劉 琳,姚運啟,蘇金濤

(1. 中國人民解放軍91776部隊，北京 100841;2. 江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，無人系統(tǒng)迅速應(yīng)用到軍事領(lǐng)域。無人魚雷武器系統(tǒng)搭載于無人水面艇或無人潛航器，能夠自主發(fā)射魚雷武器，具備對敵潛艇直接打擊能力,從而對敵潛艇具備很強的威懾作用。雖然目前報道的國外“海鷗”無人艇、國內(nèi)“JARI-USV”等無人平臺都實現(xiàn)了魚雷武器自主發(fā)射，但大多無人魚雷武器系統(tǒng)還處于科研試驗階段，具體服役還面臨一系列問題，如技術(shù)、認知、安全等問題，其服役首先面臨的問題就是武器使用安全性要求。

魚雷武器使用安全性問題的解決，首先在于能夠?qū)崟r獲取系統(tǒng)狀態(tài)，并依此制定武器使用及維護策略。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，武器裝備的集成度及智能化程度急劇增加，傳統(tǒng)的故障診斷、維修保障技術(shù)逐漸難以適應(yīng)新的要求。目前，預(yù)測與健康管理技術(shù)被越來越多地引入無人系統(tǒng)，能夠依托系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，借助于信息技術(shù)、人工智能推理算法來監(jiān)控、管理與評估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)發(fā)生故障之前對其故障進行預(yù)測，確定當前的健康狀態(tài)并對其進行性能評估和故障預(yù)測，進而采取合理的維修保障措施。

雖然有人武器系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)得到了成熟的發(fā)展，但無人魚雷武器系統(tǒng)絕不是“無人平臺+武器”這么簡單。當前,國內(nèi)外無人魚雷武器系統(tǒng)的設(shè)計還是以有人魚雷武器系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在原有的發(fā)射原理基礎(chǔ)上，通過提升設(shè)備智能化、優(yōu)化發(fā)射流程等方式，實現(xiàn)魚雷武器的自主發(fā)射。無人魚雷武器系統(tǒng)健康評估的難點在于系統(tǒng)中可以利用的數(shù)據(jù)比較少，同時缺少合適的健康評估方法。在常規(guī)推理系統(tǒng)中，一個結(jié)論是由一定前提通過邏輯推理而得到的結(jié)果，但不適合不確定因素比較多的系統(tǒng)。模糊推理過程是近似推理的分支，從不準確的前提集合中得到可能的結(jié)論的推理過程。模糊推理用于無人魚雷武器系統(tǒng)，能夠利用各類有一定關(guān)聯(lián)性的信息實現(xiàn)系統(tǒng)的健康評估。

本文從魚雷武器發(fā)射角度，立足于現(xiàn)有裝備發(fā)展水平，選取與魚雷武器發(fā)射通道相關(guān)并可量化的特征參數(shù)，其中評估證據(jù)集的選取包含了具體模塊特征參數(shù)以及系統(tǒng)綜合指標參數(shù)，然后采用模糊推理方法，評估無人魚雷武器發(fā)射通道的健康狀態(tài),從而指導(dǎo)整個系統(tǒng)的使用及維護，提升魚雷武器使用的安全性和可靠性。

1 健康評估指標確定

本文對某無人魚雷武器系統(tǒng)進行健康狀態(tài)評估，該系統(tǒng)主要由智能控制設(shè)備、發(fā)射裝置和魚雷組成。為更好對該系統(tǒng)進行健康評估，作者構(gòu)建無人魚雷武器健康管理系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)具備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康評估、維修建議等功能。本文研究重點在于通過該系統(tǒng)自主監(jiān)控數(shù)據(jù)，提取有用的特征參數(shù)，采用模糊推理邏輯評估其健康狀況。

圖1 無人魚雷武器健康管理系統(tǒng)信息處理流程圖

由于系統(tǒng)健康狀態(tài)本身是一個模糊的概念，無法量化，本文通過設(shè)立健康度，以健康度評估無人魚雷武器系統(tǒng)健康狀態(tài)。健康度是一個綜合量化指標，是系統(tǒng)健康狀態(tài)的綜合評價。

假設(shè)該系統(tǒng)有個監(jiān)測參數(shù)：

=(,,…,)

