顧 兵，何 青，史厚寶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

近年來(lái)隨著無(wú)人技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)掀起了其在軍事領(lǐng)域應(yīng)用研究的熱潮。無(wú)人艇作為新一代海上作戰(zhàn)平臺(tái)，其感知系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單導(dǎo)航、避碰擴(kuò)展到了集情報(bào)收集、反潛作戰(zhàn)、精確打擊等多維一體的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著無(wú)人艇感知系統(tǒng)作戰(zhàn)使命任務(wù)的不斷擴(kuò)展，系統(tǒng)集成化、復(fù)雜化程度的不斷提高，其故障發(fā)生概率同步提高，保障要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的事后維修或定期維修已不能滿(mǎn)足系統(tǒng)任務(wù)成功率要求。故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)利用傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能推理算法來(lái)評(píng)估系統(tǒng)自身的狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)實(shí)施視情維修[1]。

本文根據(jù)無(wú)人艇感知系統(tǒng)的特點(diǎn)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合已有技術(shù)理論和研究基礎(chǔ)，分析給出了無(wú)人艇感知系統(tǒng)PHM的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案，可為后續(xù)無(wú)人艇感知系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)3種類(lèi)型[2-3]，分布式結(jié)構(gòu)各子系統(tǒng)獨(dú)立完整的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，針對(duì)性強(qiáng)。無(wú)人艇感知系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多設(shè)備組成系統(tǒng)，一般由光電、導(dǎo)航雷達(dá)等“通用載荷”以及反潛聲納、監(jiān)測(cè)雷達(dá)、偵察機(jī)、干擾機(jī)等“專(zhuān)用載荷”組成，考慮到各組成設(shè)備均是一個(gè)完整、相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，因此無(wú)人艇感知系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)分設(shè)備進(jìn)行設(shè)備級(jí)的PHM管理，感知系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的PHM管理，基地進(jìn)行基地級(jí)的PHM管理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人艇PHM系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

每個(gè)分設(shè)備均設(shè)有相對(duì)獨(dú)立、完整的PHM系統(tǒng)，負(fù)責(zé)本設(shè)備的故障診斷預(yù)測(cè)與健康管理。每個(gè)設(shè)備的PHM系統(tǒng)都設(shè)有數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估模塊、故障診斷預(yù)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及PHM管理模塊[4]。每個(gè)分設(shè)備均設(shè)有設(shè)備級(jí)PHM管理模塊負(fù)責(zé)各自設(shè)備PHM系統(tǒng)中模塊的管理控制以及各自設(shè)備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的上報(bào)；同時(shí)，在感知系統(tǒng)及基地分別設(shè)有系統(tǒng)級(jí)、基地級(jí)PHM管理模塊。系統(tǒng)級(jí)PHM管理模塊負(fù)責(zé)收集分設(shè)備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)、分析處理并將結(jié)果上報(bào)基地級(jí)PHM管理模塊?；丶?jí)PHM管理模塊根據(jù)系統(tǒng)發(fā)過(guò)來(lái)的健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合維修決策數(shù)據(jù)、保障資源信息以及人機(jī)接口命令進(jìn)行系統(tǒng)維修評(píng)估與決策，決定是否進(jìn)行維修。

2 PHM系統(tǒng)流程

首先，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)各類(lèi)傳感器和機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。其次，信息處理模塊對(duì)采集的對(duì)象狀態(tài)參數(shù)信息進(jìn)行預(yù)處理、分析并提取其特征。再其次，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康狀態(tài)評(píng)估模塊將這些特征信息進(jìn)行辨識(shí),并與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的對(duì)象相關(guān)健康信息進(jìn)行模糊匹配,形成對(duì)象健康狀況評(píng)估。然后，故障診斷預(yù)測(cè)模塊對(duì)監(jiān)測(cè)到的異常征兆,結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)和模型庫(kù)中的專(zhuān)家知識(shí)及各類(lèi)診斷、預(yù)測(cè)推理模型,對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別、推理,判斷其故障模式、原因和位置,并進(jìn)行趨勢(shì)分析,計(jì)算故障征兆的發(fā)展趨勢(shì)、影響和估計(jì)剩余壽命等。接下來(lái),由狀態(tài)決策對(duì)本設(shè)備進(jìn)行綜合分析、評(píng)判決策，并將結(jié)果發(fā)送至本設(shè)備PHM管理模塊，設(shè)備級(jí)PHM模塊再將結(jié)果匯總至系統(tǒng)級(jí)PHM管理模塊。最后，系統(tǒng)級(jí)PHM管理模塊對(duì)各設(shè)備上報(bào)的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行管理匯總上報(bào)至基地級(jí)PHM管理模塊，基地級(jí)PHM管理模塊綜合上報(bào)的系統(tǒng)狀態(tài)結(jié)合維修保障資源進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、維修決策，最終完成維修。具體PHM系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)流程圖

