翟梅杰， 叢 華， 馮輔周， 吳守軍， 柳東方

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機械工程系， 北京 100072； 2.裝甲兵工程學(xué)院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部隊， 遼寧 遼陽 111200)

裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系構(gòu)建

翟梅杰1， 叢 華2， 馮輔周1， 吳守軍1， 柳東方3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機械工程系， 北京 100072； 2.裝甲兵工程學(xué)院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部隊， 遼寧 遼陽 111200)

針對裝甲車輛故障預(yù)測與健康管理(Prognostics Health Management，PHM)系統(tǒng)缺乏科學(xué)合理的性能度量指標體系的問題，通過分析和借鑒其他領(lǐng)域指標體系的構(gòu)建思路和構(gòu)建原則，并結(jié)合PHM系統(tǒng)性能度量指標體系的發(fā)展歷程和裝甲車輛自身特點，從裝甲車輛各組成部分的角度出發(fā)，構(gòu)建了一套裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系，用于驗證和評估裝甲車輛PHM系統(tǒng)的性能，為裝甲車輛PHM系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)提供指導(dǎo)。

裝甲車輛； PHM系統(tǒng)； 性能度量； 指標體系

隨著故障診斷、特征提取和信息融合等技術(shù)的快速發(fā)展，裝甲車輛關(guān)鍵系統(tǒng)的技術(shù)集成度和復(fù)雜度越來越高，作戰(zhàn)和訓(xùn)練過程的在線維修保障問題日益突出[1]。故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技術(shù)的提出轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的維修模式，使基于狀態(tài)的視情維修成為可能[2]。目前，國內(nèi)外對PHM系統(tǒng)性能度量已展開了廣泛討論和研究。如：景博等[3]從用戶和功能的角度構(gòu)建了性能度量指標體系；苗學(xué)問等[4]從基本功能和能力需求的角度對軍用飛機PHM進行了討論，提出了PHM系統(tǒng)性能度量方法體系，為PHM系統(tǒng)算法設(shè)計、改進及系統(tǒng)能力驗證奠定了基礎(chǔ)；尉詢楷等[5]根據(jù)軍方健康管理用戶的要求，從健康管理診斷和預(yù)測的技術(shù)實現(xiàn)角度出發(fā)，分析了軍方不同用戶的要求與診斷、預(yù)測指標體系之間的映射關(guān)系，建立了相應(yīng)的診斷和預(yù)測指標體系；VACHTSEVANOS等[6]從PHM系統(tǒng)組成的角度進行探討，提出了一套關(guān)于診斷和預(yù)測算法的評價指標；LEAO等[7]從性能指標與PHM系統(tǒng)需求、設(shè)計和費效比之間的關(guān)系入手，建立了新的預(yù)測指標體系；SAXENA等[8]根據(jù)應(yīng)用場合的不同，對故障預(yù)測性能評估指標進行了新的分類。

然而，在新型裝甲車輛的研制過程中，對PHM系統(tǒng)的研究尚處于探索階段。因此，亟需一套科學(xué)合理的裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系，為軍方設(shè)計、研制裝甲車輛PHM系統(tǒng)提供參考，同時為裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能評估奠定基礎(chǔ)?；诖?，筆者通過分析和借鑒上述指標體系的構(gòu)建思路，結(jié)合不同領(lǐng)域相關(guān)指標的構(gòu)建原則和PHM系統(tǒng)在裝甲車輛上應(yīng)用的特點，從裝甲車輛PHM系統(tǒng)各組成部分的角度出發(fā)，提出了一套全新的裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系。

1 PHM系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為裝甲車輛PHM系統(tǒng)示意圖，其主要由車載終端、通信設(shè)備和地面服務(wù)器3部分構(gòu)成。其中：車載終端配備在裝甲車輛上，用于車輛狀態(tài)的監(jiān)控并記錄關(guān)鍵部件故障信息；通信設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)和位置信息傳送到地面服務(wù)器；地面服務(wù)器基于歷史數(shù)據(jù)和智能模型對車輛狀態(tài)進行診斷和預(yù)測，并將裝甲車隊的信息進行統(tǒng)計分析，得到其性能狀態(tài)、健康趨勢和壽命預(yù)測等信息，做出輔助維修保障決策，用于協(xié)調(diào)車輛管理站、維修站和器材庫開展維修保障活動[9]。總之，車載終端采集的數(shù)據(jù)是地面服務(wù)器進一步診斷和預(yù)測的基礎(chǔ)，通信設(shè)備是數(shù)據(jù)的搬運工，地面服務(wù)器則是數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的終端。

