指揮自動化裝備預(yù)測與健康管理系統(tǒng)研究

史雪輝，楊新星，史 清

(1.海裝駐南京地區(qū)第三軍事代表室，南京 210039；2.海裝駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153；3.南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引 言

近年來，智能故障診斷技術(shù)的發(fā)展為指揮自動化裝備的故障診斷指明了新的發(fā)展方向，將智能故障診斷技術(shù)應(yīng)用于指揮自動化裝備也成為自主式后勤保障研究的熱點和難點問題。現(xiàn)代指揮自動化裝備的維修保障不僅需要故障的事后診斷，更需要事前預(yù)測與狀態(tài)的實時監(jiān)控，而且對維修效率、保障費用的控制也有急切需求，故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(Prognostic and Health Management，PHM)必然成為指揮自動化裝備維修保障的關(guān)鍵點。

作為裝備建設(shè)和支援保障管理的重要組成部分，指揮自動化裝備PHM系統(tǒng)對于促成裝備“兩成兩力”建設(shè)，提升指揮自動化裝備作戰(zhàn)使用效能具有重要作用。本文以指揮自動化裝備為對象，研究PHM系統(tǒng)的應(yīng)用實踐。

1 建設(shè)構(gòu)想

將傳統(tǒng)的可靠性分析與部件狀態(tài)的可監(jiān)測/可檢測特性結(jié)合起來，作為指揮自動化裝備健康管理的驅(qū)動，健康管理在預(yù)先數(shù)據(jù)庫信息的基礎(chǔ)上，分析來自各構(gòu)成部件/裝備的狀態(tài)信息、測試參數(shù)信息，對自身系統(tǒng)的總工作狀態(tài)進(jìn)行評估，預(yù)測部件/裝備的工作狀態(tài)，并提出可能的故障檢修預(yù)警和最佳維修時機，提高裝備可用度和任務(wù)可靠性。

對指揮自動化裝備各關(guān)聯(lián)子設(shè)備進(jìn)行FMECA分析，明確各設(shè)備的關(guān)鍵部件、關(guān)鍵元器件、故障機理、故障影響等。對關(guān)鍵對象的故障特性評估方法應(yīng)根據(jù)各專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业囊庖娺x取影響各設(shè)備主要元素的健康狀態(tài)特征參數(shù)，同時應(yīng)遵循可測性、針對性、敏感性、典型性的選取原則，例如指控系統(tǒng)中通信設(shè)備的環(huán)境溫度、通信效率等參數(shù)；偵察設(shè)備中偵察目標(biāo)的清晰度、完整度等參數(shù)；偵察目標(biāo)的范圍、精度等參數(shù)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 業(yè)務(wù)流程

對于PHM系統(tǒng)設(shè)計，目前典型的故障診斷與預(yù)測流程包含了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、特征指標(biāo)提取、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預(yù)測、保障決策等環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 PHM系統(tǒng)構(gòu)架圖

在數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊中，各種傳感器采集的相關(guān)參數(shù)信息將作為PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該模塊還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?shù)據(jù)處理部分接收來自傳感器和其他數(shù)據(jù)處理模塊的信號和數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理成后繼的狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測等部分處理要求的格式。該部分的輸出結(jié)果包括經(jīng)過濾與壓縮簡化后的傳感器數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)及其他特征數(shù)據(jù)等。特征指標(biāo)提取是為了故障識別、故障隔離和健康評估。狀態(tài)檢測部分接收來自傳感器、數(shù)據(jù)處理等數(shù)據(jù)，其主要功能是將這些數(shù)據(jù)同預(yù)定的失效判據(jù)等進(jìn)行比較，以監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。故障診斷和預(yù)測是通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，利用各種故障診斷和預(yù)測方法，根據(jù)歷史檢測數(shù)據(jù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及產(chǎn)品的參數(shù)或模型，確定系統(tǒng)部件的故障或剩余使用壽命，從而提供報警能力。保障決策模塊的主要功能是產(chǎn)生更換、維修活動等建議，可在被檢測系統(tǒng)發(fā)生故障之前的適宜時機采取維修措施。

2.2 數(shù)據(jù)流圖

故障傳輸?shù)膶嵸|(zhì)是一種異常征兆信息傳輸?shù)倪^程。指揮自動化裝備在運行過程中，系統(tǒng)參數(shù)偏離了正常狀態(tài)就可能出故障，表征它的特征向量也會變化。系統(tǒng)出故障的可能性越大，其狀態(tài)變化也越大。只要故障源存在，這種故障信息就會通過特征參數(shù)表現(xiàn)出來。

