房紅征，張 瑞，羅 凱，李 蕊，王曉棟

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041；2.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100041；3.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015)

0 引言

故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)可以減少各種類型的在軌航天器的意外風(fēng)險，已經(jīng)成為提高航天器的可靠性、維修性、測試能力和安全性的關(guān)鍵技術(shù)。作為整個航天器健康管理系統(tǒng)的核心，地面健康管理系統(tǒng)主要為航天器技術(shù)人員提供對航天器的試驗、運(yùn)行和管理過程中的數(shù)據(jù)分析、診斷、預(yù)測等服務(wù)。在航天器地面健康管理系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中，驗證是非常重要的階段，通過研究和開發(fā)相應(yīng)的航天器地面健康管理系統(tǒng)驗證方法、評價體系并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驗證系統(tǒng)，將有效地提高PHM系統(tǒng)驗證的可信度，有效減少人力需求、拓展系統(tǒng)功能、提升技術(shù)水平、保障航天器健康管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性額可靠性。

驗證評估技術(shù)目前已成為PHM技術(shù)研究的一個重要方向[1-3]。國外通過近年的研究，已形成了較為成熟的驗證系統(tǒng)平臺和工具[4-8]，例如美國Impact公司與喬治亞理工學(xué)院合作研發(fā)的JSF的PHM驗證系統(tǒng)平臺，形成了一套基于網(wǎng)絡(luò)的綜合軟件應(yīng)用集成工具，為美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)系統(tǒng)供應(yīng)商提供PHM的驗證與確認(rèn)(V&V)工具；美國波音公司的RITA HUMS的度量評估工具(MET)，與診斷數(shù)據(jù)庫一起，提供了用于估計和記錄基于振動的診斷算法的性能的工具平臺；美國海軍增強(qiáng)型預(yù)測診斷系統(tǒng)的V&V工具，可基于大量數(shù)據(jù)和蒙特卡羅模擬法形成足夠的統(tǒng)計基準(zhǔn)來評估診斷和預(yù)測算法的性能和效力。國內(nèi)在航空航天領(lǐng)域也開展了PHM驗證技術(shù)和系統(tǒng)研究[9-15]，提出了一些驗證評估的指標(biāo)體系和方法，但在如何用于具體工程應(yīng)用方面仍然處于探索研究階段。

本文針對航天器地面健康管理驗證系統(tǒng)研究目前存在的驗證指標(biāo)及技術(shù)框架不夠通用明確的問題，提出了一種基于大數(shù)據(jù)的航天器地面健康管理系統(tǒng)設(shè)計思路，在PHM驗證評估指標(biāo)體系和方法研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際航天器測試保障需求，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于仿真和試驗驗證的航天器地面健康管理驗證系統(tǒng)并進(jìn)行了應(yīng)用驗證，有助于解決航天器等復(fù)雜裝備系統(tǒng)PHM能力驗證評價困難的問題，為促進(jìn)航天器PHM系統(tǒng)工程進(jìn)程進(jìn)行了有益探索。

1 航天器地面健康管理系統(tǒng)定位和工作流程

一種基于大數(shù)據(jù)的航天器地面健康管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示[16-17]，主要工作包括：

圖1 航天器地面健康管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)示意圖

1)故障診斷預(yù)測評估模型構(gòu)建。知識模型構(gòu)建是保證航天器地面系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，地面系統(tǒng)為航天器各分系統(tǒng)技術(shù)專家提供了知識創(chuàng)編功能，以完成對已有知識和本項目研究、驗證知識模型集成，并利用提供的數(shù)據(jù)驗證功能，完成知識模型的初步檢驗，形成初步的知識模型庫。

2)航天器地面測試與在軌遙測應(yīng)用。通過將本系統(tǒng)與地面實(shí)時測試數(shù)據(jù)、在軌實(shí)時遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行對接，實(shí)時獲取多星實(shí)時數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)提供的診斷、預(yù)測應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對異常檢測、故障定位、故障與壽命預(yù)測等應(yīng)用，為地面運(yùn)管人員提供決策支持

3)結(jié)果的人工分析與干預(yù)。由于航天器在軌工況復(fù)雜、環(huán)境干擾多，導(dǎo)致故障模式異常復(fù)雜，整個地面系統(tǒng)應(yīng)用過程中可能會遇到系統(tǒng)知識不足、無法識別故障等情況。本系統(tǒng)為相關(guān)技術(shù)人員提供航天器數(shù)據(jù)事后分析計算功能，通過數(shù)據(jù)挖掘、人工比對等方法進(jìn)行人工故障分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行干預(yù)處理。

