艦船通信系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究

賈心愷

（海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室，上海 200129）

1 引言

艦船通信系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量多、種類繁雜，導(dǎo)致其診斷和修復(fù)時(shí)間過長(zhǎng)，備件和測(cè)試設(shè)備以及計(jì)劃維修次數(shù)過多，大大增加了通信裝備使用和保障費(fèi)用。在這樣的背景下，美國(guó)軍方提出了針對(duì)新一代武器系統(tǒng)的先進(jìn)測(cè)試、維修和管理技術(shù)——預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）。PHM是一種全面故障檢測(cè)、隔離和預(yù)測(cè)及健康管理技術(shù)。它的引入不是為了直接消除故障，而是為了預(yù)測(cè)故障發(fā)生的可能性以及在故障發(fā)生后進(jìn)行簡(jiǎn)單的維修活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自助式保障，以降低使用和保障費(fèi)用。

PHM技術(shù)采用先進(jìn)的傳感器，借助各種算法和智能模型來預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該技術(shù)最大程度地利用傳統(tǒng)的故障特征檢測(cè)技術(shù)，并綜合先進(jìn)的軟件建模，來獲得虛警幾率幾乎為零的精確故障檢測(cè)和隔離結(jié)果。PHM技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提高對(duì)復(fù)雜通信系統(tǒng)工作狀態(tài)的了解，進(jìn)而提高系統(tǒng)任務(wù)的可靠性和安全性。預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)正在成為新型復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中的一個(gè)重要組成部分。

2 PHM技術(shù)特點(diǎn)

PHM代表了一種方法的轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉(zhuǎn)向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。反應(yīng)式的保障轉(zhuǎn)向在準(zhǔn)確時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確的部位進(jìn)行準(zhǔn)確維修的先導(dǎo)式活動(dòng)。其目的是減少維修人力、實(shí)現(xiàn)自主式保障。這種轉(zhuǎn)變引入了故障預(yù)測(cè)能力，借助這種能力可以預(yù)測(cè)、識(shí)別和管理故障的發(fā)生。

故障預(yù)測(cè)，即預(yù)計(jì)診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的結(jié)果，預(yù)計(jì)部件的性能下降或臨近故障情況，包括確定部件的殘余壽命或保持正常工作的時(shí)間長(zhǎng)度，便于維修人員根據(jù)其實(shí)際狀況來更換部件；狀態(tài)管理則是根據(jù)診斷／預(yù)測(cè)信息、可用資源和使用需求，對(duì)維修活動(dòng)做出適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和決策。

艦船通信系統(tǒng) PHM技術(shù)的核心是利用先進(jìn)傳感器的集成，借助各種算法和智能模型來預(yù)測(cè)、監(jiān)控和管理通信系統(tǒng)裝備的健康狀態(tài)，是BIT測(cè)試和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步拓展。PHM技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了維修和保障模式從狀態(tài)監(jiān)控向狀態(tài)管理的轉(zhuǎn)變，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將使由事件主宰的維修（即事后維修）或時(shí)間相關(guān)的維修（即定期維修）被基于狀態(tài)的維修（即視情維修）所取代。

3 PHM的工作原理

艦船通信系統(tǒng)的 PHM 用于艦載通信設(shè)備信息的監(jiān)控、存儲(chǔ)、傳送以及故障預(yù)測(cè)與診斷，它是一種綜合運(yùn)用由多種診斷和預(yù)測(cè)技術(shù)構(gòu)成的部件、分系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)監(jiān)控策略的一體化建模結(jié)構(gòu)。原理組成如圖l所示。

圖1 PHM原理組成圖

PHM主要采用基于人工智能的方法，將來自傳感器或機(jī)內(nèi)自測(cè)的數(shù)據(jù)傳給事先已構(gòu)造和訓(xùn)練好的智能推理機(jī)軟件，智能推理機(jī)利用基于模型的推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯之類的智能數(shù)學(xué)模型來模仿物理系。智能推理主要有如下三種形式。

a) 診斷推理：對(duì)監(jiān)控的結(jié)果和其他輸入進(jìn)行評(píng)估，確定所報(bào)告故障的原因和影響。診斷推理機(jī)由一套算法組成，采用模型對(duì)故障的輸入信息進(jìn)行評(píng)估。這些模型可確定失效模式、監(jiān)控信息和故障影響之間的關(guān)系。

