李學(xué)民，張永福

（航天工程大學(xué)，北京，102206）

1 裝備健康管理概念

從20 世紀(jì)70 年代起，故障診斷、故障預(yù)測(cè)、CBM（視情維修，Condition Based Maintenance）、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控、健康管理等系統(tǒng)逐漸在工程項(xiàng)目中探索應(yīng)用。故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）是一種先進(jìn)的設(shè)備維修管理方式[1]，它是為了滿足自主保障、自主維修的要求提出來(lái)的，是基于狀態(tài)的維修。

裝備健康管理可概括為主要的兩個(gè)方面，即裝備狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)管理，前者定性評(píng)價(jià)裝備的健康狀態(tài)（良好、劣化、惡化、失效）和定量預(yù)測(cè)裝備壽命，后者主要依據(jù)診斷/預(yù)測(cè)信息、資源等對(duì)維修維護(hù)活動(dòng)做出決策。PHM 的實(shí)現(xiàn)程序一般為采用傳感器在線監(jiān)測(cè)或者離線檢測(cè)的方法，獲取裝備狀態(tài)信息，借助智能推理算法（大數(shù)據(jù)融合[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、深度學(xué)習(xí)[4]、專家診斷等）來(lái)評(píng)估裝備健康狀態(tài)，在裝備發(fā)生故障前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，且提供維修或維護(hù)決策和實(shí)施計(jì)劃。健康管理應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在軍事、航天、船舶、民航等大型裝備設(shè)備上均有應(yīng)用。

2 健康管理系統(tǒng)組成

PHM 在美國(guó)聯(lián)合戰(zhàn)機(jī)計(jì)劃（JSF）項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，推動(dòng)了裝備健康管理的發(fā)展，2002 年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO 13374-1 標(biāo)準(zhǔn)，給出了PHM 的系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)出PHM 的6 大技術(shù)模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測(cè)、健康評(píng)估、預(yù)測(cè)及提出建議。裝備健康管理的系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 健康管理系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集就是通過(guò)傳感器收集設(shè)備的各種信號(hào)，這些信號(hào)表征了設(shè)備的故障狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理是對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取能直接表達(dá)故障信息的特征；狀態(tài)檢測(cè)是對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輸出被檢測(cè)對(duì)象是否異常。并結(jié)合先驗(yàn)信息、故障模型等對(duì)異常現(xiàn)象進(jìn)行故障診斷和定位；健康評(píng)估是利用特征數(shù)據(jù)和異常識(shí)別結(jié)果，融合輸入的健康信息，確定當(dāng)期設(shè)備的健康程度。故障預(yù)測(cè)是依據(jù)當(dāng)前的健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備或系統(tǒng)的壽命，提出建議即依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，給出設(shè)備運(yùn)行管理規(guī)劃。

3 健康管理在雷達(dá)中的應(yīng)用

健康管理在雷達(dá)設(shè)備中的應(yīng)用研究是最近幾年的研究熱點(diǎn)。吳婕等針對(duì)雷達(dá)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)中性能參數(shù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題，提出一種基于多項(xiàng)式系數(shù)自回歸（PCAR）模型的性能參數(shù)預(yù)測(cè)方法，該方法采用PCAR 模型，有效降低了建模偏差，采用基于奇異值分解濾波算法（SVDFA）對(duì)PCAR 模型預(yù)測(cè)序列未來(lái)值，可以有效地提高預(yù)測(cè)概率[5]。同時(shí)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的物理特性，歸納了4 種故障預(yù)測(cè)方法，即基于可靠性數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)、基于預(yù)兆參數(shù)監(jiān)測(cè)的故障預(yù)測(cè)、基于累積損傷模型的故障預(yù)測(cè)、基于預(yù)警電路的故障預(yù)測(cè)，并分析了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)[6]。

雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)是可靠性最低、保障難度最大的一部分，以雷達(dá)發(fā)射機(jī)作為研究對(duì)象實(shí)現(xiàn)PHM 核心技術(shù)模塊在雷達(dá)系統(tǒng)上推廣有很好的借鑒作用[7]，鐘詩(shī)勝等在分析固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的組成結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程的基礎(chǔ)上，定義了描述雷達(dá)發(fā)射機(jī)健康狀態(tài)的參數(shù)集。結(jié)合健康管理數(shù)據(jù)劃分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，給出異構(gòu)參數(shù)基于劣化程度的標(biāo)準(zhǔn)化方案。建立了雷達(dá)發(fā)射機(jī)的健康評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化了層次分析法的權(quán)重關(guān)系判別矩陣構(gòu)建過(guò)程，提出了改進(jìn)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模糊層次分析法，利用雷達(dá)故障實(shí)際案例驗(yàn)證了改進(jìn)方法的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)能力[8]。

秦赟等研究了雷達(dá)系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）涵蓋的主要功能、雷達(dá)系統(tǒng)PHM 的特點(diǎn)，構(gòu)建設(shè)計(jì)了一種雷達(dá)系統(tǒng)PHM 總體架構(gòu)，重點(diǎn)研究了雷達(dá)系統(tǒng)中狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)典型的設(shè)計(jì)思路，為雷達(dá)系統(tǒng)從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變、引入對(duì)系統(tǒng)未來(lái)可靠性的預(yù)測(cè)能力提供了一種可行的總體設(shè)計(jì)方法，對(duì)設(shè)備由傳統(tǒng)的修復(fù)性維修和計(jì)劃維修向視情維修維護(hù)和自主式保障的轉(zhuǎn)變、達(dá)到降低使用與保障費(fèi)用、提升裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性具有重要的意義[9]。呂永樂(lè)等研制的雷達(dá)系統(tǒng)在線健康管理軟件，采用“多任務(wù)并行”思想進(jìn)行內(nèi)核數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)，通過(guò)監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)BIT 信息，可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位[10]。

4 某雷達(dá)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

健康管理系統(tǒng)是雷達(dá)重要的測(cè)試保障設(shè)備，系統(tǒng)通過(guò)從傳感器獲得各分系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，進(jìn)行故障的診斷和預(yù)測(cè)，最后得到系統(tǒng)的性能退化程度或任務(wù)失效概率等，從而為維護(hù)和維修計(jì)劃提供決策信息。某雷達(dá)采用BITE（Built-in Test Equipment，機(jī)內(nèi)自檢設(shè)備）和ATE（Automatic Test Equipment，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備）相結(jié)合的方式獲取雷達(dá)健康數(shù)據(jù)，結(jié)合故障樹與故障字典、專家系統(tǒng)等一系列數(shù)據(jù)處理算法全面分析雷達(dá)健康狀態(tài)，為雷達(dá)提供健康管理功能。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)健康管理分系統(tǒng)采用分層分級(jí)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，具備自下而上的狀態(tài)綜合能力。雷達(dá)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)層次上依次可劃分為模塊、分機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)，健康管理分系統(tǒng)遵從雷達(dá)層次劃分將接收到的所有健康數(shù)據(jù)分類處理后，自模塊逐級(jí)向上綜合，直到獲得雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)，雷達(dá)分層分級(jí)健康管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 健康管理分層分級(jí)架構(gòu)

從圖2 可以看出層級(jí)越高，信息越少，但數(shù)據(jù)概括度越高，層級(jí)越低，信息越豐富，考慮到雷達(dá)使用和管理人員的技術(shù)水平和故障診斷需求，優(yōu)先展示最高層級(jí)的狀態(tài)，需要時(shí)可通過(guò)健康管理系統(tǒng)提供的場(chǎng)景切換方法觀察更為細(xì)致的信息，直至參數(shù)級(jí)健康管理。

某雷達(dá)工作在C 波段，依據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)組成和對(duì)各分系統(tǒng)級(jí)及板卡級(jí)的測(cè)試診斷需求。健康管理系統(tǒng)硬件組成包括示波器、頻譜儀、信號(hào)源、微波適配器、自動(dòng)化測(cè)試計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、轉(zhuǎn)接板等，詳細(xì)硬件組成如圖3 所示。

