航空装备智能保障系统综述

摘要：随着智能化前沿技术的迅猛发展与广泛应用，航空装备正在向智能化方向发展，其保障系统也将通过智能化技术赋能实现进化发展。面向下一代航空装备的使用需求，以智能化技术为牵引，分析了航空装备智能保障场景，捕获了智能保障系统的能力需求，在此基础上提出了由全面态势感知、智能保障决策、自主作业执行、智能监督控制组成的航空装备智能保障系统功能以及分层架构，研究了智能保障系统的关键技术，并对应用智能化技术的收益与风险进行了分析，为航空装备智能保障系统的研制与应用，进而实现精确、敏捷、经济的保障提供了支持。

关键词：保障系统；智能；航空装备；决策；感知；执行；监督

以人工智能、大数据、云计算等为代表的前沿技术正在引领诸多领域产生颠覆性变革[1-3]，未来战争形态将向智能化战争转变，武器装备也在广泛探索应用智能化技术[4]，智能化技术同样为装备保障系统的赋能和发展提供了先决条件。本文面向下一代航空装备的使用需求，针对保障方案规划不合理、保障作业效率低下、保障资源延误时间长、人员训练与实战脱节等航空装备保障系统存在的实际问题，以智能化前沿技术为基础，开展以“智能”为特征的航空装备保障系统研究，为实现精确、敏捷、经济的保障提供技术支持。

