航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理分析

王嘉慧，侯興明，鮮思德，朱 軍

（航天工程大學(xué)航天保障系，北京 102200）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天裝備的技術(shù)含量越來越高，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，我國高密度發(fā)射的航天發(fā)展形勢對航天裝備的質(zhì)量提出了更高的要求。航天裝備研制周期長，技術(shù)要求高，提高其質(zhì)量水平一直都是我國航天裝備研制和發(fā)展中關(guān)注的重點(diǎn)，為了保證航天裝備在全壽命周期各個(gè)階段都能保持良好的質(zhì)量狀態(tài)，滿足各類航天任務(wù)中航天裝備高質(zhì)量水平的需求，必須采用先進(jìn)的信息技術(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地把握裝備質(zhì)量狀態(tài)，科學(xué)預(yù)測裝備質(zhì)量變化發(fā)展趨勢，對裝備可能出現(xiàn)的問題未雨綢繆。

1 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理的概念及特點(diǎn)

盡管在航天裝備研制生產(chǎn)和航天任務(wù)發(fā)射過程中，世界各國都非常重視裝備的質(zhì)量，在把握航天裝備質(zhì)量現(xiàn)狀和預(yù)測質(zhì)量發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了很多研究，但是目前在軍語等軍事資料中還沒有“航天裝備質(zhì)量態(tài)勢”的權(quán)威定義。

1.1 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢的定義

“態(tài)勢”指事物發(fā)展的形勢及狀態(tài)。借鑒“戰(zhàn)場態(tài)勢[1]”、“裝備保障態(tài)勢[2]”等概念，將航天裝備質(zhì)量態(tài)勢定義為航天裝備及其質(zhì)量的當(dāng)前狀態(tài)和發(fā)展變化趨勢。航天裝備質(zhì)量態(tài)勢內(nèi)涵包括態(tài)勢主體、態(tài)勢客體、生成依據(jù)、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、生成方法等。態(tài)勢主體由各級(jí)指揮員、裝備質(zhì)量管理人員和保障人員組成；態(tài)勢客體是航天裝備質(zhì)量狀態(tài)和發(fā)展趨勢；生成依據(jù)指獲取的航天裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)；評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是對航天裝備質(zhì)量狀態(tài)的分析和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；生成方法是具體實(shí)施態(tài)勢生成的技術(shù)、規(guī)范和方法。航天裝備質(zhì)量態(tài)勢外延即與裝備質(zhì)量態(tài)勢有聯(lián)系的其他事物，包括裝備質(zhì)量管理體制、裝備保障機(jī)制、任務(wù)強(qiáng)度等。

1.2 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理的概念

機(jī)理是事物變化的理由和道理，即為實(shí)現(xiàn)某一特定功能，一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各要素的內(nèi)在工作方式以及諸要素在一定環(huán)境條件下相互聯(lián)系、相互作用的運(yùn)行規(guī)則和原理。

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理就是為了生成可靠的航天裝備質(zhì)量態(tài)勢，航天裝備質(zhì)量態(tài)勢中各要素在態(tài)勢生成中發(fā)揮的作用及各要素之間相互聯(lián)系、相互作用的運(yùn)行規(guī)則和原理。換言之，航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理就是為了滿足任務(wù)需求，采取一定的技術(shù)手段，按照既定的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)信息獲取、處理、儲(chǔ)存以及態(tài)勢預(yù)測和態(tài)勢顯示的過程。

1.3 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成的特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)來源具有多樣性。航天裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件種類多，各個(gè)部件都可能來自不同的生產(chǎn)廠家，各廠家的數(shù)據(jù)獲取、處理和儲(chǔ)存的方式不同，數(shù)據(jù)格式也不同。航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程中，同樣會(huì)產(chǎn)生大量的質(zhì)量數(shù)據(jù)，這些信息有計(jì)量的，有計(jì)數(shù)的，有文字類的，也有圖表類的，數(shù)據(jù)格式不一，分析方法也不同，需要預(yù)先制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（2）數(shù)據(jù)收集具有針對性。航天裝備從研制生產(chǎn)時(shí)期，就有其明確的質(zhì)量特性和質(zhì)量問題的規(guī)律和特點(diǎn)，在收集數(shù)據(jù)時(shí)，可以首先分析裝備的質(zhì)量特性和故障規(guī)律及特點(diǎn)，有針對性地對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

