基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障

楊立峰，王 亮，馮佳晨

（1.海軍駐北京地區(qū)艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)軍事代表室，北京 100841；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）

隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，特別是電子設(shè)備性能的日益提高、復(fù)雜性和集成度的急劇增加，以及軍隊(duì)信息化建設(shè)的不斷發(fā)展與推進(jìn)，傳統(tǒng)的導(dǎo)彈維修保障方法越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的信息化、網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭(zhēng)。為了克服復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境帶來(lái)的導(dǎo)彈保障困難，實(shí)現(xiàn)視情維修，減少導(dǎo)彈維修保障的人力、物力，解決“經(jīng)濟(jì)可承受性”問(wèn)題，同時(shí)又可以在一定程度上促進(jìn)導(dǎo)彈武器裝備保障的信息化，加速軍隊(duì)信息化建設(shè)的步伐，提出了基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障方法。

故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM），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(zhuān)家系統(tǒng)等）來(lái)評(píng)估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)故障發(fā)生前對(duì)其故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的視情維修[1-3]。

PHM技術(shù)早在2000年就被列入美國(guó)國(guó)防部威脅減少局的《軍用關(guān)鍵技術(shù)》報(bào)告中，在研的主力飛機(jī)——聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）設(shè)計(jì)時(shí)，引入了PHM技術(shù)，其最初目的是為了減少由于傳統(tǒng)定期維護(hù)采用的多、勤、細(xì)維修方式所消耗的大量人力、物力和財(cái)力，同時(shí)提高了武器裝備的信息化程度。

目前，比較成熟并進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用的PHM或者類(lèi)PHM系統(tǒng)主要有美軍的飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（ACMS，Aircraft Condition Monitoring System）、發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（EMS，Engine Monitoring System）、綜合診斷預(yù)測(cè)系統(tǒng)（IDPS，Integrated Diagnostics and Prognostics System）、以及美海軍的綜合狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)（ICAS，Integrated Condition Assessment System）等[4]。

綜觀PHM技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在持續(xù)任務(wù)系統(tǒng)領(lǐng)域（如飛機(jī)系統(tǒng)）得到較為廣泛的應(yīng)用，而在非持續(xù)任務(wù)系統(tǒng)領(lǐng)域（如導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)等）中應(yīng)用較少。目前，美軍已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行這方面的工程技術(shù)研究。

1 維修方式與PHM技術(shù)

選擇合適的維修方式不但可以使裝備有較高的安全性、可靠性和可用性，更可以降低費(fèi)用，減少維修成本。按照故障發(fā)生時(shí)刻和采取維修措施的時(shí)刻，維修方式大致可以分為3種[5-7]：

1）基于故障的維修方式?；诠收系木S修方式，又稱(chēng)失效后維修、反應(yīng)性維修或非計(jì)劃維修，即指在故障發(fā)生后進(jìn)行修復(fù)性的維修活動(dòng)?；诠收系木S修方式可以最大限度地利用裝備的工作壽命，但是它存在一些缺點(diǎn)：維修活動(dòng)無(wú)計(jì)劃性；消耗較多維修資源；可能產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果等。

2）基于時(shí)間的維修方式。基于時(shí)間的維修方式，又稱(chēng)計(jì)劃維修或預(yù)防性維修，是指無(wú)論裝備是否發(fā)生故障，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間都要對(duì)裝備進(jìn)行檢查維修。基于時(shí)間的維修有較好的計(jì)劃性，而且能有效的防止嚴(yán)重后果的發(fā)生，但是仍存在一些不足：消耗巨大的維修資源；對(duì)一些裝備的使用壽命造成很大浪費(fèi)；不能保障消除所有故障等。

3）基于狀態(tài)監(jiān)控的維修方式?；跔顟B(tài)監(jiān)控的維修方式，又稱(chēng)預(yù)測(cè)性維修或視情維修，是指通過(guò)監(jiān)測(cè)、評(píng)估裝備的健康狀態(tài)，根據(jù)具體情況安排維修活動(dòng)?；跔顟B(tài)健康的維修方式既能充分利用裝備的使用壽命，又可以及時(shí)地計(jì)劃安排維修活動(dòng)，同時(shí)又克服了失效后維修和計(jì)劃維修的缺點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，視情維修是目前各軍事強(qiáng)國(guó)都在積極探索研究的熱門(mén)課題，視情維修的流程如圖1所示。

圖1 視情維修流程圖

從圖1可以看出，整個(gè)視情維修的流程與PHM技術(shù)的工程應(yīng)用思想有頗多相似之處，都是通過(guò)檢測(cè)、狀態(tài)評(píng)估來(lái)判斷裝備的健康情況，因此PHM技術(shù)的合理應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)視情維修的有效途徑。

2 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與PHM技術(shù)

作為非持續(xù)任務(wù)領(lǐng)域中的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，它與飛機(jī)等持續(xù)任務(wù)裝備相比具有一些不同點(diǎn)，正是由于這些差異的存在，使得應(yīng)用于導(dǎo)彈的PHM技術(shù)呈現(xiàn)出自己的特點(diǎn)。

