網(wǎng)絡(luò)安全的同時(shí)方便了用戶的上手使用，數(shù)據(jù)庫(kù)采用加密的方式使得用戶無(wú)須在使用時(shí)直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)，也不會(huì)由于誤操作而更改數(shù)據(jù)庫(kù)。在對(duì)有關(guān)內(nèi)容做大幅度更改時(shí)，只需開發(fā)人員將數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容更新，并替換舊版數(shù)據(jù)庫(kù)即可，大大提高了研發(fā)人員和用戶雙方的工作效率。管理系統(tǒng)軟件功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

大型光學(xué)設(shè)備全壽命周期管理軟件需要具有良好的可維護(hù)性和拓展性，需要盡量減少層級(jí)模塊之間的耦合強(qiáng)度[9]，這樣系統(tǒng)故障方便查找，提高維護(hù)效率。采用前臺(tái)用于進(jìn)行人機(jī)交互工作，同時(shí)后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用和連接并處理相關(guān)指令，分工明確，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。針對(duì)每個(gè)單元設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。系統(tǒng)主要分為技術(shù)文檔管理功能、備品備件管理功能和維修保養(yǎng)管理功能。其中技術(shù)文檔管理功能中的PDF閱讀器具有文檔閱讀的六大基本功能，可以滿足基本文檔閱讀需求。文件管理模塊主要可針對(duì)文件名的層級(jí)和從屬關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)形式的保存，可直接顯示文件樹，方便技術(shù)文檔查閱。備品備件管理和維修保養(yǎng)管理功能二者采用相同的設(shè)計(jì)思路，可存儲(chǔ)器件的名稱、數(shù)量、用量、圖片及更新時(shí)間，維修保養(yǎng)時(shí)的故障原因、日期及解決方案、日期。用戶可直接通過前臺(tái)軟件操作數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查。軟件整體設(shè)計(jì)界面即遵循功能圖的排布，以3個(gè)“TabItem”為基礎(chǔ)界面，在每個(gè)界面上制作一級(jí)功能區(qū)域，3個(gè)功能在3個(gè)不同的線程上運(yùn)行，互不干涉。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)的原理

大型光學(xué)設(shè)備全壽命周期管理軟件在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行，采用Visual Studio 2015的開發(fā)環(huán)境，前端操作界面使用基于XAML語(yǔ)言的WPF風(fēng)格窗體，增加了系統(tǒng)的美觀性和可移植性。后臺(tái)軟件采用C#語(yǔ)言連接數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相應(yīng)的操作和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟Office辦公軟件中自帶的Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，這樣使用者計(jì)算機(jī)無(wú)須安裝SQL Server或Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，只要有Office就可以直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，有利于技術(shù)人員隨時(shí)維護(hù)或更新數(shù)據(jù)庫(kù)。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程之前，需要確定數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。整體數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如圖3所示，分為文件樹數(shù)據(jù)庫(kù)、器件管理數(shù)據(jù)庫(kù)和維修保養(yǎng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)3部分。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 文件管理模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)大型光學(xué)設(shè)備的生產(chǎn)需求，生產(chǎn)方在交付使用時(shí)需要提供大量的技術(shù)資料，這些資料涉及各個(gè)主系統(tǒng)和分系統(tǒng)的技術(shù)要求和說(shuō)明書，少則幾十份多則上百份資料。在傳統(tǒng)的項(xiàng)目交付過程中需要將全部資料通過電子版文件夾分類和紙質(zhì)版排版成冊(cè)的方式移交給使用方。這種方式使得每次提交材料的過程極其繁瑣，如材料出現(xiàn)錯(cuò)誤或增刪內(nèi)容需要重新提交大量材料，如重新提交電子版文件夾上傳內(nèi)容極多，不便傳閱。在材料使用過程中傳統(tǒng)文件夾方式會(huì)在使用過程中由于操作不當(dāng)出現(xiàn)文件位置移位、誤刪等情況，紙質(zhì)版材料也不利于長(zhǎng)時(shí)間完好保存。

在引入文件樹管理方式后，只需要針對(duì)文件內(nèi)容設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括文件ID號(hào)、文件節(jié)點(diǎn)層級(jí)、節(jié)點(diǎn)從屬關(guān)系、節(jié)點(diǎn)名稱、是否是文件、文件存放路徑。

該數(shù)據(jù)可以很簡(jiǎn)單且直觀地描述出文件在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的屬性，方便系統(tǒng)查詢和后期維護(hù)。采用文件樹管理的方法目前被許多文件管理軟件使用。在使用時(shí)直接規(guī)劃好從屬關(guān)系目錄，通過新建文件夾并導(dǎo)入文件的操作方式建立文件樹列表，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模文件的系統(tǒng)化管理。建立文件樹的文件夾后添加文件流程如圖4所示。

圖4 添加文件流程

2.2 備品備件管理模塊設(shè)計(jì)

