張小飛 袁化宇 敬文慧 虞炳文 方毅

作者簡介：張小飛（1987— ），男，江西永豐人，工程師，碩士；研究方向：測量數(shù)據(jù)處理，雷達(dá)信號處理。

摘要：航天測控設(shè)備是對航天器發(fā)射或在軌運(yùn)行的測量與控制設(shè)備，在其方案設(shè)計(jì)、電子元器件篩選、分機(jī)調(diào)試、整機(jī)調(diào)試、產(chǎn)品出廠等環(huán)節(jié)保證其可靠性有著重要意義。隨著我國航天試驗(yàn)任務(wù)的日益密集以及航天設(shè)備可靠性方面要求的不斷提升，航天測控設(shè)備自身面臨的可靠性要求越來越高。在這樣的情況下，如何對測控設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，確保設(shè)備使用過程中的可靠性，就成為測控設(shè)備維護(hù)的關(guān)鍵任務(wù)。文章結(jié)合實(shí)踐，在概括介紹數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上，提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)思路和方法，借助數(shù)字孿生技術(shù)的屬性賦能測控設(shè)備的可靠性提升，使航天測控設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)工作能夠更加高效地開展，更有助于降低設(shè)備故障發(fā)生的概率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；航天測控設(shè)備；預(yù)防性維護(hù)

中圖分類號：V443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

數(shù)字孿生是基于大數(shù)據(jù)、人工智能和仿真建模等相關(guān)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科集成技術(shù)。該技術(shù)首先借助數(shù)字化技術(shù)和方法建立表征物理實(shí)體的虛擬模型，然后通過仿真分析方法模擬物理實(shí)體的現(xiàn)實(shí)活動，最終綜合運(yùn)用虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策過程迭代優(yōu)化等技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬數(shù)字模型間的交互融合與智能控制。作為連通物理環(huán)境與虛擬世界之間的紐帶技術(shù)，數(shù)字孿生近年來在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用，其中在航天測控設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)試制、運(yùn)行保障等方面的應(yīng)用具有代表性。這主要是因?yàn)楹教鞙y控設(shè)備本身具有的研制難度大、裝備價值高、制造批量小等特點(diǎn)使得技術(shù)應(yīng)用面臨較大的挑戰(zhàn)，而數(shù)字孿生在連通物理環(huán)境與虛擬世界方面的作用恰恰提高了航天測控設(shè)備研制、制造方面的技術(shù)水平。當(dāng)然，除在研制、制造方面得到應(yīng)用以外，數(shù)字孿生技術(shù)在航天測控設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)方面也有較大的影響。相關(guān)實(shí)踐表明，借助數(shù)字孿生，可以隨時掌握裝備的狀態(tài)情況，并利用建模與仿真分析預(yù)防性維護(hù)裝備，使其始終處于最佳性能水平。本文從數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)知識入手，深入探討分析其在航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)方面的應(yīng)用，為促進(jìn)航天測控設(shè)備高質(zhì)量、高效率運(yùn)行，提供新的思路參考。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 數(shù)字孿生的概念及含義

數(shù)字孿生，是基于數(shù)據(jù)與模擬的集成和融合，其原理是通過在數(shù)字空間實(shí)時構(gòu)建物理對象的精確數(shù)字映射，在數(shù)據(jù)集成、分析與預(yù)測基礎(chǔ)上，對物理實(shí)體的整個生命周期過程進(jìn)行模擬、驗(yàn)證、預(yù)測和控制，最終形成智能決策優(yōu)化閉環(huán)［1］。

1.2 數(shù)字孿生的特點(diǎn)

數(shù)字孿生有3個特點(diǎn)。第一，可見性。即數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)及其操作的可見、可感知。第二，預(yù)測性。即數(shù)字孿生為技術(shù)應(yīng)用提供了多種建模技術(shù)，數(shù)字孿生模型能夠用于預(yù)測機(jī)器未來的狀態(tài)。第三，假設(shè)分析。即數(shù)字孿生提供了多種設(shè)計(jì)的接口，可以很容易地與各種模型進(jìn)行交互，并對模型詢問假設(shè)性的問題，進(jìn)而模擬現(xiàn)實(shí)中無法創(chuàng)建的各種條件，豐富情況的研判。數(shù)字孿生的這些特點(diǎn)以及航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的應(yīng)用場景需求，使得數(shù)字孿生成為航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)工作中重點(diǎn)挖掘和使用的技術(shù)。當(dāng)然，考慮到航天測控設(shè)備在不同場景下的使用方式和要求，需要對數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)備預(yù)防性維護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)行針對性的研究分析，以明確技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用方法。

2 航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)概述

2.1 預(yù)防性維護(hù)的概念

航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，是對航天測控設(shè)備進(jìn)行針對性的、預(yù)防性的維護(hù)維修。所謂預(yù)防性維護(hù)，是指以設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)為依據(jù)進(jìn)行的維修，是對設(shè)備在線運(yùn)行時的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并收集、分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)診斷并預(yù)測航天測控設(shè)備故障的發(fā)展趨勢，以輔助提前制定設(shè)備預(yù)防性維護(hù)方案和實(shí)施提前性的檢測維修行為［2］。根據(jù)概念可以看出，航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，實(shí)際上是在設(shè)備出現(xiàn)故障之前進(jìn)行提前維護(hù)，以發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備故障隱患，保證設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和效果。