圖3 健康管理系統(tǒng)硬件組成圖

各硬件部分的控制方式均采用網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)，所有設(shè)備均采用LXI 的C類標(biāo)準(zhǔn)。各硬件與控制計(jì)算機(jī)均連接在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，并統(tǒng)一工作網(wǎng)段。健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

軟件設(shè)計(jì)上，健康管理系統(tǒng)采用故障樹和故障字典綜合推理建立診斷知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行全面故障模式分析。通過(guò)完善系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)等各級(jí)測(cè)試性設(shè)計(jì)，覆蓋盡可能多的故障模式。診斷知識(shí)建立基于故障傳遞模型，分系統(tǒng)各故障模式在系統(tǒng)中的傳遞關(guān)系，并在故障傳遞路徑中設(shè)置測(cè)試點(diǎn)（包括BIT、自動(dòng)化測(cè)試、傳感器等），采用故障樹方法表示故障模式與測(cè)試項(xiàng)之間的映射關(guān)系。

4.2 工作方式設(shè)計(jì)

健康管理軟件根據(jù)雷達(dá)工作模式區(qū)分加電、周期、維護(hù)三種工作方式，數(shù)據(jù)源也分為在線和離線兩類。加電、周期方式下，數(shù)據(jù)源主要是在線BIT 信息和可在線測(cè)試項(xiàng)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、快速診斷評(píng)估；維護(hù)方式下，數(shù)據(jù)源除涵蓋加電、周期BIT 外，還包括如幅相監(jiān)校、方向圖等離線測(cè)試項(xiàng)結(jié)果、各級(jí)回波數(shù)據(jù)分析結(jié)果（標(biāo)校模式下）及歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在離線狀態(tài)下或事后對(duì)雷達(dá)實(shí)施以數(shù)據(jù)為中心的深度故障診斷、全面健康狀態(tài)評(píng)估，保障雷達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)可靠性。

雷達(dá)正常工作狀態(tài)下，健康管理軟件周期性地采集雷達(dá)系統(tǒng)、各分系統(tǒng)BIT數(shù)據(jù)報(bào)文并解析。若檢測(cè)到影響雷達(dá)正常工作的故障模式，可根據(jù)故障等級(jí)要求將雷達(dá)系統(tǒng)切換至脫機(jī)模式，進(jìn)行維護(hù)BIT 測(cè)試。在脫機(jī)模式下，可運(yùn)行必要的脫機(jī)測(cè)試項(xiàng)，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，并與在線測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合診斷，確定雷達(dá)系統(tǒng)的故障位置。詳細(xì)工作流程如圖5 所示。

圖5 健康管理軟件工作流程

4.3 功能設(shè)計(jì)

4.3.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)周期采集各分系統(tǒng)工作狀態(tài)與工作參數(shù)，并送自動(dòng)化測(cè)試診斷計(jì)算機(jī)顯示器顯示。檢測(cè)到故障發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)記錄并送自動(dòng)化測(cè)試診斷計(jì)算機(jī)顯示器報(bào)警。通過(guò)建立機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）設(shè)備，對(duì)分系統(tǒng)各LRU 的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果上網(wǎng)發(fā)布。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)覆蓋雷達(dá)各主要分系統(tǒng)或分機(jī)設(shè)備及其相互之間的接口。主要是通過(guò)接收并解析雷達(dá)內(nèi)網(wǎng)報(bào)文數(shù)據(jù)，將解析數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)閾值（0：正常，1：故障）進(jìn)行對(duì)比得出監(jiān)測(cè)結(jié)果，并將結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

4.3.2 指標(biāo)參數(shù)測(cè)試

指標(biāo)參數(shù)測(cè)試通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試診斷計(jì)算機(jī)發(fā)起指標(biāo)自動(dòng)化測(cè)試命令，并通知雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)，由雷達(dá)控制與計(jì)算機(jī)分系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令及參數(shù)，測(cè)試過(guò)程中自動(dòng)化測(cè)試診斷計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集測(cè)試結(jié)果。測(cè)試的主要內(nèi)容如表1 所示。

