0 引言

    信息化航天發(fā)射場在工程設(shè)計(jì)建設(shè)、試驗(yàn)任務(wù)組織管理與適應(yīng)性評(píng)估、地面設(shè)施設(shè)備保障等方面，對(duì)提高試驗(yàn)效率和可靠性提出了更高的要求，這需要更加科學(xué)、更加全面的數(shù)字化系統(tǒng)和信息支持，以有效預(yù)測、指導(dǎo)和評(píng)估航天發(fā)射任務(wù)。測發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，過程繁瑣，為適應(yīng)航天事業(yè)快速發(fā)展、建設(shè)信息化發(fā)射場的需要，同時(shí)更好的以數(shù)字化手段支持各系統(tǒng)人員進(jìn)行指揮、操作、機(jī)械和電氣接口協(xié)調(diào)、設(shè)施設(shè)備保障等工作，需要進(jìn)行發(fā)射場技發(fā)區(qū)數(shù)字化相關(guān)配套條件建設(shè)。

    為滿足信息化航天發(fā)射場需求，進(jìn)一步完善保障性條件建設(shè)，本文引入三維設(shè)計(jì)、仿真分析、信息管理等技術(shù)，進(jìn)行發(fā)射場數(shù)字化建設(shè)，提升信息化手段在發(fā)射場規(guī)劃建設(shè)、任務(wù)執(zhí)行和日常維護(hù)中的應(yīng)用。

    2 研究內(nèi)容

    2.1 發(fā)射場地理信息環(huán)境

    建立發(fā)射場地理信息環(huán)境，使用發(fā)射場衛(wèi)星遙感影像、航空攝影資料、二維矢量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等，通過三維地球數(shù)字可視化軟件將建筑模型與地形和影像數(shù)據(jù)融合形成一個(gè)地理信息完整的三維虛擬數(shù)字地球，定位并展示分析發(fā)射場場區(qū)、環(huán)境、建筑等環(huán)境信息。

    2.2 發(fā)射場三維模型

    完成發(fā)射場主要單體設(shè)施的三維仿真建模，根據(jù)施工圖完成各單體建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標(biāo)等多專業(yè)設(shè)備的三維建模，建成與實(shí)際發(fā)射場1:1比例的數(shù)字化發(fā)射場三維仿真環(huán)境。

    2.3 發(fā)射場任務(wù)保障分析驗(yàn)證系統(tǒng)

    著眼任務(wù)保障需要，遵循航天器及運(yùn)載器對(duì)發(fā)射場的技術(shù)指標(biāo)要求，通過定性與定量相結(jié)合的評(píng)估方法、基于多視角、多維度的度量和評(píng)估技術(shù)，對(duì)測發(fā)流程保障條件進(jìn)行需求分析和建模評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品布局、流程推演、接口協(xié)調(diào)的定量評(píng)價(jià)機(jī)制。

    2.4 發(fā)射場地面設(shè)施設(shè)備可視化信息管理系統(tǒng)

    利用地理信息與虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合梳理、歸納各系統(tǒng)、各專業(yè)設(shè)施設(shè)備信息，建立發(fā)射場地面設(shè)施設(shè)備三維可視化展示平臺(tái)，支持各級(jí)用戶通過三維仿真環(huán)境直觀、準(zhǔn)確地定位、查詢、搜索發(fā)射場測試發(fā)射、工程建設(shè)、地面設(shè)施設(shè)備等領(lǐng)域的各類信息。

    3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

    3.1 組成結(jié)構(gòu)

    數(shù)字化發(fā)射場分三個(gè)層次進(jìn)行建設(shè)。

    3.1.1 基礎(chǔ)資源

    最底層為基礎(chǔ)資源建設(shè)，主要由支撐數(shù)字化建設(shè)的各類數(shù)據(jù)資源組成，包括三維模型庫、GIS信息庫、設(shè)施設(shè)備信息庫、評(píng)價(jià)指標(biāo)庫、計(jì)算模型庫、圖檔資料庫等。

    (1)GIS信息庫

    包括發(fā)射場高程、影像、地形等地理信息數(shù)據(jù)，向?qū)I(yè)衛(wèi)星代理公司訂購存檔數(shù)據(jù)或定制數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。

