0 引言

    信息化航天发射场在工程设计建设、试验任务组织管理与适应性评估、地面设施设备保障等方面，对提高试验效率和可靠性提出了更高的要求，这需要更加科学、更加全面的数字化系统和信息支持，以有效预测、指导和评估航天发射任务。测发系统结构功能复杂，过程繁琐，为适应航天事业快速发展、建设信息化发射场的需要，同时更好的以数字化手段支持各系统人员进行指挥、操作、机械和电气接口协调、设施设备保障等工作，需要进行发射场技发区数字化相关配套条件建设。

    为满足信息化航天发射场需求，进一步完善保障性条件建设，本文引入三维设计、仿真分析、信息管理等技术，进行发射场数字化建设，提升信息化手段在发射场规划建设、任务执行和日常维护中的应用。

    2 研究内容

    2.1 发射场地理信息环境

    建立发射场地理信息环境，使用发射场卫星遥感影像、航空摄影资料、二维矢量数据、高程数据等，通过三维地球数字可视化软件将建筑模型与地形和影像数据融合形成一个地理信息完整的三维虚拟数字地球，定位并展示分析发射场场区、环境、建筑等环境信息。

    2.2 发射场三维模型

    完成发射场主要单体设施的三维仿真建模，根据施工图完成各单体建筑、结构、水、暖、电、弱电、加注供气、非标等多专业设备的三维建模，建成与实际发射场1:1比例的数字化发射场三维仿真环境。

    2.3 发射场任务保障分析验证系统

    着眼任务保障需要，遵循航天器及运载器对发射场的技术指标要求，通过定性与定量相结合的评估方法、基于多视角、多维度的度量和评估技术，对测发流程保障条件进行需求分析和建模评估，实现对产品布局、流程推演、接口协调的定量评价机制。

    2.4 发射场地面设施设备可视化信息管理系统

    利用地理信息与虚拟仿真技术，结合梳理、归纳各系统、各专业设施设备信息，建立发射场地面设施设备三维可视化展示平台，支持各级用户通过三维仿真环境直观、准确地定位、查询、搜索发射场测试发射、工程建设、地面设施设备等领域的各类信息。

    3 系统平台设计

    3.1 组成结构

    数字化发射场分三个层次进行建设。

    3.1.1 基础资源

    最底层为基础资源建设，主要由支撑数字化建设的各类数据资源组成，包括三维模型库、GIS信息库、设施设备信息库、评价指标库、计算模型库、图档资料库等。

    (1)GIS信息库

    包括发射场高程、影像、地形等地理信息数据，向专业卫星代理公司订购存档数据或定制数据进行获取。

    (2)三维模型库

    包括发射场主要单体设施、地面各系统设备、火箭及航天器系统工装设备、地面配套设备产品和场区等对象的三维模型，发射场设施设备三维模型以标准库的形式构建，在提供设计图纸、影像等资料基础上依托专业建模机构进行建设。在前期有关项目的支持下，目前本项目所需的各类三维模型已基本具备。

    (3)评价指标库

    包括厂房评价指标、流程评价指标、设备正常运行指标等数据信息规则，用于任务保障中设施设备布局、测发操作流程和接口适应性的分析验证。

    (4)设施设备信息库

    主要由发射区的各种地面设施设备相关信息构成，包括基本属性信息、维护运行等任务相关信息，同时兼顾火箭系统、航天器系统相关工装设备外包络信息和接口信息。

    (5)计算模型库

    包括应用系统中用到的各种底层计算模型，由各类参数报警、统计分析的数据计算方法库组成，主要包括碰撞检测算法、流程设计算法等。

    (6)图档资料库

    各类设施设备的设计图纸及相关文档资料集，主要覆盖单体设施、地面各系统配套设备、火箭和航天器系统产品、场区等。

    3.1.2 服务支撑

    服务支撑建设由相互独立的软件功能模块组成，这些功能模块通过组合为发射场数字化应用提供功能服务支撑，包括三维场景融合、动态模型加载、仿真应用集成、信息综合处理等。

    (1)三维场景融合

    是构成三维仿真环境的基础支撑模块，通过融合地理信息数据、BIM建筑模型数据、细粒度场景建模数据等，提供高逼真度场景生成方法，通过导航、多视点控制等功能建立友好的人机交互界面，进行数字化发射场的检索与控制。