（3）數(shù)據(jù)支撐作用明顯。裝備質(zhì)量態(tài)勢生成主要依賴于裝備全壽命各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，包括研制論證數(shù)據(jù)、試驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)、裝備歷史故障數(shù)據(jù)以及國內(nèi)外和軍地類似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)測裝備質(zhì)量發(fā)展趨勢，要求數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和高標(biāo)準(zhǔn)。

（4）數(shù)據(jù)庫不斷充實(shí)。裝備質(zhì)量態(tài)勢生成中的數(shù)據(jù)庫除了不斷獲取的裝備質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，生成的態(tài)勢信息也作為歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中，為之后的質(zhì)量態(tài)勢生成提供數(shù)據(jù)支持。

（5）態(tài)勢展現(xiàn)具有層次性。不同層次的人員對于裝備質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)不同，對質(zhì)量態(tài)勢的需求也不同，航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成必須區(qū)分層次，根據(jù)各級(jí)的需求產(chǎn)生態(tài)勢信息，并實(shí)現(xiàn)可視化。

2 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成影響因素

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成受到多方面因素的影響，任何影響因素的變化都可能引起質(zhì)量態(tài)勢生成結(jié)果和態(tài)勢顯示內(nèi)容的不同。

2.1 需求

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成的訴求是各級(jí)人員對航天裝備質(zhì)量情況掌控的需求[3]。態(tài)勢生成面臨著各類航天任務(wù)的牽引，其根本目的是為裝備指揮決策服務(wù)，以保證裝備發(fā)揮最佳效能。航天作戰(zhàn)任務(wù)的指揮員需要考慮航天裝備的攻防、偵察、通信、測繪、導(dǎo)航、定位、預(yù)警、檢測和氣象預(yù)報(bào)等能力，關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)必然在這些裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能上；裝備試驗(yàn)任務(wù)的指揮員關(guān)注的是航天裝備質(zhì)量特性是否符合標(biāo)準(zhǔn)化的要求，確定裝備是否可用；航天發(fā)射任務(wù)則更加關(guān)注航天裝備在極端環(huán)境下的質(zhì)量指標(biāo)。不同的航天任務(wù)決定了需要關(guān)注何種裝備的質(zhì)量狀態(tài)，收集哪些裝備質(zhì)量信息和數(shù)據(jù)，態(tài)勢生成的結(jié)果自然也不同，可以說航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成需求決定了態(tài)勢生成的結(jié)果。

2.2 裝備通用質(zhì)量特性

裝備通用質(zhì)量特性[4]指可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性，簡稱“六性”。在論證、研制、生產(chǎn)階段，合理確定通用質(zhì)量特性的參數(shù)，保證裝備符合國軍標(biāo)要求，在使用階段，各通用質(zhì)量特性能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保證裝備保持規(guī)定功能，避免裝備質(zhì)量狀態(tài)發(fā)生質(zhì)變，影響了航天裝備質(zhì)量態(tài)勢的波動(dòng)情況。

2.3 技術(shù)手段

從裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，到裝備質(zhì)量態(tài)勢信息的輸出這一過程要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要技術(shù)手段支持，包括態(tài)勢感知技術(shù)、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)、可視化技術(shù)以及信息分層技術(shù)等，技術(shù)手段的選擇和技術(shù)應(yīng)用的成熟度都對數(shù)據(jù)的獲取、處理、儲(chǔ)存、分發(fā)和顯示的精確性和時(shí)效性產(chǎn)生一定的影響。

