羅珩娟,劉丙杰,陳建華

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，在保持裝備性能不受影響的前提下對裝備進行有效維修的問題愈加突出，故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management，PHM)技術(shù)應(yīng)運而生[1]。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)是先進測試技術(shù)、診斷技術(shù)與裝備維修管理理論相結(jié)合的產(chǎn)物，借助該系統(tǒng)識別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和決策保障，以達(dá)到降低裝備維修保障費用，提高裝備性能和任務(wù)完成率的目的。

健康狀態(tài)評估作為PHM的一項關(guān)鍵技術(shù)，是實施故障預(yù)測與維修決策的基礎(chǔ)，主要運用先進的檢測設(shè)備提取健康特征信息，對信息運用科學(xué)評估方法進行分類分析，監(jiān)視設(shè)備系統(tǒng)的健康狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的故障進行預(yù)警，提高系統(tǒng)維護保障能力，防止突發(fā)故障對任務(wù)造成影響。

目前，裝備健康狀態(tài)評估方法很多，常用的有模糊綜合評價[2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[4]、支持向量機[5]和深度學(xué)習(xí)[6]等。文獻[3]根據(jù)影響微電網(wǎng)蓄電池荷電狀態(tài)的4個主要因素，建立了健康狀態(tài)評估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確保達(dá)到全局最優(yōu)的同時提高了收斂速度。但這種方法只能評估當(dāng)前蓄電池荷電狀態(tài)，且權(quán)重和閾值的初始值對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果影響較大，健康狀態(tài)評估結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文獻[7]將長期貯存的復(fù)雜武器裝備健康狀態(tài)主要分為健康和故障兩類，利用基于時間修正的D-S證據(jù)理論評估正常損耗條件下的裝備健康狀態(tài)，但該種方法對裝備健康狀態(tài)等級分類過于簡單，且影響因素權(quán)重設(shè)定主觀，評估過程使用單一測試數(shù)據(jù)，影響健康狀態(tài)評估準(zhǔn)確度。文獻[8]利用故障樹分析的方法分別對城市軌道交通牽引供電的柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)進行分析，得到供電網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)評估模型，但這種方法需要自頂至下建立故障樹物理模型，難以適用于復(fù)雜裝備，且效率低，無法描述裝備健康狀態(tài)動態(tài)變化過程。

本文在使用當(dāng)前測試數(shù)據(jù)確定裝備健康度的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注測試數(shù)據(jù)變化過程對裝備健康度的影響，分別對裝備健康度的變化程度和幅度進行了分析研究，得到了健康度變化狀態(tài)下的裝備健康狀態(tài)評估的方法，更加符合實際情況。

1 健康狀態(tài)評估方法

1.1 裝備健康狀態(tài)

裝備的健康狀態(tài)描述了裝備執(zhí)行設(shè)計功能的能力，表示了一種狀態(tài)或者一種趨勢，具體說就是裝備保持一定可靠性和維修性水平的能力。保持一定可靠性是指在較長的一段時間內(nèi)裝備能夠正常工作，保持一定維修性是指在未來一段時間內(nèi)即使發(fā)生故障，也能在較短時間內(nèi)修復(fù)。裝備的健康狀態(tài)可以分為良好、正常、注意、惡化和疾病5個等級，良好和正常的狀態(tài)認(rèn)為裝備“健康”，注意狀態(tài)認(rèn)為裝備“亞健康”，惡化和疾病狀態(tài)認(rèn)為裝備“故障”。健康狀態(tài)的裝備可以不采取維修措施，能夠在未來一段時間內(nèi)正常運行，亞健康的裝備需要引起維修保障人員注意，在未來的一段時間內(nèi)裝備可能退化為“故障”狀態(tài)，而處于“故障”狀態(tài)的裝備，已經(jīng)無法滿足任務(wù)需要，應(yīng)暫停使用并對其進行維修。

裝備健康狀態(tài)體現(xiàn)了裝備能否滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需要，影響健康狀態(tài)的因素眾多，且無法精確確定?，F(xiàn)實裝備使用過程中健康狀態(tài)評估一般都是由測試數(shù)據(jù)結(jié)果來表現(xiàn)得，其測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏差越大，則認(rèn)為裝備健康狀態(tài)越差。通過收集測試數(shù)據(jù)，評估裝備健康狀態(tài)，對可能故障進行預(yù)測，并對故障進行定位，為精確化維修提供決策依據(jù)，促使維修方式由事后維修向基于狀態(tài)的維修轉(zhuǎn)變。

1.2 健康狀態(tài)評估方法

想要對裝備進行健康狀態(tài)評估，首先要利用先進的測試技術(shù)獲得可以直接或間接表征裝備健康狀態(tài)的的參數(shù)信息。裝備測試時，一般主要檢查測試數(shù)據(jù)是不是在正常范圍內(nèi)。如果在正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為正常；否則不正常。但是，在裝備測試中經(jīng)常出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)呈趨勢性變化，如多次測試連續(xù)變小或連續(xù)變大，這種情況下僅僅以當(dāng)前測試值作為判斷依據(jù)并不能完全真實反映裝備的健康等級程度，所以本論文提出一種復(fù)合式裝備健康狀態(tài)評估方法。該方法不僅能反映當(dāng)前測試狀態(tài)下的裝備狀態(tài)，還能反映裝備健康的變化規(guī)律。