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與飛機(jī)的主要不同點(diǎn)有：

1）使用方式不同。導(dǎo)彈屬于一次使用的裝備，而且任務(wù)持續(xù)時(shí)間較短；飛機(jī)則屬于多次重復(fù)使用的裝備，任務(wù)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

2）儲(chǔ)存時(shí)間不同。導(dǎo)彈的全壽命周期中的絕大多數(shù)時(shí)間均處于貯存狀態(tài)；飛機(jī)的儲(chǔ)存時(shí)間所占比例相對(duì)導(dǎo)彈較少。

3）易故障部件不同。從目前資料分析，導(dǎo)彈故障部件大多集中于雷達(dá)、導(dǎo)引系統(tǒng)等電子部件；飛機(jī)則集中在發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體結(jié)構(gòu)等機(jī)械部件。

4）導(dǎo)彈上的空間相對(duì)較小，飛機(jī)上的空間則相對(duì)較大，在硬件尤其是傳感器及數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇方面會(huì)受到一定的影響。

5）雖然導(dǎo)彈只是一次使用，但是在貯存期內(nèi)一般會(huì)歷經(jīng)多次定期測(cè)試，在某種程度上每次加電測(cè)試對(duì)于其電子設(shè)備而言都是一次使用的過(guò)程。

6）導(dǎo)彈作為一次使用的非載人飛行器其單位價(jià)值相對(duì)飛機(jī)較低，因此在構(gòu)建導(dǎo)彈保障PHM系統(tǒng)時(shí)必須考慮整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用，合理選擇軟硬件，充分優(yōu)化，使效費(fèi)比盡量降低。

從以上這些不同點(diǎn)可以看出，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的PHM技術(shù)應(yīng)用與飛機(jī)還是有所不同的，包括可行性分析、系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)要求，再到具體的硬件的選擇、監(jiān)控分系統(tǒng)的確定、軟件的編寫(xiě)、傳輸方式的選擇等都需要根據(jù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的實(shí)際情況深入研究。

3 信息化保障與PHM技術(shù)

信息時(shí)代的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)牽引裝備維修保障形態(tài)的發(fā)展。裝備維修保障作為戰(zhàn)爭(zhēng)的重要組成部分，在未來(lái)多維一體的全頻譜信息化作戰(zhàn)方式中，也必將面臨許多新情況、新問(wèn)題，呈現(xiàn)出許多新的特征，而信息化將是未來(lái)裝備維修保障最主要的特征。在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，裝備保障理念已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求裝備維修保障必須有預(yù)見(jiàn)性、精確性，維修保障過(guò)程要實(shí)現(xiàn)可視化，維修保障指揮實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是使維修保障實(shí)現(xiàn)“自主化”、“智能化”和“網(wǎng)絡(luò)化”[8]。

PHM技術(shù)的應(yīng)用將加快“三化”的實(shí)現(xiàn)，普通的PHM系統(tǒng)實(shí)際已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了維修保障的“自主化”和“智能化”，要完善及實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)化”需要進(jìn)一步結(jié)合通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代管理理論等，將初級(jí)的導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)完善成為基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障管理信息系統(tǒng)，形成導(dǎo)彈維修保障綜合模塊，將其作為一個(gè)分系統(tǒng)接入作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)維修保障的“網(wǎng)絡(luò)化”。

4 基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障管理信息

4.1 現(xiàn)役導(dǎo)彈的PHM技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于已經(jīng)服役的導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，由于在引進(jìn)或研制時(shí)，對(duì)導(dǎo)彈的維修保障考慮得并不十分全面，而且在應(yīng)用PHM技術(shù)時(shí)不可能重新在導(dǎo)彈內(nèi)安裝嵌入式傳感器，為達(dá)到及時(shí)監(jiān)控導(dǎo)彈健康狀態(tài)的目的，應(yīng)研制導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)，通過(guò)在外部及導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱安裝傳感器來(lái)收集導(dǎo)彈的環(huán)境信息以及性能信息，利用這些狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同的算法、模型進(jìn)行故障診斷、預(yù)測(cè)等，判定導(dǎo)彈的健康狀態(tài)。同時(shí)，在對(duì)現(xiàn)役型號(hào)導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)的研究過(guò)程中還要規(guī)范相應(yīng)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)型號(hào)導(dǎo)彈提出合理的研制建議。

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)PHM系統(tǒng)基本技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 現(xiàn)役導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)技術(shù)框架

在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，有幾點(diǎn)需要注意的問(wèn)題：

1）要選擇好監(jiān)測(cè)部件，確定監(jiān)測(cè)參數(shù)，并非監(jiān)測(cè)部件越細(xì)、監(jiān)測(cè)參數(shù)越多檢測(cè)評(píng)估效果越好，因?yàn)樵蕉嗟谋O(jiān)測(cè)部件和監(jiān)測(cè)參數(shù)就意味更多的傳感器，更大的數(shù)據(jù)量，這些問(wèn)題對(duì)傳感器的安裝、供電技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備都是很大的挑戰(zhàn)；

