一种装备试验综合支持系统设计

陈俞龙，鞠进军，涂建刚，汪 辉

（陆军工程大学 训练基地工程装备系，江苏 徐州 221000）

0 引 言

装备试验是检验武器装备是否合格、管用、好用的重要环节，直接影响着武器装备战斗力的生成。装备试验是一项复杂的系统工程，从前期的试验准备到试验实施，再到总结评估都需投入大量的人力物力，存在试验考核指标体系科学构建难、试验科目合理设计难、试验数据全面采集难、试验装备综合评估难等现实问题。针对装备试验难点问题，国内开展了一系列研究，文献[4]研究了装备作战试验科目设计方法，从作战任务剖面和作战环境方面分析了试验科目的设计方法；文献[5]研究了试验现场装备总线数据和视频数据的采集与传输，忽略了装备其他类型试验数据的采集；文献[6]研究了水雷武器在役考核数据的采集与管理，没有对数据采集与评估技术进行深入研究。综合来看，目前在装备试验全过程支持方面开展的研究较少。本文研究设计了一种装备试验综合支持系统，可贯穿装备试验全过程，能够在试验设计、试验管理、数据采集与传输、综合评估等方面提供支持。

1 装备试验面临的主要问题

1.1 试验设计效率低

试验设计主要包括构建试验考核指标、设计试验科目、制定数据采集方案以及明确各类保障等内容，是装备试验任务顺利、有效开展的前提条件。试验设计是一个复杂的系统工作，涉及装备操作使用、维修保障、作战运用、部队行动、数据分析评估等多个知识领域，对知识需求量很大。试验设计人员在试验设计初期总感觉知识匮乏、无从下手，需要查阅大量资料，设计工作才能慢慢推进，整体设计效率比较低。另一方面，随着装备试验的不断开展，有关试验设计数据和经验越来越多，这些数据能够对新装备的试验设计提供有力的支持。但目前进行装备试验设计时，对已经开展的装备试验历史数据和经验复用率较低。

1.2 试验数据采集手段少

装备试验主要考核装备的作战效能、作战适用性、体系适用性、在役适用性等内容。试验数据类型多样，涵盖战场环境数据、作战效能数据、使用管理数据、维修保障数据、服役经济数据等，贯穿装备全寿命周期，这对数据采集手段与方法带来一定的挑战，而且装备试验是依托部队在近似实战条件下进行，具有行动节奏快、危险性高、突发性强等特点，对试验现场数据自动化采集手段提出了更高的要求。目前装备试验数据采集主要以人工采集为主，缺少自动化采集手段。

1.3 试验数据分析评估难度大

通过装备试验实施完成数据采集后，主要面临两个问题：

1）怎么存的问题。装备试验现场数据具有体量大、异构等特点，例如一次舟桥装备试验采集的数据量在50 GB左右，一次伪装网试验数量在100 GB左右；试验数据格式除包括数值型数据外，还有文本、语音、图片以及视频等非结构化数据。如何对大体量、多源异构试验数据进行集成与存储是装备试验面临的一个现实问题。

2）怎么评的问题。当前装备综合评估方法很多，如模糊综合评判、物元法、灰色理论、贝叶斯、神经网络等。如何根据装备试验数据特点选取合适的评估算法，能够真实有效地对试验装备进行综合评估是装备试验面临的一个难点问题。

2 系统总体架构

针对当前装备试验工作中存在的矛盾问题，系统应在试验任务设计、试验进程管控、数据采集、数据传输、数据可视化展示与分析以及综合评估等方面为装备试验提供综合支持，以进一步提高装备试验效率与可靠性。结合装备试验工作需求及流程、装备试验综合支持系统架构可概括为“五层两系”，“五层”依次为基础层、采集层、网络层、存储层以及应用层；“两系”包括安全保障体系和标准规范体系，其系统架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

基础层：主要完成装备试验评估指标体系的构建、试验科目与数据采集方案的设计，并明确各类保障需求等工作，为试验实施提供基础支撑。

采集层：根据前期试验设计方案，通过各类采集软件及硬件系统主要实现试验装备各类数据的采集，包括环境数据、电液信号、作业数据、机动数据、视频数据、运动轨迹及状态数据以及其他定性数据。

网络层：通过构建无线加密专网、北斗定位网等网络，主要实现试验装备各类数据的无线传输。

存储层：依托网络层，主要接收各类试验数据，对数据分类存储并构建各分类数据库的关联关系。

应用层：根据试验任务需求，主要提供试验现场指挥控制、数据态势显示与分析以及数据分析评估三类应用。

安全保障体系：按照安全等级保护的要求，从物理安全、网络安全、主机安全、应用安全等层面进行设计。

标准规范体系：主要指遵从军内各技术规范、数据规范等进行设计。

3 系统总体设计

根据试验任务特点和系统总体架构，该支持系统分为试验任务辅助设计分系统、试验任务管理分系统、多源数据采集分系统、无线实时传输分系统、即时通信分系统、数据态势显示分系统以及数据分析与评估分系统共7个分系统。该系统能够在任务准备阶段为试验设计、试验任务管理提供支持，在任务实施阶段为装备多源试验数据的采集、存储、实时传输以及数据态势显示提供支持；在总结评估阶段为试验数据分析与装备综合评估提供支持。