4)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)歸檔。地面系統(tǒng)提供診斷、預(yù)測與評估數(shù)據(jù)自動歸檔功能，并在歸檔過程中，自動調(diào)用系統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對已有知識、模型進(jìn)行自學(xué)習(xí)計算，優(yōu)化原有知識規(guī)則門限及模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主熟練。同時，為用戶提供選擇訓(xùn)練數(shù)據(jù)，進(jìn)行算法模型精度優(yōu)化分析工具，實(shí)現(xiàn)人工優(yōu)化知識。

2 航天器地面健康管理平臺驗證評估指標(biāo)和方法

2.1 驗證評估指標(biāo)體系

裝備PHM系統(tǒng)級要求通?？梢苑殖扇悾喊踩⒊杀竞托阅躘18-19]。航天器地面健康管理系統(tǒng)的目標(biāo)是能夠通過提高可靠性和可用性來確保航天器的安全，并最大限度地減少額外成本，從而維持航天器系統(tǒng)性能。根據(jù)不同人員在健康狀態(tài)感知全壽命周期中的作用，可以將其進(jìn)一步分成3類：1)作業(yè)(關(guān)鍵部件/分系統(tǒng)/整星/星座管理員、業(yè)務(wù)應(yīng)用、運(yùn)行管理和維護(hù)人員等)；2)監(jiān)管者(決策者)；3)工程設(shè)計人員(總體單位設(shè)計/研究人員等)。因此需要針對這些不同用戶群來考慮地面PHM系統(tǒng)的能力評估與度量指標(biāo)。依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求、運(yùn)行和成本要求、算法性能要求、工作模式，總結(jié)出健康狀態(tài)感知能力評估指標(biāo)分類如表1所示，具體包括：

表1 航天器地面PHM系統(tǒng)能力驗證評估指標(biāo)

2.1.1 設(shè)計能力評估指標(biāo)

1)失效覆蓋率。健康狀態(tài)感知所覆蓋的失效數(shù)與作為健康狀態(tài)感知候選對象的嚴(yán)重失效總數(shù)之比。

2)系統(tǒng)覆蓋率。健康狀態(tài)感知所覆蓋的重要部件/分系統(tǒng)的比例，要求將系統(tǒng)劃分成若干個具有嚴(yán)重關(guān)鍵度的獨(dú)立模塊。

2.1.2 成本能力評估指標(biāo)

1)計算性能指標(biāo)。有助于制定硬件要求或軟件必須工作的約束條件，且仍需滿足算法的性能要求，并對系統(tǒng)工程設(shè)計和實(shí)施成本產(chǎn)生影響。主要包括：

(1)計算復(fù)雜度。描述算法運(yùn)行(獨(dú)立于軟件和硬件實(shí)現(xiàn))所需的時間。

(2)CPU時間。度量中央處理器執(zhí)行軟件所花費(fèi)的時間，規(guī)定了算法/軟件實(shí)現(xiàn)和其搭載硬件運(yùn)行的組合性能。

(3)其他指標(biāo)。如運(yùn)行時間、內(nèi)存大小、數(shù)據(jù)速率等。

2)費(fèi)效指標(biāo)。用于從經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行健康狀態(tài)感知的性能評價。如投資回報率(ROI)，通過“采用非計劃性維修進(jìn)行管理時系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用”與“在使用健康狀態(tài)感知方法進(jìn)行管理時系統(tǒng)的壽命周期費(fèi)用”之差與“實(shí)現(xiàn)和管理見狀態(tài)感知所花費(fèi)的投資”的比值來實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 算法性能評估指標(biāo)

1)故障診斷算法性能度量。

(1)故障檢測率(FDR)。在規(guī)定時間內(nèi)，由航天器PHM系統(tǒng)正確檢測的故障數(shù)量與該時間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)之比，計算公式如下：

(1)

式中，NT、ND分別表示PHM系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)和正確檢測到的故障總數(shù)。

(2)故障隔離率(FIR)。在規(guī)定的時間內(nèi)由PHM系統(tǒng)正確隔離到單個LRM/LRC的故障數(shù)量與該時間內(nèi)PHM系統(tǒng)正確檢測的故障總數(shù)之比。計算公式如下：

(2)

式中，ND、NL分別表示PHM系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)正確檢測的故障總數(shù)及正確隔離到單個LRM/LRC的故障總數(shù)。

