李 碩 徐國平 蔡興雨 沈 珺

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.西安電子科技大學 西安 710071)

雷達裝備健康狀態(tài)評價方法研究

李 碩1徐國平1蔡興雨1沈 珺2

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.西安電子科技大學 西安 710071)

為適應雷達裝備維修保障趨勢，參考航空航天最新PHM技術，構建了雷達健康狀態(tài)評價模型。利用嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)，量化雷達各組成設備的健康狀態(tài)，并結合AHP確定各設備權重，實現(xiàn)雷達各級的健康狀態(tài)評價。提出一種優(yōu)化算法，解決雷達各裝備參數(shù)歸一化帶來的失真問題，提高雷達健康狀態(tài)評價模型的置信度。

雷達;模糊隸屬度函數(shù);健康狀態(tài)評價模型

0 引言

雷達裝備是國家防空預警探測系統(tǒng)的重要組成部分，是信息化戰(zhàn)爭對空情報獲取和電子對抗的主戰(zhàn)裝備，雷達裝備維修保障則是保持、恢復雷達裝備完好率和順利完成作戰(zhàn)任務的保證。隨著現(xiàn)代計算機、微電子、信息處理等高新技術廣泛應用于雷達裝備，傳統(tǒng)的事后維修、定時維修、視情維修等維修保障方式，已難以滿足現(xiàn)代雷達裝備維修保障的需求，呈現(xiàn)諸多弊端:如故障診斷能力不強、維修設備繁多、保障費用急劇增長、無法對故障進行有效預測等［1］。

故障預測與健康管理(PHM)是當前美軍裝備維修保障的一項最新技術并在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)機(JSF)等領域成功應用，將其應用于我軍雷達裝備的維修保障，實現(xiàn)預測性維修是現(xiàn)代雷達裝備維修保障發(fā)展的迫切需求和必然趨勢。此外，現(xiàn)代雷達裝備的機內(nèi)測試設備(BITE)不斷完善，也為PHM技術在雷達裝備中的成功應用提供了前提條件和實現(xiàn)基礎［2－4］。

1 雷達健康狀態(tài)評價基本原則

根據(jù)國軍標《通用雷達裝備質(zhì)量監(jiān)控要求》，本文構建五維雷達裝備健康狀態(tài)隸屬度向量，分別對應健康、亞健康、注意、惡化、病態(tài)五個狀態(tài)。裝備健康狀態(tài)評價是為了故障預測和維修決策服務的，也就是說要根據(jù)健康裝備評價結果做出相應的決策和行動，這就要求每一種狀態(tài)都必須與相應的決策或行動相對應，如裝備處于“健康”狀態(tài)則無須對其進行維修檢查;處于“亞健康”狀態(tài)表示裝備偏離最好狀態(tài)，但不影響正常工作;處于“注意”狀態(tài)則應安排維修檢查計劃;處于“惡化”狀態(tài)則應縮短維修檢查周期;處于“病態(tài)”則表示設備不能正常工作，應馬上進行維修［5］。

利用雷達分級設計思想，對雷達組成進行分級劃分(總系統(tǒng)—分系統(tǒng)—設備—部件)，如圖1所示。并每一設備建立健康狀態(tài)評價集合。

2 雷達健康狀態(tài)參數(shù)標準化及評價方法

2.1 劣化度

裝備健康狀態(tài)由一系列狀態(tài)特征參數(shù)表征，狀態(tài)特征參數(shù)是時間的函數(shù)，即隨著使用時間的延長而劣變。故障或失效則是狀態(tài)特征參數(shù)超過正常工作狀態(tài)集合的界限。而在正常工作中的裝備狀態(tài)是一定程度上偏離了良好狀態(tài)，但未超過極限技術狀態(tài)界限，是個中間狀態(tài)。因此劣化度可定義為裝備狀態(tài)偏離良好狀態(tài)向極限技術狀態(tài)發(fā)展的程度。劣化度取值范圍為［0，1］，0代表沒有產(chǎn)生任何劣變，1代表故障或失效。

