韓文婷，程 龍，韓文婧，楊林郁

(航天工程大學(xué)，北京 101400)

0 引言

工業(yè)社會(huì)發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)迭代推新，第四次工業(yè)革命已經(jīng)來(lái)臨。德國(guó)工業(yè)和學(xué)術(shù)界率先提出工業(yè)4.0概念[1]，旨在發(fā)展智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流三大主題。各國(guó)紛紛響應(yīng)號(hào)召。美國(guó)提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，中國(guó)則提出《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，智能制造的發(fā)展水平?jīng)Q定我國(guó)在未來(lái)制造業(yè)中的國(guó)際地位[2]。智能制造是多系統(tǒng)、多學(xué)科集成創(chuàng)新的產(chǎn)物，數(shù)字孿生作為智能制造領(lǐng)域最有前景的新興技術(shù)之一，借助其“虛實(shí)結(jié)合”的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、船舶制造、車間調(diào)度、通信機(jī)房等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

當(dāng)前世界各國(guó)航天發(fā)射密度逐年遞增。截止2022年2月21日SpaceX的獵鷹九號(hào)火箭重復(fù)使用已達(dá)107次；截止2022年3月3日星鏈(Starlink)已發(fā)射超2200顆衛(wèi)星，加快了低軌資源的搶占速度。日本Epsilon火箭順利完成快速響應(yīng)發(fā)射，將發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間大幅縮短[4]。中國(guó)空間站已成功入駐兩個(gè)飛行乘組，載人航天工程取得重大突破。

各國(guó)日益增加的發(fā)射頻率，航天領(lǐng)域的快速發(fā)展都離不開(kāi)運(yùn)載火箭的成功發(fā)射。而火箭的順利發(fā)射與其前期完備的測(cè)試流程和全程的健康管理、故障診斷息息相關(guān)。尤其對(duì)于未來(lái)可重復(fù)使用運(yùn)載器來(lái)說(shuō)，健康管理技術(shù)顯得尤為重要。

可重復(fù)使用運(yùn)載器能夠大幅提升進(jìn)出空間的能力，為有效利用太空提供強(qiáng)有力的支撐[5]。對(duì)其實(shí)施合理的健康管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)它的全壽命周期健康狀態(tài)管理，支持射前測(cè)試階段、飛行期間的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)與診斷，并及時(shí)進(jìn)行維修決策和健康評(píng)估，可以大幅提高重復(fù)使用運(yùn)載器的可靠性和安全性。

火箭的控制系統(tǒng)作為火箭的大腦中樞，是運(yùn)載火箭的重要組成部分，主要指火箭的飛行控制系統(tǒng)[6]?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)控制火箭將有效載荷送入預(yù)定軌道，確保入軌精度。當(dāng)前運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的智能化程度不斷提高，針對(duì)控制系統(tǒng)的健康管理和智能故障診斷具有重要意義。數(shù)字化、智能化的控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)有利于發(fā)射場(chǎng)技術(shù)人員更加高效、便捷地對(duì)火箭總體進(jìn)行維修和歸零，也有助于提高該型火箭的服役年限。

為進(jìn)一步適應(yīng)火箭控制系統(tǒng)的智能化程度，促進(jìn)發(fā)射場(chǎng)的數(shù)字化進(jìn)程，提高火箭的故障診斷效率，本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于火箭控制系統(tǒng)的故障診斷。結(jié)合火箭控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及常見(jiàn)故障，初步提出基于數(shù)字孿生的火箭控制系統(tǒng)故障診斷的組成框架，具有廣闊的應(yīng)用前景。運(yùn)載火箭所處環(huán)境惡劣，造價(jià)昂貴，飛行試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)較少。利用火箭全壽命周期的數(shù)字孿生技術(shù)，可以促進(jìn)同一型號(hào)火箭在研制過(guò)程中的迭代改進(jìn)，提升方案設(shè)計(jì)的輕量化和性價(jià)比，縮短試驗(yàn)設(shè)計(jì)周期。其次，基于數(shù)字孿生的火箭健康管理系統(tǒng)，能夠用于火箭射前測(cè)試階段的快速診斷與智能決策。通過(guò)射前狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)來(lái)補(bǔ)充人工測(cè)試的不足，從而提高火箭發(fā)射的可靠性與成功率。另外，在火箭飛行階段，火箭的數(shù)字孿生體可以在地面充當(dāng)鏡像伴飛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程的故障快速診斷，實(shí)現(xiàn)故障提前預(yù)測(cè)，避免飛行事故的發(fā)生。針對(duì)可重復(fù)使用火箭的全壽命健康管理，利用其數(shù)字孿生體，能夠積累大量歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)其各階段故障信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)和故障決策的快速設(shè)立。

