崔 嘉，賀 靜，劉 奇，白 杰，程 橙

(1.海軍航空工程學院, 山東 煙臺 264001； 2.北京機電工程研究所，北京 100074； 3.海軍裝備部，北京 100841； 4.中國航天科工集團三院 無人機技術研究所，北京 100074； 5.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

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無人機PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計研究

崔 嘉1，賀 靜2，劉 奇3，白 杰4，程 橙5

(1.海軍航空工程學院, 山東 煙臺 264001； 2.北京機電工程研究所，北京 100074； 3.海軍裝備部，北京 100841； 4.中國航天科工集團三院 無人機技術研究所，北京 100074； 5.北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

針對狀態(tài)預測與健康管理(PHM)技術在無人機領域的應用需求，文章參考國內(nèi)外PHM技術研究成果和應用經(jīng)驗，結(jié)合我國無人機保障現(xiàn)狀，分析了無人機PHM系統(tǒng)的功能需求，研究設計了無人機PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并詳細介紹了該系統(tǒng)的工作流程，為無人機綜合保障水平的提高提供了有益指導和參考。

無人機；預測與健康管理；體系結(jié)構(gòu)；綜合保障

0 引言

隨著科技的進步和發(fā)展，裝備的戰(zhàn)斗力不斷提升的同時，裝備復雜度也不斷提高，裝備維修保障規(guī)模和費用急劇增加。為了減輕裝備維修保障負擔，降低裝備全壽命周期內(nèi)的使用和維修費用，各國軍事研究人員對裝備維修保障研究日益關注，促進裝備維修模式從傳統(tǒng)的事后維修和定期維修模式逐漸向基于狀態(tài)的維修(condition-based maintenance, CBM)轉(zhuǎn)變，而作為這項轉(zhuǎn)變的技術支撐，裝備測試及故障診斷技術也經(jīng)歷了從外部測試到機內(nèi)測試(built-in test, BIT)，再到測試性成為一門獨立的學科，綜合診斷技術的提出與發(fā)展，狀態(tài)預測與健康管理(prognostics and health management, PHM)技術的提出與應用等的發(fā)展演變過程[1]。PHM系統(tǒng)自提出以來，國內(nèi)外的研究者對系統(tǒng)健康狀態(tài)評估、壽命預測、故障診斷等諸多關鍵技術領域開展了諸多研究，形成了大量的寶貴研究成果[2]，并在以F-35聯(lián)合攻擊機為代表的多個項目中取得了良好的應用效果[3]，有效降低了維修保障費用，提高了戰(zhàn)備完好率和任務成功率。

無人機作為一種利用無線電遙控設備和自帶程序控制裝置操控的新型高技術武器系統(tǒng)，具有無人員傷亡風險、機動性能好、效費比好等諸多優(yōu)點，已逐漸為世界各國所重視，并在戰(zhàn)場上開始嶄露頭角。而隨著無人機在作戰(zhàn)中的廣泛應用，如何借助PHM技術的應用實現(xiàn)無人機視情維修，提高無人機裝備綜合保障水平，已成為無人機研究中的熱點，國內(nèi)外諸多學者在該領域開展了諸多研究，取得了大量的研究成果。

本文參考國內(nèi)外PHM技術研究成果和應用經(jīng)驗，結(jié)合我國無人機保障現(xiàn)狀及需求[4]，研究設計無人機PHM系統(tǒng)，實現(xiàn)對無人機健康狀態(tài)的評估、預測與管理，從而達到提高無人機綜合保障能力的目的。

1 無人機PHM系統(tǒng)功能需求分析

PHM系統(tǒng)一般應具備故障檢測、故障隔離、增強的診斷、性能檢測、故障預測、健康管理、部件壽命追蹤等能力[5]，結(jié)合無人機實際應用運用情況，分析無人機PHM系統(tǒng)應具備如下功能。

