陳娟 劉浩 吳建國(guó) 李志強(qiáng) 李佳,3 隗靖昆 姜博文 向剛 吳昶霖

（1 北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2 北京環(huán)境強(qiáng)度研究所，北京 100076；3 米蘭理工大學(xué)；493160部隊(duì)，北京 100076；5 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；6 宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854）

0 引言

航天器作為一個(gè)國(guó)家機(jī)械、電子、控制等領(lǐng)域的重要體現(xiàn)，代表著國(guó)家的科技實(shí)力和綜合國(guó)力。航天器的研究、設(shè)計(jì)和貯存等環(huán)節(jié)影響著其使用可靠性。一般情況下，航天器沒有過多的實(shí)際使用機(jī)會(huì)，因此，航天器的貯存環(huán)節(jié)占了其生命周期的絕大部分。在航天器長(zhǎng)期的貯存環(huán)節(jié)中，存在著諸多影響其貯存和使用可靠性的因素，如振動(dòng)、溫度、濕度、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力，等等。航天器各模塊各單機(jī)的失效模式和失效機(jī)理不盡相同，但一般能夠?qū)⑵錃w結(jié)為器件老化、機(jī)械性能或電性能退化等物理、化學(xué)退化過程。同時(shí)，針對(duì)航天器的部分特定單機(jī)而言，其長(zhǎng)時(shí)間的加電工作狀態(tài)也是健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的重要研究對(duì)象?，F(xiàn)階段判斷航天器貯存和使用壽命的主流方法是對(duì)實(shí)體航天器整機(jī)或單機(jī)進(jìn)行加載加速實(shí)驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，此類方法成本較高，難以獲得大量的數(shù)據(jù)樣本；目前有學(xué)者提出了基于數(shù)字孿生模型的航天器貯存可靠性評(píng)估技術(shù)[1]，運(yùn)用虛擬模型建模仿真技術(shù)，通過原理仿真和故障仿真，能夠使用較低成本獲得大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集能夠有效支撐基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的航天器的可靠性評(píng)估和健康狀態(tài)評(píng)估。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 航天器供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)肩負(fù)著在航天器發(fā)射后為其它系統(tǒng)和有效載荷進(jìn)行供電的重要任務(wù)，是航天器系統(tǒng)用電設(shè)備的核心，其可靠性直接影響了航天器的工作狀態(tài)及質(zhì)量。航天器的供配電系統(tǒng)主要組成為電源系統(tǒng)（一次電源、二次電源）和電路系統(tǒng)（配電器和電纜網(wǎng)）。航天器的總體電路系統(tǒng)由配電器、電纜網(wǎng)等組成，其中最重要的部件是配電器。配電器的功能是接收單體電池供電，并實(shí)現(xiàn)對(duì)彈上其他設(shè)備的電壓電流分配，完成對(duì)彈體系統(tǒng)各設(shè)備的一次母線供電、集中二次供電以及電壓的變換分配，根據(jù)航天器飛行任務(wù)的要求和地面指令，對(duì)航天器負(fù)載等進(jìn)行加載、卸載。配電器具體模塊組成如表1所示。

表1 配電器模塊組成Table.1 The component of power distribution system

1.2 航天器健康狀態(tài)評(píng)估

針對(duì)航天器系統(tǒng)而言，故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）是系統(tǒng)健康評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)之一，PHM的原理是利用盡量少的傳感器采集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，從傳感器返回的數(shù)據(jù)中提取能夠反映航天器系統(tǒng)健康特征的信息，并利用相關(guān)算法將傳感器返回的多維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一維的健康狀態(tài)指數(shù)（或健康置信度）[2]，最終目的是實(shí)現(xiàn)航天器系統(tǒng)健康狀況的評(píng)價(jià)和分級(jí)?？紤]到目前以及未來戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性和嚴(yán)酷性，為提高航天器全生命周期的裝備故障及健康狀態(tài)檢測(cè)與管理能力，需要開展更為全面的航天器健康狀況認(rèn)知管理系統(tǒng)建設(shè)。目前較為常用的健康狀態(tài)評(píng)估方法可以大致分為基于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的方法、基于模型驅(qū)動(dòng)的方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法?；谥R(shí)經(jīng)驗(yàn)的方法一般是在缺少傳感系統(tǒng)和模型仿真的情況下，通過專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷評(píng)估；基于模型驅(qū)動(dòng)的方法是通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充分把握，通過構(gòu)建物理模型和仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的健康評(píng)估；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法是采取大量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到健康狀態(tài)評(píng)估的目的[3][4]。

