張洪亮

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

目前機(jī)載綜合化電子系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到第四代高度綜合化階段，裝備先進(jìn)性、復(fù)雜性大大提高，容錯能力更強(qiáng)[1-2]。

故障診斷及健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)技術(shù)在未來航空領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。通過 PHM系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合飛機(jī)起飛、巡航等不同場景的應(yīng)用，能夠有效提升任務(wù)完成率和裝備可靠性。PHM技術(shù)將成為支撐裝備實現(xiàn)高效保障、自主健康管理的最重要手段[3-4]。

國內(nèi)關(guān)于PHM技術(shù)的研究起步較晚，研究內(nèi)容主要集中在概念原理、技術(shù)研究及局部支撐技術(shù)，尚無完整的系統(tǒng)投入使用，與國外存在很大差距[5]。在航空領(lǐng)域，主要圍繞型號技術(shù)攻關(guān)，在機(jī)電和結(jié)構(gòu)方面開展了技術(shù)研究以及部分應(yīng)用，機(jī)載航空電子系統(tǒng)應(yīng)用還處于較為初步的階段[6]。目前，軍用飛機(jī)裝備PHM存在以下幾方面問題[7]：裝備設(shè)計初期PHM設(shè)計階段考慮不足，信息感知樣本少，故障模式難以通過PHM檢測充分暴露；檢測設(shè)備對故障的檢測和隔離能力較弱，外場故障隔離主要依賴外場保障人員；裝備實時健康信息、故障場景信息等信息不足且較為離散，無法進(jìn)行綜合診斷。綜合來看，目前的軍用飛機(jī)裝備離實時健康監(jiān)測、故障診斷準(zhǔn)確定位、快速高效綜合保障等PHM主要功能差距較大[5]。隨著機(jī)載航空電子信息系統(tǒng)綜合化程度不斷提高，資源共用帶來的系統(tǒng)內(nèi)部交聯(lián)復(fù)雜性將進(jìn)一步加大故障診斷難度。

本文針對特種飛機(jī)復(fù)雜綜合化任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了一種PHM系統(tǒng)，能實時監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)，通過模塊、功能等層次化的設(shè)計分析和多功能的綜合故障診斷，能快速故障隔離并將故障定位至模塊內(nèi)部芯片，對機(jī)上系統(tǒng)剩余能力發(fā)揮、有效降低飛機(jī)再次出動執(zhí)行任務(wù)的間隔時間、大大縮短修復(fù)時間均具有重要意義。

1 PHM系統(tǒng)功能

PHM技術(shù)在綜合航空電子信息系統(tǒng)的主要功能包括狀態(tài)監(jiān)測、功能性能測試、故障診斷定位、故障預(yù)測以及綜合保障及健康狀態(tài)管理[5]。國外航空領(lǐng)域的PHM系統(tǒng)主要是以F-35飛機(jī)為代表的固定翼飛機(jī)PHM系統(tǒng)、直升機(jī)的健康和使用健康管理系統(tǒng)(Health and Usage Management System,HUMS)以及波音公司為代表的大型民用飛機(jī)的飛機(jī)健康管理(Aircraft Health Management,AHM)系統(tǒng)[6]。目前國內(nèi)對軍用特種飛機(jī)(電子戰(zhàn)飛機(jī)、預(yù)警機(jī)等)的PHM技術(shù)研究較少。

軍用特種飛機(jī)的任務(wù)系統(tǒng)往往含有大量的偵察、雷達(dá)、光電、通信等電子設(shè)備，是特種飛機(jī)的主要任務(wù)屬性以及最重要價值體現(xiàn)。任務(wù)系統(tǒng)往往較為獨立，并具有獨立的計算機(jī)與顯示器[1]。國外某戰(zhàn)場監(jiān)視飛機(jī)的遠(yuǎn)航程任務(wù)機(jī)組成員數(shù)量超過10人[1]。因此，針對特種飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)開展PHM研究與設(shè)計具有重要意義。

任務(wù)系統(tǒng)的PHM功能要考慮其使用場景(飛行前、中、后)，通過任務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要功能、基礎(chǔ)要素等特點切入，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測與故障數(shù)據(jù)的采集，挖掘信息進(jìn)行故障診斷與定位，建立模型推斷可能的故障，并以圖形化的顯示提供給任務(wù)機(jī)組人員；任務(wù)機(jī)組人員根據(jù)系統(tǒng)目前資源情況考慮功能重構(gòu)以及通知地面?zhèn)浼?zhǔn)備，從而達(dá)到系統(tǒng)使用效能最大化，降低飛機(jī)再次出動時間以及提高效率的目的。

