劉丹丹，唐毓燕，原艷斌，倪曉峰，荊云建

（1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.北京航天晨信科技有限責任公司，北京 102308）

0 引言

導彈裝備健康管理一般是指通過監(jiān)測獲取裝備的狀態(tài)信息，對其進行健康狀態(tài)評估和壽命預測，并對出現(xiàn)的故障進行診斷，結合可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策或提出建議。通過裝備健康管理，可以提高裝備完好性、安全性、任務成功性，降低全壽命周期費用，其主要工作內容包括狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、壽命預測、故障診斷、維修決策等方面。根據故障診斷及預測分析的結果，結合先驗知識，分析、評估系統(tǒng)的健康狀態(tài)及其未來的健康情況等，判斷是否繼續(xù)運行、是否補償、是否需要故障隔離或緊急關機等。

按照健康管理系統(tǒng)的研制要求，為滿足裝備綜合保障工作要求，將健康管理技術應用到導彈裝備的維修保障中，對武器系統(tǒng)及其分系統(tǒng)進行健康狀態(tài)監(jiān)測，評估導彈裝備系統(tǒng)級及分系統(tǒng)級的健康狀態(tài)并預測其未來的健康狀態(tài)，以保障導彈裝備的完好性、安全性以及任務成功性，并實現(xiàn)視情維修和自主式保障。

本文描述了導彈裝備健康管理系統(tǒng)設計基本原則、結構框架、工作流程及全壽命周期數(shù)據管理要求，最后以某裝備為例，驗證了該設計方法在健康管理系統(tǒng)研制中的可行性與有效性。

1 基本原則

健康管理系統(tǒng)設計的基本原則如下：

（1）多屬性評估

在進行系統(tǒng)級及分系統(tǒng)級的健康評估時，要綜合考慮其狀態(tài)特征參數(shù)和各種影響因素，包括裝備使用環(huán)境、維修測試信息等。

（2）動態(tài)性評估

武器系統(tǒng)及子系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估是一個持續(xù)的過程，當武器系統(tǒng)及其分系統(tǒng)使用性能降低時通過評估來確定其是否可以繼續(xù)使用，在執(zhí)行重大任務前通過評估來預測其完成任務的可能性，在執(zhí)行維護和修理工作后通過評估確定其狀態(tài)恢復的程度等。

（3）層次性評估

從裝備的約定層次上，將裝備的層次結構分為系統(tǒng)層和分系統(tǒng)層，下一層次的健康狀態(tài)直接影響上一層次的健康狀態(tài)，上一層次的健康狀態(tài)是對下一層次健康狀態(tài)的綜合。在對系統(tǒng)進行健康評估時，要從被監(jiān)測對象出發(fā)，從下到上逐級開展健康評估［1-2］。

2 系統(tǒng)結構框架

2.1 系統(tǒng)組成與功能

健康管理系統(tǒng)由2 個層次組成，分系統(tǒng)級及系統(tǒng)級。分系統(tǒng)級由各地面裝備的健康管理分系統(tǒng)組成，負責對所屬地面裝備的關重件進行狀態(tài)監(jiān)測及健康狀態(tài)評估等。系統(tǒng)級負責綜合各分系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測信息和健康評估結果，完成系統(tǒng)級的健康管理。導彈裝備的健康管理系統(tǒng)設計思路及信息交互關系如圖1 所示。

圖1 導彈裝備健康管理系統(tǒng)的設計思路及信息交互關系Fig.1 Design idea and information interaction of health management system

健康管理系統(tǒng)的主要功能是狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康狀態(tài)評估、壽命預測、維修決策和系統(tǒng)全壽命周期管理，如圖2 所示。

圖2 健康管理系統(tǒng)主要功能Fig.2 Main function of health management system

（1）狀態(tài)監(jiān)測

對與各地面裝備的工作狀態(tài)緊密相關的參數(shù)進行實時監(jiān)測、采集、存儲與查詢［3］。

（2）故障診斷

根據監(jiān)測的參數(shù)，結合機內測試（built-in test，BIT）測試數(shù)據等，對各地面裝備所發(fā)生的故障進行診斷，并將故障定位到外場可更換單元［4-5］。

（3）健康狀態(tài)評估

根據實時監(jiān)測的參數(shù)，結合歷史的狀態(tài)及評估值、維修信息、故障信息等，建立健康狀態(tài)評估模型，評估裝備系統(tǒng)級及分系統(tǒng)級的健康狀況。健康狀態(tài)分為4 個等級：正常、預警、降級、故障。