2）在故障診斷、預(yù)測(cè)時(shí)，可以將基于數(shù)據(jù)（參數(shù)）的方法與基于失效物理（PoF）的方法結(jié)合起來(lái)，以提高健康評(píng)估的準(zhǔn)確度；

3）上述框圖可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障決策支持系統(tǒng)。

4.2 預(yù)研型號(hào)導(dǎo)彈PHM技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于預(yù)研型號(hào)的導(dǎo)彈，為了滿足未來(lái)復(fù)雜保障環(huán)境的需求，方便以后導(dǎo)彈的維修保障，應(yīng)該在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)初期就考慮導(dǎo)彈的健康狀態(tài)監(jiān)控問(wèn)題。

監(jiān)測(cè)導(dǎo)彈貯存環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，可將溫度、濕度、振動(dòng)、加速度等傳感器固化安裝在導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱中，通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)或有線傳輸?shù)姆绞奖O(jiān)控導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱、庫(kù)房等導(dǎo)彈壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的使用環(huán)境信息。導(dǎo)彈環(huán)境固化監(jiān)控單元如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈環(huán)境固化監(jiān)控單元

4.3 導(dǎo)彈維修保障信息管理系統(tǒng)

無(wú)論是對(duì)于現(xiàn)役導(dǎo)彈還是預(yù)研導(dǎo)彈，利用PHM技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)彈維修保障的最終目標(biāo)是建立包括橫向（軍隊(duì)、地方廠商）和縱向（軍隊(duì)內(nèi)部）的導(dǎo)彈維修保障信息管理系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代管理理論，使導(dǎo)彈維修保障實(shí)現(xiàn)信息化、可視化，同時(shí)降低維修消耗，到達(dá)經(jīng)濟(jì)可承受性的目的[9]。

導(dǎo)彈維修保障信息管理系統(tǒng)是指軍械保障管理部門(mén)根據(jù)導(dǎo)彈全系統(tǒng)、全壽命周期維修保障的需要建立的由人機(jī)等組成的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)維修保障信息的收集、傳遞、存儲(chǔ)、加工、維護(hù)、和使用的系統(tǒng)。

整個(gè)導(dǎo)彈保障信息管理系統(tǒng)信息流框圖如圖4所示，圖中內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是PHM技術(shù)在導(dǎo)彈保障方面的應(yīng)用擴(kuò)展。

圖4 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)維修保障信息管理系統(tǒng)信息流框圖

5 結(jié)論

隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[10]、信息融合技術(shù)等新技術(shù)迅速發(fā)展，以及故障診斷，狀態(tài)評(píng)估等算法、模型的改進(jìn)，基于PHM技術(shù)的導(dǎo)彈維修保障展現(xiàn)出了越來(lái)越好的應(yīng)用前景，但還有以下問(wèn)題需解決：

1）可行性分析。從技術(shù)可行性、操作可行性、社會(huì)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性這4 方面進(jìn)行，PHM技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈維修保障主要應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析。

2）長(zhǎng)期供電技術(shù)。無(wú)論是傳感器、處理器還是存儲(chǔ)設(shè)備都需要電力支持，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間供電及便捷充電是亟待解決的問(wèn)題。

3）海量信息存儲(chǔ)技術(shù)。數(shù)據(jù)量主要取決于監(jiān)測(cè)參數(shù)的多少及采樣頻率的選擇。

4）標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。“技術(shù)體制統(tǒng)一、指揮體制統(tǒng)一、接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一”，“系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化”是我軍軍事建設(shè)的要求，所以在將PHM技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈維修保障時(shí)同樣要注意標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。

[1]孫博,康銳,謝勁松.故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2007,29(10):1762-1767.

[2]MALLY M E.Methodology for simulating the joint strike fighter’s (JSF) prognostics and health management system[D].Ohio State USA:Air Force Institute of Technology,2001.

[3]HESS A,FILA L.The joint strike fighter (JSF) PHM concept potential impact on aging aircraft problems[C]//Aerospace Conference Proceedings.2002:3021-3026.

[4]張叔農(nóng),謝勁松,康銳.電子產(chǎn)品健康監(jiān)控和故障預(yù)測(cè)技術(shù)框架[J].測(cè)控技術(shù),2007,26(2):12-16.

[5]U DINESH KUMAR.可靠性、維修與后勤保障—壽命周期方法[M].劉慶華,宋寧哲,黃卿賢,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2009:92-104.

[6]宋太亮.裝備保障性系統(tǒng)工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008:73-84.

[7]馮廷敏.基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的以可靠性為中心的智能維修系統(tǒng)[D].北京:北京化工大學(xué),2008.

[8]呂瑞強(qiáng),陳軍,趙剛.信息化條件下裝備技術(shù)保障探析[J].國(guó)防科技,2006(1):74-75.

[9]郭健生.航空裝備信息管理系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:10-16.

[10]于宏毅,李鷗,張效義,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:1-17.