炮兵偵察校射無人機維修仿真模型需求探析

李 燦，侯興明，杜 泰

（1.航天工程大學，北京 101416；2.中國人民解放軍31677部隊，北京 101200）

炮兵偵察校射無人機裝備研發(fā)技術(shù)先進、價格昂貴、自動化程度高，維修保障的重要性日益突出。無人機裝備在工作過程中出現(xiàn)故障，可能引起不可預測的安全事故及次生災難。然而長期以來，在訓練場地、訓練器材、訓練方式的約束下，尤其是無人機日常訓練一般需要結(jié)合實裝展開，使得訓練開展的效率不高、代價較大、內(nèi)容不全面，只能對一些簡單科目進行反復訓練[1]。為此，提出有效的維修保障對策和措施，積極探索利用維修仿真模型展開相應的操作，進一步提高無人機維修保障人員技術(shù)水平，是當前亟待解決的現(xiàn)實問題。無人機維修仿真模型不僅可實現(xiàn)無人機整機系統(tǒng)功能性的仿真模擬，而且可結(jié)合無人機裝備的運行工作原理、故障發(fā)生機理、特情環(huán)境影響因素等，進行真實、準確的可視化仿真模擬。為此，開展無人維修仿真模型的需求分析，將使得無人機裝備維修仿真系統(tǒng)設計邏輯更加清晰，維修保障訓練和實戰(zhàn)效能也將大幅提升。

1 無人機維修仿真模型的可行性

1.1 設計必要性

從無人機管理軟件現(xiàn)狀來看，雖然目前市場上充斥著各種各樣的無人機管理軟件，但這些軟件在實際應用中一般都存在著這樣或那樣的問題：有的軟件實用性不強，用起來總是不得心應手；有的無人機管理軟件大而全，許多基層單位根本不需要那么多的功能，一次投入大量的資金，卻只有少數(shù)功能被使用；有的軟件對硬件環(huán)境和使用者的計算機操作水平要求很高，致使基層部隊在購買無人機軟件的同時，需要花大量的資金購買配套硬件并組織人員培訓，甚至有時使用者由于操作困難而產(chǎn)生一定抵觸情緒，以至收效甚微。為此，有必要研究設計一套適合炮兵基層部隊的偵查校射無人機維修仿真系統(tǒng)，這對于提升無人機維修保障能力具有較強現(xiàn)實意義。

1.2 經(jīng)濟可行性

從炮兵部隊無人機維修保障信息化建設本身來看，不同單位應該根據(jù)自身的特點、裝備維修信息化需求的不同程度，有步驟、有選擇地逐步實現(xiàn)維修保障信息化。應從小的、實用的、迫切需要的方面入手，保證每個維修保障信息化步驟都能達到預期效果，每一次投入都能得到預期的回報。因此，無人機維修仿真系統(tǒng)不一定要完全覆蓋其全壽命周期的各個環(huán)節(jié)，結(jié)合自身需求，充分利用開源代碼進行設計，大大節(jié)約了成本開支。

1.3 技術(shù)可行性

從炮兵基層部隊對無人機維修的技術(shù)需求來看，可以抽取維修保障中較為重要的和緊需的實踐部分，去掉較為次要的具體研發(fā)技術(shù)部分，有選擇地簡化數(shù)據(jù)要求，即開發(fā)一個既實用又投入較低的軟件，這種軟件開發(fā)對技術(shù)的要求不是很高，同時又具有很好的實用性和可擴展性。另外，從炮兵部隊維修保障分隊經(jīng)驗來看，由于部分維修技術(shù)官兵已經(jīng)從事多年的裝備維修保障工作，對裝備維修保障工作本身有一定的認識和見解，并對無人機對維修保障及作戰(zhàn)訓練信息化的要求也較為了解，尤其結(jié)合部隊官兵整體學歷大幅提升的現(xiàn)狀，選拔具有較好編程能力的官兵進行統(tǒng)籌開發(fā)設計，切實將研究技術(shù)成果投入到實際的無人機裝備維修保障工作中。

1.4 應用可行性

從無人機維修仿真系統(tǒng)本身來看，該軟件一般包括基本維修理論、零部件拆卸流程、維修工具使用方法、故障診斷維修等部分，單位不同，對這些子系統(tǒng)或模塊功能要求的粒度大小也不同。從基層營連使用者的角度出發(fā)，開發(fā)的仿真系統(tǒng)主要考慮操作的便捷性及敏捷高效的實用價值，所以設計的炮兵偵查校射無人機維修仿真系統(tǒng)應該在操作過程中使方法步驟一目了然，用起來簡單方便，對口業(yè)務官兵也無需經(jīng)過專門的培訓，只需經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員基本示范后便可立即上手。同時，系統(tǒng)中的主要內(nèi)容和功能都是經(jīng)過無人機維修分隊結(jié)合無數(shù)次實際飛行、多次演習得來的實踐經(jīng)驗，所發(fā)現(xiàn)的問題、提出的解決方案和維修的操作方法步驟都具有較大的實際意義，顯然，系統(tǒng)開發(fā)從應用層面來說是可行的。