假設(shè)武器裝備某部件測試數(shù)據(jù)的正常范圍為：[dmin,dmax]，假設(shè)測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，某次測試數(shù)據(jù)為d，則部件基本健康度為：

(1)

即測試數(shù)據(jù)如果符合數(shù)據(jù)正常范圍要求，基本健康度為1，若不符合，基本健康度則為0。

部件測試數(shù)據(jù)變化率為：

如果有：

|vi|=-vi(i=1,…,r)或|vi|=vi(i=1,…,r)

即測試數(shù)據(jù)連續(xù)r次向同一個方向變化，則裝備健康變化率為：

hv=-0.01n+1.02,hv≥0,n≥3

(2)

其中：n為連續(xù)相同一個方向變化的次數(shù)。hv與n關(guān)系如表1所示。

表1 hv與n關(guān)系

即如果測試數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)上下浮動，則健康變化率為1，如果連續(xù)出現(xiàn)大于等于三次升高(或降低)，則部件正在惡化，健康變化率降低。

除了考慮健康變化率，還應(yīng)考慮健康變化幅度，即如果測試數(shù)據(jù)變化幅度較大，相應(yīng)的健康度也要下降較快，據(jù)此定義健康變化幅度為測試數(shù)據(jù)連續(xù)變化的幅度大小。定義如下公式：

(3)

式中，dn為第n次測試的數(shù)據(jù)，從第n次測試的數(shù)據(jù)開始，持續(xù)一個方向變化；dn+r為第n+r次持續(xù)一個方向變化的測試數(shù)據(jù)。

通過上式可以看出，如果測試數(shù)據(jù)連續(xù)三次在同一個方向上發(fā)生變化，則部件健康度朝著惡化的方向發(fā)展，基本符合實際情況。部件健康度為：

H=hb×hv×hf

(4)

假設(shè)裝備由m個部件組成，每個部件健康度為，則串聯(lián)結(jié)構(gòu)的裝備健康度為：

(5)

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的裝備健康度為：

(6)

武器系統(tǒng)健康度為：

H裝備=h串聯(lián)×h并聯(lián)

(7)

根據(jù)上式，結(jié)合裝備測試數(shù)據(jù)即可計算裝備的健康度。

健康狀態(tài)評估具體步驟如下。

1)獲取測試數(shù)據(jù)：使用先進檢測設(shè)備定期對裝備進行檢測，獲取直接或間接表征裝備健康狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)信息。

2)計算基本健康度hb：觀察測試數(shù)據(jù)是否符合正常范圍，如果符合，基本健康度為1，如果不符合基本健康度為0。

3)計算健康變化率hv：觀察測試數(shù)據(jù)變化方向，如果測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)大于等于三次向著同一個方向發(fā)展，則證明健康狀態(tài)有惡化趨勢，運用公式(2)計算得裝備健康變化率。

4)計算健康變化幅度hf：測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)大于等于三次向著同一個方向變化的情況下，分別計算變化過程中第r次測試數(shù)據(jù)相對于變化初始時刻測試數(shù)據(jù)的變化程度，利用公式(3)計算健康變化幅度。

5)計算部件健康度H：單一部件健康度等于裝備基本健康度、健康變化率和健康變化幅度三者之積。

6)計算裝備健康度H裝備：判斷裝備各部件之間串并聯(lián)情況，根據(jù)公式(7)計算武器系統(tǒng)健康度。

2 實例驗證

2.1 實例1

本項目以某導(dǎo)彈發(fā)動機壓力為例進行仿真實驗。導(dǎo)彈發(fā)動機壓力是衡量發(fā)動機狀態(tài)的重要參數(shù)，如果發(fā)動機壓力不滿足要求，對導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用將產(chǎn)生重要影響。因而，需要及時獲知發(fā)動機壓力數(shù)據(jù)，以便對發(fā)動機及時維護。以下是某型導(dǎo)彈發(fā)動機壓力測試數(shù)據(jù)。按照指標(biāo)要求，發(fā)動機壓力的正常范圍區(qū)間為：0.65±0.01 MPa。該型導(dǎo)彈發(fā)動機測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導(dǎo)彈測試期間各級發(fā)動機壓力傳感器測試數(shù)據(jù)

由于兩個傳感器測試的數(shù)據(jù)反映的都是一個發(fā)動機狀態(tài)，所以，我們只對3個發(fā)動機中的一個其中的設(shè)定r=3，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，計算各發(fā)動機的健康度如表3所示。

表3 導(dǎo)彈測試期間各級發(fā)動機健康度數(shù)據(jù)

