無人機(jī)裝備使用階段質(zhì)量信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

陳 時(shí) 王海濤 沈延安

（1.73031部隊(duì) 無錫 214064）（2.陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

目前，無人機(jī)裝備管理保障工作尚處于起步階段，尤其使用階段質(zhì)量管理手段相對(duì)有限，加之系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受使用環(huán)境和人為因素的影響，武器裝備的質(zhì)量狀態(tài)會(huì)不斷發(fā)生變化，性能會(huì)逐漸衰退。為了延長(zhǎng)無人機(jī)裝備使用壽命，增加裝備戰(zhàn)備完好性，設(shè)計(jì)開發(fā)無人機(jī)裝備使用階段質(zhì)量信息管理系統(tǒng)，對(duì)無人機(jī)裝備質(zhì)量信息進(jìn)行系統(tǒng)性管理，全面推進(jìn)無人機(jī)裝備管理的信息化、網(wǎng)絡(luò)化，確保充分發(fā)揮裝備質(zhì)量信息作用，同時(shí)也是提高裝備使用效能的主要手段以及上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)科學(xué)決策的重要依據(jù)［1～2］。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)及功能需求

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）對(duì)無人機(jī)全系統(tǒng)使用階段的設(shè)備運(yùn)行信息、故障檢測(cè)信息、維修過程、維修人員及維修資源的調(diào)配等進(jìn)行綜合性管理；

2）對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行包括發(fā)射起飛、偵察飛行及回收全過程的質(zhì)量監(jiān)控與信息存儲(chǔ)；

3）通過連續(xù)跟蹤記錄無人機(jī)飛行過程中的遙測(cè)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行及維修數(shù)據(jù)，分析預(yù)測(cè)裝備質(zhì)量狀況，并可對(duì)無人機(jī)進(jìn)行故障分析；同時(shí)可基于歷史運(yùn)行和維修數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)壽命信息以及維修狀況進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)和決策。

2.2 功能需求

系統(tǒng)功能需求是指系統(tǒng)必須滿足和執(zhí)行的功能，用來定義系統(tǒng)的行為，即在某種輸入條件下，軟件系統(tǒng)要給出確定的輸出，并做相應(yīng)的處理或轉(zhuǎn)換，使用戶利用系統(tǒng)能夠完成規(guī)定的任務(wù)，從而滿足業(yè)務(wù)需求。無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理系統(tǒng)是在無人機(jī)裝備質(zhì)量管理模式及特點(diǎn)，結(jié)合無人機(jī)質(zhì)量信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，遵循實(shí)用、合理、易用的原則而提出的。主要功能需求如下：

1）能夠提供無人機(jī)裝備使用階段質(zhì)量信息數(shù)據(jù)采集輸入和管理。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集信息包括裝備基本情況，如裝備類別、裝備名稱、裝備構(gòu)造、制造商與型號(hào)、性能參數(shù)等；裝備運(yùn)行和維修的基本情況，如裝備運(yùn)行參數(shù)、停機(jī)原因、維修方式、維修周期及故障信息等。

2）能夠?qū)o人機(jī)地面調(diào)試、起飛以及飛行進(jìn)行狀態(tài)安全監(jiān)控。即能夠根據(jù)無人機(jī)在飛行過程中影響安全的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)警以及無人機(jī)發(fā)射過程中對(duì)大馬力、爬升指令等進(jìn)行預(yù)置監(jiān)測(cè)；能夠依據(jù)地面調(diào)試、檢測(cè)過程中的質(zhì)量信息對(duì)無人機(jī)性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和故障預(yù)警。

3）能夠?qū)o人機(jī)裝備健康狀況進(jìn)行管理。包括對(duì)無人機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行分析、性能衰退分析及健康分級(jí)預(yù)警等。可實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)各系統(tǒng)的部件的運(yùn)行信息采集處理與健康預(yù)測(cè)評(píng)估，最后以健康狀態(tài)報(bào)告等形式向使用人員或地面監(jiān)控室傳送相應(yīng)告警或提示信息。該設(shè)計(jì)可以將故障信息提供給故障隔離與系統(tǒng)重構(gòu)環(huán)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)可修復(fù)性故障進(jìn)行及時(shí)處理；健康評(píng)估信息則可以為裝備保障人員進(jìn)行視情維修策略提供依據(jù)，便于優(yōu)化維修方案，甚至對(duì)無人機(jī)健康狀況及其維修大綱的實(shí)施情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視與控制，實(shí)施有效的維修管理。