2 航天器配電系統(tǒng)機(jī)理建模

2.1 配電器工作原理

本課題方案中的配電器單機(jī)的主要元器件為繼電器（包括線圈電阻、接觸開關(guān)等）、穩(wěn)壓二極管及降壓電阻，其中，繼電器的作用為接收控制信號(hào)，控制配電器啟動(dòng)；穩(wěn)壓管的作用是利用二極管的反向特性使配電器輸出電壓穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)；降壓電阻實(shí)現(xiàn)270V電源電壓降壓至28V輸出。配電器的工作邏輯如圖1所示。

圖1 配電器工作邏輯Fig.1 The working logic of power distribution system

2.2 配電器功能建模

在對(duì)配電器單機(jī)功能及相關(guān)參數(shù)分析完成后，使用Simulink建立了配電器的電路模型。模塊化封裝的配電器單機(jī)模型如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)功能Fig.2 Function of power distribution system

本課題將配電器模塊細(xì)分為以下子模塊—電源切換模塊、穩(wěn)壓模塊、繼電器模塊以及降壓回路。其中，電源切換模塊由地面電源和箭載電源組成，實(shí)現(xiàn)發(fā)射時(shí)的電源切換；穩(wěn)壓模塊由穩(wěn)壓二極管和保護(hù)電阻構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓270V輸出；繼電器模塊由繼電器線圈和觸點(diǎn)開關(guān)等組成，實(shí)現(xiàn)控制回路邏輯判斷、觸點(diǎn)動(dòng)作等功能；降壓回路由降壓電阻和保護(hù)二極管構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)將270V電壓降壓成三路28V電壓輸出。

2.3 配電器模型仿真結(jié)果

配電器單機(jī)仿真模型中的各個(gè)模塊有機(jī)聯(lián)系、相互配合，實(shí)現(xiàn)了仿真要求的功能及輸出，仿真結(jié)果如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了高壓270V一路輸出（UH）以及低壓28V三路輸出（UL1, UL2 & UL3）。同時(shí)保證了輸出回路電流穩(wěn)定在2A。

圖3 配電系統(tǒng)整體模型Fig.3 Virtual model of power distribution system

3 配電系統(tǒng)故障注入及退化仿真

3.1 配電器故障注入

針對(duì)配電器單機(jī)而言，常見的失效模式主要有以下幾類——單機(jī)無輸出、單機(jī)接收控制信號(hào)但無響應(yīng)、單機(jī)響應(yīng)時(shí)間超差，等等。除偶發(fā)因素導(dǎo)致的失效外，上述失效模式的主要影響因素是溫濕度等環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力、沖擊和振動(dòng)應(yīng)力。下面將以幾種常見失效模式闡述各類應(yīng)力的影響機(jī)理[5]。

針對(duì)配電器單機(jī)無輸出這一失效模式而言，其內(nèi)因主要有以下幾點(diǎn)：繼電器線圈或觸點(diǎn)退化導(dǎo)致開路、高溫導(dǎo)致繼電器動(dòng)作簧片蠕變斷裂、觸點(diǎn)粘接、銜鐵卡死等，主要影響因素為環(huán)境溫度和電應(yīng)力。在配電器單機(jī)貯存和工作過程中，繼電器某些部位受環(huán)境溫度和時(shí)間綜合作用發(fā)生退化甚至失效，特別是繼電器線圈、觸點(diǎn)和簧片這類較為“脆弱”的點(diǎn)位，退化或故障模式最終的外在表現(xiàn)為繼電器開路。