在復(fù)雜系統(tǒng)中，故障信息通常以兩種形式向外傳遞，即系統(tǒng)層內(nèi)傳輸和層間傳輸：層內(nèi)傳輸是指這種故障信息作為同一層次的其他相連系統(tǒng)的輸入，而引起該相連系統(tǒng)輸出異常以至故障；層間傳輸是指低層次的某子系統(tǒng)出故障后，其異常的輸出征兆輸入到較高(或較低)層次的子系統(tǒng)，引起較高層次(或較低)系統(tǒng)輸出異常以至出現(xiàn)故障。這種信息流程過程是系統(tǒng)故障監(jiān)測的主要任務(wù)，也是故障診斷的主要信息來源。在復(fù)雜系統(tǒng)中，故障信息可以經(jīng)過多種不同路徑進(jìn)行傳輸，因而故障的傳輸也是多條路徑同時進(jìn)行，相互作用。根據(jù)故障信息的傳遞方式，PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸包括3種數(shù)據(jù)流的傳遞關(guān)系，如圖2所示。

圖2 PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

縱向數(shù)據(jù)流：由安裝在部件/單元層的傳感器采集的設(shè)備底層數(shù)據(jù)信息或BIT的信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后傳輸?shù)较到y(tǒng)級的推理機進(jìn)行初步的狀態(tài)異常、故障診斷和故障預(yù)測分析，之后將系統(tǒng)級的分析結(jié)果上傳至裝備級進(jìn)行匯總分析。同時，PHM系統(tǒng)對整個裝備的健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評估預(yù)測，并及時處理系統(tǒng)中發(fā)生的故障，最后生成維修保障方案；

橫向數(shù)據(jù)流：在同一PHM層級上，對于一個系統(tǒng)而言，多個部件層采集的數(shù)據(jù)信息作為輸入，在該系統(tǒng)級就需要對眾多的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和融合處理，完成初步的異常檢測、故障診斷和故障預(yù)測等分析。對于多個系統(tǒng)而言，大多數(shù)系統(tǒng)之間存在交聯(lián)關(guān)系，其中一個系統(tǒng)故障可能會引發(fā)另外一個系統(tǒng)也故障；

反饋數(shù)據(jù)流：通過裝備級PHM的故障診斷以及自主式保障信息系統(tǒng)的故障預(yù)測，得到裝備完整的健康狀態(tài)和保障方案。這些信息將有針對性地反饋給艦員用戶和地面技術(shù)人員，后者根據(jù)PHM系統(tǒng)的決策做出相應(yīng)的操作和維修保障活動。

2.3 邏輯架構(gòu)

指揮自動化裝備PHM系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖3所示，包括物理資源層、接口層、技術(shù)支撐層、服務(wù)層和用戶層共5層結(jié)構(gòu)。

圖3 PHM系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

(1)物理資源層：主要提供面向故障預(yù)測與健康管理的指揮自動化裝備IETM知識庫、軟件資源和硬件資源，其中知識資源包括安全手冊、說明手冊、操作手冊、維修手冊、保養(yǎng)手冊、零部件手冊、接線手冊等各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化資源；軟件資源包括故障診斷領(lǐng)域的各種軟件工具、智能算法、優(yōu)化模型、診斷模型、預(yù)測模型等；硬件資源包括各種測試設(shè)備、診斷設(shè)備、檢測設(shè)備、IT設(shè)備等。

(2)接口層：該層為PHM平臺提供數(shù)據(jù)和知識資源接口、軟硬件資源接口及網(wǎng)絡(luò)通訊接口，該層包含系統(tǒng)平臺的物理支撐技術(shù)，為被診斷設(shè)備從運行現(xiàn)場到服務(wù)平臺提供一個信息通道。

(3)技術(shù)支撐層：該層為平臺運行提供技術(shù)支持和保障，主要包括各種建模技術(shù)(系統(tǒng)建模、方法建模、流程建模等)、平臺管理技術(shù)(如用戶管理、權(quán)限管理、資源管理、流程管理等)、知識服務(wù)技術(shù)(知識建模、知識管理、知識應(yīng)用、本體建模)、服務(wù)管理技術(shù)(服務(wù)封裝、服務(wù)組合、服務(wù)搜索等)。

(4)服務(wù)層：該層包含PHM平臺的主要服務(wù)內(nèi)容，各服務(wù)之間有的可以獨立調(diào)用，有的則具有一定的邏輯順序，需要組合使用。

(5)用戶層：該層提供人機交互界面，面向設(shè)備維護(hù)活動中的各類用戶，包括部隊用戶、裝備制造廠家、保障機構(gòu)及其他機構(gòu)。各類用戶可以通過服務(wù)平臺調(diào)用服務(wù)層的各項服務(wù)功能，使用各類平臺資源，以滿足用戶需求。