2 無人機維修仿真模型的功能需求

2.1 可分解整機內(nèi)部

通過維修輔助系統(tǒng)，操作人員可分解查看無人機任一分系統(tǒng)，按照標準操作流程進行模擬拆裝訓練，在訓練專用的教學裝備沒有列裝到位前，盡可能地減小對實飛裝備的損耗。通過無人機維修仿真輔助系統(tǒng)進行拆裝訓練，可有效解決只敢看不敢拆、拆下來裝不上、裝上去用不了的問題，參訓人員可以反復訓練多次實踐，系統(tǒng)了解“控制及無線電艙”“任務設備艙”“發(fā)動機艙”等詳盡構(gòu)造，加深對裝備的構(gòu)造理解，熟悉裝備維修的操作流程。

2.2 可更換功能部件

當實裝出現(xiàn)故障后，不再只依靠反復拆卸換件進行排查，而是利用無人機仿真模型進行輔助維修。通過在系統(tǒng)內(nèi)對相關(guān)部件進行故障設定和更換，采取分段法或替換法等方式篩查故障點，避免了排查故障造成的設備二次損害，節(jié)省了拆裝分析的時間消耗，作業(yè)效率甚至可提升約70%。同時，無人機系統(tǒng)構(gòu)造復雜、技術(shù)含量較高，單一機型僅航空插頭就不低于32個，每個插頭平均有近20個針孔[2]，當設備內(nèi)部出現(xiàn)故障后，借助無人機維修仿真輔助系統(tǒng)可迅速厘清線路間關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高維修作業(yè)效率。

2.3 可設定硬件故障

炮兵基層部隊在進行無人機維修作業(yè)模擬訓練時，可利用系統(tǒng)模擬設置包括發(fā)動機、機體結(jié)構(gòu)、任務設備、整機電路、航空電子器件在內(nèi)的5大類總計60余項常見故障。在實飛之后，更可以根據(jù)飛行記錄還原飛行中各項備份數(shù)據(jù)來進行飛行復盤，同時具備展開綜合航電計算機、機載射頻前端、光纖捷聯(lián)航姿裝置等20多個電子部件“故障排除”科目訓練的能力。在提升部隊維修能力的同時，還能有效避免維修過程中發(fā)生精密儀器易損壞的問題。

2.4 可演示維修全程

炮兵偵查校射無人機維修仿真模型是一個三維信息交互培訓系統(tǒng)，能夠全方位多視角實現(xiàn)對維修人員的培訓與考核。其中最重要的是能夠動畫演示無人機常見故障檢測、診斷、尋因和維修過程，即使用設備、工裝、工具和調(diào)試軟件對無人機進行配件選型、裝配、調(diào)試、檢修與維護。演示的偵察校射無人機裝調(diào)檢修具體工作包括6個環(huán)節(jié)[3]：①演示無人機各功能模塊維護保養(yǎng)和配件選型的步驟；②演示按照裝配視頻或圖紙，使用專用工具進行整機裝配；③演示通過相關(guān)調(diào)試軟件和工具，進行無人機系統(tǒng)與功能模塊聯(lián)調(diào)與測試的方法；④演示使用專用檢測儀器及軟件進行無人機各系統(tǒng)檢測、故障分析和診斷的案例；⑤使用相關(guān)工具，根據(jù)故障診斷結(jié)果進行無人機維修；⑥演示使用專用檢測工具和軟件對修復后的無人機進行性能測試的方法和達標判斷標準。

3 無人機維修仿真模型的性能需求

3.1 內(nèi)容真實性

無人機維修仿真模型中所涉及到的所有維修與訓練的操作都應當符合《無人機維修大綱》及無人機裝備設計的標準要求，同時，在系統(tǒng)設計開發(fā)過程中所涉及到的相關(guān)計算機硬件和軟件，都要符合部隊日常習慣和行業(yè)標準，其內(nèi)嵌的“故障設定”與“特情模擬”等模塊必須符合實際操作規(guī)程與作業(yè)標準，即所有的功能實現(xiàn)均是在實際操作取得較好效果的前提下去開展。在進行無人機維修仿真模型的各類子系統(tǒng)設計時，要將涉及到的裝備零部件按照標準尺寸錄入到數(shù)據(jù)庫中；在進行故障模擬時，要將故障原因和故障現(xiàn)象盡可能真實地展示出來，同時要將該故障所帶來的關(guān)聯(lián)故障一并進行模擬；在進行數(shù)據(jù)庫開發(fā)時，要將基層部隊前期進行的海量實踐記錄與經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合各個單位合力充實到數(shù)據(jù)庫中，使寶貴的實飛經(jīng)驗以及故障情況尤其是險情處置能夠取得效益最大化，使維修經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為保障能力，進而提高戰(zhàn)斗力。