1 數(shù)字孿生在航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的物理世界與信息世界存在一定的隔閡，而數(shù)字孿生作為連接物理世界和信息世界的橋梁，能進(jìn)行有效的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能化的物理信息融合。數(shù)字孿生是一種多尺度、多物理場(chǎng)集成的高保真模型[7]。物理實(shí)體的鏡像模型利用傳感器獲取物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而保持與物理空間的高度同步映射。它具有實(shí)時(shí)映射、交互融合、自我更新這三大特征[8]。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，數(shù)字孿生應(yīng)用廣泛。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車間和智慧城市這十大領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生同樣具有較大的應(yīng)用潛力與廣闊的發(fā)展前景[9]。

NASA首先在2010年提出，計(jì)劃在2027年將數(shù)字孿生成功應(yīng)用于基于仿真的系統(tǒng)工程，作為NASA未來(lái)三十年的一項(xiàng)頂級(jí)技術(shù)[10]。NASA數(shù)字孿生的定義是針對(duì)火箭或系統(tǒng)的一個(gè)多物理模型、多尺度的概率仿真，通過(guò)傳感器更新和艦隊(duì)歷史來(lái)鏡像反映飛行器的全壽命飛行。該數(shù)字孿生模型可以在任務(wù)期間持續(xù)、實(shí)時(shí)的仿真，作為火箭健康管理的基礎(chǔ)。該數(shù)字孿生體有以下4個(gè)應(yīng)用前景：1)在發(fā)射前模擬執(zhí)行火箭未來(lái)的飛行任務(wù)，該仿真過(guò)程可以獲取多種任務(wù)參數(shù)，分析異常影響，為后續(xù)飛行計(jì)劃安排積累數(shù)據(jù)；2)鏡像反映火箭的實(shí)際飛行，即模型“伴飛”，火箭飛行過(guò)程中的一系列環(huán)境因素，如溫度、實(shí)際載荷等會(huì)持續(xù)輸入孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行孿生的持續(xù)預(yù)測(cè)；3)在發(fā)生潛在的災(zāi)難性故障時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取證。一旦傳感器將下降的健康狀態(tài)傳遞給數(shù)字孿生，即可開(kāi)始診斷異常原因；4)作為飛行器設(shè)計(jì)更新的試驗(yàn)平臺(tái)。例如，當(dāng)一個(gè)執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)字孿生體可以用來(lái)確定結(jié)構(gòu)的新載荷分布以及預(yù)測(cè)剩余壽命，輔助制定維修策略。

之后，NASA在2016年提出了2035年的虛擬能力目標(biāo)，它包括6大部分：飛行器的飛行預(yù)測(cè)、飛行器數(shù)字孿生、材料設(shè)計(jì)、空域模擬、虛擬進(jìn)入下降著落、耦合地球系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和模型[11]。其中，著重指出飛行器數(shù)字孿生的目標(biāo)是：已竣工飛行器的高保真生命周期在2035減至目前一半的維修費(fèi)用，飛行器達(dá)到當(dāng)前10倍的服役壽命。

美國(guó)空軍在2020年宣布使用數(shù)字孿生技術(shù)去維護(hù)GPS衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)安全。通過(guò)建立GPS 2R衛(wèi)星的數(shù)字孿生體，從中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全滲透測(cè)試，達(dá)到查找GPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)漏洞的目標(biāo)。2022年3月，美空軍啟用“數(shù)字孿生全息實(shí)驗(yàn)室”，以數(shù)字孿生模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環(huán)境中測(cè)試新技術(shù)，促進(jìn)空軍基地的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2021年馬斯克用數(shù)字孿生開(kāi)啟了航天工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。Space X公司利用C++語(yǔ)言和Matlab編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、建模仿真和矩陣計(jì)算，將物理世界火箭發(fā)射流程的數(shù)字孿生體映射到比特世界，進(jìn)行“沙盤演繹”，防止粒子翻轉(zhuǎn)引發(fā)火箭爆炸。

