某型火炮預(yù)測與健康管理技術(shù)(PHM)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

趙征凡，劉婧波，黃 萌，劉舜鑫3

(1.中國人民解放軍 63961部隊,北京 100012；2.防空兵學(xué)院,鄭州 410052； 3.工業(yè)和信息化電子第五研究所，廣州 510610)

某型火炮預(yù)測與健康管理技術(shù)(PHM)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

趙征凡1，劉婧波1，黃 萌2，劉舜鑫3

(1.中國人民解放軍 63961部隊,北京 100012；2.防空兵學(xué)院,鄭州 410052； 3.工業(yè)和信息化電子第五研究所，廣州 510610)

故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域取得較為廣泛的應(yīng)用，而在地面裝備領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，為將故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)從航空航天領(lǐng)域推廣到地面裝備領(lǐng)域，設(shè)計和構(gòu)建了某型火炮的PHM體系結(jié)構(gòu);首先，通過對比和借鑒航空航天領(lǐng)域典型的4種PHM體系結(jié)構(gòu)OSA-CBM開放式體系結(jié)構(gòu)、集中式體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)、分層融合式體系結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合地面裝備作戰(zhàn)特點和實際工作環(huán)境，設(shè)計并構(gòu)建了適于地面裝備的PHM體系結(jié)構(gòu);然后，以地面裝備的PHM構(gòu)建思路為依托，將PHM體系應(yīng)用到具體的某型火炮中，設(shè)計出了基于某型火炮的PHM體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)所構(gòu)建PHM體系結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了在火炮上的應(yīng)用情況;最后展望了PHM技術(shù)在地面裝備領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和對國防工業(yè)發(fā)展的借鑒意義。

PHM;火炮;結(jié)構(gòu)體系;地面裝備

0 引言

故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management，PHM)技術(shù)對電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，在航空和航天領(lǐng)域已有成熟的理論和全面的應(yīng)用，在地面裝備中還屬于理論向工程化過渡的摸索期，如何真正實現(xiàn)提前發(fā)現(xiàn)故障，適時開展維修，準(zhǔn)確預(yù)測故障發(fā)生的時間和位置，提高系統(tǒng)運行可靠性，同時記錄分析系統(tǒng)的使用數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行健康管理還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要研究和試驗。本文通過分析地面裝備功能特點，從地面裝備對故障預(yù)測和健康技術(shù)的需求出發(fā)，結(jié)合已有技術(shù)和理論研究基礎(chǔ)，借鑒航空以及其他領(lǐng)域先進(jìn)經(jīng)驗，論證地面裝備開展PHM的必要性和可行性[1]。

1 4種典型PHM體系結(jié)構(gòu)對比分析

目前比較通用的4種典型PHM體系結(jié)構(gòu)分別為OSA-CBM開放式體系結(jié)構(gòu)，集中式體系結(jié)構(gòu)，分布式體系結(jié)構(gòu)，分層融合式體系結(jié)構(gòu)。4種體系結(jié)構(gòu)各自有不同的適用范圍，各有特點。地面裝備PHM構(gòu)建必須明確4種體系結(jié)構(gòu)的特點，結(jié)合地面裝備作戰(zhàn)狀況和運行環(huán)境，吸收各自優(yōu)點以建立更有效的PHM體系結(jié)構(gòu)。

下面對這4種典型PHM體系結(jié)構(gòu)的特點進(jìn)行對比分析。

OSA-CBM開放式體系結(jié)構(gòu)是由美國10多個科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的PHM體系結(jié)構(gòu)，由波音公司牽頭設(shè)計并推廣。目前該PHM體系結(jié)構(gòu)已在航空，船舶，軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；集中式體系結(jié)構(gòu)是一種適用于小型飛機的PHM體系結(jié)構(gòu)，其擁有一個核心處理器，通過核心故障控制處理器來完成各種任務(wù)的集中處理和集中控制；分布式體系結(jié)構(gòu)是一種由多個控制中心組成的分布式結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的單元分成各個子系統(tǒng)，分別進(jìn)行集中式控制；分層融合式體系結(jié)構(gòu)融合了分布式與集中式結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)點，可在子系統(tǒng)級與系統(tǒng)級兩個層次間進(jìn)行融合，全面利用冗余信息，對于降低系統(tǒng)虛警的問題能夠很好地解決[2]。

4種體系結(jié)構(gòu)各自特點對比如表1所示。

表1 4種典型PHM結(jié)構(gòu)體系對比表

圖1 地面裝備PHM結(jié)構(gòu)體系圖

2 地面裝備PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建立

地面裝備與航空電子設(shè)備既有相似點，也存在不同點。地面裝備如裝甲裝備、火炮、坦克等武器裝備在機械結(jié)構(gòu)方面與航空電子設(shè)備存在類似的體系結(jié)構(gòu)，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)級與子系統(tǒng)級。在PHM體系結(jié)構(gòu)方面可大膽借鑒航空領(lǐng)域典型PHM系統(tǒng)。