圖1 裝甲車輛PHM系統(tǒng)示意圖

2 PHM系統(tǒng)性能度量指標

根據(jù)裝甲車輛PHM系統(tǒng)構(gòu)成，其性能度量指標可分為總體性能度量指標、車載終端度量指標、通信設(shè)備度量指標和地面服務(wù)器度量指標4個方面。

2.1 總體性能度量指標

借鑒國內(nèi)外其他領(lǐng)域相關(guān)指標研究成果，筆者提出了適用于裝甲車輛PHM系統(tǒng)的總體性能度量指標，共分為可用性和用戶需求2類度量指標，如表1所示。

表1 總體性能度量指標

2.1.1 可用性度量指標

根據(jù)GB/T3187—1994[10]對可用性的定義可知：在要求的外部資源得到保障的前提下，產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時刻或時間區(qū)間內(nèi)處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力，是產(chǎn)品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。因此，將可用性度量指標分為可靠性、維修性和保障性3類。

1)可靠性。根據(jù)GB3187—1994[10]可知：可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。裝甲車輛PHM系統(tǒng)的可靠性是指在一定時間內(nèi)無故障地執(zhí)行預(yù)定功能的能力，其度量指標包括平均故障前時間、平均故障間隔時間和平均故障率等。

2)維修性。維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，按照規(guī)定程序方法進行維修時保持或恢復(fù)規(guī)定狀態(tài)的能力。維修性度量指標包括平均修復(fù)時間、最大修復(fù)時間、平均預(yù)防維修時間和平均維修時間等。維修過程中還會出現(xiàn)系統(tǒng)或單元故障不能復(fù)現(xiàn)和重試合格的現(xiàn)象，增加不必要的維修工作量和維修成本，因此故障不能復(fù)現(xiàn)率和重試合格率也為維修性度量指標。

3)保障性。保障性是裝甲車輛的設(shè)計特性和計劃保障資源能夠滿足平時戰(zhàn)備完好性及戰(zhàn)時使用要求的能力，包括維修方案的制定、訓(xùn)練和戰(zhàn)時使用與保障所需人員配置、初始和補充供應(yīng)保障等要素，是保持戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵[11-13]。

2.1.2 用戶需求度量指標

要開發(fā)出滿足軍事需求的PHM系統(tǒng)，必須掌握各部門用戶的詳細需求。從總體角度考慮，PHM系統(tǒng)失效率、人員/設(shè)備使用效率和智能化程度等是用戶共同的關(guān)注點，在實際應(yīng)用中又會因用戶不同而導(dǎo)致需求不同。裝甲車輛PHM系統(tǒng)的用戶涵蓋范圍比較廣，包括指揮人員、使用分隊、管理人員和維修保障人員等。

作戰(zhàn)指揮部將制定的作戰(zhàn)計劃下達給裝備處和使用分隊；裝備處根據(jù)下達的任務(wù)動用裝備，這要求裝甲車輛PHM系統(tǒng)能夠提供車輛目前狀態(tài)的評估結(jié)果；使用分隊根據(jù)下達的任務(wù)派遣人員，其要求裝甲車輛PHM系統(tǒng)能夠提供人員的在位情況、裝備使用熟練程度等相關(guān)信息。因此，裝甲車輛PHM系統(tǒng)應(yīng)具備對車輛狀態(tài)進行評估的能力，并通過對評估信息、人員能力進行綜合排序來幫助管理人員篩選出適合執(zhí)行任務(wù)的裝備和人員。

在戰(zhàn)場或者訓(xùn)練場上，指揮人員要實時掌握裝甲車輛的運行狀態(tài)和位置信息，便于統(tǒng)籌全局，做出合理部署；裝甲車輛乘員則要隨時了解裝備的使用、運行情況和故障信息，對裝甲車輛PHM系統(tǒng)的實時性、虛警率和預(yù)警時間提出要求[9]。

維修保障人員期望最小化重復(fù)修理，明確故障位置和模式，降低周期性檢查頻率，減小維修工作量及縮短故障修復(fù)時間，使裝備以最快的速度恢復(fù)戰(zhàn)斗狀態(tài)；同時，還希望能夠了解部件的壽命、準確的更換時間，可最小化庫存、降低維修過剩或避免維修不足。