NASA制定的2027年目標(biāo)和2035年目標(biāo)均包含數(shù)字孿生體的建立，美空軍也在積極部署數(shù)字孿生的相關(guān)軍事應(yīng)用。由此可見(jiàn)，數(shù)字孿生技術(shù)在未來(lái)航天領(lǐng)域的地位舉足輕重。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2020年美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)和美國(guó)航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)(AIA)發(fā)布《數(shù)字孿生：定義與價(jià)值》報(bào)告。報(bào)告中將數(shù)字孿生分為三大類：設(shè)計(jì)數(shù)字孿生、生產(chǎn)數(shù)字孿生、支持和服務(wù)數(shù)字孿生，它們分別對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段、制造階段、使用和維護(hù)階段。下面按照這三大分類對(duì)數(shù)字孿生在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單歸納：

1)設(shè)計(jì)數(shù)字孿生：吳浩等提出的基于數(shù)字孿生的火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，增加了基于數(shù)字孿生的虛擬映射、模型驅(qū)動(dòng)，提高了火箭設(shè)計(jì)效率[12]。金杰等提出的基于數(shù)字孿生的火箭起飛安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用數(shù)字化仿真、多源模型處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)火箭起飛過(guò)程的虛擬場(chǎng)景仿真，構(gòu)建了火箭的數(shù)字孿生體。通過(guò)仿真過(guò)程的起飛安全性分析，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)火箭姿態(tài)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整控制，進(jìn)一步提升了火箭起飛的安全可靠性[13]。張文杰等提出基于數(shù)字孿生和多智能體的航天器智能試驗(yàn)，搭建了智能試驗(yàn)管控平臺(tái)，縮短了航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)施周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度[14]。趙琦等提出數(shù)字孿生在衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用框架，基于建模語(yǔ)言Modelica，對(duì)衛(wèi)星星座系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的建模過(guò)程進(jìn)行了展示，并提出相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)[15]。

2)生產(chǎn)數(shù)字孿生：王建軍等提出基于數(shù)字孿生的航天器系統(tǒng)工程，建立了基于數(shù)字孿生的5個(gè)典型階段的整體模型和應(yīng)用框架[16]。該技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)航天器設(shè)計(jì)階段的物理信息深度融合，促進(jìn)航天器研制的智能化進(jìn)程。萬(wàn)峰等提出基于數(shù)字孿生的衛(wèi)星總裝過(guò)程管控系統(tǒng)，利用孿生建模、虛實(shí)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總裝過(guò)程的實(shí)時(shí)管控，并提供決策支持[17]。郭具濤等提出基于數(shù)字孿生的航天制造車間生產(chǎn)管控方法，針對(duì)車間效率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足的問(wèn)題，借助數(shù)字孿生，設(shè)計(jì)跨網(wǎng)段信息異步交互的航天車間架構(gòu)，具有一定的智能應(yīng)用場(chǎng)景[18]。

3)支持和服務(wù)數(shù)字孿生：蔡紅維等提出了基于數(shù)字孿生的航天發(fā)射場(chǎng)建設(shè)思路，設(shè)計(jì)了發(fā)射場(chǎng)數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)，逐一分析所需的關(guān)鍵技術(shù)[19]。該研究可以為未來(lái)發(fā)射場(chǎng)的日常運(yùn)行、健康管理、指揮決策提供重要支撐。張素明等提出基于數(shù)字孿生的火箭測(cè)試與發(fā)射過(guò)程的健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該過(guò)程的天地鏡像仿真，虛擬火箭與火箭本體的信息交融[20]。該技術(shù)能夠提高未來(lái)火箭發(fā)射的可靠性，為其安全發(fā)射提供技術(shù)支持。北京世冠金洋科技發(fā)展有限公司提出航天飛行器數(shù)字孿生技術(shù)及仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)模型的快速組建，在軌衛(wèi)星的故障分析推演，構(gòu)建軌道任務(wù)評(píng)估系統(tǒng)，在衛(wèi)星測(cè)控領(lǐng)域有一定的工程實(shí)踐意義。黃文德等提出基于北斗與數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)運(yùn)維平臺(tái)，將北斗精準(zhǔn)時(shí)空技術(shù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)理論相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器，形成具有狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和自愈功能的數(shù)字孿生運(yùn)維平臺(tái)[21]。