1.1 分層次狀態(tài)監(jiān)測與評估

無人機系統(tǒng)是一個由動力、航電、武器等多個子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)，由于無人駕駛，在其執(zhí)行任務過程中，工作人員只能通過其上各傳感器監(jiān)測到的信息判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，因此有必要構(gòu)建完善的覆蓋各單機設備、分系統(tǒng)到全系統(tǒng)等多個層次狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并綜合各類信息與數(shù)據(jù)評估其自身健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)任務執(zhí)行及其他時間中無人機出現(xiàn)的性能異?，F(xiàn)象。

1.2 狀態(tài)預測

為提高無人機維修保障能力，實現(xiàn)無人機自主保障，有必要借助必要手段和措施，充分利用各類信息和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)各設備狀態(tài)的可靠預測，從而估計出裝備剩余壽命，為無人機裝備實施預防性維修提供技術支撐。

1.3 維修決策與支持

基于狀態(tài)預測及故障診斷結(jié)果，對無人機裝備維修方式、級別做出合理決策，并通過對維修系統(tǒng)中的已有維修任務、各類維修資源狀態(tài)、裝備維修需求等多方面進行分析，對無人機維修開展合理規(guī)劃，從而在保證有效戰(zhàn)斗力的同時，最大限度的提高維修資源利用率，提高裝備保障水平。

1.4 智能故障診斷

對于無人機使用過程中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，通過有效的獲取和利用各類診斷信息，借助多種診斷方法，以靈活的診斷策略對無人機系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障做出正確判斷和決策，給出故障信息，并確定故障的部位、類型和嚴重程度，同時自動隔離出所出現(xiàn)的故障。

1.5 輔助維修

在故障裝備維修過程中，為裝備維修人員提供多方位、多形式的輔助維修手段，從而保證無人機裝備維修的快速開展。

2 無人機PHM體系結(jié)構(gòu)設計

如圖1所示，無人機PHM系統(tǒng)主要由機載PHM系統(tǒng)和地面PHM系統(tǒng)兩部分組成。機載PHM系統(tǒng)部署在無人機上，主要由單機設備狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)、分系統(tǒng)信息融合與處理子系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估子系統(tǒng)、機載狀態(tài)提示與預警子系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中機載數(shù)據(jù)管理模塊組成，主要完成無人機在線數(shù)據(jù)采集與存儲、狀態(tài)實時評估與預警等功能；地面PHM系統(tǒng)部署在無人機地面遙控站及部隊基地中，主要由數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)設備和基地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、故障檢測與隔離子系統(tǒng)、狀態(tài)評估與預測子系統(tǒng)、維修決策與規(guī)劃子系統(tǒng)和維修管理子系統(tǒng)組成，主要完成無人機裝備離線數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)評估、故障裝備檢測與維修等功能。

圖1 無人機PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成圖

2.1 單機設備狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)

單機設備狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)由無人機上各設備單機上裝載的各傳感器、各機內(nèi)測試設備及相應的監(jiān)控程序組成，實現(xiàn)對各單機設備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和預處理，并抽取出各采集數(shù)據(jù)的特征，與設計要求相比較，實時檢測系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的各類異?，F(xiàn)象。

2.2 分系統(tǒng)信息融合與處理子系統(tǒng)

分系統(tǒng)信息融合與處理子系統(tǒng)用于實現(xiàn)無人機各分系統(tǒng)的狀態(tài)評定。它借助針對于該分系統(tǒng)設計的狀態(tài)評估算法，將該分系統(tǒng)各單機設備狀態(tài)信息進行融合整理，綜合評定出該分系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.3 無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估子系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估子系統(tǒng)用于實現(xiàn)無人機系統(tǒng)級狀態(tài)評估，它將各分系統(tǒng)多源狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進行融合和狀態(tài)初步預測，得到全系統(tǒng)狀態(tài)信息，并與任務要求相比較，評估當前飛機安全狀態(tài)及作戰(zhàn)任務影響情況。

2.4 機載狀態(tài)提示與預警子系統(tǒng)

機載狀態(tài)提示與預警子系統(tǒng)用于無人機任務執(zhí)行過程中出現(xiàn)的異常狀態(tài)提示與故障預警，并提供初步的故障診斷能力，根據(jù)無人機狀態(tài)信息進行初步故障推理，將可能的故障原因發(fā)給地面站，使工作人員在飛機落地前即可開展故障修復準備工作；此外，該子系統(tǒng)還可按照地面站指令，向地面發(fā)送相應的各級設備狀態(tài)信息。