(3)虛警率(FAR)。計算公式如下：

(3)

式中，NFA為虛警次數(shù)；NFD為檢測出的故障次數(shù)，TFH為PHM工作時間。

(4)平均虛警間隔時間(MTBFA)。在規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品累計的運(yùn)行小時數(shù)與該時間內(nèi)PHM系統(tǒng)累積虛警次數(shù)之比，計算公式如下：

(4)

式中，NFA為虛警總次數(shù)；T為PHM運(yùn)行總時間。

其他故障診斷評價指標(biāo)還包括穩(wěn)定性、工況敏感度、噪聲敏感度、總體置信度等。

2)故障預(yù)測算法性能度量。

(1)預(yù)測準(zhǔn)確率。計算公式如下：

(5)

式中，Lri為第i次真實(shí)結(jié)果，Lpi為第i次預(yù)測結(jié)果。

(6)

(3)預(yù)測相對誤差。預(yù)測點(diǎn)的絕對誤差與預(yù)測對象的觀測值之間的比值。計算公式如下：

(7)

其他故障診斷評價指標(biāo)還包括預(yù)測覆蓋率、置信度、相似度、靈敏度等。

3)健康評估算法性能度量。主要指標(biāo)為健康康狀態(tài)評估準(zhǔn)確度。

4)維修決策算法性能度量。包括MTBF(平均無故障工作時間)、MTTR(平均修復(fù)時間)、MTBUR(平均非計劃拆換間隔時間)等。

2.2 驗證評估方法

航天器健康管理系統(tǒng)驗證評估方法主要包括仿真驗證、試驗驗證和評估驗證等方法[20-21]，實(shí)現(xiàn)對航天器健康管理系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)進(jìn)行驗證和評價，如圖2所示。

圖2 航天器地面健康管理系統(tǒng)驗證評估方法示意圖

2.2.1 仿真驗證方法

該方法主要針對航天器系統(tǒng)PHM試驗成本高或不適合做實(shí)物試驗的場景，采用基于數(shù)字仿真模型的方式代替實(shí)際的航天器系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證，針對特定工況建立數(shù)學(xué)物理模型模擬系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，用定量的方法分析系統(tǒng)運(yùn)行過程。優(yōu)點(diǎn)是可以適當(dāng)降低對航天器實(shí)物驗證試驗需求，不足是對數(shù)學(xué)模型有較高的精度要求。由于航天器的可靠性程度較高，因此在軌實(shí)際運(yùn)行過程得到的故障案例有限，很多故障真實(shí)航天器上無法注入，因此需要搭建基于仿真的半物理仿真驗證平臺進(jìn)行必要的驗證。具體內(nèi)容包括診斷預(yù)測等算法仿真驗證、故障半物理仿真、指標(biāo)仿真驗證等。

2.2.2 試驗驗證方法

對于定量評估要求，如果工作條件不具備，可以用該方法加以補(bǔ)充。試驗驗證該方法按照預(yù)定的試驗方案和計劃，在規(guī)定的條件下針對航天器實(shí)物進(jìn)行故障或故障趨勢的模擬和注入，獲得與健康管理系統(tǒng)驗證相關(guān)的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過分析、處理、計算與評定等過程，確定被驗證的參數(shù)指標(biāo)是否符合規(guī)定要求所采用的一種驗證方法。具體內(nèi)容包括航天器單機(jī)測試性設(shè)計驗證試驗、壽命試驗等，以及系統(tǒng)級的大型環(huán)境試驗等。

2.2.3 評估驗證方法

在航天器系統(tǒng)樣本量少、數(shù)據(jù)量不足等情況下可以考慮試用該方法，一方面可以針對健康管理技術(shù)定量要求，按照用戶認(rèn)可的計算、分析、評估模型和計算方法，利用試驗或在軌運(yùn)行中已經(jīng)得到的遙測數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的測試試驗等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，判定航天器系統(tǒng)健康管理水平是否滿足規(guī)定要求；另一方面可以將待驗證航天器產(chǎn)品同已經(jīng)通過驗證或?qū)嶋H使用結(jié)果證明滿足要求的相似產(chǎn)品，進(jìn)行功能、使用環(huán)境條件、診斷預(yù)測能力等方面的對比分析，根據(jù)相似產(chǎn)品驗證結(jié)果得出航天器產(chǎn)品健康管理技術(shù)水平是否滿足要求。具體內(nèi)容包括歷史數(shù)據(jù)評估、在軌評估驗證等。