该系统应用流程为：任务准备阶段，利用基于案例的知识智能推送技术，试验任务辅助设计分系统能够辅助进行装备评估指标体系构建、试验科目设计、数据采集方案设计，并建立指标体系末级指标、数据项，试验科目、数据采集方案之间的关联，用以指导后续任务实施阶段的数据采集工作。待准备完毕，进入数据采集实施阶段，利用多源数据采集分系统及其设备，完成装备各类数据的采集与存储，依托考核现场无线传输网络和即时通信分系统，将各类数据传输至指挥中心，实现试验现场指挥控制以及各类试验数据的态势显示。数据采集完成后，对各类试验数据进行分类，导入数据分析与评估系统，利用多种评估算法对装备进行综合评估，生成评估报告。此外，可通过试验任务管理分系统实现对试验任务资源、试验任务节点等进行管控，进一步保证了试验任务的顺利进行。系统应用流程如图2所示。

图2 系统应用流程图

4 各分系统详细设计

4.1 试验任务辅助设计分系统

该分系统基于案例表示方法，对已开展的装备试验大纲、实施方案等文件资料进行梳理分析，研究评估指标、试验科目、数据采集方案的知识表示模型，建立相应案例库，在此基础上，研究不同类型知识的推理机制和检索呈现机制。在用户进行评估指标、试验科目以及数据采集方案设计过程中，能够捕获用户当前的知识行为，以相应的智能化推理机制为用户推送相关知识，提供试验设计相关建议，可有效提高试验设计效率。同时，在进行评估指标体系、试验科目以及数据采集方案设计过程中，建立末级指标、各数据项、试验科目以及数据采集方案之间的关联关系，为后续数据采集与评估奠定坚实的基础，其结构图如图3所示。

图3 试验任务辅助设计分系统结构图

4.2 试验任务管理分系统

该分系统主要对不同装备试验任务的基本信息、试验资源、装备试验任务节点、试验数据采集情况等进行管理。

4.3 多源数据采集分系统

该分系统主要用于装备试验各类数据的采集与存储，主要包括环境数据采集子系统、嵌入式数据采集子系统、基于北斗的装备运动状态采集子系统、机动数据采集子系统、手持式终端数据采集子系统、视频数据采集子系统以及问卷调查子系统等7个子系统。

1）环境数据采集子系统

该子系统主要用于采集与装备试验相关的战场环境条件数据，主要包括地貌、水文、天候、气象以及电磁环境等数据。

2）嵌入式数据采集子系统

该子系统主要实现装备电控信号自动采集，并实时传输于采集指挥中心。该子系统主要通过数据电缆将嵌入式硬件设备与装备控制柜数据接口相联，数据采集电路实时检测并采集装备的控制状态参数，解码电路将控制状态参数进行控制代码分析，逻辑规则分析电路对控制代码处理后，分析该装备的工作状态。以某型舟桥为研究对象，根据该型装备的结构特点，该子系统主要采集运载车电控信号和动力舟/锚定舟电控信号两部分数据，并对采集信号进行解码处理，分析装备工作状态及作业过程，进行作业动作模拟重现等可视化展示。

3）基于北斗的装备运动状态采集子系统

该子系统主要通过运用北斗RTK技术实现对移动目标的厘米级定位，实现装备运动轨迹数据以及作业装置移动状态数据的自动采集与传输。该子系统主要包括定位模块、便携式差分定位基站、轨迹显示平台三部分。定位模块主要安装于试验装备的特定位置，利用北斗定位系统实时采集装备或其作业装置的位置坐标、移动速度等状态信息。便携式差分定位基站主要用于数据的无线传输。轨迹显示平台主要接收实时定位数据，并根据数据特点构建数据过滤算法，对数据进行过滤清洗，实时显示装备或其作业装置单元的移动轨迹、移动速度等状态信息。

4）机动数据采集子系统

该子系统主要用于对装备远程机动过程中的数据进行采集，能够记录装备机动位置坐标、速度、海拔、行驶里程等信息，并将其运动轨迹可视化展现。该子系统采用定位芯片，通过与卫星定位系统结合记录并循环更新装备的机动情况。工作原理为：定位接收模块接收北斗卫星信号，将接收到的信号经过数据处理模块处理，采用C语言编写相关处理程序，提取需要的数据，主要包括日期、时间、经纬度、海拔、车辆行驶速度、里程等数据。

5）手持式终端数据采集子系统

该子系统主要用于试验现场装备作业数据的采集，并实时回传至指挥中心，主要包括装备操作人员数量及分工、装备数量及类型、装备现场作业数据、装备故障情况等数据。该子系统采用C/S模式开发，是一种两层结构的系统，第一层为基于Android系统的手持式采集终端，第二层为基于Windows操作系统的服务器。该子系统可根据装备试验数据采集需求，编制相应的数据采集项，应用ADB技术下发于基于Android系统的手持式采集终端。采集员通过手持式采集终端可在试验现场进行数据采集，并实时传输至采集指挥中心，提高了数据采集效率。系统数据流程图如图4所示。