2.5 數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)子系統(tǒng)用于無人機的狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)。在無人機任務執(zhí)行過程中，機載數(shù)及其他保障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至基地數(shù)據(jù)庫，形成無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)倉庫。

2.6 狀態(tài)評估與預測子系統(tǒng)

基于無人機數(shù)據(jù)倉庫中的狀態(tài)數(shù)據(jù)、各類保障及設計數(shù)據(jù)，借助相關數(shù)據(jù)融合及狀態(tài)評估算法，對無人機裝備狀態(tài)進行全面完善的評估。同時結(jié)合各系統(tǒng)具體情況，采用模型驅(qū)動的預測算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測算法、統(tǒng)計可靠性驅(qū)動的預測算法中的一種或多種進行狀態(tài)預測，預估各系統(tǒng)失效的可能時間點。

2.7 維修決策與規(guī)劃子系統(tǒng)

維修決策與規(guī)劃子系統(tǒng)用于確定無人機裝備的維修決策，包括對裝備的維修方式(修復性維修或預防性維修)、維修級別(大修、中修、小修)等的確定，分析得到裝備維修需求，并根據(jù)維修系統(tǒng)內(nèi)的各類維修資源狀態(tài)及戰(zhàn)訓任務安排，綜合考慮維修中的各因素，借助多目標決策思想，規(guī)劃出合理的裝備維修計劃，從而保證故障設備得到合理維修、減少裝備突發(fā)性故障，從而收獲最佳的維修效果。

2.8 故障檢測與隔離子系統(tǒng)

故障檢測與隔離子系統(tǒng)除為無人機故障診斷中提供相應的通用和專用診斷設備外，還提供一整套的故障診斷專家支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)將各類設計、保障及專家知識相整合，通過模擬人類專家推理方法，提供遠程專家支持、IETM等多樣化的輔助診斷方式，形成強大的故障診斷專家知識及推理支撐，使各類故障的快速檢測與隔離，達到智能故障診斷理念的落地應用。

2.9 維修管理子系統(tǒng)

在無人機維修過程中，維修管理子系統(tǒng)負責對維修所需的各類資源進行協(xié)調(diào)，通過下發(fā)工單等方式指導維修工作進行，并為維修人員提供便攜式維修設備，輔助維修工作的開展。

3 無人機PHM系統(tǒng)工作流程

無人機PHM系統(tǒng)各部分相互協(xié)同配合，共同完成無人機各項監(jiān)測與保障任務，其基本工作流程如圖2所示，其主要包含5個部分：在線狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與初步分析、數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)、狀態(tài)評估與預測、維修決策與規(guī)劃和故障診斷與維修。

3.1 在線狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與初步分析

無人機在執(zhí)行任務過程中，機載PHM系統(tǒng)中單機設備狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)、分系統(tǒng)信息融合與處理子系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估子系統(tǒng)共同構(gòu)建起無人機三級狀態(tài)監(jiān)測機制。其中安裝在各單機設備上的傳感器采集最原始的狀態(tài)數(shù)據(jù)和機內(nèi)測試結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理、特征提取，并與該特征要求比對，確定單機設備各項指標是否異常；分系統(tǒng)信息融合與處理子系統(tǒng)將組成本分系統(tǒng)的各分機設備狀態(tài)進行融合，得到該系統(tǒng)狀態(tài)；無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估子系統(tǒng)通過系統(tǒng)綜合分析各分系統(tǒng)狀態(tài)信息，將各系統(tǒng)狀態(tài)進行融合，并利用任務執(zhí)行期間的數(shù)據(jù)開展趨勢分析工作，得到無人機當前及任務執(zhí)行剩余時間內(nèi)的全系統(tǒng)狀態(tài)情況，判斷無人機當前是否存在狀態(tài)異?；蚬收犀F(xiàn)象。若存在異?，F(xiàn)象，則通過與任務要求進行比對，判斷故障或異常對作戰(zhàn)任務影響情況。