2 PHM使用場景分析

任務(wù)系統(tǒng)的PHM的應(yīng)用主要貫穿于起飛前準(zhǔn)備、巡航、地面處理三個環(huán)節(jié)，在爬升、下降、著陸等階段任務(wù)系統(tǒng)一般不加電。圖1為典型電子戰(zhàn)飛機(jī)戰(zhàn)場監(jiān)視任務(wù)圖[1]。

圖1 典型戰(zhàn)場監(jiān)視任務(wù)概圖

在起飛前：PHM需要對任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全面的功能、性能及健康檢測，并給出實測以及故障預(yù)測結(jié)果，為飛機(jī)的任務(wù)規(guī)劃提供重要依據(jù)。

巡航階段：進(jìn)入巡航階段后，PHM需要對系統(tǒng)功能、性能以及系統(tǒng)運行狀態(tài)全面檢測。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，PHM應(yīng)給出診斷結(jié)果以及故障影響的范圍，并能實時提示任務(wù)機(jī)組。

地面處理階段：飛機(jī)抵達(dá)地面時，維修保障人員能夠依據(jù)PHM給出的故障信息完成維修策略以及備件更換。

3 綜合化任務(wù)系統(tǒng)PHM設(shè)計

3.1 綜合化任務(wù)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

綜合化系統(tǒng)一般采用模塊化綜合設(shè)計思路和開放式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對硬件資源進(jìn)行分類綜合和統(tǒng)一配置管理。系統(tǒng)資源按類別分為綜合天線孔徑、射頻信道類模塊、數(shù)字類模塊，天線孔徑與射頻信道通過射頻開關(guān)網(wǎng)絡(luò)互連，采樣類模塊與數(shù)字類模塊相互之間通過高速網(wǎng)絡(luò)互連。圖2給出了一種典型的綜合化系統(tǒng)體系架構(gòu)。

圖2 綜合化任務(wù)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

3.2 任務(wù)系統(tǒng)PHM設(shè)計

3.2.1 任務(wù)系統(tǒng)PHM組成

任務(wù)系統(tǒng)PHM分為機(jī)上與地面兩個部分。地面部分主要包括各通信、雷達(dá)檢測儀等測試設(shè)備。當(dāng)飛機(jī)處于地面時，使用地面PHM設(shè)備對任務(wù)系統(tǒng)全部功能、性能進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果報送機(jī)上PHM。機(jī)上PHM依據(jù)任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點設(shè)計，具備基礎(chǔ)資源級、功能級、系統(tǒng)級三層健康管理結(jié)構(gòu)設(shè)計，并具備圖形化顯示界面，能將故障實時診斷、顯示和報送任務(wù)機(jī)組。

圖3 任務(wù)系統(tǒng)PHM組成

3.2.2 PHM層次劃分

任務(wù)系統(tǒng)PHM采用的是機(jī)上、地面一體化，機(jī)上分層設(shè)計、逐級診斷、集中處理的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分層圖如圖4所示。低級別的層次為模塊及網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)資源，依據(jù)系統(tǒng)資源重構(gòu)特性，重點考慮模塊內(nèi)部及網(wǎng)絡(luò)的資源劃分、各類測試數(shù)據(jù)的覆蓋性、準(zhǔn)確性，以降低虛警率。中間層為功能級，搜集功能評估所需的健康數(shù)據(jù)，結(jié)合功能自身軟硬件、模式以及閉環(huán)測試進(jìn)行初級診斷，并將報告上報系統(tǒng)級。高級別層次為系統(tǒng)級，系統(tǒng)健康管理將故障結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、綜合故障診斷，并以圖形化方式通知任務(wù)機(jī)組。通過分層設(shè)計、逐級融合進(jìn)一步提高故障診斷能力,減少虛警。

圖4 任務(wù)系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)