2.4 設(shè)備

航天裝備質(zhì)量的變化情況是航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成的起點(diǎn)，為了獲取準(zhǔn)確的質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要對航天裝備進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)檢測。采用自動(dòng)化、智能化的裝置，將航天裝備的故障特征信息存入裝置中，設(shè)置閾值，一旦裝備質(zhì)量參數(shù)超出閾值，就可以主動(dòng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測裝置的布局對裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取的精度具有一定的影響。

2.5 信息質(zhì)量

裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息是航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成的基礎(chǔ)，而信息質(zhì)量決定著生成的態(tài)勢信息能否準(zhǔn)確表達(dá)航天裝備質(zhì)量的真實(shí)情況和發(fā)展趨勢。信息質(zhì)量指信息的準(zhǔn)確性、完整性、一致性等，獲得可靠的數(shù)據(jù)是提高信息質(zhì)量的基礎(chǔ)[5]。根據(jù)質(zhì)量態(tài)勢的特點(diǎn)，提高信息質(zhì)量要關(guān)注信息整體性、及時(shí)性、多源融合性、精確性、層次性、連續(xù)性、可理解性等指標(biāo)。

2.6 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

2.6.1 質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成歸根結(jié)底是對裝備質(zhì)量狀態(tài)的監(jiān)控與預(yù)測，為了提高態(tài)勢生成的效率和態(tài)勢信息的可信度，需要在態(tài)勢生成過程中預(yù)設(shè)質(zhì)量裝備質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性對于裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取和分析有一定的影響。

2.6.2 信息標(biāo)準(zhǔn)

由于航天裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)來源廣、種類多且格式不統(tǒng)一，為了更好的對其進(jìn)行分析處理，需要信息標(biāo)準(zhǔn)化，其表達(dá)方式通常用數(shù)字或符號(hào)表達(dá)。信息標(biāo)準(zhǔn)化必須采用統(tǒng)一的編碼對質(zhì)量態(tài)勢生成的信息進(jìn)行表達(dá)，不同的編碼表達(dá)會(huì)造成完全不同態(tài)勢顯示和態(tài)勢理解，因此這種表達(dá)方式必須具有權(quán)威性。

2.6.3 顯示標(biāo)準(zhǔn)

態(tài)勢顯示終端分布在各個(gè)單位或部門，顯示標(biāo)準(zhǔn)化有助于各單位部門得到一致的態(tài)勢顯示效果，態(tài)勢顯示標(biāo)準(zhǔn)化主要包括設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、界面顯示標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)識(shí)顯示標(biāo)準(zhǔn)化、顯示方式標(biāo)準(zhǔn)化。不同的設(shè)備，態(tài)勢顯示的清晰度和顯示內(nèi)容的多少也會(huì)不同；顯示界面各功能的布局在一定程度上影響了對態(tài)勢信息的操作；標(biāo)識(shí)顯示標(biāo)準(zhǔn)化有助于各級(jí)人員理解態(tài)勢信息的一致性；態(tài)勢信息用何種顯示方式需要統(tǒng)一，避免對態(tài)勢信息的誤判。

2.7 軍地信息不對稱性

航天科研生產(chǎn)體系的一大特點(diǎn)是軍民融合，但是基于保密規(guī)定，生成的態(tài)勢信息只能有選擇地共享給民營企業(yè)，軍地雙方得到的質(zhì)量態(tài)勢信息是不同的，因此民營企業(yè)無法完全了解航天裝備質(zhì)量的具體情況，也無法采取針對性的措施提高裝備質(zhì)量。另一方面，由于一些軍工技術(shù)落后于民用技術(shù)，軍用標(biāo)準(zhǔn)也落后于國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的不統(tǒng)一也影響民營企業(yè)參與提高航天裝備質(zhì)量的研制生產(chǎn)工作。

3 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程及原理要求

盡管航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程與其他態(tài)勢生成的過程大致相同，但是根據(jù)航天裝備質(zhì)量的特點(diǎn)，生成過程中需要遵循的原理和要求有其特殊性。航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程中由很多原理和要求，但主要是下面3 點(diǎn)。