健康狀態(tài)等級內涵如下：

1）正常：所有參數(shù)的測試數(shù)據均在允許范圍之內，且所有參數(shù)的測試數(shù)據均遠離閾值或接近標準值，可以按計劃進行監(jiān)測并適當延遲修護周期。

2）預警：所有參數(shù)的測試數(shù)據均在允許范圍之內，且部分參數(shù)的測試數(shù)據在標準值上下一定范圍內波動，但未達到閾值，可以按計劃進行監(jiān)測和維護。

3）降級：所有功能性能參數(shù)的測試數(shù)據均在允許范圍之內，但部分參數(shù)的測試數(shù)據接近或達到閾值，劣化趨勢明顯，或備份設備參數(shù)的測試數(shù)據不滿足要求，除適當縮短測試周期外，還要加速監(jiān)測并盡快維護。

4）故障：部分參數(shù)的測試數(shù)據達到或超過注意值，且影響任務成功的參數(shù)的測試數(shù)據達到或超過閾值，應立即進行維修［6-10］。

（4）壽命預測

根據系統(tǒng)級和分系統(tǒng)級的當前健康狀態(tài)、使用條件、模型和推理能力，以一定的置信度，產生對某一關鍵部件在給定使用包線下的剩余使用壽命的估計，并據此來預測裝備未來的健康情況。

（5）維修決策

根據健康管理系統(tǒng)輸出的診斷信息、健康評估信息、健康預測信息，并結合所監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據，提示所需開展的維修活動，包括維護/維修項目、方法及配套的保障資源等信息，為裝備修復性維修和計劃性維修活動提供參考和輸入。

（6）裝備全壽命周期健康數(shù)據管理

對系統(tǒng)從開始工作到故障返修，再到功能喪失報廢處理整個全壽命周期中的狀態(tài)監(jiān)測信息、故障信息、維修信息等進行統(tǒng)一管理。

（7）健康管理信息顯示

顯示健康管理信息和數(shù)據等，且提供人機交互界面。為便于使用人員的操作，各裝備健康管理顯示界面的顯示方式應盡量統(tǒng)一［11-13］。

2.2 狀態(tài)監(jiān)測

裝備有效的健康管理信息建立在其輸入數(shù)據的全面性、趨勢性和代表性。健康管理系統(tǒng)的監(jiān)測信息主要包括設置的監(jiān)測點的狀態(tài)信息、各類測試和診斷信息、維修信息等。監(jiān)測信息可以根據裝備的實際運行特點，定期測試維護計劃或不定期測試進行積累。所有信息采集后應納入數(shù)據庫進行統(tǒng)一管理。

2.3 故障診斷

各分系統(tǒng)依據所監(jiān)測數(shù)據和BIT 的測試數(shù)據，采用基于故障樹信息傳遞算法進行故障診斷，提示故障的發(fā)生，并將故障隔離到外場可更換單元。同時，分系統(tǒng)將其發(fā)生故障與否的信息實時上報至系統(tǒng)。本文以診斷對象最不希望發(fā)生的事件作為頂事件，按照對象的結構和功能關系逐層展開，直到不可分事件（底事件）為止。該方法能夠實現(xiàn)快速診斷；知識庫很容易動態(tài)修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上用于選擇規(guī)則的搜尋信道，提高診斷效率。故障診斷實現(xiàn)方案如圖3所示［14-15］。

圖3 故障診斷實現(xiàn)方案Fig.3 Implementation scheme of fault diagnosis

2.4 健康評估

根據狀態(tài)監(jiān)測過程中所監(jiān)測的參數(shù)，并結合所建立的健康評估模型，評估裝備的動態(tài)健康狀態(tài)。其中，需要對影響裝備運行過程中的健康狀態(tài)因素進行有效分析，并客觀地提取出裝備運行健康狀態(tài)的評估指標，以準確反映出裝備動態(tài)健康狀態(tài)的特性。影響裝備及其各分系統(tǒng)健康狀態(tài)的評估指標主要包括如下3 個方面：

（1）基本情況

裝備及各分系統(tǒng)的基本情況是最基本的屬性，是裝備及各分系統(tǒng)自身特性的一種體現(xiàn)，反映出裝備及各分系統(tǒng)所具備的能力，如裝備特點、功能組成、技術參數(shù)、性能指標、分系統(tǒng)及其組成設備之間的功能冗余關系等因素。

