一種艦載雷達健康管理系統(tǒng)設(shè)計方法及實現(xiàn)

洪 暢,翟棟梁,丁志輝,沈 洋

(中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

為了能夠適應(yīng)日益嚴(yán)苛的作戰(zhàn)環(huán)境,雷達的復(fù)雜度和集成度越來越高,功能更加復(fù)雜,性能也不斷提升。相應(yīng)地,雷達的組成模塊數(shù)量龐大、種類繁多,且各模塊之間故障耦合性高,因而對其運行可靠性和自主保障能力的要求也越來越高[1]。健康管理(Prognostic and Health Management,PHM)技術(shù)是實現(xiàn)武器裝備基于狀態(tài)的維修、智能維護、自主式保障、感知與響應(yīng)后勤等新思想、新方案的關(guān)鍵技術(shù)之一,目前已受到歐美軍事強國的高度重視并被推廣應(yīng)用,正在成為新型武器裝備研制設(shè)計和使用過程中的重要組成部分[2]。

艦載雷達作為一種大型復(fù)雜的電子信息系統(tǒng),不同型號的系統(tǒng)組成、工作體制、執(zhí)行任務(wù)等差異較大。本文設(shè)計一種能夠適應(yīng)不同雷達特點,并快速構(gòu)建和部署的健康管理系統(tǒng),使設(shè)計過程聚焦于艦載雷達健康管理模型的構(gòu)建,而無須關(guān)心具體的實現(xiàn)方法,能夠降低健康管理系統(tǒng)的復(fù)雜度和設(shè)計周期,且具有易維護升級的優(yōu)點。

1 健康管理技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外PHM技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,且產(chǎn)品成熟度高,目前已成功部署于諸多先進武器裝備,能夠有效提高戰(zhàn)備效能評估,其自主保障能力在國外多型裝備上得到驗證,如美國“宙斯盾”驅(qū)逐艦的戰(zhàn)備裝備測試系統(tǒng)(ORTS)、美國海軍艦船綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)(ICAS)、F-35戰(zhàn)機的PHM系統(tǒng)、“阿帕奇”直升機的健康狀態(tài)與使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)、航天器的綜合健康管理系統(tǒng)(IVHM)等[3]。從PHM系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來看,國外包括ISO、IEEE和OSA等在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)針對PHM技術(shù)形成了一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),涵蓋了PHM技術(shù)需求分析、功能設(shè)計、產(chǎn)品集成、性能評價和驗證全過程[4]。從PHM研制平臺來看,國外已經(jīng)擁有多種滿足不同應(yīng)用場合和不同裝備類型的PHM系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計和評價一體化通用平臺,絕大多數(shù)PHM系統(tǒng)都是采用這些專業(yè)的PHM研制平臺實現(xiàn)的,包括PHM DesignTM、SureSense、VSE-PHM、iTrend等[5]。

近年來,PHM技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和高度重視,一些航空、航天、雷達、艦船等領(lǐng)域科研院所已經(jīng)開展了一系列PHM基礎(chǔ)理論研究和PHM系統(tǒng)設(shè)計,取得了顯著成果。但是,由于起步較晚,相關(guān)理論研究還不夠深入,在大型復(fù)雜裝備健康管理應(yīng)用上的成功案例并不多。在艦載雷達領(lǐng)域,國內(nèi)PHM技術(shù)應(yīng)用較遲,目前基本處于故障診斷層級,即能實時顯示設(shè)備的狀態(tài)信息,并進行故障診斷和隔離,尚不具備完成雷達狀態(tài)評估、故障預(yù)測和提供維修決策的能力或應(yīng)用還不夠深入,越來越難以滿足艦載雷達運行可靠性、視情維修和自主保障的需求。關(guān)于PHM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),由于PHM實踐經(jīng)驗匱乏和技術(shù)儲備不夠,我國目前主要借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,尚未形成完備的PHM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。在PHM研制平臺方面,國內(nèi)有關(guān)科研院所和高校已經(jīng)開展研究,并且在某些裝備PHM系統(tǒng)研制中發(fā)揮了一定的作用,但是還處于初期階段,尚未形成通用化強、成熟度高的產(chǎn)品。