3 PHM系統(tǒng)各模塊功能及實(shí)現(xiàn)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

對(duì)于數(shù)據(jù)采集，主要考慮監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇、參數(shù)選取以及監(jiān)測(cè)參數(shù)的獲取方式。在本系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備進(jìn)行故障模式、影響及危害(FMECA)分析確定故障類(lèi)別和嚴(yán)酷度，嚴(yán)酷度為3級(jí)的必須進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[5]。對(duì)于參數(shù)選取，主要是在被監(jiān)測(cè)對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，結(jié)合其故障歷史數(shù)據(jù)，選擇那些確實(shí)能反映監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)[5]。對(duì)于數(shù)據(jù)獲取方式主要采用設(shè)置傳感器的方式，另外由于雷達(dá)設(shè)備對(duì)其關(guān)重部件設(shè)置了機(jī)內(nèi)測(cè)試儀器(BITE)，因此還可以通過(guò)BITE來(lái)獲取相關(guān)參數(shù)。

3.2 信息處理模塊

由于傳感器工作性能、所處工作環(huán)境和工作狀態(tài)等影響，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有隨機(jī)、模糊、不確定等特性，因此需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和補(bǔ)充；同時(shí)，由于傳感器獲得的數(shù)據(jù)不能直接反映設(shè)備器件的狀態(tài)特性，因此還需要對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出數(shù)據(jù)變化的規(guī)律和趨勢(shì)，將測(cè)量值轉(zhuǎn)換成特征值，以便于后續(xù)進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估。

本系統(tǒng)信息處理模塊主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和特征提取3個(gè)部分。數(shù)據(jù)預(yù)處理通過(guò)對(duì)傳感器原始數(shù)據(jù)的插補(bǔ)、異常剔除、格式轉(zhuǎn)換等以保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性及可用性。數(shù)據(jù)分析主要對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出數(shù)據(jù)的變換規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)，為健康評(píng)估和故障診斷預(yù)測(cè)模型的建立奠定基礎(chǔ)。特征提取主要將數(shù)據(jù)從測(cè)量空間轉(zhuǎn)換到特征空間，獲得與設(shè)備相關(guān)性強(qiáng)的特征向量，以便于后續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)處理。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估模塊

系統(tǒng)的狀態(tài)是很難被直接觀(guān)測(cè)到的，能夠檢測(cè)到的常常是電子系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的若干與其狀態(tài)相應(yīng)的特征，因此需要依靠系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的特征去推理系統(tǒng)的狀態(tài)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的就是完成由特征到狀態(tài)的識(shí)別。健康評(píng)估就是通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用一些判斷、推理算法評(píng)估當(dāng)前狀態(tài)偏離正常狀態(tài)的程度。

本系統(tǒng)采用基于FMECA的裝備健康狀態(tài)評(píng)估方法[6]，評(píng)估方法如圖3所示。

圖3 基于FMECA的裝備健康狀態(tài)評(píng)估

首先從FMECA報(bào)告的分析結(jié)果中提取健康狀態(tài)影響因素，并進(jìn)行歸一化處理，將其壓縮在(0,1)之間轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的數(shù)據(jù)；根據(jù)影響因素的類(lèi)型，由健康狀態(tài)隸屬函數(shù)得到健康狀態(tài)隸屬度向量，對(duì)單因素影響下的健康狀態(tài)等級(jí)做出判斷；以健康狀態(tài)隸屬度向量作為輸入，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法求得各因素權(quán)重；通過(guò)模糊綜合評(píng)估模型得到在各因素綜合影響下的設(shè)備健康等級(jí)。