3.2.3 基礎(chǔ)資源健康管理設(shè)計

3.2.3.1 模塊健康管理設(shè)計

模塊健康管理功能主要完成模塊內(nèi)部健康測試及監(jiān)測功能,測試點精細(xì)化至芯片。圖 5為模塊健康設(shè)計原理。

圖5 模塊健康管理原理

該設(shè)計有以下能力：一是監(jiān)測能力。對模塊內(nèi)部的環(huán)境變量(溫度、濕度、振動等)實時監(jiān)測；對模塊內(nèi)部芯片溫度、供電電壓、時鐘等基礎(chǔ)要素進(jìn)行采集管理；健康設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)影響結(jié)合模塊內(nèi)部芯片特征要素進(jìn)行監(jiān)測，例如數(shù)字芯片(例如CPU、大容量存儲等)的工作狀態(tài)，主頻、使用率、扇區(qū)壞道等，射頻芯片的功率、本振鎖定狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)等。二是初步診斷能力以及執(zhí)行策略能力。采用獨立的微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)作為健康管理器，對健康數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、上報，對故障進(jìn)行初級分析、診斷、消除虛警，及故障隔離；在系統(tǒng)生成狀態(tài)策略時，MCU可以完成對本模塊動態(tài)部署、重構(gòu)等動作。

3.2.3.2 數(shù)據(jù)總線及交換網(wǎng)絡(luò)健康管理設(shè)計

數(shù)據(jù)總線及交換網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，一般分為控制網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)?？刂凭W(wǎng)絡(luò)用于傳輸控制命令、狀態(tài)參數(shù)等數(shù)據(jù)，其特點是抗干擾性、可靠性、實時性要求高，但數(shù)據(jù)量較低，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)用于傳輸雷達(dá)、光電、數(shù)據(jù)鏈等功能業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其特點為數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷相對較高。因此數(shù)據(jù)總線及交換網(wǎng)絡(luò)的健康設(shè)計，應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)測試以及狀態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的方法。圖6為一種典型數(shù)據(jù)及控制網(wǎng)絡(luò)健康監(jiān)測原理框圖。

圖6 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)原理框圖

圖6中網(wǎng)絡(luò)管理模塊實時監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，中心模塊實時監(jiān)測控制網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)，并將網(wǎng)絡(luò)健康信息上報系統(tǒng)健康管理。該設(shè)計具備以下能力：具備端到端的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，包括收發(fā)累計包、丟棄包、錯誤包、重傳包等信息，綜合判斷任意節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的健康狀態(tài)；在啟動或者運行中周期實時監(jiān)測與之相連的模塊端口速率、連接狀態(tài)等物理狀態(tài)信息，實時監(jiān)測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；在啟動、運行或者維護(hù)過程中運行大規(guī)模健康數(shù)據(jù)，測試網(wǎng)絡(luò)帶寬、速率等網(wǎng)絡(luò)效能。

3.2.3.3 專用健康網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

專用健康網(wǎng)絡(luò)用于系統(tǒng)對模塊的健康信息采集與傳輸。大型的綜合化任務(wù)系統(tǒng)內(nèi)模塊數(shù)量往往較多(幾十上百)，對于模塊精細(xì)化健康設(shè)計后，會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。如果使用系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜集、傳輸，一方面將會給業(yè)務(wù)總線帶寬、延時等網(wǎng)絡(luò)資源帶來巨大消耗，另一方面一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障也會導(dǎo)致故障隔離難度加大。在有系統(tǒng)設(shè)計允許的情況下，采用專用網(wǎng)絡(luò)是解決上述問題的較好辦法。圖7為一種專用健康網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

該設(shè)計具備以下特點：采用多區(qū)域劃分，區(qū)域劃分子網(wǎng)方式，降低了故障診斷難度；區(qū)域中設(shè)計中心節(jié)點對子節(jié)點模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，包含數(shù)據(jù)搜集、剔除、打包、初級判斷等；PHM系統(tǒng)級管理對區(qū)域中心節(jié)點通信即可完成區(qū)域內(nèi)硬件管理。

3.2.4 功能健康管理設(shè)計

功能的健康管理是結(jié)合功能使用的硬件資源、功能軟件進(jìn)行功能自檢。并開展功能閉環(huán)自檢。功能的健康結(jié)果需要對自檢及閉環(huán)自檢綜合診斷。

