侯 錦，吳宗清，胡紅軍，秦明暖，付樹洪

(1.中國電子科技集團公司第39研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國西安衛(wèi)星測控中心，陜西 西安 710043；4.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

航天測控任務系統(tǒng)是機械結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)備相結(jié)合、軟硬件相結(jié)合的高復雜度設(shè)備。測控天線設(shè)備作為航天測控任務系統(tǒng)中信號接收前端的關(guān)鍵設(shè)備，具有控制精度要求高、結(jié)構(gòu)復雜、機電控一體化和使用環(huán)境復雜等特點。其維修時間成本和難度會依據(jù)故障類型有較大區(qū)別，故障定位、維修和更換專業(yè)性強，是航天測控任務系統(tǒng)中保障的重點。目前天線機械傳動設(shè)備早期故障難以察覺、故障分析定位難度大、故障維修時間長，設(shè)備維修嚴重依賴研制單位現(xiàn)場支撐，缺乏預見性的維修指導。

健康管理技術(shù)最早是由美國軍方基于視情維修提出的設(shè)備維修保障策略，該技術(shù)自誕生以來受到了英美等西方軍事大國的高度重視，多個科研機構(gòu)也開始對健康管理技術(shù)進行專門研究，應用范圍主要集中在武器裝備領(lǐng)域、航天飛行領(lǐng)域、船舶和車輛等裝備的研制和使用過程中，其中最成功的案例就是美國在F-35戰(zhàn)斗機中使用了健康管理技術(shù)，取得了不錯的成效。美國還在NASA飛行器綜合健康管理系統(tǒng)、直升機健康與使用監(jiān)控等系統(tǒng)中進行了深度研究和推廣。國內(nèi)的健康管理技術(shù)主要集中于理論和算法研究，在航天、航空[1-3]、船舶[4]、核能和風電等高可靠性系統(tǒng)中進行了實踐和應用。

隨著航天測控網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)，針對設(shè)備地域分布廣、型號類型多、技術(shù)狀態(tài)復雜和設(shè)備長時間滿負荷運行的特點，急需探索新的設(shè)備管理及維護維修保障方法[5-6]以匹配現(xiàn)有的任務要求。借鑒健康管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)[7-8]，結(jié)合航天測控設(shè)備的實際情況，保障測控裝備資源的可靠運行和高效利用，建設(shè)有遠程診斷、健康管理和支援保障能力的測控天線健康管理與支援保障系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

航天測控網(wǎng)內(nèi)的天線設(shè)備部署在全國各個站點，設(shè)備資源統(tǒng)一由中心調(diào)度和管理，維修設(shè)備主要由研制方來實施。因此在系統(tǒng)總體功能設(shè)計上，測站級面向站點一級的設(shè)備，為測站用戶提供本站設(shè)備相關(guān)的健康管理服務，用戶中心為所有接入中心管理的設(shè)備提供任務規(guī)劃、資源調(diào)配、維護保養(yǎng)和數(shù)據(jù)管理(含全生命周期管理)等需求的相關(guān)服務，廠所中心則為測站和用戶中心提供遠程故障診斷、數(shù)據(jù)分析和支援保障等服務。整個系統(tǒng)在總體架構(gòu)上采用分級管理和遠程支援的構(gòu)建模式，測站和用戶健康管理中心通過航天測控網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，廠所遠程技術(shù)支援保障中心借助具有網(wǎng)絡安全防護的網(wǎng)絡專線與用戶中心進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)通過在測站設(shè)備端設(shè)置站級健康管理與保障終端來實現(xiàn)天線相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、多類型檢測信號的提取與多量綱數(shù)據(jù)歸一化、狀態(tài)檢測與參數(shù)異常值判定等功能，并依據(jù)系統(tǒng)模型結(jié)合故障案例，實現(xiàn)天線系統(tǒng)的快速診斷、綜合健康狀態(tài)評估與預測、設(shè)備維修與管理等。

用戶中心定位中心級管理，面向域內(nèi)所有設(shè)備，同時具備多方向安全可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制管理能力，可對域內(nèi)納入管理的設(shè)備實現(xiàn)綜合狀態(tài)實時監(jiān)視、故障診斷和復雜數(shù)據(jù)分析，同時也具備遠程測控設(shè)備綜合狀態(tài)評估與預測能力，并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動生成設(shè)備保養(yǎng)的工作計劃并進行閉環(huán)管理。