（2）歷史信息

裝備及各分系統(tǒng)的運行數(shù)據是其運行過程中所采集到的數(shù)據，這些數(shù)據經過長時間的積累能夠反映裝備及各分系統(tǒng)某些方面的健康狀態(tài)信息，包括故障信息、維修信息等。

（3）監(jiān)測信息

監(jiān)測信息是由裝備實時運行狀態(tài)、運行環(huán)境等相關因素所反映，一般通過實時數(shù)據采集的方式獲得。

健康狀態(tài)評估的內容主要包括：

（1）評價當前系統(tǒng)處于其性能退化過程中的哪一種健康狀態(tài)。

（2）判斷系統(tǒng)是由于何種故障模式引起其健康水平的下降。當系統(tǒng)處于性能下降狀態(tài)時，判斷系統(tǒng)是由于何種故障模式引起其健康水平下降的，并評價當前狀態(tài)偏離正常狀態(tài)程度的大小。

（3）預測系統(tǒng)未來的健康狀態(tài)，包括：預測未來的一段時間（下一次任務之內）系統(tǒng)能否正常完成其預定功能，以及預測系統(tǒng)的剩余壽命。

2.5 健康評估模型

健康評估模型組成為：健康狀態(tài)H－健康指標I－指標參數(shù)P。健康狀態(tài)H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝。對于系統(tǒng)級健康評估模型，對應的健康指標I用裝備任務可靠度來表征；對于分系統(tǒng)級健康評估模型，對應的健康指標I用各地面裝備的任務可靠度來表征。

3 系統(tǒng)工作流程

考慮健康管理的功能以及系統(tǒng)執(zhí)行任務時的資源調度，在不同工況下，健康管理系統(tǒng)運行的功能不同，具體如下：

（1）日常維護

系統(tǒng)按日常維護計劃，定期對系統(tǒng)健康狀態(tài)進行檢查，運行健康管理系統(tǒng)，并給出裝備健康狀態(tài)評估結果；系統(tǒng)也可根據需要增加新的日常維護項目并執(zhí)行維護計劃。

（2）系統(tǒng)工作異常

主要有2 種情況：第1 種情況為系統(tǒng)執(zhí)行任務過程中，設備狀態(tài)異常且給出報警信息，必要時系統(tǒng)中止任務，并向健康管理運行軟件發(fā)出診斷或評估請求，健康管理運行其故障診斷或健康評估功能并給出結果；第2 種情況為系統(tǒng)任務結束后，任務管理服務向健康管理服務發(fā)送任務異常消息，并發(fā)出診斷或評估請求，健康管理運行其故障診斷或健康評估功能并給出結果。

圖4 給出了健康管理系統(tǒng)的工作流程。

圖4 健康管理系統(tǒng)的工作流程Fig.4 Working process of health management system

4 全壽命周期數(shù)據管理

裝備全壽命周期健康數(shù)據管理是指對裝備從開始工作到故障返修，再到功能喪失報廢處理等全壽命周期的健康數(shù)據進行管理。

通過對裝備全壽命周期采集的數(shù)據、狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據、測試診斷數(shù)據、維修數(shù)據、環(huán)境數(shù)據等健康數(shù)據進行統(tǒng)一管理，可以更有效地分析出系統(tǒng)/分系統(tǒng)已工作時間、平均壽命時間、剩余壽命、平均故障率等關鍵指標，以便對系統(tǒng)健康狀態(tài)有更直觀、可量化的了解。同時，隨著裝備全壽命周期健康管理數(shù)據的累積與擴充，裝備健康評估模型和壽命預測模型亦可同步更新、迭代，以保證裝備的健康狀態(tài)評估結果和壽命預測結果更接近裝備的實際情況［16］。

5 應用案例

以某導彈裝備為例，對上述設計方法進行驗證。本文采用分層級健康評估的方法，具體如下：

針對裝備每層具體的產品或者設備，建立由“健康狀態(tài)H－健康指標I－指標參數(shù)P”組成的分級健康狀態(tài)評估模型，裝備的每一健康狀態(tài)可具備多個健康指標（本系統(tǒng)以任務可靠度為健康指標），每一健康指標可具備多個指標參數(shù)，每一參數(shù)可以通過對傳感器、機內測試設備、外部測試設備或者人工判斷采集獲取。