3.1 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成原理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集原理

利用傳感器和測量儀器對裝備質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)變化情況發(fā)出信號(hào)并轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取的頻率與裝備質(zhì)量情況的時(shí)效性和真實(shí)性成正比，但是裝備質(zhì)量變化的速度較慢，航天裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取可根據(jù)采樣定理[6]，最低采樣頻率fs≥2fmax，其中，fmax為信號(hào)中最高頻率，這樣獲取的數(shù)據(jù)能夠完整的保留裝備質(zhì)量變化的數(shù)據(jù)，一般情況下取fs＝（2.56～4）fmax。

3.1.2 信息報(bào)送原理

一般情況下，航天裝備有一定的故障規(guī)律，盡管數(shù)據(jù)傳輸和信息報(bào)送的速度與態(tài)勢信息的時(shí)效性成正比，但是待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息量巨大，且并非所有的信息都是必須隨時(shí)需要的。因此，可以建立合適的報(bào)送機(jī)制，根據(jù)單個(gè)裝備對整個(gè)航天裝備體系影響程度，信息報(bào)送可區(qū)分優(yōu)先級(jí)，按照信息的重要程度和任務(wù)需求決定報(bào)送的先后順序和報(bào)送頻率。

3.1.3 數(shù)據(jù)梳理原理

航天裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)來源廣泛且數(shù)量巨大，為了便于處理和儲(chǔ)存，必須進(jìn)行有效的分類。數(shù)據(jù)分類的原則應(yīng)以綜合實(shí)用性為主，從任務(wù)需求出發(fā)更便于實(shí)際操作，根據(jù)航天裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)具有多個(gè)屬性的特點(diǎn)，可采用交叉分類法按照多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行分類。這樣的分類方法可以保證不管從任何角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用處理，都能夠迅速獲取所有需要的數(shù)據(jù)。

3.1.4 態(tài)勢預(yù)測原理

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢預(yù)測就是對裝備質(zhì)量變化的趨勢進(jìn)行預(yù)測，其原理有三個(gè)，即時(shí)間連續(xù)性原理、歷史類比性原理和預(yù)測因果性原理。時(shí)間連續(xù)性指航天裝備質(zhì)量狀態(tài)在一般情況下是隨著時(shí)間的推移而變化的，其未來的發(fā)展趨勢必然與過去和現(xiàn)在的發(fā)展趨勢有一定的聯(lián)系。類比性指態(tài)勢的預(yù)測中，根據(jù)航天裝備質(zhì)量的故障數(shù)據(jù)，總結(jié)出裝備的故障規(guī)律，再結(jié)合對獲取的質(zhì)量數(shù)據(jù)的處理分析，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量特征參數(shù)出現(xiàn)與故障數(shù)據(jù)中類似的值，把裝備故障歷史規(guī)律類推到裝備未來發(fā)展規(guī)律上，對航天裝備質(zhì)量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測因果性原理是根據(jù)航天裝備質(zhì)量變化的原因?qū)ζ溥M(jìn)行預(yù)測。航天裝備質(zhì)量變化必然與其特征參數(shù)的變化相關(guān)，某個(gè)原因引起特征參數(shù)的變化，特征參數(shù)的值超出一定的閾值就會(huì)引起裝備質(zhì)量的變化，認(rèn)識(shí)了其中的因果關(guān)系，就能夠進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測。

3.2 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成要求

3.2.1 數(shù)據(jù)分析要求

數(shù)據(jù)分析是為了提取有用信息和形成結(jié)論而對數(shù)據(jù)加以詳細(xì)研究和概括總結(jié)的過程，簡而言之就是將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和比較。航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程中的數(shù)據(jù)分析目的是為了在數(shù)據(jù)之中發(fā)現(xiàn)新的特征，以保證質(zhì)量態(tài)勢預(yù)測的準(zhǔn)確性。裝備質(zhì)量態(tài)勢數(shù)據(jù)分析首先要深度理解任務(wù)需求，為數(shù)據(jù)分析提供明確的目標(biāo)；其次是數(shù)據(jù)整理分類，分類有助于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的特征和規(guī)律，找出特征參數(shù)與裝備質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度；再次要根據(jù)任務(wù)的需求，確定關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)行特征提取和特征選擇；最后將數(shù)據(jù)按照重要性和特點(diǎn)規(guī)律用圖表表示出來。