2 艦載雷達健康管理系統(tǒng)設(shè)計

艦載雷達裝備型號眾多,各型號差異較大,系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,故障模式眾多,任務(wù)耦合度高,其健康管理系統(tǒng)設(shè)計要實現(xiàn)多區(qū)域?qū)哟位_放體系結(jié)構(gòu),對雷達進行分類分層設(shè)計,做到軟件可互操作、流程可重構(gòu)、信息共享、對外信息交互便捷。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

艦載雷達通常包括陣面、伺服、信號處理、數(shù)據(jù)處理、環(huán)控等分系統(tǒng),且不同型號裝備差異較大,任務(wù)側(cè)重點也有所不同。為了適應(yīng)和滿足不同雷達的特點與需求,采用開發(fā)與運行分離的方法,設(shè)計一種艦載雷達健康管理系統(tǒng),其總體架構(gòu)以及與雷達其他子系統(tǒng)之間的功能層級關(guān)系如圖1所示。

圖1 艦載雷達健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

雷達底層軟硬件是健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,包括傳感器、模塊級BIT軟件、分系統(tǒng)級BIT軟件和數(shù)據(jù)庫,其中分系統(tǒng)BIT負責(zé)收集內(nèi)部各模塊BIT和傳感器數(shù)據(jù),完成初步故障檢測和定位,形成原始數(shù)據(jù)提交給雷達健康管理系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫用于存儲健康管理系統(tǒng)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù),比如故障診斷結(jié)果、評估結(jié)果、發(fā)送故障時的關(guān)鍵參數(shù)等,此外還記錄所有分系統(tǒng)運行狀態(tài),形成歷史數(shù)據(jù)。雷達健康管理服務(wù)分為數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層3個層次。

(1)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解碼、數(shù)據(jù)處理和算法訓(xùn)練4個功能模塊:數(shù)據(jù)獲取模塊負責(zé)接收雷達健康狀態(tài)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)解碼模塊完成原始報文解析;數(shù)據(jù)處理模塊完成原始數(shù)據(jù)到模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換;算法訓(xùn)練模塊基于歷史數(shù)據(jù)生成一個性能最優(yōu)的算法模型。

(2)模型層

模型層的作用是提供健康管理系統(tǒng)具體應(yīng)用所需的模型,主要包括雷達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屬性、資源信息、診斷邏輯、預(yù)測算法、評估模型以及維修措施,其中結(jié)構(gòu)屬性完成健康管理對象的配置,包括雷達結(jié)構(gòu)樹及屬性、故障點及故障模式、數(shù)據(jù)接收協(xié)議、頻率、解析方法等;資源信息主要有備件清單、可更換單元和壽命件清單、保障單位信息等;診斷邏輯針對每個模塊故障點和故障模式選擇故障判據(jù)方法;預(yù)測算法用于選擇故障預(yù)測時使用的算法文件;評估模型用于選擇評估雷達健康狀態(tài)、性能、任務(wù)可完成度的方法;維修措施用于選擇故障處理的維修措施。

(3)應(yīng)用層

應(yīng)用層在在數(shù)據(jù)層和模型層的支撐下實現(xiàn)具體健康管理業(yè)務(wù),遵從OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn),包括狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、狀態(tài)評估、故障預(yù)測和維保決策,具備資源管理和系統(tǒng)管理功能:資源管理可完成對模型層中各類資源信息的管理功能,包括資源屬性增加、修改和查看、備件維修狀態(tài)和記錄、保障單位信息管理等;系統(tǒng)管理負責(zé)管理健康管理系統(tǒng),主要包括對用戶的增加、刪除和權(quán)限管理、各類數(shù)據(jù)和報告的生成與導(dǎo)入導(dǎo)出、用戶操作的日志管理等。