表1 數(shù)字孿生在國(guó)內(nèi)航天應(yīng)用分類

數(shù)字孿生在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步探索階段，孿生火箭、孿生發(fā)射場(chǎng)、孿生衛(wèi)星、孿生空間站等數(shù)字孿生技術(shù)將是未來(lái)智能航天的主力軍。目前仍面臨著眾多技術(shù)難題：1)智能輕量的傳感器技術(shù)：安裝在航天器上的傳感器必須具備輕量化、多維化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，才能及時(shí)收集各類環(huán)境信息和航天器自身狀態(tài)感知信息；2)數(shù)字孿生規(guī)則制定：應(yīng)盡快統(tǒng)一國(guó)內(nèi)關(guān)于航天數(shù)字孿生的定義、模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)框架等，以實(shí)現(xiàn)規(guī)范化的航天數(shù)字孿生理論體系；3)動(dòng)態(tài)建模與故障診斷：復(fù)雜航天器系統(tǒng)具有虛擬動(dòng)態(tài)建模，系統(tǒng)級(jí)故障診斷組件繁多、數(shù)據(jù)龐大、故障分析復(fù)雜等難題。

2 火箭控制系統(tǒng)故障診斷研究現(xiàn)狀

2.1 火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法研究

火箭控制系統(tǒng)一般指箭上控制系統(tǒng)。箭上控制系統(tǒng)一般包括制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和時(shí)序控制系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)火箭的飛行軌跡進(jìn)行控制和導(dǎo)航，姿控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制火箭的姿態(tài)和穩(wěn)定繞各軸的箭體姿態(tài)角。運(yùn)載火箭由上萬(wàn)個(gè)器件組成，是一個(gè)龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)。一個(gè)微小器件出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致整個(gè)大系統(tǒng)的癱瘓以及發(fā)射任務(wù)的失敗，甚至造成箭毀星亡、人員損傷的事故。上世紀(jì)90年代，我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)捆綁運(yùn)載火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí)緊急關(guān)機(jī)，發(fā)射被迫中止。該事故原因是控制系統(tǒng)程序配電器的一個(gè)點(diǎn)火觸點(diǎn)存在多余物。因此，火箭控制系統(tǒng)組件的故障診斷對(duì)運(yùn)載火箭的成功發(fā)射至關(guān)重要。

2.1.1 常見(jiàn)故障診斷方法

故障診斷技術(shù)是保障運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)可靠性和安全性的重要技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)故障診斷方法大致分為三大類：基于解析模型的方法、基于信號(hào)處理方法和基于知識(shí)的方法[22]。其中最常用的是基于知識(shí)的方法，即故障診斷專家系統(tǒng)。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，故障診斷技術(shù)也朝著智能化、信息化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了診斷系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與原理知識(shí)結(jié)合的新技術(shù)。當(dāng)前研究中常見(jiàn)的診斷方法可分為：故障樹(shù)分析方法、專家系統(tǒng)診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法，故按此分類方法對(duì)國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行整理。

2.1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

1)故障樹(shù)分析法：故障樹(shù)分析是故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)有故障診斷技術(shù)中最基礎(chǔ)、最常見(jiàn)的方法。劉成瑞等人提出基于擴(kuò)展故障樹(shù)的火箭故障診斷方法，將擴(kuò)展故障樹(shù)與基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合，解決了專家系統(tǒng)的知識(shí)獲取難題[23]。同時(shí)，引入診斷優(yōu)先系數(shù)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重危害故障的優(yōu)先診斷，為火箭故障診斷的快速推理提供可行途徑?？追睆?qiáng)等提出基于故障樹(shù)最小割集和最小路集的火箭故障快速診斷決策方案，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行剪枝簡(jiǎn)化，提高故障源一次判斷率[24]。趙巖等提出基于MIL-STD-1553B的運(yùn)載火箭故障診斷與故障注入方法，利用故障樹(shù)分析確定失效故障鏈，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)故障，并采用1553B總線對(duì)系統(tǒng)注入特定故障[25]。

