王文智

（1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710072；2.航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安，710065）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,武器裝備也在不斷革新，武器裝備由過(guò)去的單一機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展為機(jī)、電、光以及軟件等綜合于一體的新型智能化產(chǎn)品。由于新型武器裝備快速列裝，可靠性驗(yàn)證不充分，同時(shí)，保障性設(shè)計(jì)和保障資源規(guī)劃不足，導(dǎo)致當(dāng)前武器裝備保障費(fèi)用高、修理周期長(zhǎng)、完好性差，傳統(tǒng)的保障模式已無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前武器裝備的發(fā)展。為滿足現(xiàn)役裝備的戰(zhàn)備完好性，降低壽命周期費(fèi)用[1]這一基本要求，武器裝備全壽命周期的綜合保障任務(wù)將更加艱巨，智能化的綜合保障決策體系建設(shè)變得尤為緊迫。

武器裝備綜合保障的決策通常要從大量數(shù)據(jù)中挖掘有用信息，傳統(tǒng)的基于可靠性的預(yù)測(cè)方法對(duì)部件的壽命分布有比較嚴(yán)格的假設(shè)，在實(shí)際應(yīng)用中受到很多限制；此外，武器狀態(tài)數(shù)據(jù)通常是多模態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)，難以直接用于決策學(xué)習(xí)過(guò)程。而以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)研究武器裝備在開(kāi)放環(huán)境中的維修、保障決策問(wèn)題，在解決海量復(fù)雜問(wèn)題、綜合保障的決策過(guò)程中引入數(shù)據(jù)分析，相比于傳統(tǒng)的知識(shí)決策對(duì)于智能化武器裝備的綜合保障決策更為重要。

1 武器裝備綜合保障體系與數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 武器裝備綜合保障體系未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著武器裝備復(fù)雜化、智能化、綜合化程度的不斷提高以及作戰(zhàn)樣式向一體化、聯(lián)合化、網(wǎng)絡(luò)中心化的轉(zhuǎn)變，裝備綜合保障也必須向綜合保障指揮網(wǎng)絡(luò)化、綜合保障體系一體化、綜合保障方式精確化、綜合保障手段智能化、綜合保障隊(duì)伍知識(shí)化進(jìn)行信息化轉(zhuǎn)型。因此亟需發(fā)展可支持現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中武器裝備綜合保障的人工智能決策支持系統(tǒng)，重點(diǎn)研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備綜合保障智能決策關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)科學(xué)研究發(fā)展趨勢(shì)分析

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)使數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、計(jì)算變得不再是瓶頸與難題，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為塑造國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一[2]，同時(shí)也催生了一門新的學(xué)科—數(shù)據(jù)科學(xué)，數(shù)據(jù)科學(xué)是大數(shù)據(jù)背后的科學(xué)，其主要是開(kāi)展預(yù)測(cè)模型及相關(guān)分析，數(shù)據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)科學(xué)的嵌入式應(yīng)用等10個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的科學(xué)研究[2]。大數(shù)據(jù)的掌握和應(yīng)用能力已成為一個(gè)國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略[3]，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備綜合保障技術(shù)是推動(dòng)武器裝備綜合保障快速發(fā)展的有效途徑。

2 現(xiàn)有數(shù)據(jù)在MRO領(lǐng)域的應(yīng)用研究與應(yīng)用

裝備綜合保障水平的高低是武器裝備作戰(zhàn)能力強(qiáng)弱的重要保證，綜合保障能力建設(shè)是國(guó)防建設(shè)的重要組成部分，對(duì)于增強(qiáng)國(guó)防實(shí)力有著及其重要的意義。綜合保障工作中，裝備維修是最為重要的部分，維修能力的強(qiáng)弱對(duì)軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力能否持續(xù)保持起到至關(guān)重要的作用，各軍事大國(guó)對(duì)武器裝備的維修保障都高度重視，使得從事這方面工作的人員很多，例如美國(guó)國(guó)防費(fèi)用中1/7左右用于裝備維修，國(guó)防部人員中大約23%人從事裝備修維保障工作[4]。