(1)功能硬件健康

功能使用的硬件資源的健康狀態(tài)搜集及綜合診斷，包含獨用以及共用射頻信道資源、信號處理資源等健康狀態(tài)。

(2)功能軟件健康

功能使用的功能軟件的健康信息的搜集以及綜合診斷，包含不同模式狀態(tài)檢測、軟件自檢狀態(tài)、功能軟件鏈路狀態(tài)檢測等。

(3)閉環(huán)檢測

依據(jù)功能的正常工作模式，采用系統(tǒng)內(nèi)部信號源閉環(huán)的方式對功能進(jìn)行檢測。

具體設(shè)計方法是在屏蔽外界信號基礎(chǔ)上，通過接收標(biāo)準(zhǔn)信號與預(yù)置信號比對，確定功能檢查結(jié)果，并將檢測結(jié)果報送功能健康管理。設(shè)計中的開關(guān)矩陣、變頻、AD采樣等功能所需鏈路均工作在正常的工作模式下，能有效隔離故障并降低虛警。

(4)功能健康管理的初步綜合診斷

通過功能使用的硬件、軟件以及系統(tǒng)資源的健康狀態(tài)，結(jié)合功能的性能指標(biāo)特性綜合判斷功能可用性，并給出功能當(dāng)前的健康狀態(tài)，分為正常、告警以及故障。通過閉環(huán)檢測，可以進(jìn)一步剔除虛警，并確認(rèn)故障位置。

3.2.5 系統(tǒng)健康管理設(shè)計

系統(tǒng)健康管理主要包括綜合診斷、功能評估、狀態(tài)策略、故障管理等環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)之間交聯(lián)如圖3所示。

3.2.5.1 綜合診斷

綜合診斷是通過多方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)診斷，將故障結(jié)果與功能故障模式關(guān)聯(lián)分析確定故障位置，流程如圖8所示。其中綜合診斷的難點在于多方式故障綜合。多方式故障綜合在設(shè)計上主要分為資源分類與多方式綜合診斷分析兩步。

圖8 綜合診斷流故障

(1)資源分類

以功能1為例對綜合診斷進(jìn)行說明。圖9為功能1使用的資源，將信號處理、信道等資源用A、B、C替代，網(wǎng)絡(luò)、傳輸總線用圖9中互聯(lián)線表示。功能1使用的獨用資源為A1、A2、A3，公用資源為C1、C2、C3，功能2是與功能1資源相關(guān)功能。系統(tǒng)中所有資源分類與連接以藍(lán)圖形式預(yù)置于PHM系統(tǒng)中。

圖9 資源分類

(2)多方式綜合診斷

多方式綜合診斷使用基于模型推導(dǎo)診斷結(jié)果，結(jié)合功能1自檢及閉環(huán)自檢結(jié)果、功能2自檢及閉環(huán)自檢結(jié)果，將公用資源C1、C2、C3以及獨占資源A1、A2、A3進(jìn)行綜合故障統(tǒng)計與概率分析。通過多方式綜合診斷，故障虛警率極大降低。圖10為多方式綜合診斷框圖。

圖10 多方式綜合診斷

圖10中模型推導(dǎo)采用基于卡爾曼濾波[9]方式對實際功能和功能模型產(chǎn)生殘差，通過殘差評價推斷故障發(fā)生，將殘差結(jié)果進(jìn)行判別、分類、消除抖動等邏輯判斷，最終給出基于模型的故障結(jié)果。

3.2.5.2 功能評估

功能可用狀態(tài)的評估采用定性評估辦法，通過構(gòu)建功能與鏈路上每個資源狀態(tài)的映射關(guān)系，基于綜合故障診斷結(jié)果、當(dāng)前功能與資源鏈路的配置關(guān)系，評估功能的可用狀態(tài)。

3.2.5.3 狀態(tài)策略

系統(tǒng)依據(jù)功能評估的結(jié)果，結(jié)合當(dāng)前任務(wù)規(guī)劃情況對生成該功能的狀態(tài)策略，包括降級、停止、重構(gòu)等策略，并提交顯示控制，提醒操作員是否執(zhí)行該策略。

3.2.5.4 故障管理

主要包括故障觸發(fā)以及過濾、信息記錄與分析。建立統(tǒng)一的故障觸發(fā)及過濾策略，當(dāng)故障達(dá)到定義的門限時，觸發(fā)錯誤報告。對全系統(tǒng)的健康數(shù)據(jù)、故障日志、工作日志、系統(tǒng)運行狀態(tài)等實時記錄，供事后數(shù)據(jù)回放與分析。