图4 系统数据流程图

该子系统主要包括基础信息管理、采集方案管理、采集数据管理3个模块。基础信息管理模块主要对各类基础信息进行管理，包括试验装备信息、采集人员信息、用户信息以及数据字典等信息。其中，数据字典是对各类数据集合的描述与说明，包括数据类型、数据格式、从属关系等，为构建数据采集方案服务。采集方案管理模块主要用于针对不同试验装备的作业流程，可视化构建相应的数据采集方案，分发于手持式采集终端，满足不同装备、不同类型数据的采集需求。采集数据管理模块主要用于采集终端的数据回收与管理。

6）视频数据采集子系统

该子系统主要通过视频采集设备实时录制试验现场视频，通过传输介质传输到远端的采集指挥中心，通过地面固定视频和空中移动视频进行全方位、多角度作业视频数据的采集，辅助后期进行数据分析，同时也为数据分析结果提供了佐证。

7）问卷调查子系统

该子系统主要针对该型装备的定性考核指标，编制相应的调查问卷题库，分发于电脑终端。部队官兵可利用电脑终端进行答题，一方面实现了装备定性考核指标的数据采集，另一方面便于进一步对问卷调查情况进行统计分析。

4.4 无线实时传输分系统

该分系统以4G⁃LTE宽带移动通信系统为基础，在试验前通过架设无线基站设备构建试验现场无线加密网络，能够将试验过程中采集的多源试验数据（包括结构化数据以及语音、视频等非结构化数据）实时回传至指挥中心，其架构图如图5所示。

图5 无线传输分系统架构图

业务层主要指数据态势显示分系统，通过便携式基站连接各型终端。无线实时传输网络主要为数据态势显示分系统提供业务承载功能。交换层主要由交换机构成，是通信业务控制中心，交换层上联业务层，通过核心网下联基站；接入层由无线宽带通信网的中心站构成，接入层向上通过光纤接入核心网机，向下通过TD⁃LTE无线方式连接各型终端；终端层主要为无线传输网络的末端，主要指接入网络的各类数据采集设备。

4.5 即时通信分系统

该分系统用于试验实施阶段，实现指挥中心与采集人员的互联互通。数据采集过程中，采集人员能够通过手持式数据采集终端与指挥中心进行实时视频、语音、文字等信息的传输。该分系统采用UDP协议，依托无线专用网络，建立手持式终端与指挥中心之间的通信，其架构图如图6所示。

图6 即时通信分系统架构图

4.6 数据态势显示分系统

该分系统主要用于试验任务实施阶段，能够实时接收多源数据采集分系统采集到的各类环境数据、装备数据以及操作人员数据等，并将不同类型的数据进行分类存储，然后通过实时显示界面进行分类显示。对于手持式终端回传的装备作业时间、机动速度等数值型数据以柱状图、饼状图等可视化显示；对于嵌入式终端回传的信号数据能够进行解析，以解析数据驱动实时模拟再现装备通过电液控制的作业动作；对于北斗终端回传的定位数据能够进行过滤、清洗，实时模拟再现装备运动轨迹、作业状态等作业场景。同时，对于试验现场的环境数据、即时通信数据、视频数据等分屏展示，便于对整个试验现场数据采集工作的协调与控制。

4.7 数据分析与评估分系统

该分系统用于试验任务总结评估阶段，辅助试验人员对试验数据进行处理分析，完成对试验装备的综合评估。系统集成了多种常用的评估算法作为评估算法库，例如加权积、加权和、灰色白化权函数聚类法、模糊综合评判法、数据包络法、物元分析法等，并且需要在此算法库的基础上支持新算法的扩充，目前扩充的方式支持公式算子、JavaScript算子、R语言算子和DLL算子，均支持用自定义的方式制定自己的评估计算方法，可大大简化用户对于程序二次开发的流程，提升了评估任务中评估算法的灵活性和可移植性。其分析评估过程为：

首先将多源试验数据导入该分系统，对导入的数据进行预处理，主要对数据进行过滤清洗，去除奇异值、缺省值等；其次，根据试验任务辅助设计分系统构建的指标体系，获取与末级指标对应的各数据项的值；再根据各层级指标特点，选择相应的评估算法；接着对各指标权重进行设置；最后从末级指标依次向上评估，直到完成所有指标评估。评估流程图如图7所示。

图7 数据分析与评估分系统评估流程图

5 结 语

针对当前装备试验工作在试验设计、数据采集以及分析评估等方面存在的问题，结合装备试验工作流程及特点，本文研究设计了一种装备试验综合支持系统，构建了系统总体架构，明确了系统总体设计和应用流程，阐述了各分系统详细设计及其实现的技术路径。该系统已应用于某型舟桥装备试验考核任务，应用效果良好，能够为装备试验工作提供全过程支持。