3 航天器地面健康管理平臺驗證系統(tǒng)設(shè)計

航天器地面PHM驗證試驗主要用于驗證地面健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口和故障診斷、預(yù)測、評估和決策等功能。設(shè)計了相關(guān)驗證系統(tǒng)，架構(gòu)如圖3所示。

圖3 航天器地面健康管理驗證系統(tǒng)架構(gòu)圖

在基于仿真的驗證流程中，地面驗證系統(tǒng)采用了基于模型的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，首先根據(jù)航天器各部件工作機(jī)理和故障機(jī)理進(jìn)行原理建模，構(gòu)建航天器環(huán)境模型庫、故障模型庫和退化模型庫，然后利用航天器歷史試驗數(shù)據(jù)與在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正，將得到的修正后模型用于系統(tǒng)設(shè)計與集成。在系統(tǒng)運(yùn)行階段，驗證平臺通過效果評價軟件發(fā)送驗證指令至仿真調(diào)度軟件，仿真調(diào)度軟件加載并運(yùn)行集成后的模型，生成仿真數(shù)據(jù)發(fā)送至可編程接口單元，接口單元加載接口報文配置，將仿真數(shù)據(jù)組幀以模擬衛(wèi)星實(shí)際健康數(shù)據(jù)流，通過星地鏈路模擬器傳至地面系統(tǒng)，地面系統(tǒng)完成分析工作后將分析結(jié)果反饋至驗證效果評價軟件，后者根據(jù)反饋結(jié)果計算健康管理系統(tǒng)的檢測率、虛警率等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驗證。

在基于歷史數(shù)據(jù)的研制流程中，驗證平臺通過效果評價軟件發(fā)送回放驗證指令，選擇導(dǎo)航、遙感等不同類型的相關(guān)歷史在軌數(shù)據(jù)，發(fā)送至地面健康管理系統(tǒng)，用于驗證診斷、故障預(yù)測、壽命預(yù)測等系統(tǒng)功能。

其中，航天器數(shù)字故障仿真、半物理仿真驗證主要工作流程如圖4(a)所示。歷史數(shù)據(jù)回放驗證在開始時采用數(shù)據(jù)庫接口程序，按照數(shù)據(jù)庫鏈接、數(shù)據(jù)庫操作、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)返回以及轉(zhuǎn)發(fā)流程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放啟動控制。具體流程如圖4(b)所示。

圖4 航天器地面健康管理驗證系統(tǒng)工作流程

4 驗證系統(tǒng)實(shí)例分析與驗證

利用通用故障預(yù)測與健康管理開發(fā)工業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)了航天器地面健康管理系統(tǒng)以及驗證系統(tǒng)，選取了導(dǎo)航、遙感等多個衛(wèi)星的控制、電源、熱控、測控等分系統(tǒng)的遙測參數(shù)和故障模式，結(jié)合數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真、在軌歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行了航天器地面PHM系統(tǒng)的故障診斷、預(yù)測、評估等功能和性能的驗證，其中診斷、預(yù)測部分驗證情況說明如下。

4.1 帆板跟蹤太陽異常故障診斷驗證案例

該故障原因主要包括模擬太陽敏感器故障(無輸出和輸出異常)、控制計算機(jī)工作異常(驅(qū)動控制單元對外接口故障)、SADA工作異常(驅(qū)動機(jī)構(gòu)堵塞卡死、信號環(huán)短路和傳動機(jī)構(gòu)失效等)，在發(fā)生故障后，系統(tǒng)主要表現(xiàn)為輸出特征參量為0。帆板無法正常捕獲太陽將導(dǎo)致衛(wèi)星帆板展開異常。采用地面數(shù)字故障/半實(shí)物仿真系統(tǒng)控制分系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，采用單測點(diǎn)、多工況分時序和多個測點(diǎn)同時注入的方式進(jìn)行帆板無法正常捕獲太陽故障仿真，利用航天器健康管理地面系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與診斷軟件進(jìn)行故障診斷，驗證相關(guān)性故障診斷模型，并生成故障診斷結(jié)果。以驅(qū)動機(jī)構(gòu)堵塞卡死為例說明，主要步驟包括：

