戚艷君 ，王玉峰 ，李睿

（1.江南機(jī)電設(shè)計研究所，貴州 貴陽 550009；2.貴州航天計量測試技術(shù)研究所，貴州 貴陽 550025）

0 引言

隨著各類高科技武器裝備力量加速發(fā)展帶來的戰(zhàn)場作戰(zhàn)樣式的改變，武器裝備的戰(zhàn)備完好性成為制約戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素，裝備保障的實時性、適時性影響尤為重大。在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍在信息精確掌控的基礎(chǔ)上基本實現(xiàn)了“保障力量精確使用、保障物資精確配送”，以較低的成本獲得了巨大的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益［1］。面對新的作戰(zhàn)形勢，我國軍用裝備也在積極推進(jìn)“視情維修”、“精確保障”理念，在考慮保證功能完成的基礎(chǔ)上，提高了戰(zhàn)備完好性和降低維修費(fèi)用［2］。通過實現(xiàn)裝備的精確化保障，通過實時精確地掌握武器裝備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)裝備執(zhí)行任務(wù)的功能要求，適應(yīng)性地統(tǒng)籌規(guī)劃保障任務(wù)和保障資源的調(diào)配，對單個裝備而言，可以有效監(jiān)控裝備的值班狀態(tài)，評估裝備作戰(zhàn)完備性，并通過優(yōu)化保障作業(yè)規(guī)劃降低裝備全壽命周期費(fèi)用，對成體系化的多裝備協(xié)同作戰(zhàn)保障而言，通過掌握的裝備功能性能指標(biāo)狀態(tài)，結(jié)合各裝備的作戰(zhàn)任務(wù)分配評估裝備的作戰(zhàn)能力，適時針對裝備保障任務(wù)進(jìn)行整體式優(yōu)化能降低縮短綜合保障時間、提高作戰(zhàn)效能、保障任務(wù)實施成功率［3］。

為實現(xiàn)精確保障，武器裝備就需要從裝備設(shè)計之初就準(zhǔn)確把握裝備故障或失效規(guī)律，以面向任務(wù)的裝備精確保障需求為導(dǎo)向，形成傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計與健康管理設(shè)計相互融合、綜合保障設(shè)計與仿真優(yōu)化有機(jī)結(jié)合的綜合保障設(shè)計新方法，根據(jù)現(xiàn)代作戰(zhàn)的裝備精確保障要求，對保障資源進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化配置，減少裝備停機(jī)和脫離戰(zhàn)斗時間，有效適應(yīng)新的作戰(zhàn)形態(tài)，打贏未來攻防對抗戰(zhàn)爭。

1 精確保障與健康管理的關(guān)系

裝備精確保障是在繼承傳統(tǒng)裝備保障技術(shù)基礎(chǔ)上，與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息分析與融合技術(shù)、健康管理技術(shù)、決策優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，針對信息化戰(zhàn)爭保障需求發(fā)展起來的一種先進(jìn)保障理念，精確保障就是注重充分運(yùn)用以信息技術(shù)為核心的現(xiàn)代保障技術(shù)，通過實時精確地掌握武器裝備的功能狀態(tài)，及時準(zhǔn)確地籌劃保障任務(wù)、科學(xué)高效地運(yùn)用保障資源，總體保障“適時、適地、適量、快速、高效”。其實質(zhì)是用最優(yōu)的保障任務(wù)規(guī)劃、最小保障資源滿足最大的面向作戰(zhàn)任務(wù)的保障要求［4］，以最強(qiáng)保障信息掌控最佳的保障物資流、人員流，以最少保障時差實現(xiàn)最優(yōu)的保障時效，以最低風(fēng)險和代價達(dá)成最佳的保障效益［5-6］。其主要內(nèi)涵是：通過保障信息的全程共享、保障資源的靈活重組、保障任務(wù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，實現(xiàn)在準(zhǔn)確的時間、準(zhǔn)確的地點提供準(zhǔn)確、高效、快速的保障服務(wù)能力，快速、準(zhǔn)確、主動已經(jīng)成為精確保障區(qū)別于傳統(tǒng)綜合保障的主要標(biāo)志［7］。

裝備健康管理技術(shù)是指利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，借助各種智能推理算法（如物理模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)融合、模糊邏輯、專家系統(tǒng)等），緊密結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測、維修、使用和環(huán)境等信息來評估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其故障進(jìn)行預(yù)測，并且基于裝備的健康狀態(tài)合理選擇維修策略，結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修，周密計劃維修活動，同時通過構(gòu)建管理機(jī)構(gòu)，明確任務(wù)分工，控制管理過程，落實管理制度，實現(xiàn)裝備健康管理活動的優(yōu)化。

將健康管理技術(shù)應(yīng)用到防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合保障中，對裝備系統(tǒng)進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測，評估裝備當(dāng)前的健康狀態(tài)并預(yù)測其未來故障的發(fā)生［8］，制定合理的維修決策，形成智能化、快響應(yīng)、主動式的防空武器系統(tǒng)動態(tài)精確“保障力”，確保防空武器系統(tǒng)實戰(zhàn)化、體系化、信息化戰(zhàn)斗力發(fā)揮，支撐我國積極防御軍事戰(zhàn)略實施。

