0 引言

    信息化航天發(fā)射場在工程設計建設、試驗任務組織管理與適應性評估、地面設施設備保障等方面，對提高試驗效率和可靠性提出了更高的要求，這需要更加科學、更加全面的數(shù)字化系統(tǒng)和信息支持，以有效預測、指導和評估航天發(fā)射任務。測發(fā)系統(tǒng)結構功能復雜，過程繁瑣，為適應航天事業(yè)快速發(fā)展、建設信息化發(fā)射場的需要，同時更好的以數(shù)字化手段支持各系統(tǒng)人員進行指揮、操作、機械和電氣接口協(xié)調、設施設備保障等工作，需要進行發(fā)射場技發(fā)區(qū)數(shù)字化相關配套條件建設。

    為滿足信息化航天發(fā)射場需求，進一步完善保障性條件建設，本文引入三維設計、仿真分析、信息管理等技術，進行發(fā)射場數(shù)字化建設，提升信息化手段在發(fā)射場規(guī)劃建設、任務執(zhí)行和日常維護中的應用。

    2 研究內容

    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)射場主要單體設施的三維仿真建模，根據(jù)施工圖完成各單體建筑、結構、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標等多專業(yè)設備的三維建模，建成與實際發(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)射場任務保障分析驗證系統(tǒng)

    著眼任務保障需要，遵循航天器及運載器對發(fā)射場的技術指標要求，通過定性與定量相結合的評估方法、基于多視角、多維度的度量和評估技術，對測發(fā)流程保障條件進行需求分析和建模評估，實現(xiàn)對產(chǎn)品布局、流程推演、接口協(xié)調的定量評價機制。

    2.4 發(fā)射場地面設施設備可視化信息管理系統(tǒng)

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

    3 系統(tǒng)平臺設計

    3.1 組成結構

    數(shù)字化發(fā)射場分三個層次進行建設。

    3.1.1 基礎資源

    最底層為基礎資源建設，主要由支撐數(shù)字化建設的各類數(shù)據(jù)資源組成，包括三維模型庫、GIS信息庫、設施設備信息庫、評價指標庫、計算模型庫、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)，向專業(yè)衛(wèi)星代理公司訂購存檔數(shù)據(jù)或定制數(shù)據(jù)進行獲取。

    (2)三維模型庫

    包括發(fā)射場主要單體設施、地面各系統(tǒng)設備、火箭及航天器系統(tǒng)工裝設備、地面配套設備產(chǎn)品和場區(qū)等對象的三維模型，發(fā)射場設施設備三維模型以標準庫的形式構建，在提供設計圖紙、影像等資料基礎上依托專業(yè)建模機構進行建設。在前期有關項目的支持下，目前本項目所需的各類三維模型已基本具備。

    (3)評價指標庫

    包括廠房評價指標、流程評價指標、設備正常運行指標等數(shù)據(jù)信息規(guī)則，用于任務保障中設施設備布局、測發(fā)操作流程和接口適應性的分析驗證。

    (4)設施設備信息庫

    主要由發(fā)射區(qū)的各種地面設施設備相關信息構成，包括基本屬性信息、維護運行等任務相關信息，同時兼顧火箭系統(tǒng)、航天器系統(tǒng)相關工裝設備外包絡信息和接口信息。

    (5)計算模型庫

    包括應用系統(tǒng)中用到的各種底層計算模型，由各類參數(shù)報警、統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)計算方法庫組成，主要包括碰撞檢測算法、流程設計算法等。

    (6)圖檔資料庫

    各類設施設備的設計圖紙及相關文檔資料集，主要覆蓋單體設施、地面各系統(tǒng)配套設備、火箭和航天器系統(tǒng)產(chǎn)品、場區(qū)等。

    3.1.2 服務支撐

    服務支撐建設由相互獨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)字化應用提供功能服務支撐，包括三維場景融合、動態(tài)模型加載、仿真應用集成、信息綜合處理等。