健康管理系統(tǒng)設(shè)計采用B/S架構(gòu),用戶通過瀏覽器訪問健康管理服務(wù)端并提交業(yè)務(wù)請求,服務(wù)器便可以完成相應(yīng)處理工作,之后再將運算結(jié)果作為響應(yīng)傳遞給客戶端。雷達健康管理系統(tǒng)還可以與外部系統(tǒng)交互,如雷達顯控臺、交互式電子手冊和上級指揮中心等。健康管理系統(tǒng)將健康管理過程中的數(shù)據(jù)或處理結(jié)果發(fā)送給雷達顯控臺,以便提供及時的故障提示告警或?qū)崟r的狀態(tài)監(jiān)測;健康管理系統(tǒng)關(guān)聯(lián)交互式電子手冊,發(fā)生故障后可以基于健康管理系統(tǒng)生成的維保決策結(jié)果,調(diào)用交互式電子手冊指導(dǎo)后期的維修活動;健康管理系統(tǒng)還可以與上級指揮中心進行通信,方便指揮中心監(jiān)控全部管轄裝備的健康狀態(tài)和后勤保障需求。

在設(shè)計和部署健康管理系統(tǒng)時,先對健康管理對象即雷達完成健康管理模型的構(gòu)建,包括產(chǎn)品模型和功能模型:產(chǎn)品模型又分為雷達結(jié)構(gòu)樹、參數(shù)、屬性等;功能模型包括故障模式、故障診斷方法、評估方法、預(yù)測算法、維修決策方法等;再基于生成的模型為雷達生成狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、健康狀態(tài)評估和維修預(yù)測等方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用。這種設(shè)計方法將健康管理對象與業(yè)務(wù)進行邏輯分離,解除了二者之間的緊耦合關(guān)系,內(nèi)部邏輯清晰,雷達健康管理模型的構(gòu)建、管理、升級和加載使得系統(tǒng)具備快速部署、通用性強、易于維護的優(yōu)勢。

2.2 核心功能設(shè)計

雷達健康管理系統(tǒng)是對雷達的全方位智能監(jiān)控和感知技術(shù),是對傳統(tǒng)BIT功能的全面拓展,能夠?qū)崿F(xiàn)裝備的視情維修,有利于提高裝備任務(wù)執(zhí)行可靠性和降低裝備維修費用,其核心功能包括數(shù)據(jù)獲取及處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)測、狀態(tài)評估和維修保障決策。

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

數(shù)據(jù)獲取及處理是雷達健康管理系統(tǒng)的運行基礎(chǔ),雷達包含大量的電子設(shè)備和微波器件,傳感器是數(shù)據(jù)的來源,各級LRU監(jiān)控軟件或分系統(tǒng)級BIT軟件將表征模塊運行狀態(tài)的電壓、電流、相位、駐波等重要參數(shù)收集起來,再通過可靠的內(nèi)部總線傳輸至PHM系統(tǒng),PHM系統(tǒng)接收到原始數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解碼、提取、轉(zhuǎn)換、存儲等操作,形成供PHM系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)。在艦載雷達運行過程中,PHM系統(tǒng)不斷存儲運行過程中的狀態(tài)信息以形成歷史數(shù)據(jù),基于長期的歷史數(shù)據(jù)進行算法訓(xùn)練,是生成故障預(yù)測算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測是雷達健康管理系統(tǒng)的初始環(huán)節(jié),實現(xiàn)對艦載雷達下轄各分系統(tǒng)及部件運行狀態(tài)的實時監(jiān)控,對反映艦載雷達健康狀況的重要參數(shù)進行全面監(jiān)測,并通過圖表等可視化方式將具體信息直觀地顯示給用戶。艦載雷達監(jiān)測參數(shù)可以分為3類:

(1)數(shù)據(jù)類信息,包括電壓、電流、溫度、濕度、功率、駐波、CPU使用率、內(nèi)存占用率等數(shù)據(jù),以具體采樣或監(jiān)測數(shù)值進行轉(zhuǎn)換監(jiān)測;

(2)狀態(tài)類信息,包括運行狀態(tài)、通信狀態(tài)、程序加載狀態(tài)、門開關(guān)、加電狀態(tài)等,以數(shù)字(0/1)表征是或否進行監(jiān)測;