2.2 車載終端度量指標

車載終端安裝在裝甲車輛上，設(shè)備的尺寸以及環(huán)境適應(yīng)性等一般性能影響著系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣；車載終端的主要功能是對裝甲車輛的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)控、檢測故障并預(yù)警，因此對車載終端的測試性能提出了要求。車載終端性能度量指標劃分為一般性能和測試性能2類度量指標，如表2所示。

2.2.1 一般性能度量指標

一般性能度量指標根據(jù)對象不同而存在較大差異。據(jù)不完全統(tǒng)計，裝甲車輛的一般性能度量指標有30多種，參照其他領(lǐng)域的指標構(gòu)建原則，選定出一般性能度量指標，具體如下：

1)重量、尺寸。由于車載終端安裝在裝甲車輛上，基于機動性的考慮，裝甲車輛底盤總的承重有限，因此每個結(jié)構(gòu)的重量要嚴格控制在一定范圍之內(nèi)；此外，車載終端的尺寸也要符合車內(nèi)安裝空間，便于檢測和維修，在不影響性能、維修和壽命的情況下，車載終端要盡可能體積小、重量輕。

表2 車載終端度量指標

2)功耗。車載終端用功耗來表征單位時間消耗的能源量，功耗過大不但會嚴重消耗裝甲車輛的儲存能源，還會加速設(shè)備本身的損壞和老化。

3)環(huán)境適應(yīng)性。裝甲車輛的工作環(huán)境復(fù)雜多變，一般環(huán)境中的溫/濕度、氣壓、輻射、振動和沖擊等，以及特殊環(huán)境下的沙塵、鹽霧、噪聲和爆炸性大氣等，都會對車載終端的結(jié)構(gòu)、性能和壽命產(chǎn)生影響，使其設(shè)備可靠性降低、維修工作量加大。

2.2.2 測試性能度量指標

測試模塊是系統(tǒng)及時準確地檢測出裝甲車輛狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的重要工具。測試性能度量指標的種類較多[14-16]，其中應(yīng)用最廣泛的有故障檢測率、故障隔離率和虛警率等。其他指標主要從測試的可靠性、維修性和測試費用等方面考慮，已包含在總體性能度量指標中，此處不予考慮。

1)故障檢測率(λFRD)。它是指正確檢測到的故障數(shù)ND與被測單元發(fā)生的故障總數(shù)NT之比，可表示為

(1)

2)故障檢測時間。故障分為偶然故障和耗損故障2種。偶然故障檢測時間是指從故障發(fā)生到給出故障指示所經(jīng)歷的時間，也可稱為故障潛伏時間；耗損故障檢測時間是指從開始檢測出故障征兆到給出故障指示所經(jīng)歷的時間。

3)故障隔離率(λFIR)。它可用正確隔離到單(多)個部件或模塊的故障數(shù)NL與正確檢測到的故障數(shù)ND之比表示，即

(2)

4)虛警率(λFAR)。它可用發(fā)生的虛警次數(shù)NFA與故障報警總次數(shù)N之比表示，即

(3)

2.3 通信設(shè)備度量指標

通信設(shè)備是連接車載和地面的橋梁，安全快速的通信是PHM系統(tǒng)的根本保障。通信方式主要采用的是無線傳輸，單個無線傳輸模塊的通信距離有限，可根據(jù)作戰(zhàn)或訓(xùn)練規(guī)模的大小、地形情況和任務(wù)范圍建設(shè)一定數(shù)量的固定基站，并靈活布置一些移動基站以延伸通信的有效距離。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸能力、可靠性和安全性是關(guān)注的焦點，其中：數(shù)據(jù)傳輸能力主要考慮數(shù)據(jù)的傳輸速率、傳輸數(shù)量和傳輸時間，用頻帶利用率和通信時延來度量；可靠性是指數(shù)據(jù)正確完整送達的能力，用誤碼率度量；安全性是指在人為或自然因素破壞下，數(shù)據(jù)不被竊取或篡改的能力，用安全性和抗干擾性度量。無線傳輸模塊采用隨機接入的方式將數(shù)據(jù)傳送到基站，再傳送到地面服務(wù)器，基站作為中轉(zhuǎn)樞紐，需要考慮其容量[17-19]。通信設(shè)備性能度量指標如表3所示。

表3 通信設(shè)備度量指標

1)頻帶利用率(Nb)。它用來描述數(shù)據(jù)傳輸速率Rb(即每秒鐘通過信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量)和信道傳輸帶寬B(即單位時間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù))之間的關(guān)系[3]，可表示為

(4)