4）能夠支持網(wǎng)絡(luò)化質(zhì)量信息管理?；诰W(wǎng)絡(luò)化的質(zhì)量信息管理是未來裝備質(zhì)量建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立統(tǒng)一的無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理平臺(tái)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無人機(jī)裝備研制方、使用人員、保障人員等裝備信息資源共享，必將最大限度地發(fā)揮裝備潛能，有力提高無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理工作效率。

5）能夠支持報(bào)表輸出和打印。無人機(jī)裝備質(zhì)量信息報(bào)表是呈現(xiàn)給用戶的表現(xiàn)方式，用戶可根據(jù)需要設(shè)定輸出格式，支持打印預(yù)覽和打印機(jī)輸出功能，并能生成Excel或PDF等多種格式文件。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)功能需求，無人機(jī)裝備使用階段質(zhì)量信息管理系統(tǒng)主要包括三大部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫管理。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過傳感器技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)采集無人機(jī)運(yùn)行等狀態(tài)質(zhì)量信息；質(zhì)量信息管理系統(tǒng)為系統(tǒng)核心組成部分，主要包括狀態(tài)檢測(cè)、安全監(jiān)控、健康評(píng)估、故障預(yù)警、維修決策以及輸出等六個(gè)子模塊，用于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控，健康狀況評(píng)估以及無人機(jī)故障識(shí)別與預(yù)警等功能；數(shù)據(jù)庫管理主要用于存儲(chǔ)與無人機(jī)裝備質(zhì)量信息的相關(guān)數(shù)據(jù)庫，包括故障預(yù)警知識(shí)庫、維修知識(shí)庫以及質(zhì)量信息管庫。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

構(gòu)架代表了系統(tǒng)公共的高層次的抽象，是一個(gè)軟件系統(tǒng)中的核心元素，也是構(gòu)建軟件系統(tǒng)中其他部分所依賴的基礎(chǔ)。.NET技術(shù)是一種構(gòu)建高交互性、高擴(kuò)縮性系統(tǒng)的旗艦技術(shù)，一般可分為三層體系構(gòu)架，即表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，可有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各功能模塊的相對(duì)獨(dú)立，減少了各模塊間的耦合性，使系統(tǒng)更具靈活性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性［3～4］。另外，采用三層體系構(gòu)架，還可方便地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)裝備質(zhì)量信息網(wǎng)絡(luò)化管理模式，極大地提高了無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理工作效率。系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 健康評(píng)估技術(shù)

在對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體健康評(píng)估時(shí)，首先對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行分析，最后再根據(jù)子系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果給出最終的系統(tǒng)健康狀態(tài)。在此過程中，需要對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的故障模式及影響程度進(jìn)行分析［5］。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

無人機(jī)各系統(tǒng)的健康指數(shù)可由式（1）得出。式中，H 表示系統(tǒng)的健康指數(shù)，H∈［0，1］，0表示系統(tǒng)完全損壞，不能繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，1表示系統(tǒng)完全健康，沒有出現(xiàn)任何故障；Ei表示分系統(tǒng)i的健康狀態(tài)，Ei∈［0，1］；ωi表示分系統(tǒng)i的權(quán)重系數(shù)；n表示分系統(tǒng)個(gè)數(shù)。

其中Ei健康指數(shù)由式（2）計(jì)算：

Cmj為故障模式j(luò)的危害度，一般根據(jù)嚴(yán)酷度級(jí)別進(jìn)行確定。定義懲罰函數(shù)α，當(dāng)關(guān)鍵分系統(tǒng)出現(xiàn)災(zāi)難性故障（嚴(yán)酷度級(jí)別為1）時(shí)，對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的健康指數(shù)進(jìn)行修正，α由式（3）計(jì)算：

