裝備保障數(shù)據(jù)體系構建與應用

唐 琳，李建濤，郭 勇，黃 猛

(1.中國人民解放軍91977 部隊，北京 102249；2.海軍裝備部，北京 136100)

0 引言

隨著信息化的發(fā)展，數(shù)據(jù)資源已經(jīng)成為獲取戰(zhàn)場信息控制權的要素之一。戰(zhàn)場態(tài)勢感知、任務規(guī)劃、自主協(xié)同等都取決于海量數(shù)據(jù)的獲取和處理[1]。大數(shù)據(jù)的競爭已經(jīng)成為影響世界局勢和主導權的關鍵因素[2–3]。當前，種類繁多的海量裝備數(shù)據(jù)資源仍以原始形式存儲在各單位和部門中，物理分布在不同地域，難以得到有效地組織和利用，存在管理系統(tǒng)多、兼容互通少，動態(tài)數(shù)據(jù)多、采集方法少，數(shù)據(jù)采集多，分析利用少等問題[4]。因此，建立合理的裝備保障數(shù)據(jù)體系，實現(xiàn)裝備保障數(shù)據(jù)的規(guī)范管理，對于提高裝備保障信息化水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 概念及作用意義

1.1 概念

裝備保障是“為使所配備的武器裝備順利遂行各種任務而采取的各項保證措施與進行的相應組織指揮活動的統(tǒng)稱”[5–8]。裝備保障數(shù)據(jù)體系是能夠完整描述武器裝備從研制、生產(chǎn)、試驗、部署、訓練、作戰(zhàn)、維修、報廢整個生命周期內(nèi)所有信息的數(shù)據(jù)集合，主要包括描述裝備生命周期的各類元數(shù)據(jù)、物理數(shù)據(jù)和文件[9–11]。

裝備保障數(shù)據(jù)涉及到裝備全壽命過程的各個階段，具有以下特點：

1）多源性。由于保障方式和獲取手段的多樣性，導致了保障數(shù)據(jù)的多源性，數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)格式有較大的的差異，數(shù)據(jù)結構較為復雜。

2）多態(tài)性。由于保障數(shù)據(jù)的多源性，也導致了保障數(shù)據(jù)存在形態(tài)多樣，包括格式化和非格式化數(shù)據(jù)，這也增加了數(shù)據(jù)處理的難度。

3）多樣性。保障數(shù)據(jù)包含的信息類型較為龐雜，給數(shù)據(jù)管理增加了難度。

4）關聯(lián)性。孤立的數(shù)據(jù)發(fā)揮的作用甚小，而通過裝備保障數(shù)據(jù)可以將機構、人員、裝備、裝備保障過程和時空環(huán)境串聯(lián)在一起，形成一個有機的整體，以最大化發(fā)揮裝備保障數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

1.2 作用意義

信息系統(tǒng)建設是現(xiàn)代化裝備保障發(fā)展的需要，裝備保障數(shù)據(jù)體系建設的意義在于整合“數(shù)據(jù)孤島”，使海量的保障數(shù)據(jù)發(fā)揮整體功效。構建一個含裝備研制、試驗、交裝和后期使用與保障的全壽命裝備保障數(shù)據(jù)體系，對于提高裝備保障信息化水平具有重要意義[5]。具體在以下2 個方面發(fā)揮著重要作用：

1）提高保障數(shù)據(jù)的共享程度。完善的裝備數(shù)據(jù)保障體系能夠充分發(fā)揮保障數(shù)據(jù)的應用價值；裝備保障數(shù)據(jù)是裝備信息化建設的數(shù)據(jù)基礎，完善的裝備數(shù)據(jù)保障體系可以提高信息資源規(guī)劃管理能力，適應裝備保障高效的管理新模式的需要。隨著裝備信息化建設越來越依賴裝備保障信息的支持，加強裝備保障數(shù)據(jù)體系建設，建立和完善裝備信息資源基礎，可以大幅度地提高裝備信息資源的總體開發(fā)利用水平。

2）在裝備保障數(shù)據(jù)體系建設中，按照特有的訪問控制機制對數(shù)據(jù)信息進行保護控制，能夠確保裝備信息資源的完整性、保密性、真實性和可用性。

2 裝備保障數(shù)據(jù)體系構建

裝備保障數(shù)據(jù)體系作為裝備保障數(shù)據(jù)的系統(tǒng)級集成，是裝備保障和業(yè)務應用的紐帶，裝備保障數(shù)據(jù)體系的構建應遵循以下原則[12–13]：