地面裝備與航空電子設(shè)備的不同點體現(xiàn)在其故障具有復(fù)雜性與不確定性等特點，由于地面裝備自動化程度低于航空電子設(shè)備，人工干擾因素更大，導(dǎo)致故障的不確定性更大，同時也為故障監(jiān)測與診斷帶來更大困難。同時，地面裝備產(chǎn)品分布廣泛，維修與售后服務(wù)難以系統(tǒng)化管理[3]，需要故障診斷能體現(xiàn)實時性的特征，并做出實時的預(yù)測與決策。

針對以上特點，本文構(gòu)建了地面裝備PHM結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

地面裝備PHM體系特點：

1)該PHM體系沿用了OSA-CBM開放式體系結(jié)構(gòu)的順序結(jié)構(gòu)模式，將信號處理，狀態(tài)監(jiān)測，故障預(yù)測，推理決策等分成不同的模塊，同時每個模塊與歷史數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫，動態(tài)數(shù)據(jù)庫相連接。歷史數(shù)據(jù)庫將歷史的故障信息收集起來以實現(xiàn)對實時信號處理，狀態(tài)監(jiān)測，故障預(yù)測，推理決策的幫助作用；實時數(shù)據(jù)庫可將實時數(shù)據(jù)記錄下來以供后續(xù)使用。關(guān)系數(shù)據(jù)庫和動態(tài)數(shù)據(jù)庫存儲大量知識，方便各模塊隨時調(diào)用[4-5]。有效應(yīng)對了地面裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障不確定性大的特點。

2)將地面裝備按故障特征分為不同的子系統(tǒng)，按分類不同安裝不同類型的傳感器，分類進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時將機內(nèi)自帶測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到歷史數(shù)據(jù)庫以方便對各模塊提供數(shù)據(jù)信息。每個子系統(tǒng)可完整實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到推理決策的全過程。實現(xiàn)了分布式進(jìn)行的模式，提高了故障預(yù)測與健康管理的效率。

3)每個子系統(tǒng)故障預(yù)測所得結(jié)果最終由綜合決策模塊來通過故障危害分析表(FMECA)，數(shù)據(jù)庫知識等來做出綜合性決策，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和決策的正確性。

4)設(shè)置用戶層以方便人機交互和管理。

3 某型火炮PHM工程應(yīng)用

3.1 某型火炮PHM系統(tǒng)體系構(gòu)架的研究

OSA-CBM定義的標(biāo)準(zhǔn)PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)對某型火炮PHM系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。地面裝備PHM系統(tǒng)架構(gòu)很好地詮釋了地面裝備的健康管理系統(tǒng)應(yīng)該具備的基本的組成部分、各部分之間基本的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及系統(tǒng)功能等。

某型火炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體結(jié)構(gòu)由多個子系統(tǒng)組合而成，涉及到的零件級，部件級關(guān)鍵結(jié)構(gòu)龐雜多樣，不同子系統(tǒng)因受載荷不同和工作環(huán)境的差異，其故障模式和復(fù)雜性不盡相同。

針對某型火炮結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計PHM體系結(jié)構(gòu)需要考慮以下關(guān)鍵問題

1)由于火炮作戰(zhàn)和運行時，車身并不能一直平穩(wěn)運行，且車載空間小，因此，車載監(jiān)測設(shè)備應(yīng)具備體積小，穩(wěn)定性強等特點[7]。由于車載空間受限，因此有必要將PHM系統(tǒng)分為車載PHM系統(tǒng)和車下PHM系統(tǒng)，車載PHM系統(tǒng)應(yīng)具備關(guān)鍵參數(shù)的記錄和信號提取能力；車下PHM系統(tǒng)則需利用復(fù)雜算法和先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行綜合故障診斷和故障預(yù)測。

2)火炮中各部件，零件運行參數(shù)獲取方式不同，有些參數(shù)如應(yīng)變、沖擊等需要在線獲取，有些結(jié)構(gòu)參數(shù)是既可以在線獲取也可以事后獲取，如對結(jié)構(gòu)的損傷而言，既可以在線監(jiān)測，也可以待裝備定期維修時采用便攜式結(jié)構(gòu)PHM系統(tǒng)進(jìn)行損傷診斷，這主要取決于監(jiān)測的結(jié)構(gòu)部位的重要性。

3)某型火炮PHM系統(tǒng)應(yīng)該具有層次化分布式[8]的特點。每種結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)該能夠利用已有的車載總線進(jìn)行互聯(lián)，并且應(yīng)該存在一個系統(tǒng)核心對多個分系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息綜合。由此達(dá)到多種結(jié)構(gòu)部位、多種結(jié)構(gòu)形式、多種損傷模式的綜合健康監(jiān)測與管理的功能要求。

4)PHM系統(tǒng)是一個不斷完善和功能不斷完備的系統(tǒng)，隨著各種新技術(shù)、新算法的應(yīng)用，系統(tǒng)所需的各種資源也是不斷更新和完善的，因此某型火炮PHM系統(tǒng)的架構(gòu)應(yīng)該能夠使得系統(tǒng)具有良好的可擴展性[9]。