設(shè)備研制方中心定位域內(nèi)設(shè)備保障與遠程技術(shù)支援，可通過網(wǎng)絡進行設(shè)備遠程故障診斷、健康狀態(tài)評估與預測、維修決策建議等遠程協(xié)助，并可提供設(shè)備原始數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、全生命周期數(shù)據(jù)的存儲與管理，支持各類模型的迭代優(yōu)化。

系統(tǒng)通過在測站設(shè)備端建立基于同一工況的體檢與自動化測試相結(jié)合的檢測評估模式來開展基于設(shè)備狀態(tài)的科學鑒定與維護，同時可結(jié)合任務數(shù)據(jù)分析，以診斷、評估、預測報告的形式形成設(shè)備維修維護的需求輸入，結(jié)合測控計劃開展測控設(shè)備資源的高效科學的調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計上采用自動、定期和即時的多種傳輸方式，以提高系統(tǒng)運行的自動化程度。系統(tǒng)內(nèi)各主要節(jié)點均設(shè)置有數(shù)據(jù)交互、存儲和管理功能，同時設(shè)計多方會商支持遠程支援和開展技術(shù)討論以應對突發(fā)狀況。在軟件架構(gòu)設(shè)計上，系統(tǒng)采用基于微服務框架下的一體化設(shè)計便于系統(tǒng)信息共享、維護升級和后續(xù)功能擴展。

2 系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點功能劃分與設(shè)計

2.1 測站設(shè)備健康管理與保障終端主要功能

測站設(shè)備健康管理和保障終端部署于測站內(nèi)，作為站級管理節(jié)點，對站內(nèi)設(shè)備進行統(tǒng)一管理，負責為測站用戶提供本站設(shè)備相關(guān)的健康管理服務。測站設(shè)備健康管理和保障終端由采集單元、測站服務器和客戶端組成。由數(shù)據(jù)采集單元來實現(xiàn)單臺套設(shè)備信息采集和預處理，而特征項的提取與多量綱數(shù)據(jù)歸一化處理和狀態(tài)檢測、參數(shù)異常值判定、快速診斷、天線系統(tǒng)綜合健康狀態(tài)評估與預測、設(shè)備維修與管理和遠程數(shù)據(jù)交互都交由測站終端服務器統(tǒng)一進行，客戶端提供人機操作交互。

終端的主要功能如下。

① 傳感器數(shù)據(jù)采集處理及管理。根據(jù)設(shè)備的失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)及狀態(tài)監(jiān)測需求，在減速箱、電機和饋電系統(tǒng)上安裝所需的傳感器[9-10]，匹配采集設(shè)備實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，并通過設(shè)備間網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互獲取測控設(shè)備的業(yè)務數(shù)據(jù)作為補充。經(jīng)數(shù)據(jù)分類整理、無量綱化、歸一化處理等，形成用于設(shè)備監(jiān)測、診斷和評估的數(shù)據(jù)包組，發(fā)送至測站服務器對數(shù)據(jù)進行分類存儲和管理。

② 快速故障診斷設(shè)計。站級的快速診斷采用模型辨識、故障樹和故障案例匹配的方法，以最小可更換單元為功能對象，建立故障樹模型，底層關(guān)聯(lián)對應的特征項[11]、關(guān)聯(lián)事件，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、判定門限和辨識結(jié)果，提供診斷依據(jù)。為提高人工診斷準確率，可向測站用戶提供圖形圖像、視頻等形式的協(xié)助診斷功能，在緊急狀態(tài)下可通過服務器啟動遠程技術(shù)支援。

③ 體檢、評估和預測設(shè)計。為準確獲取設(shè)備狀態(tài)，利用特定體檢項目結(jié)合系統(tǒng)自動測試，在統(tǒng)一工況下對各分系統(tǒng)的主要功能和性能進行評估，根據(jù)設(shè)計指標、測試門限和系統(tǒng)層次模型，以特征項為輸入進行基于權(quán)重的計算，由此獲得最小可更換單元級以上各層級的評估結(jié)果。利用評估數(shù)據(jù)，可采用灰色預測等模型進行設(shè)備后續(xù)時間段內(nèi)的狀態(tài)預測。

④ 設(shè)備管理。依據(jù)體檢計劃的實施結(jié)果，測站自動生成故障診斷、評估報告和趨勢預測等報告，并形成管理流程閉環(huán)。通過數(shù)據(jù)庫對站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)信息、健康數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、故障案例、指標信息和設(shè)備原始信息等數(shù)據(jù)進行存儲和管理，并與中心進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)本站設(shè)備全生命周期管理等數(shù)據(jù)的更新。