(1)

則系統(tǒng)的健康度可表示為

=(,,…,)

(2)

其中，系統(tǒng)健康度取值范圍:[0,1]，=1表示系統(tǒng)為100健康狀態(tài)，=0表示系統(tǒng)為嚴重故障狀態(tài)。

為更好地評估系統(tǒng)狀態(tài)，本文結(jié)合有人裝備及無人武器特點，對無人魚雷武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)劃分為四檔：健康、亞健康、故障臨界和故障。

其中，健康定義為系統(tǒng)能正常工作，特征參數(shù)在設(shè)計指標范圍內(nèi)，無須特別關(guān)注；亞健康定義為系統(tǒng)能正常工作，特征參數(shù)在設(shè)計指標范圍內(nèi)，但臨近邊界，需加強關(guān)注；故障臨界定義為特征參數(shù)超出了正常指標范圍但在設(shè)計極限內(nèi)，可作應(yīng)急使用，建議立即檢修；故障定義為影響系統(tǒng)正常工作，禁止使用，立即檢修。通過對無人魚雷武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)的分檔，來輔助制定使用或維護策略。

系統(tǒng)健康狀態(tài)與健康度關(guān)系如式(3)所示：

(3)

其中，，和的初始值可結(jié)合有人系統(tǒng)工程經(jīng)驗暫定，后續(xù)結(jié)合實際應(yīng)用不斷優(yōu)化。

2 建立模糊推理邏輯

作者從魚雷武器發(fā)射通道組織的角度建立推理邏輯，主要包含證據(jù)集及隸屬函數(shù)。

2.1 證據(jù)集

魚雷武器發(fā)射通道組織過程包含決策、參數(shù)解算、參數(shù)裝訂、魚雷控制等階段，各階段都可自主完成，牽扯信號主要包含模擬信號、網(wǎng)絡(luò)信號和氣壓信號等。

構(gòu)建的無人魚雷武器健康管理系統(tǒng)可監(jiān)測數(shù)據(jù)包含電壓監(jiān)測、氣壓監(jiān)測和發(fā)控時間監(jiān)測。其中，電壓監(jiān)測值和氣壓監(jiān)測值是針對魚雷發(fā)射所需的重要模塊進行監(jiān)測，其特征參數(shù)能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)；發(fā)控時間監(jiān)測，能夠體現(xiàn)系統(tǒng)各階段運行狀態(tài)，若系統(tǒng)某部件異常，必然會在各動作完成時間上有所體現(xiàn)。

選取的主要特征參數(shù)如下：

=(,,)

(4)

其中，為電壓監(jiān)測值，為氣壓監(jiān)測值，為發(fā)控時間監(jiān)測值。其中，電壓監(jiān)測值和氣壓監(jiān)測值體現(xiàn)系統(tǒng)某個模塊的特征參數(shù)；發(fā)控時間監(jiān)測值，是系統(tǒng)綜合性能參數(shù)，是系統(tǒng)決策、通信、控制等在某一階段綜合體現(xiàn)。

以上的證據(jù)集劃分比較粗糙，不能系統(tǒng)地反饋各種因素對系統(tǒng)健康狀態(tài)評估的影響。將上述證據(jù)集分解為二階證據(jù)集，最后得到系統(tǒng)健康評估的證據(jù)集如圖2所示。

圖2 健康評估證據(jù)集

由證據(jù)集劃分結(jié)果得到相應(yīng)的證據(jù)向量表示如下：

=[,,…,]

(5)

=[]

(6)

=[,,…,]

(7)

電壓監(jiān)測值可細化為魚雷武器發(fā)射通道組織過程中各輸出電壓(=1,2,…,)，例如各設(shè)備供電電壓、魚雷供電電壓、發(fā)射裝置控制電壓、魚雷控制電壓等，各輸出電壓狀態(tài)直接影響武器發(fā)射成功與否。

氣壓監(jiān)測值，高壓空氣實時監(jiān)測至關(guān)重要，氣壓狀態(tài)會影響魚雷發(fā)射是否成功，通過氣壓監(jiān)測可以反映發(fā)射氣壓模塊健康狀態(tài)。