此時(shí)，式（1）可變?yōu)?/p>

各子系統(tǒng)在總系統(tǒng)中的權(quán)值可依據(jù)相關(guān)權(quán)重確定算法計(jì)算得出。具體健康評(píng)估流程如圖3所示。

4.2 故障預(yù)警技術(shù)

故障預(yù)警主要是根據(jù)無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控信息，并基于專家知識(shí)庫對(duì)系統(tǒng)和部件的歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)警，為系統(tǒng)維修提供準(zhǔn)確、豐富的故障信息，便于快速排除故障，避免事故發(fā)生。無人機(jī)故障預(yù)警主要基于無人機(jī)故障模型以及使用階段所采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)，來綜合分析判斷出故障點(diǎn)或潛在的故障，從而進(jìn)行故障預(yù)警、報(bào)警及相關(guān)處理，進(jìn)而有效避免無人機(jī)安全隱患的發(fā)生。

本系統(tǒng)中，無人機(jī)故障預(yù)警主要采用兩種方法：一是依據(jù)專家知識(shí)庫中存放的相關(guān)故障歷史閾值信息進(jìn)行分析。即根據(jù)獲取的各類狀態(tài)信息，首先進(jìn)行分類，然后根據(jù)各類對(duì)應(yīng)的閾值直接與獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以此來確定是否進(jìn)行預(yù)警。這種方法較為直接，也比較易操作，但缺陷在于預(yù)警成功率與專家歷史經(jīng)驗(yàn)直接相關(guān)，主觀影響因素較高。為解決上述問題，更好依賴于無人機(jī)使用階段狀態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還引入了另外一種方法即基于離散傅里葉變換子序列匹配的故障預(yù)警方法。該方法主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、建立索引和搜索相似子序列等步驟。

由于無人機(jī)使用階段的狀態(tài)數(shù)據(jù)類型較多，一般都屬于高維時(shí)間序列數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程，較為復(fù)雜和繁瑣。因此在進(jìn)行故障預(yù)警前，必須要先進(jìn)行降維處理提取特征。而降維處理方法采用基于離散傅里葉變換的方法，變換公式如下：

圖3 無人機(jī)系統(tǒng)健康評(píng)估流程

其中K＝0，1，…，N－1，X（k）為頻域空間，即傅里葉變換將無人機(jī)時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成了頻域空間數(shù)據(jù)，提取變換后頻域序列前幾個(gè)系數(shù)作為特征值，就可以實(shí)現(xiàn)降維處理。然后，根據(jù)故障預(yù)警方法第三個(gè)階段建立索引：取經(jīng)過上述變換后頻域序列的前三個(gè)系數(shù)作為特征值，即在三維特征空間上建立索引，并利用故障模型對(duì)每一個(gè)最小邊界矩形（MBR）進(jìn)行相似度搜索，來最終實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。

4.3 安全監(jiān)控技術(shù)

安全監(jiān)控由狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、無人機(jī)起飛安全監(jiān)控、飛行狀態(tài)安全監(jiān)控、無人機(jī)回收安全監(jiān)控和查看誤操作記錄五個(gè)功能模塊組成。發(fā)射和回收是無人機(jī)操作過程中最易出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的兩個(gè)過程，通過發(fā)射前狀態(tài)確認(rèn)可以清晰地判斷出無人機(jī)發(fā)射前的系統(tǒng)狀態(tài)以及還沒有完成的發(fā)射前準(zhǔn)備，縮短發(fā)射前準(zhǔn)備時(shí)間、提高無人機(jī)的安全；飛行過程中無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控可實(shí)時(shí)地評(píng)估無人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)，提高無人機(jī)作戰(zhàn)效能；誤操作記錄能夠記錄無人機(jī)運(yùn)行過程中操作手的誤操作，可為無人機(jī)日常訓(xùn)練提供依據(jù)。