2.2 設(shè)備健康管理中心

設(shè)備健康管理中心的功能定位是設(shè)備數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交互控制和域內(nèi)測控設(shè)備的集中健康管理與運維指導。作為全網(wǎng)設(shè)備運維管控節(jié)點，可對域內(nèi)多套設(shè)備實現(xiàn)綜合狀態(tài)監(jiān)視、復雜數(shù)據(jù)分析、遠程支持，依據(jù)測站診斷、評估和預測報告數(shù)據(jù)生成設(shè)備保養(yǎng)周工作計劃并下發(fā)進行閉環(huán)管理，通過服務平臺提供基于任務的全域內(nèi)設(shè)備資源調(diào)配，提供與維護保養(yǎng)需求相關(guān)的設(shè)備管理信息化服務。具備域內(nèi)設(shè)備管理數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫遠程同步更新和多方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制管理能力，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全可靠的交互。

設(shè)備健康管理中心的主要功能如下。

① 設(shè)備集中管理功能。依據(jù)設(shè)備管理需求，中心管理人員根據(jù)測站終端上報的診斷和評估結(jié)果，按照特急、近期和正常的設(shè)備維護等級，依據(jù)設(shè)備維修維護指導，將維修保養(yǎng)時間、維修保養(yǎng)內(nèi)容等作為信息要素，結(jié)合測控計劃制定設(shè)備維修保養(yǎng)計劃，經(jīng)中心管理人員確定后下達至測站終端設(shè)備，由測站人員按計劃完成設(shè)備維護工作。綜合態(tài)勢顯示設(shè)備當前在用、保養(yǎng)、維修或改造的狀態(tài)，支持分級詳細診斷、評估和預測信息顯示。

② 數(shù)據(jù)分析處理功能。系統(tǒng)利用測站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，開展單套設(shè)備的健康管理與數(shù)據(jù)分析工作，同時支持與遠程支援中心的故障聯(lián)合診斷與遠程會商。

③ 數(shù)據(jù)信息交互及控制。根據(jù)數(shù)據(jù)包的標識和內(nèi)部IP信息識別信息來源，對文件數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息數(shù)據(jù)進行分類存儲管理。通過專線實現(xiàn)與遠程支援中心的數(shù)據(jù)交互，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)實時性要求，可對數(shù)據(jù)類型、轉(zhuǎn)發(fā)速率和轉(zhuǎn)發(fā)方向進行設(shè)置。數(shù)據(jù)交互通過設(shè)置人員權(quán)限和數(shù)據(jù)加解密處理來保護數(shù)據(jù)交互的可靠性和安全性。

健康管理中心主要功能和架構(gòu)如圖2所示。

圖2 健康管理中心主要功能和架構(gòu)

2.3 遠程技術(shù)支援中心

遠程技術(shù)支援中心的功能定位是為研制方承研設(shè)備的全生命數(shù)據(jù)管理和遠程技術(shù)提供支援，接收、存儲和管理域內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和全生命周期數(shù)據(jù)，通過服務平臺向測站和健康管理中心提供必要的數(shù)據(jù)服務，通過數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)庫同步更新模型、參數(shù)、指標和備品備件等信息。

① 數(shù)據(jù)管理功能。接收測站終端經(jīng)用戶中心控制轉(zhuǎn)發(fā)的各類數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)進行本地數(shù)據(jù)庫存儲和管理。通過平臺服務向測站及中心用戶提供診斷、評估和預測等模型下載、設(shè)備技術(shù)資料共享功能。依據(jù)設(shè)備類型對測站故障診斷數(shù)據(jù)、健康體檢及測試數(shù)據(jù)、評估與預測數(shù)據(jù)，以及設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)和算法模型數(shù)據(jù)庫等進行管理。

② 遠程技術(shù)支援與保障功能。接收測站及用戶中心的遠程支援申請，通過網(wǎng)絡接收測站現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)文件和實時狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，協(xié)助測站進行分析診斷并提供技術(shù)支援，在緊急情況下可借助三方視頻會商，指導測站進行應急處置并提供維修決策。廠所專家可利用設(shè)備數(shù)據(jù)對診斷、評估和預測模型及參數(shù)進行迭代優(yōu)化，通過設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)掌握測控設(shè)備的使用情況，針對設(shè)備各類故障的分析統(tǒng)計可對磨損消耗大、故障頻率高、生產(chǎn)采購周期長的部件進行合理備份和改進設(shè)計。

