0 引言

    信息化航天發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、更加全面的數字化系統和信息支持，以有效預測、指導和評估航天發射任務。測發系統結構功能復雜，過程繁瑣，為適應航天事業快速發展、建設信息化發射場的需要，同時更好的以數字化手段支持各系統人員進行指揮、操作、機械和電氣接口協調、設施設備保障等工作，需要進行發射場技發區數字化相關配套條件建設。

    為滿足信息化航天發射場需求，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，進行發射場數字化建設，提升信息化手段在發射場規劃建設、任務執行和日常維護中的應用。

    2 研究內容

    2.1 發射場地理信息環境

    建立發射場地理信息環境，使用發射場衛星遙感影像、航空攝影資料、二維矢量數據、高程數據等，通過三維地球數字可視化軟件將建筑模型與地形和影像數據融合形成一個地理信息完整的三維虛擬數字地球，定位并展示分析發射場場區、環境、建筑等環境信息。

    2.2 發射場三維模型

    完成發射場主要單體設施的三維仿真建模，根據施工圖完成各單體建筑、結構、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標等多專業設備的三維建模，建成與實際發射場1:1比例的數字化發射場三維仿真環境。

    2.3 發射場任務保障分析驗證系統

    著眼任務保障需要，遵循航天器及運載器對發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，對測發流程保障條件進行需求分析和建模評估，實現對產品布局、流程推演、接口協調的定量評價機制。

    2.4 發射場地面設施設備可視化信息管理系統

    利用地理信息與虛擬仿真技術，結合梳理、歸納各系統、各專業設施設備信息，建立發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境直觀、準確地定位、查詢、搜索發射場測試發射、工程建設、地面設施設備等領域的各類信息。

    3 系統平臺設計

    3.1 組成結構

    數字化發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，主要由支撐數字化建設的各類數據資源組成，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

    包括發射場高程、影像、地形等地理信息數據，向專業衛星代理公司訂購存檔數據或定制數據進行獲取。

    (2)三維模型庫

    包括發射場主要單體設施、地面各系統設備、火箭及航天器系統工裝設備、地面配套設備產品和場區等對象的三維模型，發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據信息規則，用于任務保障中設施設備布局、測發操作流程和接口適應性的分析驗證。

    (4)設施設備信息庫

    主要由發射區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、航天器系統相關工裝設備外包絡信息和接口信息。

    (5)計算模型庫

    包括應用系統中用到的各種底層計算模型，由各類參數報警、統計分析的數據計算方法庫組成，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、地面各系統配套設備、火箭和航天器系統產品、場區等。

    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射場數字化應用提供功能服務支撐，包括三維場景融合、動態模型加載、仿真應用集成、信息綜合處理等。

    (1)三維場景融合

    是構成三維仿真環境的基礎支撐模塊，通過融合地理信息數據、BIM建筑模型數據、細粒度場景建模數據等，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，進行數字化發射場的檢索與控制。

    (2)動態模型加載

    實現發射場場景、設施、設備、產品及工裝等模型的動態加載，發射場模型復雜繁多，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、接口協調、流程推演等平臺功能支持，實現時間、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信息的基礎上，依據不同需求，結合各類信息，實現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，完成仿真報告的創建及文檔輸出。

    3.1.3 業務應用系統

    業務應用系統建設包括發射場地理信息環境、三維數字化模型、任務保障分析驗證系統、地面設施設備可視化信息系統四個方面的建設內容，針對試驗任務的不同需求，實現發射場從規劃設計到使用維護過程中測發全系統各階段的適應性分析驗證和信息服務支撐。

    3.2 系統建設

    系統平臺可實現發射場規劃建設可視化分析、數字化發射場能力提供、任務保障分析驗證、發射場地面設施設備信息可視化管理等，建成后將能改善發射場的三維數字化水平，有效提升發射場的數字化基礎設施。

    3.2.1 發射場地理信息環境建設

    購買使用發射場衛星遙感影像、航空攝影資料、二維矢量數據、高程數據等，建立發射場地理信息環境。通過三維地球數字可視化軟件將建筑模型與地形和影像數據融合形成一個地理信息完整的三維虛擬數字地球，定位、展示和分析發射場場區、環境、建筑等環境信息。建設內容如下。