    (1)三維場景融合

    是構成三維仿真環(huán)境的基礎支撐模塊，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，通過導航、多視點控制等功能建立友好的人機交互界面，進行數(shù)字化發(fā)射場的檢索與控制。

    (2)動態(tài)模型加載

    實現(xiàn)發(fā)射場場景、設施、設備、產(chǎn)品及工裝等模型的動態(tài)加載，發(fā)射場模型復雜繁多，加載過程設置不同級別，通過分層次加載不同粒度模型，達到效率和效果的平衡處理。

    (3)仿真應用集成

    為任務保障分析驗證提供布局分析、接口協(xié)調、流程推演等平臺功能支持，實現(xiàn)時間、空間、人員等約束條件下關鍵操作展示與保障性要素分析。

    (4)信息綜合處理

    在實時計算與顯示設施、設備、人員等屬性信息與狀態(tài)信息的基礎上，依據(jù)不同需求，結合各類信息，實現(xiàn)用戶定制的分析評估結果，通過支撐工具完成評估結果的自動生成，完成仿真報告的創(chuàng)建及文檔輸出。

    3.1.3 業(yè)務應用系統(tǒng)

    業(yè)務應用系統(tǒng)建設包括發(fā)射場地理信息環(huán)境、三維數(shù)字化模型、任務保障分析驗證系統(tǒng)、地面設施設備可視化信息系統(tǒng)四個方面的建設內容，針對試驗任務的不同需求，實現(xiàn)發(fā)射場從規(guī)劃設計到使用維護過程中測發(fā)全系統(tǒng)各階段的適應性分析驗證和信息服務支撐。

    3.2 系統(tǒng)建設

    系統(tǒng)平臺可實現(xiàn)發(fā)射場規(guī)劃建設可視化分析、數(shù)字化發(fā)射場能力提供、任務保障分析驗證、發(fā)射場地面設施設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)字化基礎設施。

    3.2.1 發(fā)射場地理信息環(huán)境建設

    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。建設內容如下。

    (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，實現(xiàn)特定場區(qū)建筑的快速切換定位，實現(xiàn)發(fā)射場關注區(qū)域的要素查詢、信息標繪、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)劃建設宏觀政策、規(guī)劃方案成果比較、項目工程圖檔資源等資源，實現(xiàn)場區(qū)現(xiàn)狀與發(fā)展需求滿足度分析、場區(qū)規(guī)劃與實施進度展示等功能，為場區(qū)建設情況提供形象直觀的展示方式，為基礎設施建設、方案規(guī)劃以及重大試驗項目中試驗任務勤務保障提供決策依據(jù)，為各場區(qū)建設規(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)劃建設和已有場區(qū)的改擴建提供決策支持，為管理人員提供更加詳盡的資源信息，為設計人員提供詳盡的建設規(guī)劃信息。

    3.2.2 發(fā)射場三維數(shù)字化模型庫建設

    結合使用Revit三維設計技術與仿真技術，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、結構、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標等多專業(yè)的三維建模，建成與實際發(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)設施建模

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

    (2)設備建模

    結合設施建模完成各單體設施內各系統(tǒng)各專業(yè)主要設備建模。

    (3)模型動態(tài)加載

    各類設施設備模型以模型庫的形式提供，進行數(shù)字化發(fā)射場三維模型展示時，實現(xiàn)模型動態(tài)加載功能，模型區(qū)分不同粒度，發(fā)射場地面設施、設備、產(chǎn)品及工裝等根據(jù)顯示需求進行不同級別的模型顯示。

    3.2.3 發(fā)射場測發(fā)任務保障分析驗證系統(tǒng)建設

    發(fā)射場的數(shù)字化基礎建設的目的是服務于航天發(fā)射任務，為任務的順利進行提供信息化保障工具。在任務執(zhí)行前，為確保測發(fā)任務保障工作的順利進行，需要提前進行產(chǎn)品布局設計、系統(tǒng)間的機械接口協(xié)調和干涉分、測發(fā)流程中地面保障條件的適應性驗證等工作。