裝備維修一般分為兩類，一類是修復(fù)性維修，另一類是預(yù)防性維修。修復(fù)性維修是指裝備發(fā)生故障后及時(shí)確定故障部位并更換故障部件；預(yù)防性維修是指在故障發(fā)生之前，通過(guò)提前采取維修措施消除裝備潛在故障，預(yù)防故障發(fā)生[5]，是維修數(shù)據(jù)于維修經(jīng)驗(yàn)的綜合應(yīng)用。

2.1 以可靠性為中心的綜合保障技術(shù)

從可靠性工程和維修性工程的發(fā)展歷程，可以看出正是由于裝備構(gòu)成日趨復(fù)雜，使用環(huán)境日益嚴(yán)酷，財(cái)力與人力資源受到嚴(yán)格限制和挑戰(zhàn)，導(dǎo)致人們?cè)谟^念上產(chǎn)生了變化，從單純地追求技術(shù)性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)到主要以壽命周期費(fèi)用體現(xiàn)出來(lái)的綜合目標(biāo)，轉(zhuǎn)向要求在系統(tǒng)的效能和費(fèi)用間求得合理的平衡[6].高的可靠性和有效適用的維修性已對(duì)提高裝備效能和降低其壽命周期費(fèi)用起著舉足輕重的作用。提出以可靠性為中心的維修策略，是預(yù)防性維修的近代發(fā)展。以可靠性為中心的維修分析(RCMA)是以可靠性技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)展維修分析找出故障影響類型和有效而適用的維修工作模式，形成裝備壽命周期內(nèi)的預(yù)防性維修策略。

以可靠性為中心的維修分析是在充分開(kāi)展裝備故障模式、影響及危害度分析的基礎(chǔ)上，以維修的適用性、有效性和經(jīng)濟(jì)性為決斷準(zhǔn)則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過(guò)程，達(dá)到以最少的維修資源消耗來(lái)保持裝備固有可靠性和安全性的目的。裝備的固有可靠性和安全性是由設(shè)計(jì)制造賦予的特性。裝備的故障規(guī)律各不相同，應(yīng)當(dāng)采取不同的維修策略，對(duì)于有固定故障規(guī)律的裝備應(yīng)采取定時(shí)拆修或更換的維修策略，對(duì)于無(wú)固定故障規(guī)律的裝備應(yīng)采取檢查、監(jiān)控等視情維修策略，因此，對(duì)不同裝備的不同故障規(guī)律應(yīng)選擇適用的維修策略，從而在保證可靠性和安全性的前提下，節(jié)省維修資源與費(fèi)用。

2.2 以預(yù)防性為中心的綜合保障技術(shù)

伴隨著裝備故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谘b備維修理論方面取得了很多成果，維修模式從最初的事后維修發(fā)展到以預(yù)防性維修為主的維修摸式。在1965年，Mc Call發(fā)表了“隨機(jī)失效裝備的維修策略綜述”一文，文中將維修模型分為兩種：一種是預(yù)備維修模型，即設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是未知的，設(shè)備故障是隨機(jī)的；另一類是預(yù)防維修模型，這類模型的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)己知的，但設(shè)備故障是隨機(jī)的[7-8]，并比較詳細(xì)的闡述了處在當(dāng)時(shí)的情況下所采用的維修策略，以預(yù)防性為中心的綜合保障思想已基本形成。

2.3 以視情維修策略為中心的綜合保障技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)在以預(yù)防性為中心的綜合保障的研究工作也在穩(wěn)步推進(jìn)，研究人員將遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)籌學(xué)中的排隊(duì)論等知識(shí)應(yīng)用到維修策略中來(lái)[9-10]，開(kāi)展了裝備維修周期研究、任務(wù)可用度和維修費(fèi)用策略研究及對(duì)預(yù)防性維修的維修級(jí)別進(jìn)行研究[11-13]。同時(shí)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)搶修、全壽命維修、消耗器材規(guī)律等方面也進(jìn)行了大量研究[14]，豐富了裝備維修理論。

2.4 以周轉(zhuǎn)備件為中心的綜合保障技術(shù)

隨著裝備在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位的不斷提高，單靠維修、搶修等手段無(wú)法持續(xù)保持軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力，因此，周轉(zhuǎn)備件是保持武器裝備良好性能和恢復(fù)的關(guān)鍵，武器裝備周轉(zhuǎn)備件的重要性顯得尤其突出。