3.2 數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)

任務執(zhí)行期間，在對系統(tǒng)各級狀態(tài)信息分析的同時，也將傳感器采集的原始狀態(tài)數(shù)據(jù)、各設備、各級評估處理中間結(jié)果、異?；蚬收闲畔⒌却鎯υ跈C載數(shù)據(jù)卡中，從而為無人機離線狀態(tài)綜合評估提供數(shù)據(jù)和信息支撐。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象，并可能危及到任務時，機載狀態(tài)提示與預警子系統(tǒng)第一時間通過數(shù)據(jù)鏈向地面站發(fā)送異?；蚬收闲畔?，并同時開展故障初步診斷推理，將故障推理結(jié)果隨同異?；蚬收闲畔l(fā)送給地面，供地面站工作人員決策參考。在需要時，地面站工作人員可通過向機載狀態(tài)提示與預警子系統(tǒng)發(fā)送相關指令，獲取更詳細的狀態(tài)信息；若無人機狀態(tài)不影響任務執(zhí)行，則無人機在任務執(zhí)行完畢返回基地后，為避免數(shù)據(jù)下載導致任務延遲的情況，可通過兩種方式將狀態(tài)數(shù)據(jù)下載到地面數(shù)據(jù)中：在任務緊急時，如戰(zhàn)時無人機返回基地補充武器后需再次開展任務等情況，此時可直接更換機上數(shù)據(jù)卡，將換下的數(shù)據(jù)卡插入地面讀寫器中讀出數(shù)據(jù)；在任務不太緊急時，可利用數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)設備，將數(shù)據(jù)下載到流轉(zhuǎn)設備中，再轉(zhuǎn)存至地面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

3.3 狀態(tài)評估與預測

為減少對機上計算和存儲資源的占用，無人機在線狀態(tài)監(jiān)測與評估僅完成基本的指標判定、異常檢測和狀態(tài)初步預測，而地面PHM系統(tǒng)則提供完善的狀態(tài)評估和預測功能。無人機在返回基地完成數(shù)據(jù)下載后，狀態(tài)評估與預測子系統(tǒng)基于該無人機各類設計使用保障數(shù)據(jù)，隨機開展針對該無人機的狀態(tài)評估結(jié)果更新，同時針對各設備不同情況，采用不同的預測方法開展狀態(tài)預測，如對于無人機機身結(jié)構(gòu)、供電系統(tǒng)等來說，故障模式和失效機理相對簡單，存在退化模型的單機或分系統(tǒng)，采用基于模型的預測方法開展性能預測；對于歷史工作數(shù)據(jù)、

圖2 無人機PHM系統(tǒng)工作流程圖

故障分析或仿真實驗數(shù)據(jù)積累較為豐富且完整的單機或分系統(tǒng)，可考慮采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法開展性能預測，通過各種數(shù)據(jù)分析處理方法，挖掘出其中隱含的信息與裝備發(fā)展趨勢；對于歷史故障和實驗數(shù)據(jù)中存在典型統(tǒng)計規(guī)律的單機或分系統(tǒng)，可以通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，得到相應故障概率密度函數(shù)，從而通過該統(tǒng)計可靠性的方法預測裝備狀態(tài)發(fā)展。在實際應用中，對于符合以上多種方法要求的設備性能預測，可采用多種方法相復合的方法開展性能預測，從而估計出各設備的失效時間，得到其剩余壽命。

3.4 維修決策與規(guī)劃

對于已經(jīng)出現(xiàn)故障的無人機裝備，根據(jù)裝備故障信息及后續(xù)任務安排，在決策人員的共同參與下，分析出對裝備開展修復性維修的維修級別，并評估出裝備維修需求；而對于未出現(xiàn)故障的無人機裝備，基于無人機離線狀態(tài)評估和預測的結(jié)果，分析裝備失效點對戰(zhàn)訓任務的影響，確定合理的預防性維修時機及維修需求。