1智能保障系统能力需求

1.1航空装备智能保障场景。智能保障系统典型应用构想包括智能保障决策、智能使用保障、智能机库维修、智能资源调度、智能训练保障等。1.1.1智能保障决策。针对保障方案规划不合理的问题，智能保障决策应用人工智能技术，将人在决策过程中用到的知识、经验固化到系统中，基于装备状态、保障资源状态、任务状态、环境状态等全面态势感知信息，根据作战任务或平时训练需求，对何时、何地、做什么、怎么做、用什么做等问题进行决策，自动生成保障方案。（1）平时训练保障智能规划：根据训练任务需求，装备部署情况，可靠性、维修性、保障性等通用质量特性设计水平等信息，自动规划保障方案，包括定检任务智能优化、视情维修自主决策、人员训练智能规划等。（2）作战任务保障方案自主生成：针对不同的作战使用要求和保障能力需求，自动规划作战任务保障方案，包括装备优选、保障资源需求预测、保障计划自主生成等。1.1.2智能使用保障。针对使用保障作业效率低下的问题，智能使用保障应用人工智能、机器人等技术，实现精确化、无人化的充、填、加、挂与维护检查等并行开展的一体化使用保障。（1）无人维护检查：利用无人机对航空装备外表面进行自动巡检，确定是否存在涂层脱落、金属材料开裂、复合材料分层等情况；利用机器人对航空装备内部难以接近的狭小/异形空间进行自主检查。（2）智能挂弹：应用机器视觉技术、轨迹规划技术、惯性导航技术等，实现复杂空间挂点位姿参数的快速辨识、挂点检测误差修正，自主控制举升机构完成导弹/炸弹的挂装作业。1.1.3智能机库维修。针对维修保障作业效率低下的问题，智能机库维修综合运用数字孪生、云计算、机器人、物联网等技术，实现从飞机入库前的状态模拟和维修决策，到飞机入库后的自动检测和智能维修的全过程保障。（1）装备状态实时模拟。数据实时共享在数据云平台中，应用“数字孪生”模型和方法，对飞机状态进行实时模拟。通过大数据分析和算法，预测剩余寿命或故障，并自主给出部件维修任务决策。维修任务决策通过物联网，自动发送至外场维护中心，进入机库进行维修。（2）自动激光扫描。机库门上的三维激光扫描仪对飞机各系统的健康状态及故障与损伤情况进行深度扫描，生成全机健康状况检查数据报告。（3）机器人、无人机进行自动检测，自动生成3D数字检测报告。（4）智能维修任务卡自动生成。3D数字检测报告并自动上传至云平台，发送到远程维修工程中心。依据大数据技术和人工智能技术，在云平台自主整合交互式电子技术手册（IETM）中的维修、排故等信息，生成电子智能维修任务卡，并发送至维修工程师穿戴式维护终端设备。（5）维修任务分配与调度。机库维修技术人员在任务台读取任务卡，并根据各自专业，自主“认领”维修任务。任务认领完毕后，自动上传至数据云平台。维修任务调度中心在云平台读取到飞机数据、维修任务卡信息、维修人员信息等，通过物联网，将备品、备件、工具等维修资源需求自动下发到相关部门。（6）基于增强现实的维修。维修人员带上增强现实AR眼镜等可穿戴设备和智能工具箱，对故障产品进行维修。（7）故障件自动运输与状态跟踪。GPS跟踪器安装在故障返修件中，应用机器人与物联网技术，自动对故障件进行运输与返修状态跟踪。（8）数据库更新完成维修后，所有信息同步上传至云平台，在数字孪生模型中继续对飞机进行全时检测与运行模拟。1.1.4智能资源调度。针对保障资源延误时间长的问题，智能资源调度利用物联网[6]、大数据技术及新一代人工智能技术，实现数据流程与后勤保障流程无缝链接并相互驱动，自动感知保障资源需求，并实现保障资源的自主筹措和动态调度。（1）飞机调度。在态势感知的基础上，根据任务需求及飞机健康状态和梯次使用要求，选择合适的飞机参与作训任务。（2）本场维修资源调度。当飞机还在空中飞行时，利用物联网技术将故障预测与健康管理（PHM）系统预测的飞机故障和健康状态信息自动传输给地面的维修站和后勤补给系统，使其提前准备好相应的备件、保障设备、技术资料、维修人员等，当飞机降落后便可快速进行维修，缩短维修时间，提高飞机的出动强度。（3）保障资源调度。在维修及转场准备过程中存在本场保障资源短缺时，可基于全资可视化、地理信息系统、智能物流、无人装卸与运输等技术，实现供应点选择、运送路径规划、自动集装、自主运输等资源自主调度功能。1.1.5智能训练保障。针对人员训练与实战脱节的问题，智能训练保障面向作战任务需求，应用数字孪生、场景建模仿真等技术实现对作战场景的逼真模拟，运用虚拟现实技术保证人员的沉浸式交互，基于云平台完成不同空间空/地勤人员的协同训练，并可基于任务需求和人员现状定制推送个性化训练方案。（1）全任务虚拟作战训练：为保证执行任务的成功率，智能保障系统针对各种任务构型，为保障人员生成训练方案，利用虚拟/增强现实技术实现在不动用装备的情况下完成虚拟作战训练。（2）全对象分布式联合训练：航空装备保障站点分散、保障资源种类多，智能保障系统模拟综合作战环境，结合装备的任务构型，自主推理生成保障流程，实现跨区域空/地勤人员的分布式联合训练。1.2智能保障系统能力需求。面向航空装备智能保障场景，捕获智能保障系统的能力需求，可归纳为全面态势感知、智能保障决策、自主作业执行和智能监督控制等方面的能力。（1）全面态势感知能力：借助PHM系统、全资可视化、数字孪生模型等手段，全面感知装备健康状态、作战任务需求、装备部署情况、保障资源需求等信息，为智能保障决策提供输入。（2）智能保障决策能力：利用人工智能技术，使保障系统能模仿人的智能，具有思维、学习、推理判断和自行或辅助解决保障问题的能力。（3）自主作业执行能力：综合运用机器视觉听觉感知、无人操作智能控制、无人机、自动驾驶、物联网、虚拟/增强现实、云平台等先进技术，在使用和维修保障活动中高度实现无人化，由“智能机器”代替“人”进行自主作业，在训练和供应保障过程中全面实现信息化和智能化。（4）智能监督控制能力：在保障系统运行过程中能对各保障流程和环节进行实时监控，能主动发现问题并进行自主排查和优化。