周轉(zhuǎn)備件管理是綜合保障管理工作的重要組成部分，備件的儲(chǔ)備是否科學(xué)，對(duì)軍隊(duì)的維修活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，若備件儲(chǔ)備過(guò)少，就會(huì)延長(zhǎng)裝備停機(jī)時(shí)間，影響裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)軍隊(duì)的作戰(zhàn)和訓(xùn)練都會(huì)造成損失；若備件儲(chǔ)備過(guò)多又會(huì)造成國(guó)防經(jīng)費(fèi)的壓占，因此備件儲(chǔ)備管理貫穿于部隊(duì)維修管理的始終，是保證裝備維修的進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵。

我軍在武器裝備預(yù)防性周轉(zhuǎn)備件消耗預(yù)測(cè)方面主要是以經(jīng)驗(yàn)為主，會(huì)存在很大的人為主觀性，造成裝備維修備件的“缺貨”與“過(guò)剩”并存的現(xiàn)象，使得裝備維修保障的軍事經(jīng)濟(jì)效益并不高[15]?？茖W(xué)合理的備件管理才能使維修任務(wù)完成得既經(jīng)濟(jì)又能保證進(jìn)度[16-17]。目前對(duì)周轉(zhuǎn)備件進(jìn)行分類儲(chǔ)備的方法有兩種，一種是帕累托分類法，通過(guò)定量和定性的分析，將備件按照分類的指標(biāo)分為ABC三類，然后采取相應(yīng)的存儲(chǔ)策略；另一種方法是按緊急程度作為分類準(zhǔn)則來(lái)區(qū)分重要配件和一般配件[18-19]。兩種方法各有利弊，帕累托分類法分類法有助于照顧一般，分清重點(diǎn)，但僅僅根據(jù)品種、金額的多少來(lái)進(jìn)行備件的分類，缺陷很明顯的；按緊急程度分類有助于照顧重點(diǎn)，但這種方法主要靠主觀的判斷，在很多情況下，要判斷某一個(gè)配件的緊急程度是非常困難的[20]。

2.5 以小樣本學(xué)習(xí)策略為中心的綜合保障

小樣本學(xué)習(xí)的概念最早從計(jì)算機(jī)視覺(jué)(computer vision) 領(lǐng)域興起，近幾年受到廣泛關(guān)注[21-22]，在圖像分類任務(wù)中已有很多性能優(yōu)異的算法模型[23]。根據(jù)所采用方法的不同，小樣本學(xué)習(xí)分為基于模型微調(diào)、基于數(shù)據(jù)增強(qiáng)和基于遷移學(xué)習(xí)這3種?；谀Ｐ臀⒄{(diào)的方法首先在含有大量數(shù)據(jù)的源數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練一個(gè)分類，然后在含有少量數(shù)據(jù)的目標(biāo)數(shù)據(jù)集上對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)[24]。但這種做法可能導(dǎo)致模型過(guò)擬合，因?yàn)樯倭繑?shù)據(jù)并不能很好地反映大量數(shù)據(jù)的真實(shí)分布情況[25]。為解決上述過(guò)擬合的問(wèn)題，基于數(shù)據(jù)增強(qiáng)和基于遷移學(xué)習(xí)的小樣本學(xué)習(xí)方法被提出[26]?；跀?shù)據(jù)增強(qiáng)的方法是利用輔助數(shù)據(jù)集或者輔助信息增強(qiáng)目標(biāo)數(shù)據(jù)集中樣本的特征或擴(kuò)充對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)集，使模型能更好地提取特征[27]?；谶w移學(xué)習(xí)的方法是目前比較前沿的方法，是指將已經(jīng)學(xué)會(huì)的知識(shí)遷移到一個(gè)新的領(lǐng)域中[28]。

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備綜合保障研究與展望

武器裝備綜合保障的發(fā)展伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步向信息化邁進(jìn)，信息化的發(fā)展帶動(dòng)著數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展[29]，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，基于裝備海量使用數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)，開(kāi)展裝備健康信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)[30-31]，運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，結(jié)合裝備系統(tǒng)機(jī)理模型建設(shè)[32-33]，充分挖掘已有數(shù)據(jù)中體現(xiàn)的裝備運(yùn)行安全規(guī)律[34]，開(kāi)展裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)到信息及知識(shí)的提取理論和方法研究[35]，對(duì)裝備進(jìn)行故障診斷、預(yù)測(cè)以及運(yùn)行安全評(píng)估，對(duì)新作戰(zhàn)模式的裝備保障分析[36]。為達(dá)到軍事保障的實(shí)時(shí)快速調(diào)度指揮的目的，實(shí)現(xiàn)集保障管理、保障指揮、保障行動(dòng)于一體的保障指揮自動(dòng)化，如何運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)，對(duì)保障力量、保障資源、保障能力進(jìn)行精確計(jì)算，將成為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備綜合保障研究的趨勢(shì)。