2.2 預(yù)防性維護(hù)的必要性

對航天測控設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)主要考慮兩方面的原因。第一，避免設(shè)備使用中出現(xiàn)故障。航天測控設(shè)備是對航天器狀態(tài)進(jìn)行的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的搜集，其直接影響到航天器生產(chǎn)的過程和結(jié)果。一旦設(shè)備使用過程中出現(xiàn)故障，勢必會影響到航天器的測控進(jìn)度與效果，進(jìn)而影響到航天任務(wù)的質(zhì)量管控行為［3］。因此，需要通過預(yù)防性維護(hù)措施對使用前的航天測控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行提前檢測和維護(hù)，確保設(shè)備的可靠性，降低設(shè)備使用中的故障風(fēng)險。第二，保證航天器的可靠性。航天測控設(shè)備是對航天器進(jìn)行的測控，其自身的可靠性會直接影響到航天器可靠性的評價。而航天器的可靠性，會直接影響到航天任務(wù)的完成情況。因此，需要在使用航天測控設(shè)備對航天器進(jìn)行測控前，對其可靠性進(jìn)行檢測和維護(hù)，確保設(shè)備使用的可靠性，降低因?yàn)樵O(shè)備問題而導(dǎo)致航天器測控環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的風(fēng)險。

2.3 預(yù)防性維護(hù)的常規(guī)模式

在長期的航天測控設(shè)備使用中，相關(guān)主體已經(jīng)逐步構(gòu)建了較為完善的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)模式。圖1是對該模式的簡單展示。在常規(guī)的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)中，相關(guān)主體會重點(diǎn)做好五方面的內(nèi)容。第一，對航天測控設(shè)備以往的故障原理和故障參數(shù)等進(jìn)行分析，獲取預(yù)防性維護(hù)模型構(gòu)建的基本信息，提高模型的對應(yīng)性。第二，借助傳感器設(shè)備對航天測控設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。第三，對采集到的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲和規(guī)范化處理，使數(shù)據(jù)契合建模和數(shù)據(jù)挖掘算法運(yùn)行的要求，最終獲得引發(fā)設(shè)備故障的一個或者多個故障特征值。第四，根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)建立故障模型，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘算法、數(shù)據(jù)分析算法等算法對獲取的故障特征值的模式進(jìn)行識別，達(dá)到故障診斷的效果。同時，通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行故障發(fā)生趨勢的分析預(yù)測，達(dá)到提前研判設(shè)備故障的目的。第五，根據(jù)模型輸出的結(jié)果和故障預(yù)防方案，進(jìn)行針對性的設(shè)備維修維護(hù)。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的具體應(yīng)用

基于數(shù)字孿生的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，是在常規(guī)預(yù)防性維護(hù)模式的基礎(chǔ)上加入數(shù)字孿生技術(shù)而衍生出來的新模式［4］。之所以要使用該模式進(jìn)行維護(hù)，是因?yàn)槌Ｒ?guī)維護(hù)模式對傳感器采集到的諸如在線狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備歷史記錄等信息未能充分利用，且在設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的效果方面有進(jìn)一步提升的空間。下文將重點(diǎn)對數(shù)字孿生技術(shù)支持下的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)模式及其應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3.1 預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層3個部分組成（見圖2）。其中，基礎(chǔ)層是航天測控設(shè)備故障診斷和預(yù)測的對象，主要通過各類傳感器采集相應(yīng)的設(shè)備在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，為模型構(gòu)建和算法應(yīng)用與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，同時，該層還承擔(dān)構(gòu)建物理設(shè)備與設(shè)備數(shù)字孿生體之間的虛擬映射關(guān)系的功能。數(shù)據(jù)層是對基礎(chǔ)層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除和格式化處理，為應(yīng)用層的故障診斷和預(yù)測建模提供相關(guān)數(shù)據(jù)信息支持。應(yīng)用層是結(jié)合設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的需要和要求，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型、算法以及相關(guān)服務(wù)項(xiàng)目，供用戶進(jìn)行設(shè)備的故障診斷和預(yù)測操作使用［5］。

3.2 預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行

預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行大致可以分為以下5個環(huán)節(jié)。

3.2.1 構(gòu)建虛擬實(shí)體

在基于數(shù)字孿生的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)中，最為關(guān)鍵和基礎(chǔ)的是對設(shè)備在線運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各類參數(shù)和數(shù)據(jù)的采集［6］。因?yàn)橄到y(tǒng)需要根據(jù)這些信息來判斷設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)。在實(shí)際的虛擬實(shí)體構(gòu)建中，技術(shù)人員需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的虛擬實(shí)體［7］。