    (2)三維模型庫

    包括發(fā)射場主要單體設(shè)施、地面各系統(tǒng)設(shè)備、火箭及航天器系統(tǒng)工裝設(shè)備、地面配套設(shè)備產(chǎn)品和場區(qū)等對(duì)象的三維模型，發(fā)射場設(shè)施設(shè)備三維模型以標(biāo)準(zhǔn)庫的形式構(gòu)建，在提供設(shè)計(jì)圖紙、影像等資料基礎(chǔ)上依托專業(yè)建模機(jī)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)。在前期有關(guān)項(xiàng)目的支持下，目前本項(xiàng)目所需的各類三維模型已基本具備。

    (3)評(píng)價(jià)指標(biāo)庫

    包括廠房評(píng)價(jià)指標(biāo)、流程評(píng)價(jià)指標(biāo)、設(shè)備正常運(yùn)行指標(biāo)等數(shù)據(jù)信息規(guī)則，用于任務(wù)保障中設(shè)施設(shè)備布局、測發(fā)操作流程和接口適應(yīng)性的分析驗(yàn)證。

    (4)設(shè)施設(shè)備信息庫

    主要由發(fā)射區(qū)的各種地面設(shè)施設(shè)備相關(guān)信息構(gòu)成，包括基本屬性信息、維護(hù)運(yùn)行等任務(wù)相關(guān)信息，同時(shí)兼顧火箭系統(tǒng)、航天器系統(tǒng)相關(guān)工裝設(shè)備外包絡(luò)信息和接口信息。

    (5)計(jì)算模型庫

    包括應(yīng)用系統(tǒng)中用到的各種底層計(jì)算模型，由各類參數(shù)報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)計(jì)算方法庫組成，主要包括碰撞檢測算法、流程設(shè)計(jì)算法等。

    (6)圖檔資料庫

    各類設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)文檔資料集，主要覆蓋單體設(shè)施、地面各系統(tǒng)配套設(shè)備、火箭和航天器系統(tǒng)產(chǎn)品、場區(qū)等。

    3.1.2 服務(wù)支撐

    服務(wù)支撐建設(shè)由相互獨(dú)立的軟件功能模塊組成，這些功能模塊通過組合為發(fā)射場數(shù)字化應(yīng)用提供功能服務(wù)支撐，包括三維場景融合、動(dòng)態(tài)模型加載、仿真應(yīng)用集成、信息綜合處理等。

    (1)三維場景融合

    是構(gòu)成三維仿真環(huán)境的基礎(chǔ)支撐模塊，通過融合地理信息數(shù)據(jù)、BIM建筑模型數(shù)據(jù)、細(xì)粒度場景建模數(shù)據(jù)等，提供高逼真度場景生成方法，通過導(dǎo)航、多視點(diǎn)控制等功能建立友好的人機(jī)交互界面，進(jìn)行數(shù)字化發(fā)射場的檢索與控制。

    (2)動(dòng)態(tài)模型加載

    實(shí)現(xiàn)發(fā)射場場景、設(shè)施、設(shè)備、產(chǎn)品及工裝等模型的動(dòng)態(tài)加載，發(fā)射場模型復(fù)雜繁多，加載過程設(shè)置不同級(jí)別，通過分層次加載不同粒度模型，達(dá)到效率和效果的平衡處理。

    (3)仿真應(yīng)用集成

    為任務(wù)保障分析驗(yàn)證提供布局分析、接口協(xié)調(diào)、流程推演等平臺(tái)功能支持，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間、人員等約束條件下關(guān)鍵操作展示與保障性要素分析。

    (4)信息綜合處理

    在實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示設(shè)施、設(shè)備、人員等屬性信息與狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同需求，結(jié)合各類信息，實(shí)現(xiàn)用戶定制的分析評(píng)估結(jié)果，通過支撐工具完成評(píng)估結(jié)果的自動(dòng)生成，完成仿真報(bào)告的創(chuàng)建及文檔輸出。

    3.1.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)