得到維修決策結(jié)果后，系統(tǒng)讀取裝備維系需求，構(gòu)建維修任務模型，明確維修資源需求。之后讀取維修系統(tǒng)信息，得到維修系統(tǒng)運行信息，以此作為規(guī)劃的邊界條件，綜合考慮維修時間、維修費用、裝備戰(zhàn)斗力、裝備可靠性等多個優(yōu)化目標，對維修工作開展多目標決策規(guī)劃，得到綜合最優(yōu)的維修計劃。

3.5 故障診斷與維修

在維修系統(tǒng)中，故障檢測與隔離子系統(tǒng)為維修工作人員提供診斷技術支持，維修管理子系統(tǒng)為維修管理人員提供資源協(xié)調(diào)和進度監(jiān)控手段。

首先，維修任務下達至維修系統(tǒng)后，維修管理人員借助維修管理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)所需的各項維修資源，并對系統(tǒng)內(nèi)的各項任務開展綜合調(diào)度，鑒于傳統(tǒng)維修保障系統(tǒng)中已形成以工序工步為核心的維修管理模式，維修管理系統(tǒng)通過對各維修工位下發(fā)電子工單的形式指導和監(jiān)督各項維修工序的開展；之后，按照工單要求，維修工作人員在故障檢測與隔離子系統(tǒng)的支持下，開展故障診斷與維修工作；最后，在維修工作完成后，維修部門將裝備返還使用部門，并將維修過程中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)一并導入數(shù)據(jù)庫中，更新無人機裝備保障數(shù)據(jù)庫信息。

4 結(jié)束語

本文以無人機為研究對象，參考國內(nèi)外狀態(tài)預測與健康管理研究成果和應用經(jīng)驗，分析了無人機PHM系統(tǒng)功能需求，并研究設計了無人機PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其工作流程圖，為無人機PHM技術的應用提供了設計參考。然而，PHM系統(tǒng)所涉及的諸多技術，如復雜裝備系統(tǒng)級的狀態(tài)評估與預測、故障綜合診斷等的研究還未完全成熟，在應用中還存在諸多問題需要解決，因此，在后續(xù)的研究中，我們應繼續(xù)關注國內(nèi)外先進研究成果和成功應用經(jīng)驗，加強各項基礎技術研究，階段性的推動PHM系統(tǒng)中的各項技術在無人機保障領域的應用，提高無人機綜合保障水平。

[1] 張寶珍. 國外綜合診斷、預測與健康管理技術的發(fā)展及應用[J]. 計算機測量與控制，2008，16(5):591-594.

[2] 彭 宇,劉大同,彭喜元.故障預測與健康管理技術綜述[J].電子測量與儀器學報，2010，24(1):1-9.

[3] 張寶珍,曾天翔. PHM:實現(xiàn)F-35經(jīng)濟可承受性目標的關鍵使能技術[J].航空維修與工程，2005，06:20-23.

[4] 朱 斌，陳 龍，強 弢,等.美軍F-35 戰(zhàn)斗機PHM體系結(jié)構(gòu)分析[J].計算機測量與控制，2015，23(1):1-7.

[5] Michael G P. Prognostics and health management of electronics[M]. John Wiley & Sons. Inc., Hoboken, New Jersey，2008.

Research on the Architecture Design of UAV PHM System

Cui Jia1，He Jing2，Liu Qi3，Bai Jie4, Cheng Cheng5

(1.Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China;2.Beijing Institute of Mechanical and Electric Engineering, Beijing 100074, China;3.Naval Equipment Department, Beijing 100841, China; 4.UAV Technology Institute, CASIC, Beijing 100074, China;5.Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co.,Ltd, Beijing 100041, China)

According to the requirement of the PHM (Prognostics and Health Management) technology in the field of UAV, this paper refers to the research achievements and application experience of PHM technology at home and abroad, and analyzes the functional requirements of the PHM system for UAV in the domestic situation. It studies and designs the architecture of PHM system for UAV, and explains the working process of the system, which provides useful guidance and reference for the improvement of the UAV integrated support.

UAV; PHM; architecture; integrated support

2016-04-29；

2016-05-26。

崔 嘉(1982-)，男，山東文登人，碩士，講師，主要從事裝備管理信息化、計算機應用技術方向的研究。

1671-4598(2016)06-0133-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.036

V279

A