2)誤碼率(λECR)。它是指數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯誤代碼的概率，即錯誤代碼數(shù)NEC和總代碼數(shù)NC之比，用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，可表示?/p>

(5)

3)基站容量?；臼菙?shù)據(jù)通信的交換中心，不僅傳送車載終端的數(shù)據(jù)，還可作為中轉(zhuǎn)站轉(zhuǎn)接其他基站的數(shù)據(jù)。每個基站允許并行接入的數(shù)據(jù)量是有限的，當傳入的數(shù)據(jù)量超過基站容量時，部分數(shù)據(jù)將無法傳送，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或延誤，因此要盡可能保證基站有足夠大的容量。此外，當突然出現(xiàn)數(shù)據(jù)量過大的情況時，基站應(yīng)具備根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度優(yōu)先傳送關(guān)鍵數(shù)據(jù)的能力。

2.4 地面服務(wù)器度量指標

地面服務(wù)器是對車載終端的細化和深入。當大量數(shù)據(jù)傳回地面服務(wù)器后，地面服務(wù)器不僅要對單個車輛的故障做進一步的診斷和預(yù)測，將整個車隊的數(shù)據(jù)進行整合后統(tǒng)計分析車隊的狀態(tài)趨勢、故障原因，作出維修決策和緊急處理方案等；還要更新數(shù)據(jù)庫，修正診斷和預(yù)測模型。地面服務(wù)器度量指標可劃分為診斷性能、預(yù)測性能和數(shù)據(jù)庫3類度量指標，如表4所示。

表4 地面服務(wù)器度量指標

2.4.1 診斷性能度量指標

診斷模塊根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)和故障診斷模型，不僅要確定出單個裝甲車輛的故障位置、故障原因和故障模式，縮短故障診斷隔離時間，提高維修效率，還要對整個裝甲車隊進行統(tǒng)計分析，尋找共性問題。

1) 準確性。在正確隔離出可更換部件或模塊的前提下，隔離到的部件或模塊數(shù)越小、位置越精確，則故障模式越準確，這樣維修人員才能根據(jù)診斷結(jié)果合理配備人員、設(shè)備，快速排除故障。

2) 正確率。認知診斷模型在進行計量學(xué)特征比較后，提出了診斷正確率指標。早期發(fā)現(xiàn)和診斷是故障能否得到及時維護的前提，正確的診斷是制定合理有效維修方案的依據(jù)。

3) 診斷模型種類。診斷模塊涵蓋的診斷模型種類越多，涵蓋的故障原因、故障機理以及故障模式越多，越能做出準確的判斷，診斷能力越強。

2.4.2 預(yù)測性能度量指標

預(yù)測性是裝甲車輛PHM系統(tǒng)的主要功能模塊，預(yù)測模型依據(jù)裝甲車輛狀態(tài)信息、診斷結(jié)果，再結(jié)合故障歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，對部件或裝甲車輛未來發(fā)展趨勢和失效時間進行預(yù)測，提前制定出預(yù)測性維修計劃[20-21]。

1) 準確性和精確性。針對部件壽命預(yù)測，準確性主要指預(yù)測失效時間與實際失效時間的接近程度，精確性則是指預(yù)測模型給出的壽命失效趨勢與實際失效趨勢的偏差程度。

2) 故障預(yù)測率(λFPR)和預(yù)測覆蓋度(λPCR)。前者表征預(yù)測到的故障數(shù)比率，后者表征預(yù)測模式數(shù)的覆蓋比率，計算公式分別為

(6)

(7)

式中：NP為正確預(yù)測到的故障數(shù)；NAP為可能預(yù)測到的故障總數(shù)；NPM為正確預(yù)測到的故障模式數(shù)；NM為可能預(yù)測到的故障模式總數(shù)。

3) 預(yù)測模型種類。故障發(fā)展的過程中既存在確定性趨勢，也存在隨機性趨勢，準確可靠地預(yù)測機械故障需要多種預(yù)測模型或多種模型結(jié)合的綜合模型。這樣，模塊包含的模型種類越多，越能充分利用信息，因地制宜，獲得高精度的預(yù)測結(jié)果。