表1 指標(biāo)測(cè)試內(nèi)容

4.3.3 故障診斷與故障定位

故障診斷與定位通過(guò)綜合各分系統(tǒng)或設(shè)備的BIT 狀態(tài)信息以及相關(guān)自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果，采用故障樹+故障字典綜合推理模型，收集豐富的專家經(jīng)驗(yàn)，建立盡可能完備的故障信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的故障診斷功能，并以此為依據(jù)提供維修建議。健康管理系統(tǒng)具備故障定位功能。雷達(dá)健康管理要求各分系統(tǒng)或分機(jī)設(shè)備均有完善的BIT 功能，其中最基本的要求就是能夠在內(nèi)網(wǎng)報(bào)文中反映出分系統(tǒng)、分機(jī)內(nèi)的LRU 工作狀態(tài)，健康管理系統(tǒng)會(huì)據(jù)此信息綜合判斷相關(guān)LRM 是否正常，能夠及時(shí)報(bào)警并根據(jù)故障分級(jí)類別確定是否能繼續(xù)工作。將故障定位到LRU，建立完備的故障信息庫(kù)，根據(jù)故障診斷定位結(jié)果與庫(kù)信息進(jìn)行匹配，給出故障維護(hù)方式或提示。

4.3.4 健康管理

健康管理主要包括健康評(píng)價(jià)、信息統(tǒng)計(jì)、維修決策等功能。健康評(píng)價(jià)通過(guò)系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算，評(píng)價(jià)雷達(dá)威力、精度、抗干擾等總體性能；同時(shí)針對(duì)易故障件及后端處理模塊等設(shè)備統(tǒng)計(jì)故障信息，包括故障模式、頻次、原因等信息。

雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)性技術(shù)，同時(shí)也是一項(xiàng)新的應(yīng)用型技術(shù)，該技術(shù)依托于對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的深入了解，著重研究雷達(dá)可獲取的用于評(píng)估雷達(dá)作戰(zhàn)性能的系統(tǒng)指標(biāo)，提取反映雷達(dá)健康狀態(tài)的共性指標(biāo)，形成一套完整的指標(biāo)體系，健康管理系統(tǒng)著重梳理掌握各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)測(cè)試方法，分析量化指標(biāo)特性變化對(duì)雷達(dá)性能的影響程度，用于評(píng)估雷達(dá)健康狀態(tài)。根據(jù)不同故障模式下對(duì)裝備性能影響的不同，可以將健康狀態(tài)劃分為健康、亞健康、危險(xiǎn)、失效四個(gè)等級(jí)。在具體應(yīng)用評(píng)價(jià)過(guò)程中，可以采用健康指數(shù)來(lái)度量健康等級(jí)。雷達(dá)系統(tǒng)性能評(píng)估數(shù)據(jù)主要由實(shí)時(shí)故障狀態(tài)、系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果組成，如圖6 所示。

圖6 雷達(dá)健康評(píng)價(jià)

5 結(jié)論

雷達(dá)裝備健康管理是綜合利用信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以雷達(dá)使用環(huán)境、狀態(tài)、維修為依據(jù)，對(duì)雷達(dá)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)測(cè)及維修決策等技術(shù)活動(dòng)，主要是對(duì)雷達(dá)設(shè)備從移交、使用、維修、退役等全壽命全流程實(shí)行健康管理。某雷達(dá)裝備健康管理采用“分布式數(shù)據(jù)采集－集中式分析處理”系統(tǒng)架構(gòu)，利用各分系統(tǒng)工作狀態(tài)與參數(shù)，進(jìn)行故障檢測(cè)和定位；采用分層分級(jí)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于FMECA 分析建立診斷知識(shí)庫(kù)，進(jìn)行全面故障模式分析；分析系統(tǒng)指標(biāo)特性變化，評(píng)估雷達(dá)健康狀態(tài)。盡管目前雷達(dá)裝備健康管理研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定成果，但與我國(guó)大多數(shù)雷達(dá)現(xiàn)實(shí)使用效益需求相比還存在不小的差距，仍然處于比較低的水平。