    業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)包括發(fā)射場地理信息環(huán)境、三維數(shù)字化模型、任務(wù)保障分析驗(yàn)證系統(tǒng)、地面設(shè)施設(shè)備可視化信息系統(tǒng)四個(gè)方面的建設(shè)內(nèi)容，針對(duì)試驗(yàn)任務(wù)的不同需求，實(shí)現(xiàn)發(fā)射場從規(guī)劃設(shè)計(jì)到使用維護(hù)過程中測發(fā)全系統(tǒng)各階段的適應(yīng)性分析驗(yàn)證和信息服務(wù)支撐。

    3.2 系統(tǒng)建設(shè)

    系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)發(fā)射場規(guī)劃建設(shè)可視化分析、數(shù)字化發(fā)射場能力提供、任務(wù)保障分析驗(yàn)證、發(fā)射場地面設(shè)施設(shè)備信息可視化管理等，建成后將能改善發(fā)射場的三維數(shù)字化水平，有效提升發(fā)射場的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施。

    3.2.1 發(fā)射場地理信息環(huán)境建設(shè)

    購買使用發(fā)射場衛(wèi)星遙感影像、航空攝影資料、二維矢量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等，建立發(fā)射場地理信息環(huán)境。通過三維地球數(shù)字可視化軟件將建筑模型與地形和影像數(shù)據(jù)融合形成一個(gè)地理信息完整的三維虛擬數(shù)字地球，定位、展示和分析發(fā)射場場區(qū)、環(huán)境、建筑等環(huán)境信息。建設(shè)內(nèi)容如下。

    (1)數(shù)字發(fā)射場展示模塊

    建立發(fā)射場地理信息導(dǎo)航，通過數(shù)字地球定位并展示發(fā)射場場區(qū)、環(huán)境、建筑等信息，實(shí)現(xiàn)特定場區(qū)建筑的快速切換定位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射場關(guān)注區(qū)域的要素查詢、信息標(biāo)繪、空間分析等功能。

    (2)場區(qū)輔助規(guī)劃模塊

發(fā)射場地理信息環(huán)境融合場區(qū)分布、場區(qū)地形地貌圖、人員編制、規(guī)劃建設(shè)宏觀政策、規(guī)劃方案成果比較、項(xiàng)目工程圖檔資源等資源，實(shí)現(xiàn)場區(qū)現(xiàn)狀與發(fā)展需求滿足度分析、場區(qū)規(guī)劃與實(shí)施進(jìn)度展示等功能，為場區(qū)建設(shè)情況提供形象直觀的展示方式，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、方案規(guī)劃以及重大試驗(yàn)項(xiàng)目中試驗(yàn)任務(wù)勤務(wù)保障提供決策依據(jù)，為各場區(qū)建設(shè)規(guī)劃現(xiàn)狀，各類廠房、辦公生活用房的種類、數(shù)量、使用狀況提供可靠信息，為新建場區(qū)規(guī)劃建設(shè)和已有場區(qū)的改擴(kuò)建提供決策支持，為管理人員提供更加詳盡的資源信息，為設(shè)計(jì)人員提供詳盡的建設(shè)規(guī)劃信息。

    3.2.2 發(fā)射場三維數(shù)字化模型庫建設(shè)

    結(jié)合使用Revit三維設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真技術(shù)，完成海南發(fā)射場主要單體的三維數(shù)字化仿真建模，根據(jù)施工圖完成各單體建筑、結(jié)構(gòu)、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標(biāo)等多專業(yè)的三維建模，建成與實(shí)際發(fā)射場1:1比例的數(shù)字化發(fā)射場，形成三維數(shù)字化發(fā)射場資源庫。

    (1)設(shè)施建模

    對(duì)發(fā)射場技發(fā)區(qū)的主要單體設(shè)施對(duì)象進(jìn)行三級(jí)層次建模，其他對(duì)象進(jìn)行三維示意建模，建模對(duì)象包含建模區(qū)域內(nèi)所有建筑、場區(qū)環(huán)境、道路、植被等，各類模型需根據(jù)建模指標(biāo)要求進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)的采集、建模、貼圖和建庫工作。