3.4 故障診斷預(yù)測(cè)模塊

故障診斷預(yù)測(cè)PHM系統(tǒng)工程的核心，就是綜合利用各種數(shù)據(jù)信息，包括監(jiān)測(cè)參數(shù)、使用狀況、先驗(yàn)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，并借助各種各樣推理技術(shù)，如數(shù)學(xué)物理模型、人工智能等對(duì)設(shè)備未來(lái)的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析和判斷，確定故障性質(zhì)、類(lèi)別、程度、原因和部位，給出故障的發(fā)展趨勢(shì)及故障可能造成的后果，指導(dǎo)設(shè)備保障規(guī)劃。

圖4 基于A(yíng)RMA的故障預(yù)測(cè)

本系統(tǒng)采用基于自回歸移動(dòng)平均(ARMA)模型的設(shè)備故障預(yù)測(cè)方法[6]。

時(shí)間序列的測(cè)量值對(duì)應(yīng)的模型具有未知特性，因此首先進(jìn)行時(shí)間序列模型識(shí)別，用樣本自相關(guān)函數(shù)和樣本偏自相關(guān)函數(shù)與ARMA模型理論上自相關(guān)函數(shù)及偏自相關(guān)函數(shù)相匹配；然后，進(jìn)行時(shí)間序列模型的參數(shù)估計(jì)，得出均值、方差和自協(xié)方差系數(shù)；最后對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)，進(jìn)而得到預(yù)測(cè)模型。

3.5 狀態(tài)決策模塊

狀態(tài)決策模塊主要對(duì)故障診斷和預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行綜合分析和判斷，并對(duì)本設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行決策，同時(shí)將結(jié)果上報(bào)設(shè)備PHM管理模塊。

3.6 PHM管理模塊

本系統(tǒng)中PHM管理模塊為標(biāo)準(zhǔn)模塊，主要實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)中各模塊控制、數(shù)據(jù)傳送、本級(jí)狀態(tài)參數(shù)融合處理決策和接口等功能。系統(tǒng)設(shè)備、系統(tǒng)及基地均設(shè)有PHM管理模塊，其中基地級(jí)PHM管理權(quán)限最高，其次是系統(tǒng)級(jí)，最后是設(shè)備級(jí)。

3.7 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理存儲(chǔ)，包括各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各模塊運(yùn)行結(jié)果以及各模塊在運(yùn)行過(guò)程中需要的知識(shí)、模型、算法等。

3.8 維修決策模塊

維修決策是以設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和故障預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，綜合利用相關(guān)預(yù)知信息進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)維修決策的技術(shù)。狀態(tài)維修決策是將技術(shù)層次的狀態(tài)信息與決策者關(guān)注的后果信息進(jìn)行融合，并制定預(yù)防性維修策略的過(guò)程，其主要解決當(dāng)前是否需要實(shí)施預(yù)防性維修、最佳預(yù)防維修時(shí)間以及下次狀態(tài)檢測(cè)時(shí)間的確定等問(wèn)題。

3.9 決策支持模塊

決策支持模塊主要功能是在健康評(píng)估與預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種可利用的資源，提供一系列的維修保障決策、維修資源的統(tǒng)一調(diào)配以及各相關(guān)單位的協(xié)同保障等，可極大地提高保障的效率和精確度。

3.10 人機(jī)接口模塊

用于人機(jī)互動(dòng)，如數(shù)據(jù)管理、項(xiàng)目管理、流程管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)告警等。

4 結(jié)束語(yǔ)

PHM技術(shù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理，可實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估并對(duì)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，可降低維修成本，提高系統(tǒng)的安全性及任務(wù)成功率。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合已有技術(shù)理論和研究基礎(chǔ)，將PHM技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人艇感知系統(tǒng)并初步給出了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案以及各模塊的具體實(shí)現(xiàn)方式，可為后續(xù)無(wú)人艇感知系統(tǒng)的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。