1）完整性。應包含裝備保障所需要的的各種類型數(shù)據(jù)，能夠支撐裝備保障各類業(yè)務；

2）合理性。數(shù)據(jù)描述、引用及關聯(lián)關系合理準確；

3）獨立性。各模塊功能具有相對獨立性，完成某個應用的數(shù)據(jù)支撐服務；

4）一致性。不同來源的數(shù)據(jù)描述應一致；

5）穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)總體結構應有穩(wěn)定性，在不大范圍變動的情況下可持續(xù)更新完善。

裝備保障數(shù)據(jù)體系總體上分為原始層、基礎層、綜合層和共享層4 部分，如圖1 所示。

圖1 裝備保障數(shù)據(jù)體系Fig.1 Equipment support data system

2.1 原始層

原始層包含了所有的數(shù)據(jù)來源，數(shù)據(jù)類型、格式呈現(xiàn)多樣性。文件類型包括文本、二進制數(shù)據(jù)、XML文件以及應用系統(tǒng)文件。從結構上又分為結構化數(shù)據(jù)、半結構化數(shù)據(jù)和無結構數(shù)據(jù)。其中最大數(shù)據(jù)來源是標準數(shù)據(jù)集，標準數(shù)據(jù)集是一種半結構化數(shù)據(jù)，用來描述裝備保障過程中得到的各類記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源結構如圖2 所示。

圖2 裝備保障數(shù)據(jù)源體系結構圖Fig.2 Equipment support data source architecture diagram

2.2 基礎層

基礎層由數(shù)據(jù)集庫、標準數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫以及基礎元數(shù)據(jù)組成。其中數(shù)據(jù)集庫管理文件類型數(shù)據(jù)，標準數(shù)據(jù)庫和專業(yè)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)集庫進行關系化存儲，元數(shù)據(jù)保存XML、代碼、日志等。

1）數(shù)據(jù)集庫。存儲標準裝備保障數(shù)據(jù)文件，裝備保障數(shù)據(jù)通常會由一個或多個數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)集庫對這些文件匯集處理，集中管理，與其他基礎數(shù)據(jù)形成一個整體，方便備份恢復。

2）標準數(shù)據(jù)庫。標準數(shù)據(jù)庫包括基礎代碼、基礎信息和數(shù)據(jù)字典，用于裝備保障信息的共享交換。

基礎代碼主要包括組織機構代碼、裝備目錄代碼、國防科研生產(chǎn)單位代碼、企業(yè)化修理工廠代碼、倉庫目錄代碼等數(shù)據(jù)。

基礎信息主要包括單位信息、裝備信息、人員信息、倉庫工程和標準規(guī)范信息。其中，單位信息主要包含生產(chǎn)單位、研制單位、修理工廠的信息；裝備信息主要包含裝備基本性能信息，主要包括裝備通用信息、配套信息、性能、保障指標等信息；裝備唯一標識信息主要包含裝備基本特征信息、唯一碼等信息；人員信息主要包含人員通用信息，國防科研生產(chǎn)單位技術人員，企業(yè)化修理工廠技術人員，專家人才等信息；倉庫工程信息主要包含裝備儲備單位及其規(guī)模、分布、庫容和保障能力，以及儲備裝備的品種、型號、數(shù)量、質(zhì)量、分布等信息；標準規(guī)范信息主要包含所遵循的國家標準、行業(yè)標準等相關標準。

數(shù)據(jù)應用字典主要包括標準應用字典和數(shù)據(jù)屬性定義字典兩類。標準應用字典指在裝備保障過程中涉及到的、內(nèi)容相對固定的枚舉型分類數(shù)據(jù)，為業(yè)務應用系統(tǒng)提供共用的基礎標準數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)屬性定義字典是對裝備保障過程中的共性數(shù)據(jù)項名稱、類型等進行規(guī)范化描述的字典數(shù)據(jù)。

2.3 綜合應用層

綜合層由整合數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)組成，為數(shù)據(jù)分析、應用和決策提供服務。

1）整合數(shù)據(jù)庫。基礎數(shù)據(jù)經(jīng)過提取、轉換、匯集等處理后形成。

滑坡區(qū)地勢整體北高南低，覆蓋層厚度小，山坡坡頂邊坡可見基巖出露(圖1)。滑坡后緣五星學校施工現(xiàn)場地面高程151～152 m，前緣高程122 m，相對高差29～30 m，一般坡度約為30°～35°，滑坡平面形態(tài)上呈半橢圓狀，后部呈弧形?；驴v向上坡度大體相等，前緣-中部陡，后緣緩?；麦w寬約170 m，縱長約55.5 m，滑坡體體積約9.4×104 m3，滑坡主滑方向115°，滑坡類型為小型淺層牽引式土質(zhì)滑坡。

2）專題數(shù)據(jù)集。在整合數(shù)據(jù)庫的基礎上，針對特定領域創(chuàng)建的數(shù)據(jù)視圖，由用戶自定義創(chuàng)建并維護。