5.1 健康評估總體思路

根據某裝備的產品組成，分層級開展裝備的健康評估。頂層為系統(tǒng)級（裝備級），下一層為分系統(tǒng)級，即各地面裝備。首先，通過分析影響各地面裝備主要/關鍵功能的設備，確定監(jiān)測對象，對其主要功能/性能信號進行監(jiān)測；然后，根據所監(jiān)測信息類型、參數(shù)形式等構建健康評估模型，給出每個分系統(tǒng)的健康評估指標；最后，綜合各地面裝備的健康評估指標，形成系統(tǒng)級的健康評估指標，進而完成武器系統(tǒng)級的健康評估。總體思路如圖5 所示。

圖5 某裝備分層級健康評估總體思路Fig.5 General thinking of hierarchical health assessment for a certain equipment

5.2 健康評估模型構建

某裝備平均嚴重故障間隔時間（mean time between critical failures，MTBCF）為108 h，其任務可靠度隨時間變化關系為R=exp｛-（λt）｝，可得武器系統(tǒng)任務可靠度隨時間變化趨勢如圖6 所示。

圖6 某裝備任務可靠度隨時間變化趨勢Fig.6 Changing trend of mission reliability of certain equipment with time

設定某裝備的健康狀態(tài)分別對應H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝=｛（0.37，1］，［0.22，0.37］，［0.13，0.22），（0，0.13）｝。系統(tǒng)級健康狀態(tài)H由其組成的地面裝備1、地面裝備2、地面裝備3 來決定，即

式中：P1為地面裝備1 任務可靠度；P2為地面裝備2任務可靠度；P3為地面裝備3 任務可靠度。

針對分系統(tǒng)級，分別建立地面裝備1、地面裝備2 和地面裝備3 的健康評估模型。

以地面裝備1 為例，其MTBCF=300 h，其任務可靠度隨時間變化關系為R=exp｛-（λt）｝，武器系統(tǒng)任務可靠度隨時間變化趨勢如圖7 所示。

圖7 地面裝備1 任務可靠度隨時間變化趨勢Fig.7 Changing trend of mission reliability of ground equipment 1 with time

由此設定地面裝備1 的健康狀態(tài)分別對應H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝=｛（0.70，1］，［0.58，0.70］，［0.49，0.58），（0，0.49）｝。

地面裝備1 的健康狀態(tài)H由其組成的LRU（line replaceable unit）決定，I（P1，P2，…，P50）=，其中Pi=exp｛-（λit）｝。

測試指標，若為0，則H=0，判為故障；若為1，則按Pi=exp｛-（λit）｝進行計算。

5.3 設計實現(xiàn)與應用

基于上述健康管理系統(tǒng)的設計方法，并對健康管理系統(tǒng)的輸入/輸出數(shù)據、內部數(shù)據格式、數(shù)據發(fā)送策略、外部文檔格式及數(shù)據容錯性檢查等做出詳細規(guī)定，開展某裝備系統(tǒng)級及分系統(tǒng)級健康管理系統(tǒng)的硬件與軟件設計，圖8～11 為某地面裝備健康管理軟件分系統(tǒng)處于正常、預警、降級和故障等狀態(tài)下的軟件運行界面。調用數(shù)據庫軟件中分系統(tǒng)實際運行數(shù)據，將其與健康管理系統(tǒng)接收、顯示數(shù)據相比對，可知，依據本文設計方法開發(fā)的健康管理系統(tǒng)能真實反映裝備、各分系統(tǒng)、各設備的監(jiān)測狀態(tài)，并準確給出裝備的健康狀態(tài)。圖12 為所調用的數(shù)據庫界面。

圖8 某地面裝備分系統(tǒng)“正常”狀態(tài)運行界面Fig.8 “Normal”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖9 某地面裝備分系統(tǒng)“預警”狀態(tài)運行界面Fig.9 “Warning”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖10 某地面裝備分系統(tǒng)“降級”狀態(tài)運行界面Fig.10 “Degradation”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖11 某地面裝備分系統(tǒng)“故障”狀態(tài)運行界面Fig.11 “Fault”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖12 數(shù)據庫調用界面Fig.12 Database call interface

6 結束語

本文基于裝備健康管理系統(tǒng)研制的迫切需求，針對導彈裝備的特點，提出了健康管理系統(tǒng)的設計方法。并以某裝備為例，開發(fā)了系統(tǒng)級及分系統(tǒng)級健康管理系統(tǒng)，經工程部署運行，狀態(tài)穩(wěn)定、良好，與武器系統(tǒng)及地面裝備的實際狀態(tài)完全符合，由此驗證了該設計方法在健康管理系統(tǒng)研制中的可行性與有效性。