2 傳統(tǒng)防空裝備綜合保障設(shè)計過程

裝備綜合保障源于“綜合后勤保障”，是美國在20 世紀(jì)60 年代提出的，80 年代我國開始學(xué)習(xí)吸收美軍“維修工程”的概念及相關(guān)理論，并逐漸推廣應(yīng)用當(dāng)前基于4A（FMECARCMAO&MTALORA）分析的序貫設(shè)計模式［9］，通過綜合考慮裝備保障的需求，制定一套與戰(zhàn)備完好性目標(biāo)、設(shè)計及保障相互協(xié)調(diào)的保障性要求，并在裝備研制時反復(fù)迭代進(jìn)行保障分析，權(quán)衡優(yōu)化設(shè)計方案和保障方案，實現(xiàn)費(fèi)用、進(jìn)度、性能之間的最優(yōu)化。根據(jù)型號研制要求，武器裝備設(shè)計階段的綜合保障設(shè)計工作過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of traditional integrated support design

從圖1 可以看出，現(xiàn)階段我國防空裝備綜合保障設(shè)計主要是定性的分析設(shè)計，以“故障恢復(fù)”為目標(biāo)，以裝備作戰(zhàn)任務(wù)、保障要求等為輸入，開展保障要求論證，提出保障定量、定性要求，并根據(jù)要求完成4A 分析工作，按照分析結(jié)果對保障任務(wù)和保障資源進(jìn)行權(quán)衡，根據(jù)故障維修及日常維護(hù)工作的需求匯總維護(hù)和維修保障的工具、備件等保障資源作為保障系統(tǒng)，最終得到綜合保障方案［10］。傳統(tǒng)的綜合保障設(shè)計主要基于故障后維修的情況進(jìn)行，基于裝備故障信息及任務(wù)需求進(jìn)行靜態(tài)分析的結(jié)果，多針對靜態(tài)的保障方案進(jìn)行保障決策與優(yōu)化，缺少對裝備綜合保障數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)分析與深入挖掘利用，并且由于故障發(fā)生的不確定性，帶來保障需求和保障活動的隨機(jī)性，致使保障資源“備而不用，用而不備”，與裝備保障需求不匹配不協(xié)調(diào)，無法達(dá)到精細(xì)、準(zhǔn)確、實時、經(jīng)濟(jì)的保障目的。

3 基于健康管理的綜合保障設(shè)計過程

基于健康管理的綜合保障設(shè)計過程，在傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，從設(shè)計源頭融入健康管理、保障驗證優(yōu)化的設(shè)計理念［11-14］，深入分析分系統(tǒng)/設(shè)備的故障機(jī)理、故障特性與故障模式之間的關(guān)系，確定開展健康狀態(tài)監(jiān)控的產(chǎn)品，分析裝備個體狀態(tài)及故障特性表征，通過增加故障預(yù)測、健康評估、健康控制策略、保障任務(wù)規(guī)劃、保障仿真建模等關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)，完成分系統(tǒng)/設(shè)備的故障預(yù)測模型開發(fā)、健康評估模型開發(fā)、健康狀態(tài)控制策略模型開發(fā)、武器系統(tǒng)級任務(wù)規(guī)劃模型等關(guān)鍵設(shè)計手段，生成滿足保障設(shè)計需求的多套裝備綜合保障方案，并利用多屬性決策方法進(jìn)行方案優(yōu)選，確定最優(yōu)綜合保障方案，實現(xiàn)基于健康管理的“分析-設(shè)計-控制-驗證-優(yōu)化”的閉環(huán)設(shè)計，使綜合保障與產(chǎn)品的功能組成、技術(shù)指標(biāo)真正實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，為提供真實、可行、高效、精確

基于健康管理的綜合保障設(shè)計過程，在傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計過程基礎(chǔ)上，融入健康保障設(shè)計環(huán)節(jié)，增加的設(shè)計過程與能力如下：

（1） 健康需求分析：武器系統(tǒng)總體以裝備作戰(zhàn)任務(wù)、保障要求、健康能力要求等為輸入，提出對導(dǎo)彈、發(fā)射、雷達(dá)、指控等分系統(tǒng)的故障預(yù)測指標(biāo)及健康保障要求。

（2） 傳統(tǒng)與健康保障融合設(shè)計：各分系統(tǒng)在傳統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備分析基礎(chǔ)上，完成關(guān)鍵設(shè)備以及關(guān)鍵設(shè)備-分系統(tǒng)的健康影響分析；在傳統(tǒng)故障模式、維修任務(wù)、保障資源分析基礎(chǔ)上，完成故障預(yù)測模型、三級健康評估模型、健康控制策略模型開發(fā)，在故障特性分析的基礎(chǔ)上，規(guī)劃監(jiān)測設(shè)備或者傳感器規(guī)劃，同時按照產(chǎn)品構(gòu)型，從組件-設(shè)備-分系統(tǒng)-系統(tǒng)多個層級逐級選取故障特征因素，基于以往的裝備研制和服役過程中的試驗數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù)，構(gòu)建故障預(yù)測模型，并基于故障特性分析結(jié)果和故障預(yù)測模型，按照裝備的故障規(guī)律，構(gòu)建設(shè)備-分系統(tǒng)-系統(tǒng)的三級健康評估模型，根據(jù)多狀態(tài)系統(tǒng)維修特征，以裝備可用度為目標(biāo)構(gòu)建裝備健康控制策略模型，形成分系統(tǒng)健康保障方案，與傳統(tǒng)設(shè)計形成的保障方案共同組成被動式、主動式相結(jié)合的新型保的防空武器系統(tǒng)綜合保障設(shè)計提供支撐?；诮】倒芾淼木C合保障設(shè)計主要流程如圖2 所示。障方案。