    (2)設(shè)備建模

    結(jié)合設(shè)施建模完成各單體設(shè)施內(nèi)各系統(tǒng)各專業(yè)主要設(shè)備建模。

    (3)模型動(dòng)態(tài)加載

    各類設(shè)施設(shè)備模型以模型庫的形式提供，進(jìn)行數(shù)字化發(fā)射場三維模型展示時(shí)，實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)加載功能，模型區(qū)分不同粒度，發(fā)射場地面設(shè)施、設(shè)備、產(chǎn)品及工裝等根據(jù)顯示需求進(jìn)行不同級(jí)別的模型顯示。

    3.2.3 發(fā)射場測發(fā)任務(wù)保障分析驗(yàn)證系統(tǒng)建設(shè)

    發(fā)射場的數(shù)字化基礎(chǔ)建設(shè)的目的是服務(wù)于航天發(fā)射任務(wù)，為任務(wù)的順利進(jìn)行提供信息化保障工具。在任務(wù)執(zhí)行前，為確保測發(fā)任務(wù)保障工作的順利進(jìn)行，需要提前進(jìn)行產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)、系統(tǒng)間的機(jī)械接口協(xié)調(diào)和干涉分、測發(fā)流程中地面保障條件的適應(yīng)性驗(yàn)證等工作。

    發(fā)射場任務(wù)保障分析驗(yàn)證系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)解決箭地接口協(xié)調(diào)、星/船箭聯(lián)合操作等測發(fā)工藝流程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的布局分析、操作可達(dá)性分析，在實(shí)際合練任務(wù)前提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)間可能存在的接口不匹配、不協(xié)調(diào)的問題，提升任務(wù)執(zhí)行的可靠性。

    3.2.4 地面設(shè)施設(shè)備可視化信息管理系統(tǒng)建設(shè)

    建立發(fā)射場各系統(tǒng)、各專業(yè)設(shè)施設(shè)備信息庫，支持各級(jí)用戶通過三維仿真環(huán)境直觀、準(zhǔn)確地定位、查詢、搜索發(fā)射場測試發(fā)射、工程建設(shè)、地面設(shè)施設(shè)備等領(lǐng)域的各類信息。

    展示保障條件技術(shù)指標(biāo)量化信息和產(chǎn)品工裝信息等任務(wù)相關(guān)信息，為用戶提供一個(gè)與實(shí)際任務(wù)關(guān)聯(lián)、沉浸感強(qiáng)、覆蓋范圍廣的任務(wù)虛擬任務(wù)保障環(huán)境，滿足信息豐富、交互直觀等要求，實(shí)現(xiàn)在測發(fā)任務(wù)全流程的流程演練中對(duì)具體關(guān)注細(xì)節(jié)的分析評(píng)估。

    3.3 指標(biāo)要求

    3.3.1 地理信息環(huán)境建設(shè)指標(biāo)

    (1)發(fā)射場地理信息環(huán)境采用B/S架構(gòu)進(jìn)行發(fā)布，具備良好的運(yùn)行穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、大容量數(shù)據(jù)處理的能力、長期運(yùn)行效率保障機(jī)制及良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全機(jī)制；

    (2)支持多核并行運(yùn)算模式，以適應(yīng)數(shù)據(jù)集中處理的需求；

    (3)具有可伸縮的體系結(jié)構(gòu)，通過負(fù)載均衡，支持大量的Web并發(fā)訪問，支持多服務(wù)器、多處理器共同分擔(dān)工作負(fù)載，協(xié)同完成海量三維地形影像集的創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；

    (4)對(duì)海量(TB級(jí))遙感數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、發(fā)布、快速查詢與顯示。支持地圖緩存技術(shù)、服務(wù)器端進(jìn)程預(yù)運(yùn)行技術(shù)等。支持無限量三維模型、影像、矢量數(shù)據(jù)的疊加、顯示和發(fā)布；

    (5)影像成果輸出不低于原始分辨率，矢量數(shù)據(jù)可輸出為JPEG、PDF、PNG、BMP、GIF、HFF、SHP、DWG等；

    (6)文檔預(yù)覽支持常用的格式，包括:Word、PDF、常用圖片格式、PPT等；

    (7)本地?cái)?shù)據(jù)加載要求支持shp、kml/kmz、dxf/dwg、mid/mif、mdb、img、tif、jpg等格式；

    (8)數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一為國家大地2000坐標(biāo)系和WGS84坐標(biāo)系；