3.2.2 構(gòu)建數(shù)據(jù)源

構(gòu)建數(shù)據(jù)源是根據(jù)傳感器采集到的設(shè)備參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)尤其是設(shè)備故障數(shù)據(jù)和設(shè)備維護(hù)記錄等信息，構(gòu)建綜合性的數(shù)據(jù)源體系，為航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)的后續(xù)狀態(tài)和模式判斷提供充分的數(shù)據(jù)信息支持［8］。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是對通過各種數(shù)據(jù)源獲取的各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、集成和轉(zhuǎn)換，使原本分散、孤立、零散的數(shù)據(jù)形成同一數(shù)據(jù)集合［9］。同時，數(shù)據(jù)融合也是對采集到的無意義的垃圾數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

3.2.4 搭建識別模型

搭建識別模式是結(jié)合整理出的數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障診斷和故障預(yù)測模型的構(gòu)建。在故障診斷方面，主要是通過對融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來獲得不同類型設(shè)備的故障特征值，并將其同步傳輸至數(shù)字化的實(shí)體中，進(jìn)行虛擬仿真，最終將運(yùn)行的結(jié)果與故障知識庫和設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對，判斷設(shè)備是否存在故障，并推測故障發(fā)生的原因［10］。在故障預(yù)測方面，主要是結(jié)合設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型，預(yù)測設(shè)備在線運(yùn)行過程中可能發(fā)生的故障，并通過多個時間、多個狀況下的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)來進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘仿真實(shí)驗(yàn)，最終預(yù)測可能產(chǎn)生的設(shè)備故障類型及相對具體的部位。

3.2.5 設(shè)備維護(hù)決策

在獲得識別模型后，就可以找到設(shè)備可能存在的故障點(diǎn)，并根據(jù)系統(tǒng)的提示方案開展預(yù)防性維護(hù)方案的選擇和維護(hù)方案的實(shí)施。

4 結(jié)語

相關(guān)實(shí)踐表明，基于數(shù)字孿生的航天測控設(shè)備預(yù)防性維護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障或者隱患部件的提前掌握并輔助開展預(yù)防性維護(hù)，從而提高設(shè)備故障排查的可追溯性和故障解決的概率，保證航天測控設(shè)備故障檢修的準(zhǔn)確率，避免設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障造成損失。當(dāng)然，對維護(hù)主體來說，該系統(tǒng)的具體應(yīng)用還需要結(jié)合航天測控設(shè)備運(yùn)行的要求和實(shí)際，進(jìn)行科學(xué)分析與認(rèn)真確定以保證系統(tǒng)應(yīng)用的科學(xué)性、合理性和有效性。

參考文獻(xiàn)

［1］武丹.數(shù)字孿生技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2022（7）：82-85.

［2］李博，王寧，葉慶恩.基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全生命周期管理［J］.化工管理，2022（18）：110-113.

［3］趙曉明，魏瑞利，趙斌，等.提高航天測控設(shè)備運(yùn)行維護(hù)效率的工程實(shí)踐［J］.質(zhì)量與可靠性，2019（1）：27-29.

［4］王林，李云偉，任重，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造與自動化，2022（3）：220-224.

［5］石源鵬，王軍義，徐志剛，等.基于數(shù)字孿生的發(fā)動機(jī)艙段對接［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2022（6）：45-48，53.

［6］符華，陳葒.基于數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2021（20）：229-231.

［7］張蕾.基于數(shù)字孿生的設(shè)備預(yù)測性維護(hù)模式研究［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2021（3）：12-15.

［8］楊俊峰，王紅軍，馮昊天，等.基于數(shù)字孿生模型的設(shè)備故障診斷技術(shù)［J］.設(shè)備管理與維修，2021（9）：128-130.

［9］方圓，劉江，呂瑞強(qiáng)，等.基于數(shù)字孿生的設(shè)備加工過程監(jiān)測技術(shù)研究［J］.航空制造技術(shù)，2021（4）：91-96.

［10］黃祖廣，潘輝，薛瑞娟，等.基于數(shù)字孿生的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通及可視化［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2021（1）：128-132.

（編輯 傅金睿）

Abstract： Space TT&C equipment is a measurement and control equipment for spacecraft launch or in orbit operation. It is of great significance to ensure its reliability in its program design， electronic component screening， extension debugging， whole machine debugging， and product delivery. With the increasingly intensive space test tasks in China and the continuous improvement of the reliability requirements of space equipment， the reliability requirements of space TT&C equipment are becoming higher and higher. In this case， how to carry out preventive maintenance on measurement and control equipment and ensure the reliability of the equipment in use has become the key task of measurement and control equipment maintenance. Combined with practice， based on the summary of digital twins， this paper puts forward the idea and method of preventive maintenance of aerospace TT&C equipment based on digital twins technology. With the help of the attribute of digital twins technology， the reliability of the TT&C equipment can be improved， so that the preventive maintenance work of aerospace TT&C equipment can be carried out more efficiently， which is more conducive to reducing the probability of equipment failure.

Key words： digital twins; space TT&C equipment; preventive maintenance