3.2 平臺通用性

開發(fā)成功的無人機維修仿真模型將成為基層無人機部隊日常訓練以及維修檢修最主要的工具和手段，尤其當前基層部隊無人機裝備正處于整合統(tǒng)型的階段，例如之前將JWP-01A型炮兵偵察校射無人機、邊海防巡邏無人機等均整合為KVB-001B型近程通用型無人機，之前將JWP-02型炮兵偵察校射無人機等中程無人機均整合為KVB-802A型中程通用無人機。因此，所構(gòu)建的無人機維修仿真模型同樣必須具備很強的通用性，以匹配已列裝或即將列裝的無人機裝備。具體而言，數(shù)據(jù)庫機型要全，能夠滿足不同基層部隊的不同無人機維修需求；訓練內(nèi)容要全，能夠覆蓋目前《無人機維修大綱》所要求的無人機系統(tǒng)維修的全部科目及內(nèi)容；案例要素要全，能夠滿足各種條件下故障排查及診斷的需求，甚至在特情下故障處理的模擬需求。當然，無人機維修仿真模型還需要在具有通用性的開發(fā)平臺上搭建，以滿足其他系列無人機裝備訓練平臺的可移植性需求。

3.3 界面友好性

無人機維修仿真模型在構(gòu)建過程中，要充分考慮界面友好性，在設計系統(tǒng)硬件、軟件時，要充分考慮參訓人員、使用人員的學習規(guī)律和特點，為參訓人員提供個性化的學習、訓練環(huán)境。同時，無人機維修仿真模型的使用對象，是具有一定無人機專業(yè)基礎知識的基層官兵，這就要求系統(tǒng)能夠提供友好的用戶接口和簡潔易操作的人機界面。例如，系統(tǒng)應該盡量使用用戶熟悉的術(shù)語和中文信息的界面，在界面設計時不必增添過多的界面提示，但是在必要的步驟必須有相應驗證和提示信息；針對用戶可能出現(xiàn)的使用問題，還能提供視頻演示幫助，縮短用戶對系統(tǒng)熟悉的過程，使用戶可以從系統(tǒng)編配后即可上手使用。同時，由于該模型是現(xiàn)役裝備的仿真模型，在設計時，要求特定的數(shù)據(jù)查閱時也需要有校驗信息，如登錄用戶驗證和后臺參數(shù)查詢等。

3.4 系統(tǒng)可擴展性

模型在開發(fā)過程中，應該充分考慮以后的可擴展性。裝備修理人員查詢的故障處理需求會不斷更新和完善，這就要求系統(tǒng)提供足夠的功能裕度和擴充空間。系統(tǒng)的可擴展性主要包括數(shù)據(jù)庫的可擴展性和應用的可擴展性。通過無人機維修仿真模型，基層部隊官兵可以反復對某些不可重復操作的部件進行拆卸，對易損部件、元器件維護進行反復觀摩練習，對復雜零部件進行模擬分解結(jié)合，對只能通過實飛才能遭遇的特殊故障進行模擬、慢放、分析、處置訓練，減小實裝所受的非必要損耗，使受訓者能夠熟練掌握并運用維修、保養(yǎng)、維護方面的基本知識和步驟方法。顯然，要實現(xiàn)這一點，必須通過先進的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)將無人機系統(tǒng)各階段的健康情況完整地記錄存檔，為構(gòu)建數(shù)據(jù)庫提供準確真實的數(shù)據(jù)[4]，從而對歷史維修保障數(shù)據(jù)進行不斷擴充，能夠具有一定的使用擴展性和冗余設計能力。為此，維修保障模型應是一個開放系統(tǒng)，既可以不斷將新的維修保障案例添加到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，又可以通過相關(guān)接口和業(yè)務規(guī)則的擴展，增加或減少軟硬件模塊配置，為半虛擬半實物的維修保障訓練模式提供一定的發(fā)展空間。

4 結(jié)束語

無人機作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中新型作戰(zhàn)力量的代表裝備，其維修保障已經(jīng)逐步深入到基層部隊末端。根據(jù)炮兵偵察校射無人機裝備在基層部隊維修保障的現(xiàn)實需求，提出開發(fā)設計一個無人機維修仿真模型系統(tǒng)，并對該模型的可行性、功能需求、性能要求進行了綜合分析，旨在通過無人機維修仿真模型的實現(xiàn)與使用，使得基層無人機分隊保障更加系統(tǒng)全面、操作更加便捷安全、維修更加專業(yè)高效，切實提升無人機裝備作戰(zhàn)效能。同時，無人機裝備維修保障是一個復雜的系統(tǒng)工程，尤其在智能運維檢修方面將是下一步研究的重點。