(3)文字類信息,包括故障信息、備件信息、維修信息等,以自動填報或人工填報的文字表格進行監(jiān)測。

2.2.3 故障診斷

故障診斷是雷達健康管理系統(tǒng)在傳統(tǒng)BIT功能基礎(chǔ)上的進一步提升。目前,BIT功能已經(jīng)成熟地應(yīng)用于艦載雷達各分系統(tǒng),可以自動監(jiān)控雷達分系統(tǒng)所轄各部件的運行狀態(tài),發(fā)生故障時能夠自動定位并隔離故障,并且對于具有破壞性故障和影響整機運行的故障能夠執(zhí)行實時的保護措施,避免設(shè)備損壞。PHM故障診斷在此之上能夠?qū)?dāng)前故障現(xiàn)象和歷史故障記錄相結(jié)合,根據(jù)各分系統(tǒng)故障關(guān)聯(lián)關(guān)系及故障樹完成推理分析,從而更加及時和準(zhǔn)確地診斷故障,定位到可更換單元,并給出故障的詳細信息、告警提示和基礎(chǔ)的解決辦法。

2.2.4 故障預(yù)測

故障預(yù)測是雷達健康管理系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)BIT的核心功能。對于具有損傷標(biāo)尺的部件,可以通過其明確的退化機理或使用壽命閾值建立線性退化模型來完成故障預(yù)測,且預(yù)測精度較高[6]。但是,由于艦載雷達系統(tǒng)內(nèi)部具備明確失效機理的部件較少,通常為電機、風(fēng)機、匯流環(huán)等機電模塊,可實施范圍較小。

大部分電子設(shè)備的退化規(guī)律不明確,在不同的環(huán)境和工作應(yīng)力下發(fā)生故障的概率呈現(xiàn)隨機性,難以提取表征電子設(shè)備工作狀態(tài)的特征信息,因此故障預(yù)測的意義不大,關(guān)注點還是放在部件可靠性設(shè)計、及時的故障診斷和定位功能上。

當(dāng)輸出性能指標(biāo)或狀態(tài)信息能夠反映部件工作衰退變化趨勢時,故障預(yù)測功能在這種應(yīng)用場景下最為有效。首先要對部件由正常到退化再到故障的全過程歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,得出歷史數(shù)據(jù)的特征和分布情況,再完成特征參數(shù)選擇,得到能夠表征部件退化過程的關(guān)鍵信號,最后可選擇支持向量機、貝葉斯、隨機森林、決策樹回歸等機器學(xué)習(xí)算法進行預(yù)測,通過對比不同算法與參數(shù)權(quán)重的預(yù)測結(jié)果得到算法和參數(shù)的最優(yōu)組合,以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。這種預(yù)測方法需要大量的樣本數(shù)據(jù)支撐,而目前在艦載雷達領(lǐng)域?qū)τ谶@部分部件工作狀態(tài)信息的采集不夠全面,須要在雷達分系統(tǒng)和模塊設(shè)計時考慮到故障預(yù)測功能的需求,設(shè)置更加全面的傳感器和檢測裝置。此外,部件運行歷史數(shù)據(jù)相對缺失:一是傳統(tǒng)BIT缺少歷史數(shù)據(jù)記錄功能;二是獲取單一種類部件正常到故障的狀態(tài)信息時間周期不確定。因此,健康管理系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)存儲模塊不間斷地記錄部件的工作狀態(tài)信息,當(dāng)雷達內(nèi)部某一類部件數(shù)量較多時,例如功放組件、T/R組件、電源等,基于同一部件工作狀態(tài)的相似性可以更加有效地得到該部件的退化過程數(shù)據(jù)。

2.2.5 狀態(tài)評估

狀態(tài)評估是雷達健康管理系統(tǒng)的又一重要功能,負責(zé)完成艦載雷達及關(guān)鍵分系統(tǒng)健康狀態(tài)的綜合評估,一般包括雷達健康度、探測性能和任務(wù)可執(zhí)行度評估[1,7]。

由于艦載雷達內(nèi)部電子設(shè)備眾多,不同電子設(shè)備失效對于雷達的影響不盡相同,有些電子設(shè)備故障只影響某一分系統(tǒng),有些電子設(shè)備會做硬件故障冗余和重構(gòu)功能,其故障對雷達性能不造成影響或影響很小。因此,首先要建立雷達整機健康度評估體系,根據(jù)實時狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷結(jié)果對當(dāng)前雷達健康狀態(tài)作出定性評價,再通過不同顏色進行分級顯示。