備品備件管理功能主要針對(duì)大型設(shè)備的配件管理工作，傳統(tǒng)管理方式只有入庫(kù)出庫(kù)數(shù)量的簡(jiǎn)單管理，對(duì)于同一型號(hào)的不同批次器件需要具有產(chǎn)品照片方便核對(duì)。除了對(duì)器件數(shù)據(jù)庫(kù)中的器件進(jìn)行基本的增、刪、改、查管理之外，還提供了模糊查詢的功能。在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是電子器件的器件名稱是很多英文字母代號(hào)加數(shù)字構(gòu)成的，即使是工程師也不會(huì)掌握所有器件的完整名稱，加入模糊查詢可針對(duì)器件庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的內(nèi)容進(jìn)行查詢，并將所有相關(guān)結(jié)果顯示在軟件下方區(qū)域，極大方便了器件管理。

2.3 維修保養(yǎng)管理模塊設(shè)計(jì)

維修保養(yǎng)記錄功能整體設(shè)計(jì)思路與備品備件管理一致。大型光學(xué)設(shè)備中各個(gè)分系統(tǒng)種類繁多，由于設(shè)計(jì)問題及產(chǎn)品優(yōu)化，在交付后還會(huì)產(chǎn)生諸多維修、保養(yǎng)、改進(jìn)等工作。傳統(tǒng)的管理模式只針對(duì)大型改進(jìn)或維修有專項(xiàng)記錄，小型改進(jìn)并沒有專用的記錄。這樣就使得很多可能作為后期故障分析的維修步驟丟失，不利于系統(tǒng)健康管理和專家知識(shí)庫(kù)的建立[10]。維修保養(yǎng)記錄功能可以通過文本的方式記錄故障原因和解決方案以及相應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)帶有模糊查詢的功能，通過關(guān)鍵維修步驟可以進(jìn)行設(shè)備的定期維護(hù)。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)打開后的界面如圖5所示，最上方的3個(gè)“TabItem”分別為軟件的3個(gè)功能選擇區(qū)域。第一個(gè)功能為“技術(shù)文檔管理”。在第一個(gè)菜單中在前臺(tái)操作界面中需要右鍵添加根文件夾，輸入根文件夾的名稱單擊確認(rèn)即可形成一級(jí)節(jié)點(diǎn)，在一級(jí)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上右鍵有兩種選擇，可建立文件夾形成二級(jí)節(jié)點(diǎn)，還可以直接添加對(duì)應(yīng)的二級(jí)文件，三級(jí)以上的節(jié)點(diǎn)和文件的添加依然采用此方式，保證了操作的簡(jiǎn)潔性。右鍵文件后打開文件和直接調(diào)用軟件集成的PDF文件閱讀器查閱相應(yīng)文件。右鍵后還可以將文件和文件夾刪除，刪除后會(huì)自動(dòng)刷新文件樹，更新出新的文件樹列表。

圖5 技術(shù)文檔管理界面

“備品備件管理”操作界面如圖6所示，第一排的“TabItem”功能按鍵具有“查詢”“增加”“修改”“刪除”“清空”和搜索輸入欄。下方是入口欄中輸入所填項(xiàng)目后單擊增加即可將信息放入數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入欄右側(cè)為器件圖片顯示區(qū)域，照片通過輸入?yún)^(qū)域進(jìn)行手動(dòng)添加，以二進(jìn)制流的方式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。軟件最下方為數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，單擊數(shù)據(jù)可以將本行數(shù)據(jù)回填到輸入欄中，方便對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容進(jìn)行修改。

圖6 備品備件管理界面

“維修保養(yǎng)記錄”的功能整體同“備品備件管理”，如圖7所示，同時(shí)具備數(shù)據(jù)回填和搜索的功能。通過填寫4項(xiàng)基本信息即可得知系統(tǒng)整體的維修養(yǎng)護(hù)過程，再配合維修保養(yǎng)記錄使用，便可以對(duì)系統(tǒng)的全壽命周期進(jìn)行分析管理，避免了小修中修無(wú)記錄或記錄丟失帶來(lái)的維護(hù)管理模糊問題，方便維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全方位了解，甚至做到對(duì)某些周期性故障問題的預(yù)處理。

圖7 維修保養(yǎng)記錄界面

4 結(jié)論

對(duì)大型光學(xué)設(shè)備全壽命周期管理軟件的需求進(jìn)行了整體性分析，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的軟件功能，最后依據(jù)各模塊的功能要求設(shè)計(jì)出了軟件成品，可在項(xiàng)目中投入使用。隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)大型設(shè)備的全壽命周期管理工作正在逐步成為熱點(diǎn)話題，尤其是大型光學(xué)設(shè)備本身體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)備交付時(shí)的流程往往非常繁瑣，后期設(shè)備維護(hù)作為項(xiàng)目的一部分也需要持續(xù)跟進(jìn)。采用軟件管理的方式，對(duì)設(shè)備的使用說(shuō)明和技術(shù)文件進(jìn)行分類管理，對(duì)設(shè)備的器件和維修保養(yǎng)記錄進(jìn)行記錄，大大提高了工作效率，有利于設(shè)備長(zhǎng)期的維護(hù)和修復(fù)。