3.1 研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝備故障預(yù)測(cè)方法

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷建模技術(shù)，從裝備各系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理出發(fā)，結(jié)合裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立裝備的故障診斷模型，從分系統(tǒng)和整體這兩個(gè)不同角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備的主要故障的識(shí)別和定位。

3.2 研究基于裝備全生命周期大數(shù)據(jù)分析方法

建立航空裝備全生命周期大數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)于航空裝備重要部件日常的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，給予精確的健康評(píng)估和故障影響因素分析，提升航空裝備的數(shù)據(jù)分析精度及效率，推動(dòng)數(shù)據(jù)可視化，進(jìn)一步從展示端直觀體現(xiàn)航空裝備的整體運(yùn)行情況，可為武器裝備的使用者、管理者和決策者提供智能化管理的平臺(tái)。

3.3 研究基于建立優(yōu)化算法的預(yù)防性維修策略

以裝備服役期內(nèi)預(yù)防性維修成本最低為目標(biāo)函數(shù)，以可靠性為約束條件，建立預(yù)防性維修策略優(yōu)化模型，引入役齡回退因子進(jìn)行修正，提出優(yōu)化算法對(duì)模型求解，并進(jìn)行算例分析，得到裝備最優(yōu)預(yù)防性維修次數(shù)和時(shí)間間隔，加大預(yù)防性維修及遠(yuǎn)程技術(shù)診斷推進(jìn)力度[37]。

3.4 研究基于以小樣本學(xué)習(xí)方法的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

盡管近年來(lái)小樣本學(xué)習(xí)已經(jīng)得到深入研究，并且取得了一定進(jìn)展，但仍面臨著一些挑戰(zhàn)。已有的小樣本學(xué)習(xí)方法中，基于模型微調(diào)的方法需要在大量的非目標(biāo)數(shù)據(jù)集上對(duì)模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，而模型的預(yù)訓(xùn)練依舊需要大量標(biāo)注數(shù)據(jù)。在裝備綜合保障過(guò)程中，盡管已經(jīng)收集了海量數(shù)據(jù)，但是很難獲得的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，無(wú)法從海量數(shù)據(jù)中獲得更多的價(jià)值，標(biāo)注更是無(wú)從談起。要從根本上解決小樣本問(wèn)題，可以研究利用其他先驗(yàn)知識(shí)而非模型預(yù)訓(xùn)練的方法。小樣本學(xué)習(xí)的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)自三方面：數(shù)據(jù)、模型、算法，無(wú)論是多么優(yōu)秀的架構(gòu)、精準(zhǔn)的算法，最終也是需要依賴完備、準(zhǔn)確、及時(shí)的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，因此，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，首先要解決海量數(shù)據(jù)的處理方法和技術(shù)，從中獲取想要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取工作主要圍繞快、準(zhǔn)、全三個(gè)要素以及一個(gè)高階的關(guān)聯(lián)需求展開(kāi)，大數(shù)據(jù)挖掘的核心和本質(zhì)是應(yīng)用、算法、數(shù)據(jù)和平臺(tái)4個(gè)要素的有機(jī)結(jié)合，因此，武器裝備綜合保障數(shù)據(jù)的提取、處理技術(shù)是目前需要研究并亟待解決的問(wèn)題[38]。

4 總結(jié)

人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用必然推動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)從信息化向智能化、數(shù)據(jù)化方向演變，也必會(huì)對(duì)武器裝備體系發(fā)展帶來(lái)重要的影響，在明確當(dāng)前武器裝備維修體系發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主動(dòng)做好數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的武器裝備綜合保障有關(guān)影響分析，對(duì)于更好地推動(dòng)武器裝備綜合保障體系建設(shè)發(fā)展具有重要理論意義。