2)基于專家系統(tǒng)的故障診斷：傳統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其中集成了大量的專業(yè)知識(shí)，結(jié)合專用知識(shí)和人工智能技術(shù)，來(lái)解決人類專家才能解決的技術(shù)難題。劉成瑞等提出一直基于分布式專家系統(tǒng)的火箭故障診斷技術(shù)，將專家知識(shí)用四表結(jié)構(gòu)表示，采用分布式推理和分級(jí)推理結(jié)合的方法，對(duì)系統(tǒng)級(jí)和分系統(tǒng)級(jí)故障同時(shí)診斷，對(duì)高危害故障優(yōu)先診斷[26]。李鑫等人提出了基于測(cè)發(fā)控流程信息和部件互聯(lián)知識(shí)的專家診斷系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)試特點(diǎn)采用在線與離線相結(jié)合的診斷模式，輔助設(shè)備進(jìn)行流程監(jiān)控故障推理，能夠完成單機(jī)故障定位[27]。劉昆明提出基于測(cè)試流程的火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了專家知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)的相互獨(dú)立[28]。并對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)控制系統(tǒng)專家知識(shí)進(jìn)行重新分類，實(shí)現(xiàn)專家知識(shí)的圖形化存儲(chǔ)。

3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷：將故障診斷與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是故障診斷技術(shù)的主要發(fā)展方向。尹茂君針對(duì)某型號(hào)火箭提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、測(cè)發(fā)數(shù)據(jù)鏈路和案例推理的復(fù)合故障診斷方法[29]。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)火箭的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用基于測(cè)發(fā)數(shù)據(jù)鏈路和案例推理相結(jié)合的方法進(jìn)行離線故障診斷。倪平等設(shè)計(jì)了基于CNN的火箭姿態(tài)控制執(zhí)行器故障診斷演示平臺(tái)，采用不同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷[30]。

4)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷：發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)豐富，充分利用測(cè)發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷是重要的研究方向。吳新鋒以運(yùn)載火箭典型控制系統(tǒng)的典型單機(jī)為研究對(duì)象，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障模式分類[31]。周虎以捷聯(lián)慣組為例，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的的火箭慣性器件故障診斷方法[32]?？滴晃惶岢隼眠b測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，利于有向圖和模糊集相結(jié)合的故障診斷方法[33]。

運(yùn)載火箭故障診斷有別于其他工業(yè)領(lǐng)域的故障診斷，具有故障危害嚴(yán)重、故障樣本少、歷史經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。借助各類智能算法、數(shù)學(xué)模型、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)，能夠?yàn)檫\(yùn)載火箭的故障診斷技術(shù)注入新的活力，提高故障診斷定位的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

3 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的火箭控制系統(tǒng)故障診斷

3.1 基于數(shù)字孿生的故障診斷與健康管理

健康管理(PHM,prognostics and health management)可以將事后維修升級(jí)為事前維修[34]。它利用設(shè)備上的傳感器獲取數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，借助故障模型和人工智能算法，對(duì)設(shè)備的全生命周期實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)，提供維修策略支撐，從而提高裝備的可靠性[35]。然而，現(xiàn)有的PHM技術(shù)存在失效模型和故障機(jī)理研究不夠深入，原始數(shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)挖掘與信息融合欠缺等問(wèn)題[36]。

基于數(shù)字孿生的PHM方法，是指將原始PHM技術(shù)與數(shù)字孿生相結(jié)合[37]。在搭建數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上，利用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備和虛擬設(shè)備的交互融合，充分發(fā)揮仿真數(shù)據(jù)和虛擬模型的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的提前預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確定位。物理信息系統(tǒng)通過(guò)傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，將其傳輸至虛擬模型。虛擬模型在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，達(dá)到與物理實(shí)體的同步仿真運(yùn)行，并模擬可能出現(xiàn)的故障，實(shí)現(xiàn)故障定位。同時(shí)，在歷史故障庫(kù)的輔助下，得到維修方案。將該方案先后在虛擬模型和物理實(shí)體上運(yùn)行，來(lái)驗(yàn)證方案可行性。