1)驗證開始。進(jìn)入地面驗證效果評價軟件，選擇“ASS2無輸出傳動機(jī)構(gòu)失效”用例，并查看用例故障描述及主要原因。如圖5所示。

圖5 地面驗證效果評價軟件進(jìn)行典型故障診斷驗證設(shè)置

2)故障注入。在地面驗證效果評價軟件執(zhí)行測試用例，在故障仿真設(shè)置之后驅(qū)動地面仿真系統(tǒng)開始仿真。該故障具體的仿真設(shè)置包括：工況設(shè)置：星箭分離消偏/帆板展開；工況判定：指向太陽；注入故障：驅(qū)動機(jī)構(gòu)失效故障注入。如圖6所示。

圖6 地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行典型故障診斷仿真設(shè)置

3)故障診斷。在地面PHM系統(tǒng)中進(jìn)入狀態(tài)監(jiān)控與診斷軟件，進(jìn)入帆板跟蹤太陽異常故障診斷任務(wù)，采用相關(guān)性模型對進(jìn)行診斷，查看故障診斷結(jié)果。如圖7所示。

圖7 航天器地面健康管理系統(tǒng)典型故障診斷界面

4)結(jié)果確認(rèn)。返回地面驗證效果評價軟件，查看用例執(zhí)行后接收到的診斷結(jié)果與故障注入結(jié)果一致性，記錄驗證結(jié)果。對該故障的控制系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行15次診斷驗證，均能進(jìn)行正常診斷。

4.2 太陽電池陣輸出功率下降預(yù)測驗證案例

該故障原因為太陽電池陣性能退化，表現(xiàn)為-Y或+Y分陣功率下降，與太陽輻照、太陽光入射角度、電池陣損傷因子等多因素相關(guān)。本驗證采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的AR預(yù)測模型，利用某導(dǎo)航衛(wèi)星2005-2008年的在軌遙測數(shù)據(jù)對太陽電池陣輸出功率進(jìn)行預(yù)測分析驗證，主要步驟包括：

1)驗證開始。進(jìn)入地面驗證效果評價軟件，查看太陽電池陣輸出功率下降故障模式，選擇相關(guān)用例，配置歷史數(shù)據(jù)回放文件進(jìn)行回放，啟動驗證用例。如圖8所示。

圖8 地面驗證效果評價軟件進(jìn)行典型預(yù)測驗證設(shè)置

2)故障預(yù)測。進(jìn)入地面PHM系統(tǒng)的“故障與壽命預(yù)測軟件”，查看“太陽電池陣輸出功率下降”任務(wù)以及故障預(yù)測結(jié)果，按照預(yù)警門限進(jìn)行監(jiān)視。如圖9所示。

圖9 航天器地面健康管理系統(tǒng)典型預(yù)測界面

3)結(jié)果確認(rèn)。返回地面驗證效果評價軟件，查看用例執(zhí)行后接收到的預(yù)測結(jié)果，此次預(yù)測準(zhǔn)確率為93%，確認(rèn)預(yù)測成功和正確性。如圖10所示。

圖10 地面驗證效果評價軟件顯示預(yù)測性能評價

4.3 故障診斷與預(yù)測綜合分析驗證案例

按照第3節(jié)所示方法和步驟選取多個衛(wèi)星、分系統(tǒng)和診斷方法進(jìn)行了航天器地面PHM系統(tǒng)的故障診斷驗證，綜合分析結(jié)果如表2所示，可見取得了較好的診斷效果。

表2 PHM驗證系統(tǒng)故障診斷驗證指標(biāo)分析表

按照第3節(jié)所示方法和步驟選取多個衛(wèi)星關(guān)鍵部件和預(yù)測方法進(jìn)行了航天器地面PHM系統(tǒng)的故障預(yù)測驗證，綜合分析結(jié)果如表3所示，取得了較好的預(yù)測效果。

表3 PHM驗證系統(tǒng)故障預(yù)測指標(biāo)分析表

5 結(jié)束語

航天器地面PHM驗證系統(tǒng)技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有PHM研究成果的有效驗證與評價，發(fā)現(xiàn)PHM系統(tǒng)研究和設(shè)計過程中存在的缺陷，為PHM系統(tǒng)設(shè)計提供信息一遍采取改進(jìn)措施，從而推進(jìn)PHM系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用，因此已成為一個非常富有挑戰(zhàn)性和迫切需要解決的問題。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于仿真和試驗驗證的航天器地面健康管理驗證系統(tǒng)，通過仿真和在軌數(shù)據(jù)試驗，可以提高PHM能力評估的準(zhǔn)確度和效率，降低PHM驗證成本，將對航天器等復(fù)雜裝備測試保障工程產(chǎn)生積極的影響。