雷達探測性能主要指雷達探測威力、精度、跟蹤、抗干擾等指標(biāo)。以有源相控陣?yán)走_為例,T/R組件故障數(shù)量及位置對雷達性能指標(biāo)的影響差別很大,在雷達運行時陣面內(nèi)監(jiān)測通過幅相校準(zhǔn)結(jié)果做出補償,可以根據(jù)幅相監(jiān)測結(jié)果獲得組件各通道幅度及相位信息,從而計算得到等效的天線方向圖,包括發(fā)射及接收波束增益、副瓣電平、波束寬度等指標(biāo),再根據(jù)雷達威力評估算法得到雷達當(dāng)前探測威力、測角精度等與設(shè)計值的偏差。

在健康管理系統(tǒng)中建立與雷達的作戰(zhàn)任務(wù)對應(yīng)的評估模型,例如警戒探測、目標(biāo)指示、氣象探測等,制訂執(zhí)行任務(wù)需要達到的性能指標(biāo)和關(guān)聯(lián)的分系統(tǒng)及部件的故障狀態(tài),判定雷達是否具備完成該任務(wù)的能力,輸出能夠執(zhí)行、降級執(zhí)行和無法執(zhí)行等評價結(jié)果。

2.2.6 維修保障決策

維修保障決策是雷達健康管理系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié),能夠根據(jù)故障診斷、故障預(yù)測及資源備件等信息,自動生成雷達維修保障方案。在健康管理系統(tǒng)中建立維修單元、維修行為和維修工卡,在維修工卡中詳細定義維修原因、保障單位、維修方法、耗材及具體步驟等,當(dāng)現(xiàn)有備件數(shù)量不足或沒有該型號備件時給出警示信息,并且能夠關(guān)聯(lián)IETM交互式電子手冊進一步指導(dǎo)維修行為。在維修過程中,維修保障人員確認實際故障并錄入故障信息,包括維修或更換的模塊、維修人員、維修步驟、用到的備件數(shù)量和種類、維修時間等,實現(xiàn)維修過程的跟蹤管理。

2.3 應(yīng)用案例

基于某型艦載雷達完成健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用實施,具體流程如圖2所示。

首先,分析雷達產(chǎn)品,包括雷達系統(tǒng)組成、FMEA分析、故障樹、作戰(zhàn)任務(wù)、評估體系、保障信息等;

其次,構(gòu)建艦載雷達健康管理模型,包括雷達產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、各分系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)接收及解碼方法、數(shù)據(jù)處理及特征提取方法、故障判據(jù)及診斷推理、預(yù)測算法及參數(shù)設(shè)置、雷達健康度及任務(wù)可執(zhí)行度評估模型和維修保障策略;

圖2 艦載雷達PHM系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)流程

最后,基于構(gòu)建好的艦載雷達健康管理模型,健康管理系統(tǒng)對實時獲取到的雷達各分系統(tǒng)BIT數(shù)據(jù)進行解析處理,實現(xiàn)雷達實時狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及預(yù)測、健康狀態(tài)評估功能,并且依據(jù)故障診斷、評估和預(yù)測結(jié)果給出相應(yīng)的保障決策,實現(xiàn)雷達裝備健康狀態(tài)的全方位管控。

3 結(jié)束語

本文基于艦載雷達的特點,采用分層設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用分離方法,設(shè)計一種艦載雷達健康管理系統(tǒng),并通過某型艦載雷達完成健康管理系統(tǒng)的應(yīng)用實施。系統(tǒng)運行穩(wěn)定,效果良好,對其他大型裝備健康管理系統(tǒng)的設(shè)計有一定的借鑒意義。

健康管理技術(shù)是一種大型復(fù)雜電子裝備全生命周期健康狀態(tài)管控的新技術(shù),能夠有效降低艦載雷達維修保障成本,提高武器安全性、可用度與完好性,對提升艦載雷達的作戰(zhàn)效能具有顯著意義。