3.2.2 態(tài)勢顯示要求

態(tài)勢顯示最重要的目的是向人們展示需要的信息，態(tài)勢顯示的要求一是要突出重點(diǎn)[7]，將裝備按照質(zhì)量等級(jí)劃分，各質(zhì)量等級(jí)裝備采用不同的顏色標(biāo)繪，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)任務(wù)關(guān)注的重要裝備，對故障裝備采取報(bào)警的方式提高關(guān)注度。二是分類分層顯示[8]，面向不同的任務(wù)需求，在顯示界面按照優(yōu)先級(jí)排序，采用整體顯示和具體描述相結(jié)合的方式，各類標(biāo)識(shí)的點(diǎn)、線、仿真模型效果區(qū)分大、中、小三類，具體的裝備質(zhì)量情況描述內(nèi)容適當(dāng)隱藏，按需調(diào)取，避免顯示界面內(nèi)容過多，降低信息感知速度。

3.3 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成的起點(diǎn)是航天裝備質(zhì)量在時(shí)間維度上的變化；生成的根基是裝備質(zhì)量的各種數(shù)據(jù)和信息；生成的動(dòng)力是技術(shù)手段，技術(shù)手段推動(dòng)著質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取、處理、分析和顯示等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的運(yùn)行；生成的關(guān)鍵是獲取全壽命周期和各相關(guān)單位裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)；生成的核心環(huán)節(jié)是裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析；生成的依托是完善的信息系統(tǒng)；生成的終點(diǎn)是質(zhì)量態(tài)勢信息即對裝備質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的預(yù)測。

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程如圖1 所示。

圖1 航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成過程

數(shù)據(jù)采集獲取階段，利用傳感器等測量設(shè)備對處于各個(gè)狀態(tài)（在役、在研、在修、在軌）的航天裝備質(zhì)量情況進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)采樣規(guī)律對質(zhì)量變化情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。數(shù)據(jù)分析處理階段，根據(jù)裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類儲(chǔ)存；將格式多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一并量化，方便之后的處理；通過對各類任務(wù)深度剖析，提取任務(wù)所需裝備的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。態(tài)勢信息顯示階段，現(xiàn)調(diào)取裝備歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)裝備故障規(guī)律和裝備質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步對裝備質(zhì)量變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測裝備質(zhì)量發(fā)展趨勢；并利用標(biāo)繪技術(shù)、信息分層技術(shù)將態(tài)勢信息發(fā)送給各層級(jí)指揮員，同時(shí)，根據(jù)保密機(jī)制，將態(tài)勢信息有選擇地共享給軍地各相關(guān)部門，按照各類態(tài)勢信息的顯示方式對預(yù)測的態(tài)勢信息最終可視化。

4 結(jié)束語

航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成在各類航天任務(wù)中對裝備質(zhì)量情況的掌控起著重要的作用。定義了航天裝備質(zhì)量態(tài)勢生成機(jī)理的內(nèi)涵及特點(diǎn)，分析了態(tài)勢生成的影響因素、生成過程及原理要求，從分析結(jié)果來看，航天裝備質(zhì)量態(tài)勢的生成最關(guān)鍵的就是裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)，因此在下一步的研究中，要重視裝備質(zhì)量數(shù)據(jù)的研究，充分利用裝備全壽命各個(gè)階段的質(zhì)量數(shù)據(jù)，為質(zhì)量態(tài)勢生成進(jìn)一步的研究奠定基礎(chǔ)。