發(fā)控時間監(jiān)測值，可細化為魚雷武器發(fā)射通道組織中發(fā)控各個階段完成時間(=1,2,…,)，例如魚雷自檢時間、發(fā)射準備時間、出管時間等，通過各階段時間監(jiān)測能夠體現(xiàn)武器發(fā)控過程中的綜合狀態(tài)。

2.2 建立證據(jù)權(quán)重矩陣

本文采用的證據(jù)集分為2層，這里采用2級模糊推理模型。

第一層證據(jù)的權(quán)重為

=[,,]

(8)

其中，

++=1

(9)

第二層證據(jù)的權(quán)重為

=[,,…,1]

(10)

=[]

(11)

=[,,…,3]

(12)

2.3 單個特征參數(shù)預(yù)處理及分析

1)電壓監(jiān)測值

本文選取武器發(fā)射通道組織過程中各類輸出電壓(=1,2,…,)作為監(jiān)測特征參數(shù)，其電壓輸出值的狀態(tài)直接影響設(shè)備及武器的供電、控制等功能。電壓監(jiān)測值的狀態(tài)變化，能夠反映其健康狀態(tài)。

電壓監(jiān)測值的健康狀態(tài)評估規(guī)則如下：假定系統(tǒng)論證中，為保證某一功能的實現(xiàn)，電壓輸出范圍的論證指標為[3,4]，即在該電壓范圍內(nèi)系統(tǒng)能正常運行，該范圍包含健康、亞健康和故障臨界狀態(tài)，超出此范圍系統(tǒng)無法正常工作即為故障狀態(tài)。在系統(tǒng)設(shè)計中，電壓輸出范圍的設(shè)計指標為[1,2]，該電壓范圍小于論證指標，包含了健康和亞健康狀態(tài)；在系統(tǒng)正常運行時，為保證系統(tǒng)更好運行，相應(yīng)電壓模塊的輸出電壓浮動范圍更小，為[5,6]，定義該范圍為健康狀態(tài)，當輸出電壓超出此范圍并在設(shè)計指標范圍內(nèi)，即為亞健康狀態(tài)。

電壓監(jiān)測值(=1,2,…,)的健康評估狀態(tài)分檔如下：

(13)

對電壓監(jiān)測值(=1,2,…,)歸一化處理如下：

(14)

2)氣壓監(jiān)測值

在無人魚雷武器系統(tǒng)中，實時氣壓監(jiān)測值與初始氣壓與時間有很大關(guān)系，根據(jù)實時的氣壓監(jiān)測值很難評估其健康狀態(tài)，本文中將氣壓監(jiān)測值轉(zhuǎn)換為氣密性參數(shù)，即系統(tǒng)一段時間內(nèi)的保壓能力，以此評估健康狀態(tài)。

=(,,)

(15)

其中，為系統(tǒng)初始氣壓值，為實時氣壓監(jiān)測值，為時間。

氣壓監(jiān)測值的健康狀態(tài)評估規(guī)則如下：假定系統(tǒng)論證中，為保證在一定時間內(nèi)武器發(fā)射需要，其系統(tǒng)氣密性指標應(yīng)不大于1，即在該范圍內(nèi)氣壓能保證系統(tǒng)正常發(fā)射，范圍包含健康、亞健康和故障臨界狀態(tài)，超出此范圍即為故障狀態(tài)。在系統(tǒng)設(shè)計中，系統(tǒng)氣密性參數(shù)的設(shè)計指標范圍不大于，該范圍小于論證指標，該范圍包含了健康和亞健康狀態(tài)；在系統(tǒng)正常運行時，對系統(tǒng)真實氣密性進行驗證，統(tǒng)計結(jié)果為不大于2，定義該范圍為健康狀態(tài)，超出此范圍并在設(shè)計指標范圍內(nèi)，即為亞健康狀態(tài)。

氣壓監(jiān)測值的健康評估狀態(tài)分檔如下：

(16)

對氣壓監(jiān)測值歸一化處理如下：

(17)