3 系統(tǒng)工作流程和運行模式

測站級部署的終端作為設(shè)備主要數(shù)據(jù)的生產(chǎn)節(jié)點，通過設(shè)備狀態(tài)信息采集和分析處理形成本地及遠程使用的診斷、評估、預測數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)交互以滿足系統(tǒng)內(nèi)測站管理節(jié)點和中心管理節(jié)點的設(shè)備監(jiān)視、狀態(tài)鑒定、維護計劃生成、資源調(diào)度、遠程技術(shù)支援和保障需求。

測站管理人員通過客戶端訪問測站服務器以實時監(jiān)視站內(nèi)各設(shè)備運行狀態(tài)、體檢計劃和維護計劃的實施和數(shù)據(jù)管理、設(shè)備預測的實施和數(shù)據(jù)管理。若設(shè)備出現(xiàn)故障或在測試時狀態(tài)異常可借由系統(tǒng)實施快速診斷，按系統(tǒng)提示完成排故。按需進行備件和軟件版本信息更新。本地可支持的服務和數(shù)據(jù)由本地服務器和數(shù)據(jù)庫提供，形成的各類報告將自動提交至健康管理中心。若需遠程支援或數(shù)據(jù)交互則可通過網(wǎng)絡與中心來開展相關(guān)工作。

健康管理中心借助中心服務平臺通過測站上報的數(shù)據(jù)可對全域內(nèi)重點關(guān)注的設(shè)備進行詳細的狀態(tài)監(jiān)測。根據(jù)測站評估結(jié)果對設(shè)備狀態(tài)進行鑒定，按照預測結(jié)果、健康等級、維護保養(yǎng)時間和資源以及測控計劃制定設(shè)備后續(xù)體檢和維護計劃。中心可根據(jù)設(shè)備的各類數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計綜合分析，便于管理者全方位了解設(shè)備狀態(tài)。

遠程技術(shù)支援保障中心通過中心服務平臺對設(shè)備數(shù)據(jù)開展復雜數(shù)據(jù)分析、診斷和評估預測等模型的設(shè)計和優(yōu)化工作，并向健康管理中心和測站發(fā)布、上傳系統(tǒng)所需的設(shè)備模型、資料等，分析設(shè)備體檢和評估數(shù)據(jù)，結(jié)合全生命周期過程數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)計，并開展對備件的相關(guān)管理。

系統(tǒng)內(nèi)三方均可按需通過會商開展遠程技術(shù)支援和培訓等。

系統(tǒng)業(yè)務流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務流程

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

由于系統(tǒng)部署在測站、用戶中心和設(shè)備研制廠所等不同地域，為了針對不同用戶提供有針對性的服務(尤其是測站端中被管理的對象數(shù)量較多時)，并適應未來的設(shè)備發(fā)展，系統(tǒng)需要具備良好的擴展性，同時業(yè)務各節(jié)點須協(xié)同工作，系統(tǒng)在軟件架構(gòu)的設(shè)計上在借助目前主流架構(gòu)思想的同時也須兼顧系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點分布式數(shù)據(jù)的傳輸要求、系統(tǒng)擴展性和優(yōu)先任務數(shù)據(jù)、帶寬受限的實際情況。綜上，健康管理中心和遠程支援中心對于數(shù)據(jù)展示和其他業(yè)務的處理，選用微服務數(shù)據(jù)服務共享技術(shù)，基于Java的微服務架構(gòu)對兩個中心功能域的架構(gòu)設(shè)計進行有效簡化。在測站端采用遠程過程調(diào)用(Remote Procedure Call,RPC)分布式數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，用性能和兼容性較高的C++/Qt開發(fā)來實現(xiàn)測站涉及的實時數(shù)據(jù)采集、分發(fā)、故障、體檢和預測等業(yè)務。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 設(shè)備故障診斷