    (1)數字發射場展示模塊

    建立發射場地理信息導航，通過數字地球定位并展示發射場場區、環境、建筑等信息，實現特定場區建筑的快速切換定位，實現發射場關注區域的要素查詢、信息標繪、空間分析等功能。

    (2)場區輔助規劃模塊

發射場地理信息環境融合場區分布、場區地形地貌圖、人員編制、規劃建設宏觀政策、規劃方案成果比較、項目工程圖檔資源等資源，實現場區現狀與發展需求滿足度分析、場區規劃與實施進度展示等功能，為場區建設情況提供形象直觀的展示方式，為基礎設施建設、方案規劃以及重大試驗項目中試驗任務勤務保障提供決策依據，為各場區建設規劃現狀，各類廠房、辦公生活用房的種類、數量、使用狀況提供可靠信息，為新建場區規劃建設和已有場區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劃信息。

    3.2.2 發射場三維數字化模型庫建設

    結合使用Revit三維設計技術與仿真技術，完成海南發射場主要單體的三維數字化仿真建模，根據施工圖完成各單體建筑、結構、水、暖、電、弱電、加注供氣、非標等多專業的三維建模，建成與實際發射場1:1比例的數字化發射場，形成三維數字化發射場資源庫。

    (1)設施建模

    對發射場技發區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域內所有建筑、場區環境、道路、植被等，各類模型需根據建模指標要求進行紋理數據的采集、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各專業主要設備建模。

    (3)模型動態加載

    各類設施設備模型以模型庫的形式提供，進行數字化發射場三維模型展示時，實現模型動態加載功能，模型區分不同粒度，發射場地面設施、設備、產品及工裝等根據顯示需求進行不同級別的模型顯示。

    3.2.3 發射場測發任務保障分析驗證系統建設

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

    發射場任務保障分析驗證系統重點實現解決箭地接口協調、星/船箭聯合操作等測發工藝流程中關鍵環節的布局分析、操作可達性分析，在實際合練任務前提前發現系統間可能存在的接口不匹配、不協調的問題，提升任務執行的可靠性。

    3.2.4 地面設施設備可視化信息管理系統建設

    建立發射場各系統、各專業設施設備信息庫，支持各級用戶通過三維仿真環境直觀、準確地定位、查詢、搜索發射場測試發射、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、沉浸感強、覆蓋范圍廣的任務虛擬任務保障環境，滿足信息豐富、交互直觀等要求，實現在測發任務全流程的流程演練中對具體關注細節的分析評估。

    3.3 指標要求

    3.3.1 地理信息環境建設指標

    (1)發射場地理信息環境采用B/S架構進行發布，具備良好的運行穩定性、擴展性、大容量數據處理的能力、長期運行效率保障機制及良好的數據存儲安全機制；

    (2)支持多核并行運算模式，以適應數據集中處理的需求；

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

    (4)對海量(TB級)遙感數據、矢量數據的高效存儲、發布、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、矢量數據的疊加、顯示和發布；

    (5)影像成果輸出不低于原始分辨率，矢量數據可輸出為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)本地數據加載要求支持shp、kml/kmz、dxf/dwg、mid/mif、mdb、img、tif、jpg等格式；

    (8)數據庫中的空間數據坐標系統一為國家大地2000坐標系和WGS84坐標系；

    (9)支持影像數據實時上傳，實時更新，實時發布等技術。

    3.3.2 非標系統建設指標

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

    (1)平臺開發采用開源軟件，實現跨平臺、自主可控(能夠在Windows、中標麒麟兩類操作系統上運行)，數據庫依托國產數據庫或開源數據庫；

    (2)軟件產品需完成單元部件測試、系統測試，確保運行可靠；

    (3)三維場景依據不同功能實現模型動態加載，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，核心工作以海南發射場三維數字化為基礎，需要實現地理信息系統三維模型、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，FLP)屬典型的組合優化問題，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化和次優化算法。

    4.3 動態信息可視化技術

    動態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，設計并實現一個能將多種數據格式轉化為統一的數據格式，并能以文字、表格、曲線、圖像、二維態勢和三維態勢等形象化方式顯示數據，并能提供數據判讀分析和查詢歷史數據的功能，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。

    5 小結

    通過發射場地理信息環境、測發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建設，可加強發射場工程建設規劃的合理性，提高發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，實現任務可視化分析驗證，為后續任務保障、發射場建設改造提供充分的數字化手段支持。