3）整合元數(shù)據(jù)庫。通過添加整合數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)集的背景數(shù)據(jù)，對基礎元數(shù)據(jù)進行重新整理形成整合元數(shù)據(jù)庫。

2.4 共享層

共享層匯集原始層、基礎層和綜合層產(chǎn)生的最終數(shù)據(jù)，包括基礎數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等最終產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品通常按照加工程度和應用角度分類，一般分為中間產(chǎn)品、最終產(chǎn)品或常規(guī)數(shù)據(jù)、服務數(shù)據(jù)。

中間產(chǎn)品指經(jīng)過部分處理，例如各類裝備在保障過程中各類過程數(shù)據(jù)就是中間數(shù)據(jù)產(chǎn)品。最終產(chǎn)品可以直接使用，它可以是一個數(shù)據(jù)視圖或是一個計算、統(tǒng)計結果，產(chǎn)生來源可以很多，包括數(shù)據(jù)庫讀取或數(shù)據(jù)分析挖掘的結果。

常規(guī)產(chǎn)品指日常數(shù)據(jù)處理生成的數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)模式、時間和數(shù)量較為穩(wěn)定，使用范圍較廣。在常規(guī)產(chǎn)品基礎上，根據(jù)用戶需求生成的定制數(shù)據(jù)稱為服務數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3 關鍵技術

3.1 體系結構規(guī)劃技術

裝備保障數(shù)據(jù)體系結構的作用是從整體上構建裝備保障數(shù)據(jù)應用的軟件框架和軟件總線標準，對系統(tǒng)的功能模塊、接口、軟件、信息流程、人機交互進行統(tǒng)一規(guī)范。體系架構采用SOA 方法，各功能模塊獨立設計，通過服務總線進行集成。系統(tǒng)中的所有模塊和業(yè)務流程都需要調(diào)用數(shù)據(jù)，因此一個模塊的功能不能僅限于某一個具體的業(yè)務過程，其功能應該是通用的、獨立的，一個具體的業(yè)務流程應該是對這些功能模塊的再組合，從而實現(xiàn)業(yè)務功能動態(tài)重組。

SOA 本身是一個多層的服務平臺，包含了各個信息中心的業(yè)務模塊，并基于共享服務平臺提供服務的共享和信息的互通。各個數(shù)據(jù)中心的共享服務平臺端點，不管其部署位置，都通過中間件連接到SOA 服務，并通過服務總線實現(xiàn)信息交換、服務調(diào)用。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量管控技術

數(shù)據(jù)質(zhì)量是裝備保障數(shù)據(jù)體系能否實現(xiàn)建設目標的關鍵因素之一[14]，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響到裝備全壽命管理任務的完成質(zhì)量，主要包括數(shù)據(jù)質(zhì)量評估技術、數(shù)據(jù)清洗技術、數(shù)據(jù)集成技術、數(shù)據(jù)審核技術、數(shù)據(jù)增強技術等。

1）數(shù)據(jù)質(zhì)量評估技術

采取一種數(shù)據(jù)質(zhì)量績效管理方法，有利于呈現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理與組織信息相關活動的銜接情況。許多組織面臨的挑戰(zhàn)是，數(shù)據(jù)管理的發(fā)展與功能應用需求一樣，往往是事后彌補。數(shù)據(jù)分析員開始作為企業(yè)資產(chǎn)來評判數(shù)據(jù)的組織價值，暴露的差距說明了煙囪式業(yè)務應用收集的功能需求和良好數(shù)據(jù)管理實踐之間的分歧。評估并解決這種分歧的一個方法是評價與數(shù)據(jù)質(zhì)量實踐相關的當前成熟度等級，之后設定一個最能滿足組織需求的目標成熟度等級。反之，這種方法將此愿景定為一種比較標準，用于對一個組織的成熟度與其他組織的工作方法進行比較，找出不足，并尋求提高。

針對具體的裝備數(shù)據(jù)質(zhì)量評估任務，首先要構建適當?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量指標體系，指標體系的構建可以看成對完整的數(shù)據(jù)質(zhì)量維度分層結構進行選擇或裁剪的過程。數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法主要有定性方法、定量方法和綜合方法[15]。

2）數(shù)據(jù)清洗技術

由于大量數(shù)據(jù)已脫離數(shù)據(jù)獲取環(huán)境，不可能重新獲取或返回修改，需要通過數(shù)據(jù)清洗提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題包括重復記錄，邏輯錯誤、異常數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)清洗一般流程包括數(shù)據(jù)檢測、錯誤分析、數(shù)據(jù)修正。數(shù)據(jù)清洗是一個代價高昂的過程，需要花費大量的資源，相當?shù)墓ぷ餍枰斯そ换ナ降赝瓿?，如何提高?shù)據(jù)清洗效率、增加數(shù)據(jù)清洗的自動化水平是數(shù)據(jù)清洗技術的研究重點之一。