3.2.5.5 系統(tǒng)健康實時顯示與控制

通過主動方式對全系統(tǒng)運行及健康狀態(tài)實時監(jiān)測，并以圖形化實時顯示，對于出現(xiàn)的故障可以實時提示。

4 典型應(yīng)用及效果分析

4.1 典型應(yīng)用

(1)起飛前

通過PHM系統(tǒng)地面檢測設(shè)備、機(jī)上PHM對任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全面功能、性能及健康檢測，并給出檢測以及故障預(yù)測診斷結(jié)果，為飛機(jī)的任務(wù)規(guī)劃提供重要依據(jù)。

(2)巡航階段

在任務(wù)系統(tǒng)啟動工作時，PHM通過加電檢測、閉環(huán)檢測等方式，對系統(tǒng)功能、性能以及系統(tǒng)運行狀態(tài)全面檢測，并給出健康檢測以及故障診斷結(jié)果。在任務(wù)系統(tǒng)開始任務(wù)執(zhí)行時，PHM對系統(tǒng)進(jìn)行實時運行狀態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)測、綜合故障診斷、實時數(shù)據(jù)記錄等。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，PHM給出綜合診斷結(jié)果以及故障影響的范圍，記錄故障，并將該結(jié)果以圖形化方式實時提示任務(wù)機(jī)組。任務(wù)機(jī)組依據(jù)故障診斷結(jié)果，結(jié)合本次任務(wù)，確認(rèn)功能重構(gòu)等策略，將當(dāng)前的系統(tǒng)剩余能力發(fā)揮至最大；并同時將故障信息以及需要準(zhǔn)備的備件通過數(shù)據(jù)鏈通知地面維修保障人員，地面保障人員依據(jù)故障信息，提前構(gòu)建維修策略。

(3)地面處理階段

飛機(jī)抵達(dá)地面時，維修保障人員依據(jù)PHM提供的故障信息完成備件準(zhǔn)備，通過更換備件，有效降低飛機(jī)再次出動執(zhí)行任務(wù)時間間隔。同時，維修保障人員依據(jù)故障診斷結(jié)果(如圖11所示)開展故障件維修，降低故障件維修時間。

圖11 模塊典型故障提示信息

4.2 效果分析

(1)起飛前效果分析

依據(jù)檢測及故障診斷結(jié)果，對已發(fā)生或者可能發(fā)生故障預(yù)警，能有效減少因故障引發(fā)的飛機(jī)返航。

(2)巡航階段效果分析

對于機(jī)上故障，PHM給出功能評估以及故障策略，任務(wù)機(jī)組可以依據(jù)功能評估結(jié)果確認(rèn)是否可用，依據(jù)故障策略確認(rèn)功能重構(gòu)或者返航，將當(dāng)前系統(tǒng)剩余能力發(fā)揮至最大。

(3)地面更換備件

由于飛機(jī)抵達(dá)地面前，保障人員已經(jīng)依據(jù)故障將備件準(zhǔn)備好，因此以往設(shè)計中地面檢測、維修、更換等數(shù)天的工作流程直接被壓縮至數(shù)小時乃至1 h內(nèi),飛機(jī)再次出動執(zhí)行任務(wù)時間大大降低。

(4)地面維修

由于機(jī)上PHM已經(jīng)將故障信息隔離至芯片，因此地面檢測、維修設(shè)備的時間也大大降低。以往設(shè)計中地面排查、檢測、維修等數(shù)周的工作流程，可能被壓縮至數(shù)天乃至1天內(nèi)，維修設(shè)備時間大大降低。

5 結(jié) 論

機(jī)載電子信息系統(tǒng)的綜合化、一體化設(shè)計越來越成熟，機(jī)載電子信息系統(tǒng)在作戰(zhàn)中的效益越突出。通過研究特種飛機(jī)的綜合化體系的特點，設(shè)計一體化的PHM系統(tǒng)是解決復(fù)雜電子信息系統(tǒng)健康管理設(shè)計的重要思路。

本文設(shè)計的PHM系統(tǒng)具備層次化體系結(jié)構(gòu)、完善的基礎(chǔ)資源管理、多方式故障綜合診斷能力，以及統(tǒng)一可視化實時監(jiān)測界面，使得PHM系統(tǒng)具備故障診斷準(zhǔn)確、機(jī)上故障處理及時、地面維修高效等特點，為復(fù)雜綜合化電子信息系統(tǒng)的健康管理設(shè)計提供了參考。