2智能保障系统方案

航空装备智能保障系统是面向装备作战任务与平时训练场景，应用人工智能、大数据、物联网、增强现实等智能化技术，具备全面态势感知、智能保障决策、自主作业执行、智能监督控制等能力的保障系统，其方案包括功能组成和技术架构两方面。2.1智能保障系统功能。对应于航空装备智能保障系统能力需求，智能保障系统的功能组成如图1所示。2.1.1全面态势感知功能。全面态势感知功能，由装备态势感知、保障状态感知、环境状态感知、任务状态感知等功能组成。（1）装备状态感知功能，包括对装备实时状态的感知、历史状态的追溯以及未来状态的预测等功能。（2）保障状态感知功能，包括对备件、保障设备工具、人力人员等保障资源种类和数量等状态感知功能。（3）环境状态感知功能，包括对地理、气候等自然环境及战场环境状态的感知功能。（4）任务状态感知功能，包括对作战任务、训练任务状态的感知功能。2.1.2智能保障决策功能。智能保障决策功能，由作战任务保障方案自主生成、平时训练保障智能规划等功能组成。（1）作战任务保障方案自主生成功能，包括装备优选、维修任务预测、保障资源需求预测、动态资源调度规划、保障作业计划生成等功能。（2）平时训练保障智能规划功能，包括梯次使用智能规划、预测性维修自主决策、资源补给智能规划和人员训练智能规划等功能。2.1.3自主作业执行功能。自主作业执行功能，由自动使用保障、自动检测与维修、智能作业支持、自主供应保障、智能训练保障等功能组成。（1）自动使用保障功能，包括自主加注/抽放燃油、自主充填气体与液体、自主充电、自主装载/卸载弹药、自主维护检查等功能。（2）自动检测与维修功能，包括自动全机扫描检查、自主结构修复、自主故障件拆装、空中自动检测与维修等功能。（3）智能作业支持功能，包括智能工卡生成与执行反馈、交互式作业支持、智能工具器材管控、实时返修状态反馈等功能。（4）自主供应保障功能，包括智能库存管理、资源自主筹措、资源自动配送等功能。（5）智能训练保障功能，包括作战场景仿真训练、个性化训练定制与推送等功能。2.1.4智能监督控制功能智能监督控制功能，由自主监控预警、智能评估优化、自动反馈改进等功能组成。（1）自主监控预警功能，包括装备健康状态监控与预警、任务形势监控与预警、保障资源消耗情况监控与预警等功能。（2）智能评估优化功能，包括保障效能评估与优化、保障资源适用性评估与优化、使用和维修保障过程优化等功能。（3）自动反馈改进功能，包括设计改进反馈、制造改进反馈、使用改进反馈、维修改进反馈、管理改进反馈等功能。2.2智能保障系统架构。智能保障系统采用分布式架构，开放灵活，即插即用，可集成应用人工智能、大数据、云计算等先进技术的业务功能。智能保障系统自底向上，分为支撑层、数据层、智能实现层和应用层，如图2所示。（1）应用层：面向系统用户，实现态势感知、保障决策、作业支持、监督控制等功能。（2）智能实现层：应用深度学习、神经网络、云计算、大数据等先进技术，实现统计分析、数据挖掘、预测推演、决策支持、结果生成等功能。（3）数据层：由数据库、模型库、知识库、范例库等组成，可通过集成接口与任务系统、产品数据管理系统等相关系统进行数据交换。（4）支撑层：由网络、计算资源、存储资源等硬件条件构成。

3智能保障系统关键技术

智能保障系统应用智能化前沿技术，使保障系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习、推理判断，自行或辅助解决保障问题的能力。应用人工智能、大数据、物联网、虚拟/增强现实等先进使能技术，航空装备智能保障系统的关键技术分析如下。（1）智能保障决策技术保障决策就是根据作战任务或平时训练需求，对何时、何地、做什么、怎么做、用什么做等问题进行决策，生成保障方案。智能保障决策则是应用智能化技术，将人在决策过程中用到的知识、经验显性固化到系统工具中，根据任务需求自动生成保障方案，或在制订保障方案的过程中为系统用户提供专家建议的辅助决策功能。（2）预测性维修技术预测性维修是基于装备状态和故障预测确定维修任务的先进维修方式[5]，相比于传统的修复性维修和预防性维修，预测性维修实现了主动、针对性维修，可在降低装备故障风险的同时保持较高的使用效率。预测性维修技术是由状态监测、故障诊断、状态预测、维修决策等一系列技术构成的技术体系，通过实时监控目标装备的健康状态，进行智能维修决策，确定维修保障任务，将航空装备维修方式从“被动式维修”转化为“主动式维修”。（3）数字孪生技术数字孪生技术包括数字孪生模型的构建与应用。数字孪生模型是装备物理实体在虚拟空间中的超写实动态模型，装备数字孪生模型的构建与应用，将成为未来装备研制生产与使用保障的主流模式[6]。通过创建每个航空装备实体的数字孪生模型，使装备实现个体化、综合化、可预测，从而实现装备的状态监控、使用和维修预测。智能保障系统通过应用数据孪生技术，结合装备健康管理技术与使用技术状态管理技术，可以实现全面的态势感知与预测功能。（4）自主供应保障技术自主供应保障技术基于物联网技术，综合应用全资可视化、增材制造打印[7]、智能物流等技术，实现保障资源的自主筹措、自动配送、库存管理等功能。在保障资源状态感知的基础上，基于物联网、全资可视化、3D打印等技术，实现保障站点优选、自主补给订货、备件/设备/工具的打印制造等资源自主筹措功能；基于地理信息系统、智能物流、无人装卸与运输等技术，实现运送路径规划、自动集装、自主运输等资源自动配送功能；基于大数据分析与趋势预测技术，实现保障资源的智能化库存管理功能。（5）交互式作业支持技术交互式作业支持技术是在保障人员进行维修保障作业时，利用人机交互技术将维修保障信息与实际设备进行叠加，为维修操作、故障诊断、故障预警提供实时可视、智能指导，可以有效减少维修保障时间，防止维修保障差错，降低对作业人员的技能要求。交互式作业支持技术结合数字孪生、交互式电子技术手册、增强现实（AR）[8]、远程支持以及可穿戴设备等先进技术，通过对维修保障数据的组织、建模、智能驱动和显示，以手势、视线聚焦、语音等多种自然人机交互方式为保障人员的维修、排故等作业提供可视化、智能化指导，实现技术资料的交互性和智能化。（6）自主检测与维修设备自主检测与维修设备是应用人工智能、机器人、无人机、图像声音和无线射频识别等先进技术，实现航空装备故障检测与定位、拆卸安装、原位修理、校验测试等保障功能的自动化地面保障设备，取代保障人员实施保障作业，实现无人、精确、灵活、快速的作业执行，可大幅提高维修保障作业效率，消除人员安全风险。（7）空中保障技术空中保障除了空中加油之外，还包括空中故障修复、战伤抢修等。应用无人机、机器人等技术，实现在空中对航空装备内部/外部的故障修复与战伤抢修作业，防止空中故障、战伤导致的装备坠毁、任务失败，提高装备安全性与任务成功率。