b) 預(yù)測(cè)推理：確定通信設(shè)備正向某種已知的故障狀態(tài)發(fā)展及相關(guān)的潛在影響。在許多情況下，艦上的預(yù)測(cè)處理主要是收集數(shù)據(jù)，當(dāng)艦船靠岸后的數(shù)據(jù)處理則是根據(jù)編隊(duì)的信息和趨勢(shì)情況完成預(yù)測(cè)推理。

c) 異常推理：通過識(shí)別原來未預(yù)料到的情況，幫助改進(jìn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。艦上處理主要是檢測(cè)異常情況和收集相關(guān)數(shù)據(jù)；艦船靠岸后處理則是判斷所發(fā)現(xiàn)的異常是已知的故障狀態(tài)，還是需要研究的新情況。

推理機(jī)信息管理器綜合上述三種推理機(jī)的結(jié)果形成報(bào)告，確定已檢測(cè)出和預(yù)測(cè)出的故障及其對(duì)任務(wù)的影響。同時(shí)艦船通信系統(tǒng) PHM 保留與岸基通信 PHM 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口，將監(jiān)測(cè)到艦船的健康狀況上報(bào)給上級(jí)系統(tǒng)。

4 艦載通信系統(tǒng)PHM功能需求

根據(jù)艦載通信設(shè)備作戰(zhàn)使用、維護(hù)維修、綜合保障、訓(xùn)練等方面的實(shí)際使用要求，結(jié)合長(zhǎng)期以來積累的通信設(shè)備故障信息分析，適用我海軍艦載通信系統(tǒng) PHM 至少應(yīng)具備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與定位、健康狀態(tài)管理和輔助決策等功能。狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能通過監(jiān)測(cè)設(shè)備采集設(shè)備狀態(tài)：故障診斷功能完成故障的診斷和定位：健康管理功能完成健康狀態(tài)評(píng)估和健康趨勢(shì)預(yù)測(cè)：輔助決策功能通過輔助決策機(jī)制支持故障診斷與定位和健康狀態(tài)管理功能。艦載通信裝備 PHM綜合分析組成功能間的交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 艦載通信系統(tǒng)PHM功能關(guān)系圖

a) 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

采集艦載通信系統(tǒng)／設(shè)備提供的艦載通信主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過專用測(cè)試模塊獲取艦載通信主要設(shè)備的特征信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦內(nèi)各通信分系統(tǒng)及艦載通信設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

b) 故障診斷與定位功能

當(dāng)監(jiān)測(cè)的艦載通信主要設(shè)備發(fā)生異常時(shí)，通過設(shè)備故障模型及獲取的特征信息和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，確定設(shè)備發(fā)生故障的部位及可能的故障類型，形成設(shè)備維修建議并指導(dǎo)維修；必要時(shí)可使用便攜式維修輔助設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試診斷和輔助決策，同時(shí)對(duì)于無法診斷的設(shè)備故障，可提供離線遠(yuǎn)程專家故障診斷。

c) 健康狀態(tài)管理功能

建立艦載通信主要設(shè)備的健康狀態(tài)評(píng)估模型，結(jié)合艦載通信主要設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過評(píng)估算法模型對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行綜合性指標(biāo)判斷，完成設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和健康趨勢(shì)預(yù)測(cè)，生成設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)建議，指導(dǎo)維護(hù)管理。

d) 輔助決策功能

輔助艦載通信主要設(shè)備的維修保障人員進(jìn)行維護(hù)維修管理決策，能夠提供維修資源、維修維護(hù)計(jì)劃生成和維修保障訓(xùn)練、設(shè)備改進(jìn)建議等輔助決策功能。

5 艦船通信系統(tǒng)PHM的關(guān)鍵技術(shù)

艦船通信系統(tǒng) PHM 連續(xù)監(jiān)控通信設(shè)備的使用、健康和安全，系統(tǒng)主要采用的關(guān)鍵技術(shù)主要可分為以下幾類。

a) 先進(jìn)的傳感器和非傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)