3）數(shù)據(jù)審核技術

數(shù)據(jù)審核是數(shù)據(jù)質(zhì)量管理與控制的手段之一。數(shù)據(jù)審核通過制定審核規(guī)則（數(shù)據(jù)一致性、完整性、規(guī)范性等），對數(shù)據(jù)進行校驗審核，發(fā)現(xiàn)錯誤并修正。在裝備保障數(shù)據(jù)建設時，按照確定的數(shù)據(jù)需求，一方面通過數(shù)據(jù)采集工具進行新錄入數(shù)據(jù)的采集，另一方面對需要的歷史數(shù)據(jù)進行轉換集成。因此我們需要有一個部署于系統(tǒng)之上的數(shù)據(jù)審核角色來推動數(shù)據(jù)審核過程的不斷發(fā)展，并與管理決策層建立起必要的溝通渠道，以不斷完善數(shù)據(jù)管理規(guī)范，并促進全面數(shù)據(jù)質(zhì)量管理體系的建立。

4）數(shù)據(jù)增強技術

在數(shù)據(jù)應用過程中，各種應用會頻繁復制修改數(shù)據(jù)，導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量重復使數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴重下降，為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，基于多源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)增強技術，通過尋找多數(shù)據(jù)源之間的共性，采用基于沖突值的質(zhì)量評估方法合并重疊數(shù)據(jù)源來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 裝備保障數(shù)據(jù)體系應用

4.1 在裝備保障指揮中的應用

裝備保障指揮是一項集戰(zhàn)場技術偵察、裝備維修、器材彈藥供應等工作的指揮決策于一體的復雜性工作，保障數(shù)量多、型號多、環(huán)節(jié)多、時效性要求高、決策難度大[16]。隨著裝備保障信息化建設大力發(fā)展，裝備保障數(shù)據(jù)量成指數(shù)級增長，信息類型繁多，對數(shù)據(jù)的處理能力提出了更高的要求。通過構建裝備保障數(shù)據(jù)體系，實現(xiàn)海量裝備數(shù)據(jù)的積累，快速完成數(shù)據(jù)的價值提煉，篩選裝備保障指揮的有效信息，為指揮員科學決策提供支撐。

以裝備維修保障指揮為例，流程圖如圖3 所示。下級報告當前裝備損壞及分布情況，系統(tǒng)進行自動戰(zhàn)損評估，計算出當前各級所需維修能力；系統(tǒng)根據(jù)各級維修力量的數(shù)量及分布計算出各級現(xiàn)有維修能力；根據(jù)當前各級現(xiàn)有維修能力和所需維修能力，并結合當前戰(zhàn)場態(tài)勢及首長決心，通過裝備保障數(shù)據(jù)體系，系統(tǒng)能夠快速生成優(yōu)質(zhì)的裝備維修保障方案。

圖3 裝備維修保障指揮流程圖Fig.3 Equipment maintenance support command flow chart

4.2 在裝備故障預測中的應用

裝備故障預測是指根據(jù)裝備當前的使用狀態(tài)，結合裝備的參數(shù)特性、使用環(huán)境及歷史參數(shù)，對裝備可能出現(xiàn)的故障進行分析預判，列出可能出現(xiàn)的故障類型、嚴重程度、故障位置、故障原因和可能后果，以便采取措施，預先消除隱患，保障作戰(zhàn)和訓練任務順利完成[17–18]。

隨著裝備保障信息化水平的不斷提高而帶來的海量的裝備故障信息，給開展裝備故障預測工作帶來了新的挑戰(zhàn)。通過構建裝備保障數(shù)據(jù)體系，對海量裝備信息進行聚合，采用統(tǒng)一規(guī)范的方式進行數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)提取、去偽存真、去粗求精，消除數(shù)據(jù)誤差，挖掘出數(shù)據(jù)的潛在價值和數(shù)據(jù)關聯(lián)性，建立定量數(shù)據(jù)模型，掌握裝備故障發(fā)生特點規(guī)律，對故障進行提前預測。裝備故障智能預測流程如圖4 所示。

圖4 裝備故障智能預測流程圖Fig.4 Flow chart of intelligent prediction of equipment failure

5 結語

裝備保障數(shù)據(jù)體系構建是一項全局性的系統(tǒng)工程，站在裝備全過程數(shù)據(jù)管理全局、數(shù)據(jù)服務全局的高度，進行多方位、多視角的審視，對裝備保障數(shù)據(jù)的建設進行全盤的設計，形成一個完整的、涵蓋了裝備全壽命過程的裝備保障數(shù)據(jù)體系，能夠為提升裝備保障信息化水平提供理論和技術支持。