4智能保障系统效能分析

智能保障系统应用大量智能化前沿技术，其研发费用相比于当前装备保障系统将会成倍增加，它能够带来的收益分析如下。（1）提高保障决策的科学合理性。基于全面的装备健康与保障状态感知信息，应用人工智能、大数据等技术，可快速做出适应不同任务场景、不同使用环境的保障决策，给出科学合理的保障方案，提供适时、适地、适量的精确保障。（2）提高保障作业效率。应用机器人、无人机等智能化保障设备，以及基于AR的交互式作业支持工具，可有效缩短使用和维修保障作业时间，提高作业质量，并降低对人员数量和技术水平的要求。（3）提高保障资源供给效率。应用物联网、无人物流、3D打印等新技术，可实现保障资源的实时全程可视化、动态调度与自主补给，提供快速、灵活、及时的敏捷保障。（4）降低使用和保障费用。通过应用智能化技术，可实现保障资源的合理配置与快速配送，结合保障作业效率的提高与人员数量及技能要求的降低，可有效降低装备的使用和保障费用。（5）降低保障人员职业健康风险。应用机器人、无人机等智能化保障设备，使得保障人员避免或减少在有害环境下开展保障作业，可大幅降低保障人员的职业健康风险。在航空装备保障过程中，应用智能化技术的机器无法完全取代人，需要人机配合才能更好地完成保障任务。机器视觉、机器人等技术的迅猛发展，使得态势感知、保障作业等逻辑清晰、重复性强、工作量大的能力适合由机器来完成，而需要考虑多维度复杂因素、承担责任后果的保障决策、监督控制等能力，则适合由机器提供辅助，由人来最终完成。智能化技术的应用在带来巨大收益的同时，也存在一定风险。以深度学习为代表的智能化技术，由于其计算过程为黑盒操作，存在不可解释性问题，在实际应用中存在产生不可控结果的隐患。将来随着智能化技术的发展，将会逐步解决这个问题。

5结束语

本文从智能化前沿技术正在引领诸多领域产生颠覆性变革的发展趋势出发，结合当前航空装备保障系统存在的问题，将保障系统作为一个有机整体，从航空装备智能保障场景中捕获了保障系统的能力需求，进而研究了智能保障系统的功能与架构，分析了智能保障系统关键技术，对以“智能”为特征的下一代航空装备保障系统进行了探索研究。后续可基于各项关键技术的成熟度，研究航空装备智能保障系统的发展途径。

作者:周扬 曾照洋 周岩 林聪航 单位:1.空工业中国航空综合技术研究所 2.航空综合环境航空科技重点实验室