分析表2～3，如果按照傳統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，只以當(dāng)前測試數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，則實例1中各個測試時間下一級發(fā)動機和二級發(fā)動機健康度均為1，均符合發(fā)動機壓力的正常范圍。但觀察表1可知二級發(fā)動機M2yc1的測試數(shù)據(jù)從5月15日到7月22日一直增大，測試數(shù)據(jù)持續(xù)向一個方向變化，有超過閾值可能，說明此時裝備健康狀態(tài)正在惡化，而健康度仍為1并不合理，無法反應(yīng)裝備變化狀態(tài)也無法引起使用者關(guān)注。根據(jù)本文提出的方法，利用公式(4)對一級發(fā)動機和二級發(fā)動機的健康度進行計算，所得結(jié)果與實際測試值所反映的發(fā)動機狀態(tài)基本一致，符合現(xiàn)實使用需要，更加直觀科學(xué)反應(yīng)發(fā)動機健康狀態(tài)。

2.2 實例2

本課題以某型導(dǎo)彈Ⅱ級伺服機構(gòu)油面測試為例進行仿真實驗。伺服系統(tǒng)是某型潛射導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，伺服液壓源是伺服機構(gòu)的動力源，為了確保導(dǎo)彈能夠完全按照彈上控制系統(tǒng)指令飛行，就必須保證伺服工作液充足。這就需要對伺服工作液進行定期檢測測試，評估伺服機構(gòu)的健康狀態(tài)。當(dāng)前，伺服工作液的測試都是實時測試，只要所測數(shù)據(jù)符合規(guī)定數(shù)據(jù)要求即判斷合格。但是，隨著潛艇載彈值班時間、次數(shù)的增加，伺服工作液可能出現(xiàn)泄漏、滲漏、揮發(fā)等故障，一旦故障發(fā)生，只能返回原廠維修，將嚴(yán)重影響導(dǎo)彈值班、發(fā)射等作戰(zhàn)任務(wù)的實施，在歷次導(dǎo)彈測試、訓(xùn)練、試驗中也出現(xiàn)過類似故障，影響任務(wù)順利完成。所以如果能夠根據(jù)測試數(shù)據(jù)事先預(yù)測伺服工作液狀態(tài)，為使用者提供準(zhǔn)確的維修策略依據(jù)，實現(xiàn)裝備的預(yù)防性維修，將大大提高潛射導(dǎo)彈的綜合保障能力，確保戰(zhàn)備任務(wù)的順利完成。

1)導(dǎo)彈伺服機構(gòu)伺服液壓源：

伺服液壓源是伺服機構(gòu)的動力源，由燃?xì)鉁u輪泵和油源組件兩部分組成，燃?xì)鉁u輪泵由渦輪轉(zhuǎn)子、動密封組件、轉(zhuǎn)速傳感器等組成，見圖1所示。

圖1 伺服液壓源結(jié)構(gòu)組成示意圖

2)實測數(shù)據(jù)：

某導(dǎo)彈伺服機構(gòu)液面測試數(shù)據(jù)要求范圍：[4.5,5.0]。歷次測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

表4 導(dǎo)彈測試期間伺服機構(gòu)二級油面測試數(shù)據(jù)

根據(jù)健康度計算公式，計算伺服機構(gòu)健康度如表5所示。

表5 導(dǎo)彈測試期間伺服機構(gòu)健康度數(shù)據(jù)

分析表3表4，如果按照傳統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，只以當(dāng)前測試數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，則實例2中除2015年1月8日外各個測試時間下伺服機構(gòu)健康度均為1，均符合伺服機構(gòu)液面測試數(shù)據(jù)要求范圍。但觀察表3可知伺服機構(gòu)二級油面測試數(shù)據(jù)從2014年8月24日到2015年1月8日一直減小，測試數(shù)據(jù)持續(xù)向一個方向變化，最終超過閾值，裝備出現(xiàn)故障，在此變化過程中，傳統(tǒng)健康度評估方法無法反映變化趨勢，提醒使用者裝備即將可能故障，使用者也無法及時對裝備進行維修，直至裝備出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重影響。根據(jù)本文提出的方法，利用公式(4)對伺服機構(gòu)的健康度進行計算，當(dāng)裝備健康狀態(tài)出現(xiàn)惡化趨勢時即可提醒使用者采取維修措施，避免裝備徹底故障停機，更加符合基于狀態(tài)的維修要求，提高裝備利用率，確保任務(wù)完成率。

3 結(jié)束語

裝備健康狀態(tài)評估是PHM技術(shù)的一項重要功能，良好的健康狀態(tài)是裝備保持和發(fā)揮戰(zhàn)斗力的重要保證，確定潛在故障發(fā)生時刻和定位故障位置也為維修決策提供依據(jù)，確保裝備可以在較短時間內(nèi)恢復(fù)性能，保證任務(wù)的順利完成。針對當(dāng)前裝備健康狀態(tài)評估方法無法反映健康狀態(tài)變化過程的問題，本文提出了一種新型的基于測試數(shù)據(jù)的裝備健康狀態(tài)評估方法，重點關(guān)注測試數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程對裝備健康度的影響，得到了健康度變化狀態(tài)下的裝備健康狀態(tài)評估的方法。通過某型潛射導(dǎo)彈裝備實例分析表明，該方法更符合現(xiàn)實需要，能更加準(zhǔn)確評估裝備健康狀態(tài)，為使用者維修決策提供可靠依據(jù)。