其中，2<<1。

3)發(fā)控時間監(jiān)測值

本文選取武器發(fā)射通道組織中發(fā)控各階段完成時間(=1,2,…,)作為監(jiān)測特征參數(shù)，無人系統(tǒng)具備決策、控制自主運行的特征，時間指標為其重要指標。系統(tǒng)各階段完成所需時間與系統(tǒng)內(nèi)通信、控制電路、執(zhí)行模塊等狀態(tài)有關(guān)，例如系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、控制電壓不足、機械老化等都可能導(dǎo)致時間增長，能間接反映系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

發(fā)控時間監(jiān)測值的健康狀態(tài)評估規(guī)則如下：假定系統(tǒng)設(shè)計中，不考慮異常情況，各階段發(fā)控完成時間指標為不大于，該范圍包含健康和亞健康狀態(tài)；在系統(tǒng)正常運行時，對系統(tǒng)發(fā)控時間監(jiān)測值進行驗證，統(tǒng)計結(jié)果為不大于2，定義為健康狀態(tài)，其中2<?？紤]異常情況下，各階段發(fā)控完成時間指標為不大于1，例如時間可選取為正常時間2倍，超出此時間即為故障。

發(fā)控時間監(jiān)測值(=1,2,…,)的健康評估狀態(tài)分檔如下：

(18)

對發(fā)控時間監(jiān)測值(=1,2,…,)歸一化處理如下：

(19)

其中2<<1，=1,2,,…,。

4)單個特征參數(shù)的狀態(tài)評估

為更好評估系統(tǒng)健康狀態(tài)，先對單個特征參數(shù)進行健康狀態(tài)評估，以電壓監(jiān)測值狀態(tài)評估為例。

假定，系統(tǒng)單次任務(wù)期間得到1個狀態(tài)評估值，采信最近次的評估結(jié)果，采用加權(quán)方式，得到單個參數(shù)狀態(tài)評估為

(20)

其中，=1,2,…,，=表示最近一次評估結(jié)果，其歷史數(shù)據(jù)距統(tǒng)計時間越長所占權(quán)重越小。

2.4 系統(tǒng)健康度

對實時監(jiān)測的證據(jù)集進行預(yù)處理得到

=(，，)

(21)

系統(tǒng)的健康度為

(22)

3 仿真驗證

本文利用模糊推理邏輯方法對某系統(tǒng)進行仿真驗證，選取證據(jù)集包含電壓監(jiān)測值、氣壓監(jiān)測值和發(fā)控時間監(jiān)測值。其中電壓監(jiān)測值細化為電壓監(jiān)測值、電壓監(jiān)測值和電壓監(jiān)測值，能夠反映系統(tǒng)供電、武器供電、發(fā)射控制等狀態(tài)；發(fā)控時間監(jiān)測值，細化為系統(tǒng)自檢時間、發(fā)射準備時間和魚雷出管時間，能夠反饋無人魚雷發(fā)射過程中各階段綜合完成情況。

以電壓監(jiān)測值為例，假定系統(tǒng)設(shè)計中：電壓指標范圍為5(1±10)V，正常工作范圍為5(1±15)V，定義亞健康狀態(tài)為指標范圍邊緣的30。

的健康狀態(tài)分檔如下：

=

對電壓監(jiān)測值歸一化處理如下：

在對單個特征參數(shù)的狀態(tài)評估中，采信最近5次的監(jiān)測結(jié)果，采用加權(quán)方式，得到每個參數(shù)健康狀態(tài)評估。

系統(tǒng)健康度評估中，各證據(jù)集的權(quán)重初始值假定為：

=[01,01,01]；

=[025] ；

=[015,015,…,015]。

系統(tǒng)健康狀態(tài)評估，假定健康狀態(tài)初始劃分如表1所示，后期根據(jù)實際情況不斷優(yōu)化。

表1 系統(tǒng)健康狀態(tài)劃分

4 結(jié)束語

無人系統(tǒng)的健康評估，對武器安全性使用至關(guān)重要。本文針對某無人魚雷武器系統(tǒng)，通過自主監(jiān)測可量化的特征參數(shù)，然后采用模糊推理模式，評估武器發(fā)射通道的健康度，此方法能在一定程度上體現(xiàn)無人魚雷武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

為更好地評估無人魚雷武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)，后續(xù)還需要盡可能納入更多參數(shù)，并借助工程數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化推理參數(shù)。