    (2)动态模型加载

    实现发射场场景、设施、设备、产品及工装等模型的动态加载，发射场模型复杂繁多，加载过程设置不同级别，通过分层次加载不同粒度模型，达到效率和效果的平衡处理。

    (3)仿真应用集成

    为任务保障分析验证提供布局分析、接口协调、流程推演等平台功能支持，实现时间、空间、人员等约束条件下关键操作展示与保障性要素分析。

    (4)信息综合处理

    在实时计算与显示设施、设备、人员等属性信息与状态信息的基础上，依据不同需求，结合各类信息，实现用户定制的分析评估结果，通过支撑工具完成评估结果的自动生成，完成仿真报告的创建及文档输出。

    3.1.3 业务应用系统

    业务应用系统建设包括发射场地理信息环境、三维数字化模型、任务保障分析验证系统、地面设施设备可视化信息系统四个方面的建设内容，针对试验任务的不同需求，实现发射场从规划设计到使用维护过程中测发全系统各阶段的适应性分析验证和信息服务支撑。

    3.2 系统建设

    系统平台可实现发射场规划建设可视化分析、数字化发射场能力提供、任务保障分析验证、发射场地面设施设备信息可视化管理等，建成后将能改善发射场的三维数字化水平，有效提升发射场的数字化基础设施。

    3.2.1 发射场地理信息环境建设

    购买使用发射场卫星遥感影像、航空摄影资料、二维矢量数据、高程数据等，建立发射场地理信息环境。通过三维地球数字可视化软件将建筑模型与地形和影像数据融合形成一个地理信息完整的三维虚拟数字地球，定位、展示和分析发射场场区、环境、建筑等环境信息。建设内容如下。

    (1)数字发射场展示模块

    建立发射场地理信息导航，通过数字地球定位并展示发射场场区、环境、建筑等信息，实现特定场区建筑的快速切换定位，实现发射场关注区域的要素查询、信息标绘、空间分析等功能。

    (2)场区辅助规划模块

发射场地理信息环境融合场区分布、场区地形地貌图、人员编制、规划建设宏观政策、规划方案成果比较、项目工程图档资源等资源，实现场区现状与发展需求满足度分析、场区规划与实施进度展示等功能，为场区建设情况提供形象直观的展示方式，为基础设施建设、方案规划以及重大试验项目中试验任务勤务保障提供决策依据，为各场区建设规划现状，各类厂房、办公生活用房的种类、数量、使用状况提供可靠信息，为新建场区规划建设和已有场区的改扩建提供决策支持，为管理人员提供更加详尽的资源信息，为设计人员提供详尽的建设规划信息。

    3.2.2 发射场三维数字化模型库建设

    结合使用Revit三维设计技术与仿真技术，完成海南发射场主要单体的三维数字化仿真建模，根据施工图完成各单体建筑、结构、水、暖、电、弱电、加注供气、非标等多专业的三维建模，建成与实际发射场1:1比例的数字化发射场，形成三维数字化发射场资源库。

    (1)设施建模

    对发射场技发区的主要单体设施对象进行三级层次建模，其他对象进行三维示意建模，建模对象包含建模区域内所有建筑、场区环境、道路、植被等，各类模型需根据建模指标要求进行纹理数据的采集、建模、贴图和建库工作。

    (2)设备建模

    结合设施建模完成各单体设施内各系统各专业主要设备建模。

    (3)模型动态加载

    各类设施设备模型以模型库的形式提供，进行数字化发射场三维模型展示时，实现模型动态加载功能，模型区分不同粒度，发射场地面设施、设备、产品及工装等根据显示需求进行不同级别的模型显示。

    3.2.3 发射场测发任务保障分析验证系统建设

    发射场的数字化基础建设的目的是服务于航天发射任务，为任务的顺利进行提供信息化保障工具。在任务执行前，为确保测发任务保障工作的顺利进行，需要提前进行产品布局设计、系统间的机械接口协调和干涉分、测发流程中地面保障条件的适应性验证等工作。

    发射场任务保障分析验证系统重点实现解决箭地接口协调、星/船箭联合操作等测发工艺流程中关键环节的布局分析、操作可达性分析，在实际合练任务前提前发现系统间可能存在的接口不匹配、不协调的问题，提升任务执行的可靠性。