針對(duì)配電器單機(jī)無響應(yīng)這一失效模式而言，其內(nèi)因主要是觸點(diǎn)動(dòng)作電壓的改變，如觸點(diǎn)間存在雜質(zhì)和汽結(jié)霜、繼電器線圈漆包層老化脫落等，主要影響因素為環(huán)境溫度和環(huán)境濕度。受工作或貯存環(huán)境因素的影響，配電器內(nèi)部會(huì)隨時(shí)間積累產(chǎn)生雜質(zhì)累積、結(jié)霜等現(xiàn)象，此外，繼電器線圈等部位也會(huì)隨工作時(shí)間逐漸退化，此類退化失效因素最終會(huì)導(dǎo)致配電器單機(jī)動(dòng)作電壓的改變，對(duì)外表現(xiàn)為配電器單機(jī)接收控制信號(hào)但不進(jìn)行正常響應(yīng)。

針對(duì)配電器單機(jī)響應(yīng)時(shí)間超差這一失效模式而言，其內(nèi)因主要是動(dòng)作簧片因老化或侵蝕導(dǎo)致的動(dòng)作不同步、觸點(diǎn)熔焊或冷焊，主要影響因素是環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力。在繼電器的長(zhǎng)期貯存和工作過程中，內(nèi)部線圈的匝數(shù)、阻抗等參數(shù)認(rèn)為是幾乎不發(fā)生退化的，而在環(huán)境應(yīng)力和時(shí)間的綜合影響下，其內(nèi)部的金屬簧片剛度逐漸降低，其自身吸合力減弱，從而導(dǎo)致其動(dòng)作時(shí)間參數(shù)發(fā)生變化，反映在單機(jī)層面的失效形式上，形成了單機(jī)響應(yīng)時(shí)間超差這一故障表現(xiàn)。

除上述幾類典型失效模式外，配電器單機(jī)還有許多較為常見的失效表現(xiàn)形式，邵旭東等通過經(jīng)驗(yàn)分析和理論推導(dǎo)等多種方法研究并總結(jié)了沖擊應(yīng)力對(duì)航天產(chǎn)品失效的影響[6]，王鴻鑫研究并分析了振動(dòng)應(yīng)力對(duì)航空航天產(chǎn)品的影響[7]。本文對(duì)配電器單機(jī)工作狀態(tài)及工作貯存環(huán)境因素進(jìn)行細(xì)致分析和梳理，整理了配電器單機(jī)的FMEA表。

潛在的失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是指對(duì)構(gòu)成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件、構(gòu)成過程的各個(gè)工序逐一分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預(yù)先采取必要的措施，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的一種系統(tǒng)化活動(dòng)[8]。

將FMEA應(yīng)用在航天器配電器單機(jī)上，結(jié)合具體型號(hào)及廠商提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，本課題對(duì)兩類單機(jī)的各元器件，如繼電器、二極管、電阻絲、電池等進(jìn)行了細(xì)致分析，梳理完成了配電器和熱電池單機(jī)的FMEA表。FMEA表中的故障模式、故障參數(shù)及故障表現(xiàn)等參數(shù)，對(duì)應(yīng)了第二章中建立的單機(jī)模型，指導(dǎo)了后續(xù)單機(jī)故障注入模型的建立。

表2 配電器FMEA表Table2 The FMEA table of power distribution system

結(jié)合梳理完成的配電器FMEA表，將表內(nèi)的故障參數(shù)注入到配電器機(jī)理模型中，得到了不同故障參數(shù)對(duì)應(yīng)的配電器故障模型，對(duì)故障模型進(jìn)行仿真，能夠得到不同故障參數(shù)對(duì)應(yīng)的單機(jī)故障輸出特性曲線。下面展示了幾類較為典型的故障輸出曲線。