狀態(tài)信息采集需在不影響無人機(jī)正常工作狀態(tài)的前提條件下，通過地面控制站信號(hào)端口在線或通過無人機(jī)載測(cè)試接口離線采集反映飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)或信息，在線方式主要考慮采集點(diǎn)的優(yōu)化選取、采集信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換、采集電路的設(shè)計(jì)、采集數(shù)據(jù)的分析與預(yù)處理等。系統(tǒng)安全監(jiān)控硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中數(shù)據(jù)采集部分包括遙測(cè)、遙控信號(hào)解調(diào)模塊、幀、字、位同步模塊、信號(hào)調(diào)理模塊。為了隔離電路對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的影響，增加了隔離和緩存電路，避免異常情況對(duì)無人機(jī)的影響。采集電路采用信號(hào)三通結(jié)構(gòu)從主站測(cè)控終端處截取四路信號(hào)：幀同步、字同步、位同步和數(shù)據(jù)流信號(hào)，以字同步信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)發(fā)送信息流和接收信息流進(jìn)行處理，提取遙測(cè)、遙控信息，其他數(shù)據(jù)采集可通過振動(dòng)、溫度等傳感器實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)安全監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示。

圖4 飛行狀態(tài)采集電路工作原理圖

4.4 系統(tǒng)構(gòu)架技術(shù)

表示層主要采用.NET提供的相關(guān)控件以及界面元素進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理系統(tǒng)所有界面，如用戶登錄界面、質(zhì)量信息管理界面、健康監(jiān)控界面、故障預(yù)警界面以及質(zhì)量信息錄入界面等等。

圖5 無人機(jī)系統(tǒng)飛行過程安全監(jiān)控

業(yè)務(wù)邏輯層包含了系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)中最復(fù)雜也是最重要的部分。無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理系統(tǒng)采用了當(dāng)前較為先進(jìn)的Domain Model模式，采用該模式的主要原因在于該模式體現(xiàn)了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想，充分考慮了業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜多變性，實(shí)現(xiàn)了模式的可擴(kuò)展性。通過分析，無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理系統(tǒng)包含的領(lǐng)域?qū)ο蟊姸?，有武器裝備、研制方、使用方等等，它們所包含的屬性和行為各不相同，因此為每一種對(duì)象都要定義不同的類屬性。

數(shù)據(jù)層主要定義各類相關(guān)數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)，以存儲(chǔ)所需的數(shù)據(jù)。無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)表較多，如用于存儲(chǔ)無人機(jī)裝備基本信息的UAV＿BasicInfoTable、用于存儲(chǔ)無人機(jī)運(yùn)行和維修情況的UAV＿OperMainTable、用于存儲(chǔ)無人機(jī)質(zhì)量信息表UAV＿QualityInfoTalbe等。

5 結(jié)語

目前，該系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)的采集與分析功能，也可實(shí)現(xiàn)裝備故障預(yù)警、維護(hù)和維修的信息管理業(yè)務(wù)，對(duì)實(shí)時(shí)掌握無人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)及性能趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)維修保障的提前準(zhǔn)備與處理，具有重要的輔助決策作用。系統(tǒng)既可安裝于單獨(dú)的軍用便攜筆記本上，也可與主控計(jì)算機(jī)相連，與其共用同一數(shù)據(jù)庫，通過解讀遙測(cè)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)來完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠滿足無人機(jī)裝備使用階段質(zhì)量信息管理需求，可作為無人機(jī)裝備質(zhì)量信息管理平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步推廣。

［1］總裝備部電子信息基礎(chǔ)部技術(shù)基礎(chǔ)局總裝備部技術(shù)基礎(chǔ)管理中心.GLB1686A《裝備質(zhì)量信息管理通用要求》實(shí)施指南［M］.2008.

［2］王森，孫德翔，常浩，等.軍用飛機(jī)維修安全質(zhì)量綜合評(píng)估［J］.火力與指揮控制，2011，36（9）.

［3］崔鵬亮.基于QFD的質(zhì)量信息管理系統(tǒng)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008.

［4］楊承山，姚旺生，王晶.基于.NET和Ajax框架的維修管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2008，11：151－154.

［5］李儼，陳海，張清江，等.無人機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，03：562－567，626.