    3.2.4 地面设施设备可视化信息管理系统建设

    建立发射场各系统、各专业设施设备信息库，支持各级用户通过三维仿真环境直观、准确地定位、查询、搜索发射场测试发射、工程建设、地面设施设备等领域的各类信息。

    展示保障条件技术指标量化信息和产品工装信息等任务相关信息，为用户提供一个与实际任务关联、沉浸感强、覆盖范围广的任务虚拟任务保障环境，满足信息丰富、交互直观等要求，实现在测发任务全流程的流程演练中对具体关注细节的分析评估。

    3.3 指标要求

    3.3.1 地理信息环境建设指标

    (1)发射场地理信息环境采用B/S架构进行发布，具备良好的运行稳定性、扩展性、大容量数据处理的能力、长期运行效率保障机制及良好的数据存储安全机制；

    (2)支持多核并行运算模式，以适应数据集中处理的需求；

    (3)具有可伸缩的体系结构，通过负载均衡，支持大量的Web并发访问，支持多服务器、多处理器共同分担工作负载，协同完成海量三维地形影像集的创建和网络发布；

    (4)对海量(TB级)遥感数据、矢量数据的高效存储、发布、快速查询与显示。支持地图缓存技术、服务器端进程预运行技术等。支持无限量三维模型、影像、矢量数据的叠加、显示和发布；

    (5)影像成果输出不低于原始分辨率，矢量数据可输出为JPEG、PDF、PNG、BMP、GIF、HFF、SHP、DWG等；

    (6)文档预览支持常用的格式，包括:Word、PDF、常用图片格式、PPT等；

    (7)本地数据加载要求支持shp、kml/kmz、dxf/dwg、mid/mif、mdb、img、tif、jpg等格式；

    (8)数据库中的空间数据坐标系统一为国家大地2000坐标系和WGS84坐标系；

    (9)支持影像数据实时上传，实时更新，实时发布等技术。

    3.3.2 非标系统建设指标

    非标系统建设包括发射场任务保障分析验证系统建设和发射场地面设施设备可视化信息管理系统建设，要求如下。

    (1)平台开发采用开源软件，实现跨平台、自主可控(能够在Windows、中标麒麟两类操作系统上运行)，数据库依托国产数据库或开源数据库；

    (2)软件产品需完成单元部件测试、系统测试，确保运行可靠；

    (3)三维场景依据不同功能实现模型动态加载，运行流畅，场景刷新不小于25帧/秒；

    仿真平台设计结构合理，模块化、扩展性强，能够有效适应信息可视化、接口协调和流程推演两个领域需求，并能在信息可视化方向自成体系，形成专用平台。

    4 关键技术

    4.1 三维地理信息、BIM与虚拟仿真的融合技术

    项目建设内容涉及地理信息技术、BIM技术以及虚拟仿真技术等，核心工作以海南发射场三维数字化为基础，需要实现地理信息系统三维模型、BB1模型和三维仿真模型的有效集成。由于模型格式不一致，信息内涵不统一，模型复杂度差别较大，需要研究这三类模型的有效转换手段，实现模型间的最大复用，建立不同技术体制下的融合方法。

    4.2 测试厂房空间布局设计技术

    设备布局问题（FacilityLayoutProblem，FLP)属典型的组合优化问题，按照对设施的描述不同和求解结果的不同，设备布局可分为块状布局和详细布局。其中块状布局不考虑设备的形状、尺寸以及方位，只是把一些相互关联的设备布置到候选的位置上去。因此，本项目拟采用详细布局的建模方法。详细布局问题的求解结果是各个设施在车间内的坐标和方位。详细布局问题的建模比块状布局问题更加复杂，优化目标和约束条件也更多。

    基于算法的方法从求解性质分主要有最优化和次优化算法。

    4.3 动态信息可视化技术

    动态信息显示要求按照可靠性、实时性、易用性、可维护性和可扩展性等原则，设计并实现一个能将多种数据格式转化为统一的数据格式，并能以文字、表格、曲线、图像、二维态势和三维态势等形象化方式显示数据，并能提供数据判读分析和查询历史数据的功能，让用户能够准确、直观、快速、全面地了解任务过程，为用户的指挥决策提供可靠依据。

    5 小结

    通过发射场地理信息环境、测发任务相关重要单体设施及设备三维模型、任务保障分析验证和设施设备可视化信息管理等应用系统建设，可加强发射场工程建设规划的合理性，提高发射场单体设施的信息服务能力，确保地面设施设备的匹配性，实现任务可视化分析验证，为后续任务保障、发射场建设改造提供充分的数字化手段支持。