不同于一般的火炮槍支的試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)有限，具有故障樣本少、歷史經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的特點(diǎn)。有限的故障數(shù)據(jù)不足以支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，也就得不到準(zhǔn)確的故障模型，難以實(shí)現(xiàn)故障定位。針對(duì)運(yùn)載火箭這一顯著特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生的PHM方法能夠?qū)鹘y(tǒng)歷史測(cè)發(fā)數(shù)據(jù)和孿生仿真產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)充分融合，從而解決火箭關(guān)鍵故障數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法不可靠的問(wèn)題，使數(shù)據(jù)庫(kù)得到有效擴(kuò)充和利用，從而提高運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率[38]。提取的歷史數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)與故障條件下的控制系統(tǒng)特征進(jìn)行匹配，訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)[39]。

3.2 基于數(shù)字孿生的火箭控制系統(tǒng)故障診斷

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近十年來(lái)運(yùn)載火箭發(fā)射失敗情況中，故障部位主要集中在火箭的推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和有效載荷整流罩。其中，推進(jìn)系統(tǒng)故障占一半左右，控制系統(tǒng)故障位居第二，占總故障率的19%左右[40]。控制系統(tǒng)故障現(xiàn)象主要為：基準(zhǔn)系統(tǒng)失去信號(hào)或錯(cuò)發(fā)信號(hào)，火箭失控翻轉(zhuǎn)等。其中，軟件與計(jì)算機(jī)故障為控制系統(tǒng)的主要故障部位。表2列舉出火箭故障部位為控制系統(tǒng)的發(fā)射失利部分案例[41]。

表2 火箭控制系統(tǒng)故障案例

控制系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)完整的負(fù)反饋控制回路，使火箭在足夠頻率下保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，從而滿足制導(dǎo)精度[42]。由控制系統(tǒng)的作用機(jī)理可知，針對(duì)控制系統(tǒng)的故障診斷與健康管理具有重要意義，它能夠有效保證發(fā)射任務(wù)的順利進(jìn)行。當(dāng)前，故障診斷技術(shù)向著信息化、智能化方向發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的重要手段，已能夠有效應(yīng)用于復(fù)雜設(shè)備的健康管理與故障診斷。本文擬建立一套數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法，分別從火箭控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建、孿生數(shù)據(jù)生成、孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)故障診斷，以及火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的火箭控制系統(tǒng)故障診斷框架

1)火箭控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建：火箭控制系統(tǒng)的高保真數(shù)字孿生模型具有多維度、多變量的特點(diǎn)，能夠較好地鏡像復(fù)現(xiàn)控制系統(tǒng)物理實(shí)體的特征[43]。該數(shù)字孿生模型包括：幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型[44]。

2)火箭控制系統(tǒng)孿生數(shù)據(jù)生成：火箭控制系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測(cè)需要大量數(shù)據(jù)投入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，這就需要原有的歷史數(shù)據(jù)、測(cè)發(fā)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。在控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型建立完成之后，進(jìn)行仿真運(yùn)行，能夠得到大量的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，組成數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，為之后反映控制系統(tǒng)的故障特征進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐[45]。

3)孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)故障診斷預(yù)測(cè)：在控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型建立及仿真運(yùn)行之后，產(chǎn)生大量的仿真數(shù)據(jù)。首先，要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到清洗后的數(shù)據(jù)。再將該數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到控制系統(tǒng)的故障診斷預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火箭控制系統(tǒng)的智能故障診斷。

4)火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)：針對(duì)以上3個(gè)步驟，將其進(jìn)行集成封裝，形成一套火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)[46]，實(shí)現(xiàn)三大模塊集成：故障實(shí)時(shí)智能診斷；輔助決策；事后故障復(fù)演。該系統(tǒng)具有可視化、直觀性的特點(diǎn)，能夠在發(fā)射任務(wù)之前對(duì)火箭飛行進(jìn)行模擬訓(xùn)練，預(yù)測(cè)故障并及時(shí)定位；同時(shí)，也能在事后對(duì)火箭控制系統(tǒng)故障進(jìn)行及時(shí)定位；在日常訓(xùn)練時(shí)，為發(fā)射場(chǎng)操作人員提供仿真實(shí)操，提高發(fā)射試驗(yàn)的熟練度[47]。