從圖4可以看到，改變動(dòng)作開關(guān)的觸點(diǎn)電阻可以影響單機(jī)輸出特性，當(dāng)觸點(diǎn)阻值為無窮大時(shí)，配電器單機(jī)輸出電壓和輸出電流為0。

圖4 配電器機(jī)理模型仿真結(jié)果Fig.4 Output of power distribution system model simulation

根據(jù)圖5可以看出，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作電壓升高后，接受同樣的觸點(diǎn)閉合指令，配電器不再正常工作，輸出電壓和輸出電流接近0；根據(jù)圖6可以看到，當(dāng)設(shè)置觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)這一故障后，配電器單機(jī)的響應(yīng)時(shí)間也隨之延長(zhǎng)。

圖5 注入故障信號(hào)（觸點(diǎn)閉合阻值為無窮大）的輸出特性曲線Fig.5 Output of the injected fault signal (contact resistance is infinite)

圖6 注入故障信號(hào)（觸點(diǎn)動(dòng)作電壓升高）的輸出特性曲線 Fig.6 Output of injected fault signal (contact action voltage rise)

圖7 注入故障信號(hào)（觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)）的輸出特性曲線Fig.7 Output of injected fault signal (contact action time extension)

3.2 配電器退化仿真

在故障注入模型完成的基礎(chǔ)上，總結(jié)部分元器件級(jí)的退化規(guī)律，將退化模式注入模型中，得到了航天器典型單機(jī)的在特定條件下的退化規(guī)律。需要指出的是，退化規(guī)律仿真與故障注入仿真的不同之處在于：故障注入仿真的結(jié)果與時(shí)間無關(guān)，只是反映了單機(jī)模型在某一時(shí)刻發(fā)生故障是的工作參數(shù)變化情況；而退化仿真則是加入了強(qiáng)的時(shí)間關(guān)聯(lián)，將元器件的退化規(guī)律按時(shí)間關(guān)系注入仿真模型中，得到的仿真結(jié)果表征了單機(jī)模型在整個(gè)工作過程中隨時(shí)間的退化關(guān)系。

對(duì)配電器中的降壓電阻而言，由于未指定具體型號(hào)，本文選用了由典型金屬薄膜電阻的退化曲線擬合而成的對(duì)數(shù)型退化公式[9][10]

這一公式給出了確定材料的金屬薄膜電阻在某工作溫度下的電阻值隨工作時(shí)間變化的退化規(guī)律。選取一定量的數(shù)據(jù)點(diǎn)注入配電器的機(jī)理模型中，可以得到配電器單機(jī)的降壓電阻退化輸出特性曲線。通過仿真結(jié)果可以看出，在降壓電阻退化的影響下，配電器輸出特性會(huì)呈現(xiàn)變化率逐漸減小的類似對(duì)數(shù)型的退化趨勢(shì)。

借助本節(jié)獲得的退化仿真數(shù)據(jù)集，對(duì)輸出特性退化曲線進(jìn)行擬合分析，得到對(duì)應(yīng)的退化函數(shù)關(guān)系，再設(shè)置合適的評(píng)價(jià)閾值，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同退化模式影響的單機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估。

3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)評(píng)估

BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是由Rumelhart在1985年基于誤差反向傳播理論提出的深度學(xué)習(xí)算法，是在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的包含輸入層、隱含層、輸出層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠通過誤差反饋學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)最終輸出誤差最小化[11]。在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，前一層的輸出作為下一層的輸入，同一層的神經(jīng)元之間沒有連接，不同層神經(jīng)元的連接對(duì)應(yīng)著各自的權(quán)值，具體結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。從數(shù)學(xué)角度看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)函數(shù)f(x)，作用就是將輸入x映射為輸出y，而多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則相當(dāng)于符合函數(shù)y=fn(…f1（f0(x)）…)；從具體應(yīng)用角度看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)模型，各層、各節(jié)點(diǎn)及連接為模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各連接對(duì)應(yīng)的權(quán)值就是模型的參數(shù)。在多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入損失反饋結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖8(b)所示，該模型最大的特點(diǎn)時(shí)人為確定的損失函數(shù)會(huì)沿各層各節(jié)點(diǎn)的連接進(jìn)行反向傳播，通過反向傳播算法計(jì)算各層的優(yōu)化梯度，結(jié)合梯度下降算法最終實(shí)現(xiàn)損失函數(shù)的優(yōu)化，即誤差的最小化。