2.4.3 數(shù)據(jù)庫度量指標

數(shù)據(jù)庫記錄著整個裝甲車隊的狀態(tài)、故障和維修信息等，還包括專家經(jīng)驗組成的專家系統(tǒng)，以及根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立的診斷模型、預(yù)測模型、評估模型和維修決策模型等[22]。地面服務(wù)器要處理大量傳入的數(shù)據(jù)，這就要求數(shù)據(jù)庫具有強大的數(shù)據(jù)吞吐能力和數(shù)據(jù)處理能力；對數(shù)據(jù)進行存儲的同時還要避免數(shù)據(jù)庫無限增長，這就要求數(shù)據(jù)庫具備自我更新、自我完善的能力；要防止數(shù)據(jù)信息泄露和信息孤島現(xiàn)象等問題的出現(xiàn)，在資源共享的同時還要求數(shù)據(jù)庫具備安全保密的能力。

1)錯誤數(shù)據(jù)捕獲率(λCER)。錯誤數(shù)據(jù)可能來源于從傳感器到地面服務(wù)器的任意一個位置，如：通信誤碼、人工手動輸入錯誤和數(shù)據(jù)下載錯誤等。地面服務(wù)器在把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫之前應(yīng)當對數(shù)據(jù)進行驗證，并將檢測到的錯誤數(shù)據(jù)反饋給用戶，使用時也應(yīng)當包含適當?shù)母婢畔ⅰ＆薈ER用捕獲的錯誤數(shù)據(jù)數(shù)量NCE占錯誤數(shù)據(jù)總量NE的比率來表征，即

(8)

2) 自我更新能力。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)首先應(yīng)具有記憶和思維能力，能夠?qū)魅氲男畔⑦M行存儲、分析、計算、比較和判斷，從而修復(fù)完善自身模型、更新數(shù)據(jù)庫。但隨著新數(shù)據(jù)的錄入，數(shù)據(jù)總量增加，存儲便成為首要問題。而舊數(shù)據(jù)的參考價值也會隨著新數(shù)據(jù)的傳入而降低，在不影響數(shù)據(jù)價值的情況下，需要選擇性舍棄舊數(shù)據(jù)，常見的方法有稀疏法。

2.5 PHM系統(tǒng)性能度量指標體系

通過上述分析，筆者構(gòu)建出裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系，如圖2所示。指標之間的關(guān)系可通過以下過程體現(xiàn)：裝甲車輛某個部件產(chǎn)生故障征兆時，PHM系統(tǒng)應(yīng)當以較低的虛警率、較高的故障檢測率和故障隔離率迅速診斷出故障，以縮短故障檢測時間和故障隔離時間，并將檢測的狀態(tài)信息經(jīng)通信設(shè)備及時傳回地面服務(wù)器。傳輸過程要求通信設(shè)備應(yīng)具有低誤碼率、強抗干擾性和高安全性，避免信息傳輸過程中出錯或被竊；地面服務(wù)器應(yīng)具備較高的診斷準確性和預(yù)測準確性，以縮短故障識別時間，避免二次損傷，合理調(diào)配維修資源，并提高維修效率和延長周期性檢查周期。

圖2 裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系

3 結(jié)論

借鑒不同領(lǐng)域的相關(guān)指標以及PHM系統(tǒng)性能度量指標的發(fā)展歷程，從裝甲車輛PHM系統(tǒng)組成的角度對PHM系統(tǒng)的性能度量進行了探討，提出了總體性能度量指標、車載終端度量指標、通信設(shè)備度量指標以及地面服務(wù)器度量指標共55個度量指標，并構(gòu)建出裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標體系，根據(jù)該體系設(shè)計、研制裝甲車輛PHM系統(tǒng)可滿足軍方的設(shè)計總要求，同時也為下一步的指標篩選和系統(tǒng)性能評估奠定了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Construction of Performance Measurement Index System for Armored Vehicle PHM System

ZHAI Mei-jie1， CONG Hua2， FENG Fu-zhou1， WU Shou-jun1, LIU Dong-fang3

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 3. Troop No.65183 of PLA, Liaoyang 111200, China)

Aiming at the lack of scientific and reasonable performance measurement index system for armored vehicle Prognostics and Health Management (PHM) system, by analyzing and drawing on the idea and principles of construction in other areas of the index system, and combined with the development process of PHM system performance measurement system and its own characteristics, a performance measurement index system of armored vehicle PHM system is constructed from the perspective of the components of armored vehicles. It can be used to verify and evaluate the performance of armored vehicle PHM system, which is instructive for the design and development of armored vehicle PHM system.

armored vehicle; PHM system; performance measurement; index system

1672-1497(2017)02-0053-07

2017-01-04

軍隊科研計劃項目

翟梅杰(1993-)，女，碩士研究生。

TP277； TJ811

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.012