4 總結(jié)展望

4.1 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)分析

針對(duì)運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生故障診斷與健康管理研究，接下來(lái)將在多元智能感知技術(shù)、多維孿生模型組建技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究[48]。

1)多元智能感知技術(shù):為構(gòu)建火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，必須有控制系統(tǒng)實(shí)體的數(shù)據(jù)支撐?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的數(shù)據(jù)是多源化的，具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，這對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理提出了較高的要求。而傳感器作為智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可靠的多元智能傳感技術(shù)是數(shù)字孿生的支柱。在火箭多元化的工作環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的高效感知，智能傳感器不僅要具備傳輸多維信息的作用，還應(yīng)有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的功能[49]。

2)多維孿生模型組建技術(shù):一個(gè)完整的數(shù)字孿生體一般包括“幾何-物理-行為-規(guī)則”這幾類模型構(gòu)建[50]。孿生模型不僅僅是物理模型的單一復(fù)制再現(xiàn)，還包含多個(gè)維度的有機(jī)融合，使虛擬模型能夠?qū)崿F(xiàn)與物理實(shí)體的同步交互映射。針對(duì)火箭控制系統(tǒng)的多維度建模，要利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言在相關(guān)建模軟件中實(shí)現(xiàn)元模型的搭建[51]。之后，進(jìn)一步完成各元件之間的模型組裝與融合，為整個(gè)控制系統(tǒng)的孿生模型組成提供基礎(chǔ)。

3)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù):傳統(tǒng)仿真技術(shù)已無(wú)法滿足復(fù)雜系統(tǒng)的模擬運(yùn)行，而機(jī)器學(xué)習(xí)能夠利用算法實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)能力，并不斷完善自我性能[52]。在進(jìn)行算法學(xué)習(xí)時(shí)，通過(guò)對(duì)大量故障樣本的學(xué)習(xí)，能夠自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)映射與預(yù)測(cè)，能很好地服務(wù)于數(shù)字孿生的故障診斷研究。

4.2 未來(lái)工作展望

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的故障診斷與健康管理技術(shù)具有一定的應(yīng)用價(jià)值，將其與運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生健康管理平臺(tái)，對(duì)發(fā)射場(chǎng)的智能數(shù)字化建設(shè)具有理論借鑒意義。接下來(lái)的工作重點(diǎn)將在圖2中分幾步展開(kāi)：1)建立火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。在導(dǎo)入幾何模型的基礎(chǔ)上，填充網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充控制系統(tǒng)的相關(guān)物理特性，并設(shè)定相應(yīng)行為邊界；2)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，在物理實(shí)體與虛擬模型輸入相同的情況下，驗(yàn)證其輸出是否相同[53]。若偏差較小，表明模型與實(shí)際系統(tǒng)吻合；若不符合，則重新調(diào)整參數(shù)，直至偏差滿足合理范圍;3)生成控制系統(tǒng)的孿生數(shù)據(jù)，在合理設(shè)置的模擬條件下，仿真控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，計(jì)算生成故障條件下的數(shù)據(jù)，得到控制系統(tǒng)關(guān)鍵組件慣組、速率陀螺、伺服機(jī)構(gòu)等的孿生數(shù)據(jù);4)將控制系統(tǒng)多維組件的故障數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型輸入，通過(guò)樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練測(cè)試，得到故障概率，作為模型輸出[54];5)在分析故障數(shù)據(jù)和訓(xùn)練故障預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成控制系統(tǒng)的故障維修方案，并在虛擬模型上進(jìn)行驗(yàn)證。模型驗(yàn)證合理的基礎(chǔ)上，再對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)體實(shí)行維修方案，完成工作流程的閉環(huán)處理。

圖2 火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生健康管理平臺(tái)流程

5 結(jié)束語(yǔ)

智能化制造是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理信息融合，有利于提高火箭發(fā)射的信息化和智能化[55]。本文梳理了數(shù)字孿生在航天領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及火箭控制系統(tǒng)故障診斷的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，初步提出了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的火箭控制系統(tǒng)故障診斷的組成框架。并分析該方法的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)一步指出下步工作規(guī)劃，為日后該方法的落地實(shí)施提供理論基礎(chǔ)。