3 指控自動化裝備健康管理系統(tǒng)

指揮自動化系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)原理如圖4所示。綜合指揮控制系統(tǒng)接收各設(shè)備已有的可靠性信息，在設(shè)備運行、故障的歷史數(shù)據(jù)記錄和技術(shù)狀態(tài)實時感知的基礎(chǔ)上，通過故障樹模型、控制圖模型對致命性故障進(jìn)行預(yù)警管理；通過故障決策樹、多信號流圖等模型對故障進(jìn)行智能輔助診斷；通過RCM或RBM分析進(jìn)行主動維修分析及預(yù)防性維修的定期優(yōu)化；通過任務(wù)及故障仿真生成維修保障資源清單，并對指控系統(tǒng)任務(wù)能力進(jìn)行評估。

圖4 指控系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)功能原理

指揮自動化系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)包含以下功能模塊：

(1)數(shù)據(jù)采集 從數(shù)據(jù)獲取層的數(shù)據(jù)源及其他信號處理模塊獲取數(shù)據(jù)，或者采集用戶提供的離線數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)處理 將采集到的數(shù)據(jù)處理成后繼的狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測等部分處理要求的格式。該部分的輸出結(jié)果包括經(jīng)過濾、壓縮簡化后的傳感器數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸 處理后的數(shù)據(jù)需要傳輸給上層應(yīng)用系統(tǒng)使用，為保證數(shù)據(jù)的一致性調(diào)用，PHM系統(tǒng)必須定義數(shù)據(jù)傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)以及傳輸協(xié)議規(guī)范。這些接口包含數(shù)據(jù)接口、人機接口等。

(4)特征指標(biāo)提取 將采集到的信號進(jìn)行分類處理、加工，獲得能表征其特征的過程，其主要用途在于后續(xù)的故障識別和健康評估。

(5)狀態(tài)監(jiān)控 該服務(wù)接收實時數(shù)據(jù)、處理后數(shù)據(jù)或者離線數(shù)據(jù)，將特征值與期望值進(jìn)行比較，并輸出監(jiān)測結(jié)果，可以根據(jù)一定的規(guī)則和方法進(jìn)行報警。

(6)健康評估 利用性能檢測和對履歷信息數(shù)據(jù)挖掘產(chǎn)生的健康指標(biāo)，構(gòu)建關(guān)鍵部件和子系統(tǒng)的健康指數(shù)，并用直觀、統(tǒng)一的展示界面反映裝備、部件的健康狀態(tài)及其趨勢。

(7)健康狀態(tài)預(yù)警 集中展示裝備運行狀態(tài)信息、報警信息、預(yù)警信息和健康狀態(tài)，同時能夠有針對性地推送裝備狀態(tài)信息給應(yīng)急處理或者故障處理人員，確保裝備異常狀態(tài)能夠得到及時處置。

(8)故障預(yù)測 基于大數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)學(xué)物理模型分析，快速準(zhǔn)確地提取裝備關(guān)鍵部件的性能指標(biāo)，通過分析指標(biāo)的趨勢和突變對裝備潛在的故障進(jìn)行早期預(yù)警，并采取預(yù)防性措施來避免故障的發(fā)生，從而大大提升裝備的安全性和可用性。

(9)維修優(yōu)化 基于健康指數(shù)和故障分布的關(guān)鍵部件和裝備維修主間隔的優(yōu)化模型，給出大修修程修制優(yōu)化的輔助決策建議。

(10)維修排程 以維修大綱和作業(yè)指導(dǎo)書為基礎(chǔ)，將故障維修任務(wù)、日周月檢修任務(wù)以及維修資源等限制條件進(jìn)行統(tǒng)籌計算，形成均衡化的每日檢修作業(yè)計劃和排程。

(11)智能修理 基于裝備交互式電子技術(shù)手冊數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、產(chǎn)品履歷和智能分析模型，自動生成最優(yōu)化的故障診斷和定位作業(yè)步驟指引。

(12)保障決策 運行數(shù)據(jù)查詢與分析，對裝備全壽命周期產(chǎn)生的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，提供可視化查詢、排序、打印等功能，同時根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則和算法對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以報表、曲線圖等形式展現(xiàn)分析結(jié)果，為裝備使用部門領(lǐng)導(dǎo)提供輔助決策支持。

4 結(jié)束語

本文針對指揮自動化裝備集成化、網(wǎng)絡(luò)化及信息化特點及智能故障診斷技術(shù)的發(fā)展，開展了指揮自動化裝備健康管理技術(shù)研究，可有效解決裝備可用度低、維修保障困難的問題。