3.2 某型火炮PHM系統(tǒng)體系設(shè)計

基于上述分析，提出了一種分布式層次某型火炮PHM系統(tǒng)整體體系架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 某型火炮PHM結(jié)構(gòu)體系圖

從圖2可以看出，某型火炮PHM系統(tǒng)由車載PHM系統(tǒng)和車下PHM系統(tǒng)組成。車載PHM系統(tǒng)由火炮子系統(tǒng)、車載數(shù)據(jù)采集、車載監(jiān)測平臺和車載健康評估系統(tǒng)組成。車下PHM系統(tǒng)由車下數(shù)據(jù)處理平臺、車下狀態(tài)監(jiān)測平臺、車下故障預(yù)測平臺、PHM區(qū)域級管理器[11]、PHM數(shù)據(jù)庫、人機接口和維修管理中心組成。

其中，車載PHM系統(tǒng)將整個火炮劃分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應(yīng)一個完整的PHM成員級系統(tǒng)，由于不同故障模式在監(jiān)測和信號處理方面難度不同，對于簡單的故障模式如溫度，壓力等完全可以利用成員級系統(tǒng)完整實現(xiàn)針對子系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集、信號處理到狀態(tài)監(jiān)測、健康評估的全過程，而對于如振動，沖擊，磨損等故障的監(jiān)測，成員級系統(tǒng)只進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)絽^(qū)域級PHM系統(tǒng)中。對于簡單故障車載系統(tǒng)可進(jìn)行初步的決策并傳輸?shù)絽^(qū)域級管理器中做綜合決策。

車下系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理平臺、狀態(tài)監(jiān)測平臺和故障預(yù)測平臺主要用于復(fù)雜故障數(shù)據(jù)收集，并利用先進(jìn)算法對信號進(jìn)行特征提取，狀態(tài)監(jiān)測，利用物理模型或?qū)＜抑R進(jìn)行故障預(yù)測[10]，推斷故障發(fā)生時間，并將所得結(jié)果傳輸至區(qū)域級管理器中做綜合決策；區(qū)域級管理器負(fù)責(zé)接收來自車上和車下的信息來做綜合的決策，區(qū)域級管理器采用類似推理機的設(shè)計，綜合考慮各種因素，做出最終決策。首先，區(qū)域級管理器將收集到的信息及推理結(jié)果發(fā)送至PHM數(shù)據(jù)庫中以做信息歸檔，同時通過人機接口將指令發(fā)送至維修管理部門；PHM數(shù)據(jù)庫則作為一個知識庫的存在，收集來自整個PHM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息和知識信息，同時利用歷史數(shù)據(jù)庫中的故障信息和知識可以對當(dāng)前故障監(jiān)測與預(yù)測提供參考。

4 結(jié)束語

本文針對地面武器裝備PHM體系尚未成熟的現(xiàn)狀，分析了航空領(lǐng)域已經(jīng)運用的相對成熟的4種典型PHM體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合地面裝備復(fù)雜性和不確定性等特點，借鑒航空航天領(lǐng)域先進(jìn)經(jīng)驗，設(shè)計出了一種面向地面裝備的PHM體系結(jié)構(gòu)，并在某型火炮上具體應(yīng)用，實現(xiàn)了故障預(yù)測與健康管理的功能，為PHM在地面裝備領(lǐng)域推廣提供了參考。下一步工作中應(yīng)當(dāng)在具體框架下細(xì)化，將重點放在子系統(tǒng)級信號處理方法、狀態(tài)監(jiān)測方法、故障預(yù)測方法的實現(xiàn)方面，從方法上落實PHM結(jié)構(gòu)體系。

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Design and Application of Prognostics and Health Management(PHM) for A Type of Gun

Zhao Zhengfan1， Liu Jingbo1， Huang Meng2， Liu Shunxin3

(1.63961 Unit of the PLA,Beijing 100012,China; 2.Air Defense Forces Academy,Zhengzhou 410052，China;3.China CEPREI Laboratory, Guangzhou 510610,China)

Prognostics and health management (PHM) technology has been widely used in the aerospace field, but its application is still very few in the field of ground equipment. In order to promote the application of prognostics and health management technology in the field of ground equipment, the PHM system frame of a certain type gun is designed and constructed. Firstly, the four typical aerospace PHM architectures, OSA-CBM open architecture, centralized architecture, distributed architecture and hierarchical fusion architecture are compared and researched. Considered these characteristics and working environment, a suitable PHM system structure is proposed for ground equipment. Secondly, based on proposed the ground equipment PHM construction, the PHM system for a specific type gun is designed and its application in detail is described.Finally, the development trend of PHM technology in ground equipment and its future use in defense industry are prospected.

prognostics and health management (PHM) ; gun; system structure; ground equipment

2017-06-26；

2017-09-01。

趙征凡(1982-)，男，陜西西安人，博士，工程師，主要從事通用質(zhì)量特性工程方向的研究。

1671-4598(2017)12-0114-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.030

TP242

A