對于第i個狀態(tài)特征參數(shù)，其劣化度計算公式為

其中:Ai為第i個狀態(tài)特征參數(shù)的出廠允許值;Bi為第i個狀態(tài)特征參數(shù)的極限值;Ci為第i個狀態(tài)特征參數(shù)的實測值;k為指數(shù)，它反映第i個狀態(tài)參數(shù)的變化對裝備功能的影響程度，一般情況下取2;Ai，Bi的值取自準備的檢測標準，它根據(jù)裝備設計使用和維修說明或根據(jù)實際經(jīng)驗來確定。

2.2 模糊隸屬度函數(shù)

為了量化五維健康狀態(tài)，將抽象概念轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，本文采用嶺形分布隸屬度函數(shù)，函數(shù)表達式為

其中，a2，a1為函數(shù)調(diào)整參數(shù)，取值范圍為［0，1］。嶺形分布隸屬度函數(shù)具有主值區(qū)域?qū)?，過渡帶平緩等特點，能較好地反映裝備劣化度與狀態(tài)的模糊關系，如圖2所示。

將劣化度值代入嶺形分布隸屬度函數(shù)表達式，則得到五個隸屬度值，這表示劣化度所屬狀態(tài)并不唯一，處于一個中間過渡狀態(tài)。這樣就可以將設備從正常到故障的過渡狀態(tài)都表示出來。

3 雷達健康狀態(tài)評價步驟

第一步:計算各設備權重并構建權重矩陣。根據(jù)系統(tǒng)組成結構，計算各個部件及設備分系統(tǒng)的權重。采用9標度層次分析法進行兩兩比較建立判斷矩陣，計算權重向量并進行一致性檢驗，最終得到權重矩陣。

第二步:建立部件級劣化度模糊判斷矩陣。將各部件的劣化度代入嶺形分布隸屬度函數(shù)中，得到部件級劣化度模糊判斷矩陣。

第三步:計算分系統(tǒng)級健康狀態(tài)評價矩陣。利用部件級權重矩陣和部件級劣化度模糊判斷矩陣，進行矩陣相乘運算，得到分系統(tǒng)級健康狀態(tài)評價矩陣。并以此類推，得到上一級的健康狀態(tài)評價矩陣。

第四步:按照最大隸屬度原則判斷設備健康狀態(tài)。

4 實例應用

本文以有源相控陣雷達為例，將其組成按圖1進行劃分，建立健康狀態(tài)評價集合，如圖3所示。通過構建模糊評價模型，逐層完成裝備的健康狀態(tài)評價。

4.1 構建各設備權重矩陣

利用AHP層次分析法計算權重，以輔助分系統(tǒng)級為例，如圖4所示

輸入專家打分結果并檢查一致性，當一致性不符合要求需要進行檢查打分結果，最終確定各權重。以此類推，得到各個設備的權重，如表1所示。

4.2 建立部件級劣化度模糊判斷矩陣

部件劣化度具有反映部件實際工作狀態(tài)的信息，需要和嶺形分布隸屬度函數(shù)進行比對，確認當前劣化度是否能夠正確反映其當前狀態(tài)。傳統(tǒng)的方法是直接利用計算好的劣化度，但實際應用中，不同設備狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過歸一化后，都會帶來一定程度的失真情況，因此本文提出一個劣化度調(diào)整參數(shù)，并配合隸屬度函數(shù)參數(shù)，共同調(diào)整解決參數(shù)歸一化帶來的失真情況，如圖5所示，設計人員可根據(jù)虛線位置來判斷此劣化度的有效性，使得后續(xù)工作能跟好地反映裝備實際健康狀態(tài)。