為在測站現(xiàn)場開展對設(shè)備故障的快速排查和診斷，需要獲取設(shè)備狀態(tài)的特征信息，在原有設(shè)備采集信息不滿足需求的情況下，需要在設(shè)備故障診斷上利用傳感器采集技術(shù)[9-10]、業(yè)務數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和遠程通信網(wǎng)絡使系統(tǒng)具備開展復雜故障的遠程診斷與技術(shù)支持的能力。在故障診斷方法上，針對復雜機電系統(tǒng)采用了基于故障樹模型、故障案例和機電系統(tǒng)故障辨識等多種故障診斷隔離方法，以提高故障診斷成功率和效率。電機和齒輪箱是天線傳動機構(gòu)的重要組成部分，電機電流變化可以反映電機負載轉(zhuǎn)矩的變化，其特征和故障可建立關(guān)系，因此基于狀態(tài)估計和經(jīng)驗模態(tài)分解的復雜機電系統(tǒng)故障辨識方法是機電故障診斷和狀態(tài)判斷的主要方法。采用電機電流的特征分析方法，利用設(shè)計的自構(gòu)架模糊系統(tǒng)對故障信息進行逼近。通過將電流、電壓和速度3個輸入量的模糊輸出和卡爾曼估計器估計值之間的誤差作為補償來逼近故障函數(shù)，利用故障函數(shù)來區(qū)分系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)間(健康、正常、異常、失效)。通過減速箱振動信號對軸承運行狀態(tài)進行監(jiān)測，利用經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)[12]方法，協(xié)助分離軸承或軸故障。

另外，在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷和預測模型設(shè)計上可有多種選擇，通過交叉驗證等方法篩選出特征項后，進行模型設(shè)計和驗證。

5.2 設(shè)備的狀態(tài)評估與預測

在天線綜合健康狀態(tài)評估中，重點研究如何確定部件、分系統(tǒng)工作狀態(tài)對整個系統(tǒng)的影響和作用。系統(tǒng)采用基于層次分析[13]的評估方法，使評價定性因素定量化，使評價結(jié)果更科學且易于工程化。

通過對天線系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)劃分、功能分解和分類，建立關(guān)聯(lián)模型，并采用基于測試數(shù)據(jù)、無量綱化和歸一化處理的健康評估方法對特征項級進行評估并據(jù)此開展各層級評估。對各特征項依據(jù)其表征選取正向、負向、適度無量綱化模型，確定極大、極小、最優(yōu)值和線性化程度值，完成統(tǒng)一量化。

通過無量綱化處理特征項級評估，獲得最底層評估數(shù)據(jù)，然后自下而上根據(jù)權(quán)重比依次評估各層級直到天線系統(tǒng)級，確定系統(tǒng)健康狀態(tài)，采用變權(quán)綜合法對各層次權(quán)重值[14]進行適當調(diào)整。同時無量綱化處理信息和狀態(tài)評估結(jié)果,可作為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的各類評估預測方法的輸入，例如利用特征項構(gòu)建灰色預測模型獲得被監(jiān)測部件未來一定時期的參數(shù)變化趨勢和系統(tǒng)的健康狀態(tài)變化趨勢[15-16]。天線健康狀態(tài)評估步驟如圖4所示。

圖4 天線健康狀態(tài)評估步驟

6 結(jié)束語

面向測站設(shè)備用戶、中心任務管理和研制方維護保障的不同需求，在充分利用現(xiàn)有測控設(shè)備硬件和技術(shù)資源的基礎(chǔ)上，設(shè)計了測站、中心的分級分層管理和遠程支援的總體架構(gòu)，明確了系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的主要功能及系統(tǒng)工作流程、運行模式和關(guān)鍵技術(shù)要點，利用傳感器技術(shù)、信息監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和RPC加微服務技術(shù)實現(xiàn)了一種面向測控天線系統(tǒng)的健康管理與支援保障系統(tǒng)的工程化設(shè)計。

以某測控站天線系統(tǒng)作為健康管理對象，對系統(tǒng)內(nèi)主要功能、節(jié)點間信息交互，以及關(guān)鍵技術(shù)進行了實踐和驗證。通過建立測站管理終端、用戶中心和遠程技術(shù)支援中心，建立了單套天線設(shè)備、一個分系統(tǒng)的分級健康管理及遠程診斷支援模式，實現(xiàn)了天線設(shè)備的狀態(tài)信息的采集、遠程數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)分析處理、天線設(shè)備故障診斷、評估與預測功能，以及狀態(tài)庫、知識庫、模型庫、指標庫的信息導入與維護更新，基于全生命周期的信息化管理能力，并以電機典型故障進行了診斷方法的測試和驗證，效果良好。在此基礎(chǔ)上以多臺套設(shè)備作為管理對象，對系統(tǒng)進行了軟硬件平臺和維護保障信息化管理能力的擴展，經(jīng)測試驗證了系統(tǒng)架構(gòu)的合理可行性，對后續(xù)的工程應用具有積極的指導和借鑒意義。