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

    3.2.4 地面設施設備可視化信息管理系統(tǒng)建設

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

    展示保障條件技術指標量化信息和產(chǎn)品工裝信息等任務相關信息，為用戶提供一個與實際任務關聯(lián)、沉浸感強、覆蓋范圍廣的任務虛擬任務保障環(huán)境，滿足信息豐富、交互直觀等要求，實現(xiàn)在測發(fā)任務全流程的流程演練中對具體關注細節(jié)的分析評估。

    3.3 指標要求

    3.3.1 地理信息環(huán)境建設指標

    (1)發(fā)射場地理信息環(huán)境采用B/S架構進行發(fā)布，具備良好的運行穩(wěn)定性、擴展性、大容量數(shù)據(jù)處理的能力、長期運行效率保障機制及良好的數(shù)據(jù)存儲安全機制；

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

    (3)具有可伸縮的體系結構，通過負載均衡，支持大量的Web并發(fā)訪問，支持多服務器、多處理器共同分擔工作負載，協(xié)同完成海量三維地形影像集的創(chuàng)建和網(wǎng)絡發(fā)布；

    (4)對海量(TB級)遙感數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的高效存儲、發(fā)布、快速查詢與顯示。支持地圖緩存技術、服務器端進程預運行技術等。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)文檔預覽支持常用的格式，包括:Word、PDF、常用圖片格式、PPT等；

    (7)本地數(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)坐標系統(tǒng)一為國家大地2000坐標系和WGS84坐標系；

    (9)支持影像數(shù)據(jù)實時上傳，實時更新，實時發(fā)布等技術。

    3.3.2 非標系統(tǒng)建設指標

    非標系統(tǒng)建設包括發(fā)射場任務保障分析驗證系統(tǒng)建設和發(fā)射場地面設施設備可視化信息管理系統(tǒng)建設，要求如下。

    (1)平臺開發(fā)采用開源軟件，實現(xiàn)跨平臺、自主可控(能夠在Windows、中標麒麟兩類操作系統(tǒng)上運行)，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，確保運行可靠；

    (3)三維場景依據(jù)不同功能實現(xiàn)模型動態(tài)加載，運行流暢，場景刷新不小于25幀/秒；

    仿真平臺設計結構合理，模塊化、擴展性強，能夠有效適應信息可視化、接口協(xié)調和流程推演兩個領域需求，并能在信息可視化方向自成體系，形成專用平臺。

    4 關鍵技術

    4.1 三維地理信息、BIM與虛擬仿真的融合技術

    項目建設內容涉及地理信息技術、BIM技術以及虛擬仿真技術等，核心工作以海南發(fā)射場三維數(shù)字化為基礎，需要實現(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，信息內涵不統(tǒng)一，模型復雜度差別較大，需要研究這三類模型的有效轉換手段，實現(xiàn)模型間的最大復用，建立不同技術體制下的融合方法。

    4.2 測試廠房空間布局設計技術

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

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

    4.3 動態(tài)信息可視化技術

    動態(tài)信息顯示要求按照可靠性、實時性、易用性、可維護性和可擴展性等原則，設計并實現(xiàn)一個能將多種數(shù)據(jù)格式轉化為統(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，讓用戶能夠準確、直觀、快速、全面地了解任務過程，為用戶的指揮決策提供可靠依據(jù)。

    5 小結

    通過發(fā)射場地理信息環(huán)境、測發(fā)任務相關重要單體設施及設備三維模型、任務保障分析驗證和設施設備可視化信息管理等應用系統(tǒng)建設，可加強發(fā)射場工程建設規(guī)劃的合理性，提高發(fā)射場單體設施的信息服務能力，確保地面設施設備的匹配性，實現(xiàn)任務可視化分析驗證，為后續(xù)任務保障、發(fā)射場建設改造提供充分的數(shù)字化手段支持。