圖8 配電器輸出電壓在降壓電阻退化影響下的退化曲線Fig.8 Degradation curve of distributor output voltage under the influence of step-down resistance degradation

首先，本文將未進(jìn)行數(shù)據(jù)集擴(kuò)充的退化數(shù)據(jù)輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，將大部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，將最后三組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)集以檢驗(yàn)輸出精度，得到的模型預(yù)測(cè)結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹剑跇颖据^少的情況下，模型預(yù)測(cè)精度較差，無法較好的實(shí)現(xiàn)單機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)功能。樣條插值是一種較為常用的數(shù)據(jù)集擴(kuò)充方式，其實(shí)質(zhì)是用一個(gè)近似函數(shù)逼近未知函數(shù)，然后在這個(gè)近似函數(shù)曲線上取不同的值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集擴(kuò)充。使用MATLAB庫(kù)中自帶的樣條插值函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)此功能，分別將兩類退化模式的退化數(shù)據(jù)擴(kuò)充為50組。使用擴(kuò)充后的訓(xùn)練集進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)，將擴(kuò)充前的原始數(shù)據(jù)作為測(cè)試集，預(yù)測(cè)的輸出結(jié)果如圖10所示，通過與上圖對(duì)比能夠十分明顯地看出預(yù)測(cè)精度地改善。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)的降壓電阻退化模式下的單機(jī)壽命為950.40h（以95%的規(guī)定輸出特性為閾值）。

圖9 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of Multilayer neural network

圖10 訓(xùn)練集不足情況下的降壓電阻退化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.10 Prediction results of BP neural network for step-down resistor degradation under insufficient training set

圖11 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.11 Prediction results of BP neural network for step-down resistor degradation

4 結(jié)論

本文基于航天器實(shí)際貯存環(huán)境下故障數(shù)據(jù)不足、壽命預(yù)測(cè)和健康評(píng)估支持技術(shù)缺少等實(shí)際問題，主要進(jìn)行了以下幾部分內(nèi)容的研究和探索：

1）充分調(diào)研了航天器配電系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Simulink仿真平臺(tái)建立了單機(jī)的機(jī)理模型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的工作模式和單機(jī)模型仿真輸出。

2）細(xì)致總結(jié)和梳理了航天器配電器單機(jī)的故障模式，建立了基本覆蓋所有元器件的FMEA表，基于FMEA表和建立的單機(jī)機(jī)理模型，進(jìn)行了單機(jī)故障注入和故障建模仿真，獲得了單機(jī)故障注入模型的仿真輸出特性，總結(jié)出了兩類單機(jī)的故障表現(xiàn)形式。

3）基于單機(jī)故障模型和典型元器件的退化規(guī)律，進(jìn)行單機(jī)性能退化仿真，獲得了幾類較為典型的單機(jī)性能退化數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成了配電系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)。

通過對(duì)上述內(nèi)容的研究，本文得到了以配電器為主的航天器控制系統(tǒng)核心單機(jī)的故障機(jī)理和故障模型的具體表現(xiàn)形式，在此基礎(chǔ)上獲得了單機(jī)退化數(shù)據(jù)，進(jìn)一步地，可以借助基于理論退化公式的推導(dǎo)、基于多項(xiàng)式曲線回歸和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種方式和算法以完成核心單機(jī)的健康狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)。本文的研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)榻鉀Q實(shí)際貯存環(huán)境下航天器故障數(shù)據(jù)缺乏等問題提供較為有效的解決方案，為航天器健康評(píng)估、航天器退化規(guī)律探索、航天器生命周期管理分析及壽命預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。