圖2 基于健康管理的綜合保障設(shè)計流程圖Fig.2 Flow chart of integrated support design based on health management

（3） 新型保障方案的決策生成：在各分系統(tǒng)被動式、主動式相結(jié)合的新型保障方案的基礎(chǔ)上，武器系統(tǒng)總體以可用性、任務(wù)成功性、經(jīng)濟(jì)性、資源利用率為目標(biāo)，完成保障方案的任務(wù)和資源決策，生成保障方案，并針對多方案的情況完成方案優(yōu)選。

（4） 數(shù)據(jù)驅(qū)動下的保障模型擴(kuò)展及仿真優(yōu)化：建立被動式與主動式相交互的綜合保障仿真模型，進(jìn)行保障能力仿真評估，以保障人員、設(shè)備、工具以及備品備件為約束條件，在作戰(zhàn)任務(wù)、裝備健康狀態(tài)等數(shù)據(jù)驅(qū)動下，完成保障方案優(yōu)化。

對比傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計流程，基于大數(shù)據(jù)健康管理的綜合保障設(shè)計主要區(qū)別包括以下方面：

（1） 傳統(tǒng)綜合保障設(shè)計中的FMECA 主要針對故障模式和故障現(xiàn)象開展分析工作，僅僅停留在故障表象及故障影響分析層面，未對故障的發(fā)生機(jī)理以及多產(chǎn)品耦合退化/失效導(dǎo)致的產(chǎn)品故障進(jìn)行分析，基于健康管理的綜合保障設(shè)計增加故障模式表征與故障特性關(guān)聯(lián)關(guān)系分析工作，從產(chǎn)品的退化機(jī)理和失效模式開始，根據(jù)產(chǎn)品的故障機(jī)理發(fā)生的演化過程，按照故障的層次性、相關(guān)性、并發(fā)性、隨機(jī)性和記憶性，將機(jī)械、液壓、電子、電氣部件產(chǎn)品的故障規(guī)律及退化機(jī)理分類分析。

（2） 基于健康管理的綜合保障設(shè)計在傳統(tǒng)設(shè)計工作的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備產(chǎn)品復(fù)雜故障預(yù)測模型開發(fā)環(huán)節(jié)，通過分析故障機(jī)理及故障特性關(guān)聯(lián)分析，基于設(shè)備物理模型和故障分析結(jié)果，形成復(fù)雜裝備的精確預(yù)測模型，該模型是裝備開展視情維修的核心，為視情維修時機(jī)提供有力支撐。

（3） 基于健康管理的綜合保障設(shè)計相比于傳統(tǒng)設(shè)計工作，具備了設(shè)備/分系統(tǒng)/整車整彈的三級健康評估與控制能力，按照由下向上的評估方法，依次利用故障表征-故障關(guān)系分析結(jié)果，以裝備全壽命周期設(shè)計數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)以及相關(guān)的外部環(huán)境數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)為支撐，分層逐級研究健康狀態(tài)評估方法，開發(fā)面向作戰(zhàn)任務(wù)的設(shè)備/分系統(tǒng)/整車整彈的三級健康評估與控制模型。

（4） 傳統(tǒng)的綜合保障設(shè)計優(yōu)化工作主要依托于設(shè)計師的主觀權(quán)衡分析，生成的保障方案是固定式靜態(tài)方案，且保障工作及保障資源的規(guī)劃合理性不能在設(shè)計階段得到充分驗證，基于大數(shù)據(jù)健康管理的綜合保障設(shè)計具備保障方案輔助決策能力，在大數(shù)據(jù)、仿真等技術(shù)的支撐下，基于保障目標(biāo)、多種約束條件下的保障原則，通過保障方案形式化建模、多評價體系下的保障效能評估、多方案的輔助決策等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的保障方案決策優(yōu)化，使靜態(tài)保障方案轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)保障方案。

4 結(jié)束語

本文圍繞健康管理和精確保障的理念，按照精確保障能力要求，深入分析了裝備健康管理保障的能力需求，梳理了傳統(tǒng)裝備綜合保障設(shè)計流程，提出了傳統(tǒng)流程的缺陷，按照精確保障能力要求，構(gòu)建基于健康管理的綜合保障設(shè)計工作流程，對比分析了基于健康管理的設(shè)計流程相比于傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢，為實現(xiàn)防空武器系統(tǒng)的精確保障設(shè)計提供有效支撐。