    (9)支持影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)時(shí)更新，實(shí)時(shí)發(fā)布等技術(shù)。

    3.3.2 非標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)指標(biāo)

    非標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)包括發(fā)射場任務(wù)保障分析驗(yàn)證系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)射場地面設(shè)施設(shè)備可視化信息管理系統(tǒng)建設(shè)，要求如下。

    (1)平臺(tái)開發(fā)采用開源軟件，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、自主可控(能夠在Windows、中標(biāo)麒麟兩類操作系統(tǒng)上運(yùn)行)，數(shù)據(jù)庫依托國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫或開源數(shù)據(jù)庫；

    (2)軟件產(chǎn)品需完成單元部件測試、系統(tǒng)測試，確保運(yùn)行可靠；

    (3)三維場景依據(jù)不同功能實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)加載，運(yùn)行流暢，場景刷新不小于25幀/秒；

    仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，模塊化、擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠有效適應(yīng)信息可視化、接口協(xié)調(diào)和流程推演兩個(gè)領(lǐng)域需求，并能在信息可視化方向自成體系，形成專用平臺(tái)。

    4 關(guān)鍵技術(shù)

    4.1 三維地理信息、BIM與虛擬仿真的融合技術(shù)

    項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容涉及地理信息技術(shù)、BIM技術(shù)以及虛擬仿真技術(shù)等，核心工作以海南發(fā)射場三維數(shù)字化為基礎(chǔ)，需要實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)三維模型、BB1模型和三維仿真模型的有效集成。由于模型格式不一致，信息內(nèi)涵不統(tǒng)一，模型復(fù)雜度差別較大，需要研究這三類模型的有效轉(zhuǎn)換手段，實(shí)現(xiàn)模型間的最大復(fù)用，建立不同技術(shù)體制下的融合方法。

    4.2 測試廠房空間布局設(shè)計(jì)技術(shù)

    設(shè)備布局問題（FacilityLayoutProblem，F(xiàn)LP)屬典型的組合優(yōu)化問題，按照對(duì)設(shè)施的描述不同和求解結(jié)果的不同，設(shè)備布局可分為塊狀布局和詳細(xì)布局。其中塊狀布局不考慮設(shè)備的形狀、尺寸以及方位，只是把一些相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備布置到候選的位置上去。因此，本項(xiàng)目擬采用詳細(xì)布局的建模方法。詳細(xì)布局問題的求解結(jié)果是各個(gè)設(shè)施在車間內(nèi)的坐標(biāo)和方位。詳細(xì)布局問題的建模比塊狀布局問題更加復(fù)雜，優(yōu)化目標(biāo)和約束條件也更多。

    基于算法的方法從求解性質(zhì)分主要有最優(yōu)化和次優(yōu)化算法。

    4.3 動(dòng)態(tài)信息可視化技術(shù)

    動(dòng)態(tài)信息顯示要求按照可靠性、實(shí)時(shí)性、易用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等原則，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)能將多種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并能以文字、表格、曲線、圖像、二維態(tài)勢和三維態(tài)勢等形象化方式顯示數(shù)據(jù)，并能提供數(shù)據(jù)判讀分析和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，讓用戶能夠準(zhǔn)確、直觀、快速、全面地了解任務(wù)過程，為用戶的指揮決策提供可靠依據(jù)。

    5 小結(jié)

    通過發(fā)射場地理信息環(huán)境、測發(fā)任務(wù)相關(guān)重要單體設(shè)施及設(shè)備三維模型、任務(wù)保障分析驗(yàn)證和設(shè)施設(shè)備可視化信息管理等應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，可加強(qiáng)發(fā)射場工程建設(shè)規(guī)劃的合理性，提高發(fā)射場單體設(shè)施的信息服務(wù)能力，確保地面設(shè)施設(shè)備的匹配性，實(shí)現(xiàn)任務(wù)可視化分析驗(yàn)證，為后續(xù)任務(wù)保障、發(fā)射場建設(shè)改造提供充分的數(shù)字化手段支持。