表1 有源相控陣雷達組成設備及部件的權重

當各個部件全部調(diào)整確認劣化度后，代入嶺形分布隸屬度函數(shù)，可以得到各個部件的模糊判斷矩陣。如表2所示。

表2 有源相控陣雷達各部件模糊判斷矩陣

根據(jù)最大隸屬度原則，確定各個設備的健康狀態(tài)。當出現(xiàn)兩個評價集的隸屬度值相同時，例如伺服設備，健康集和亞健康集的隸屬度值相同，為了保證排除隱患，應選取次級評價集，即伺服設備處于亞健康狀態(tài)。

4.3 計算分系統(tǒng)級健康狀態(tài)評價矩陣

利用部件級權重矩陣和部件級劣化度模糊判斷矩陣，進行矩陣相乘運算，得到分系統(tǒng)級健康狀態(tài)評價矩陣，如圖6所示。可以看出，每個分系統(tǒng)在五個健康評價集都有分布。以收發(fā)分系統(tǒng)為例，從表看出風機電源處于注意集，但風機電源所占收發(fā)分系統(tǒng)的權重很小，而權重相對重要的T/R組件和風機處于亞健康狀態(tài)，因此收發(fā)分系統(tǒng)仍然處于亞健康集，但為了保證裝備任務可靠性，應縮短維修檢查時間，排除隱患。以此類推，通過分系統(tǒng)評價矩陣和分系統(tǒng)權重矩陣可以計算出系統(tǒng)級的健康狀態(tài)。

5 結束語

雷達裝備健康狀態(tài)評價方法的研究具有重要實際應用意思，從設計階段構建健康狀態(tài)評價體系有助于產(chǎn)品的調(diào)試，以及用戶使用，提高產(chǎn)品的可靠性和可維修性。本文以有源相控陣雷達為例，介紹了基于劣化度的裝備健康狀態(tài)判斷方法，利用嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)，將抽象概念量化，通過構建包含健康評價指標、健康狀態(tài)參數(shù)的層次分析結構，有效地回避了物理建模方法的高建模代價以及多元回歸方法可能面臨的模型復雜性和穩(wěn)定性問題。同時，本文為解決參數(shù)歸一化中，單一劣化度計算公式不能正確反映設備實際狀態(tài)與隸屬函數(shù)關系造成失真的情況，提出一個調(diào)整參數(shù)，與隸屬函數(shù)參數(shù)共同來調(diào)整劣化度隸屬準確性問題。此方法可以完成每一個設備劣化度的隸屬標定，具有靈活性和可移植性，提高了裝備健康評價模型的置信度。

［1］曾聲奎，吳際.故障預測與健康管理(PHM)技術的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學報，2005，26(9):626－633.

［2］黃建軍，楊江平，房子成.基于 AHP和模糊評判的雷達系統(tǒng)狀態(tài)綜合評價［J］.現(xiàn)代雷達，2011，33(3):12 －16，33．

［3］鐘詩勝，譚治學.雷達發(fā)射機健康狀態(tài)評價技術研究［J］.現(xiàn)代雷達，2014，36(6):69－74.

［4］王晗中，楊江平，王世華.基于PHM的雷達裝備維修保障研究［J］.裝備指揮技術學院學報，2008，19(4):84 －85.

［5］周林，趙杰，馮廣飛.裝備故障預測與健康管理技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2015:145－146.

Evaluation Method Research on Radar Health Status

Li Shuo1Xun Guoping1Cai Xingyu1Shen Jun2
(1.Xi'an Electronic Engineering Research Institute，Xi'an 710100;2.Xidian University，Xi'an 710071)

In order to adapt to the trend of radar equipment maintenance support，referring the latest PHM technology of aeronautics and astronautics，a radar health status evaluation model was constructed.Using the ridge distribution of membership functions，quantifing the health status of rader's configuration equipment，combining AHP methods to confirm their weight，the radar health status evaluation was completed.To solve the distortion problem of normalizing parameter and improve the confidence value of the radar health status evaluation model，a optimization algorithm was presented.

radar;membership functions;radar health status evaluation model

A

A

1008-8652(2017)01-012-04

2017-01-21

李碩(1992－)，男，碩士研究生，研究方向為雷達總體技術。