艦船通信系統(tǒng) PHM 對(duì)傳感器技術(shù)的要求是具備良好的兼容性和可靠性，以適應(yīng)艦船通信設(shè)備的多樣性和使用環(huán)境，并且應(yīng)不易受電磁干擾的影響等。其常用的先進(jìn)測(cè)試傳感器有光纖傳感器、無線傳感器、虛擬傳感器、智能傳感器和壓電傳感器等。這些傳感器比傳統(tǒng)的傳感器能力更強(qiáng)，更容易實(shí)現(xiàn)故障的探測(cè)，從而使得檢測(cè)技術(shù)敏感性更強(qiáng)。

目前，研究主要從兩方面展開，一是對(duì)傳感器性能進(jìn)行優(yōu)化，包括提高傳感器器件的精度、穩(wěn)定性、復(fù)用性、方向性等；另一方面是研究如何減小傳感器的尺寸，以便于同工程結(jié)構(gòu)集成。

b) 預(yù)測(cè)技術(shù)

預(yù)測(cè)是檢測(cè)和監(jiān)控故障部件的先兆指示，并沿著故障到失效的時(shí)間線不斷進(jìn)行精確的剩余使用壽命預(yù)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)、分系統(tǒng)或部件可能出現(xiàn)小缺陷和（或）早期故障或逐漸降級(jí)到不能以最佳性能完成其功能的某一點(diǎn)時(shí)，選取相關(guān)檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)這些，并隨著其嚴(yán)重性的增長(zhǎng)對(duì)其實(shí)施監(jiān)控。主要包括基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)、漸近式預(yù)測(cè)、基于特征擴(kuò)展的智能預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估預(yù)測(cè)、基于卡爾曼濾波或其它各種不同跟蹤過濾器的狀態(tài)評(píng)估技術(shù)和基于物理的預(yù)測(cè)等技術(shù)。

c) 信息融合技術(shù)

傳統(tǒng)的信息／數(shù)據(jù)融合是指多傳感器的信息據(jù)在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合以完成所需的決策和評(píng)估而進(jìn)行的信息處理過程。

信息融合最早用于軍事領(lǐng)域，定義為一個(gè)處理檢測(cè)、互聯(lián)、估計(jì)以及組合多源信息和數(shù)據(jù)的多層次多方面過程，以便獲得準(zhǔn)確的狀態(tài)和身份估計(jì)、完整而及時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅估計(jì)。信息融合蘊(yùn)含了三個(gè)方面的含義：信息融合是在幾個(gè)層次上完成對(duì)多源信息的處理過程，其中每一層次都表示不同級(jí)別的信息抽象：信息融合包括檢測(cè)、互聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)以及信息組合：信息融合的結(jié)果包括較低層次上的狀態(tài)和身份估計(jì)以及較高層次上的整個(gè)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)估計(jì)。

d)人工智能技術(shù)

PHM中廣泛采用了人工智能技術(shù)，包括專家系統(tǒng)（基于模型的推理、基于案例的推理，基于規(guī)則的推理）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和遺傳算法等。專家系統(tǒng)是人工智能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中最成功的分支之一，它由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和推理機(jī)三部分組成。

由大量簡(jiǎn)單人工神經(jīng)元廣泛互連而成的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是 PHM 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成，其最主要的特征是：大規(guī)模并行處理，信息的分布式存儲(chǔ)；高度的容錯(cuò)性和健壯性、自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)及實(shí)時(shí)處理等。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有處理復(fù)雜多模式及進(jìn)行聯(lián)想、推測(cè)和記憶的功能，特別適用于需要同時(shí)考慮多種因素和條件的、不精確和模糊的信息處理問題。

e)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)完成海量信息的存儲(chǔ)，有用信息的分類和提取，為應(yīng)用提供決策支持。數(shù)據(jù)挖掘則是從數(shù)據(jù)中自動(dòng)地抽取模式、關(guān)聯(lián)、變化、異常和有意義的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)挖掘在 PHM中的價(jià)值在于可利用其改善模型。

6 結(jié)束語(yǔ)

PHM 已成為國(guó)外新一代武器裝備研制和實(shí)現(xiàn)白主式保障的核心技術(shù)之一。它是提高復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性以及降低壽命周期費(fèi)用的一項(xiàng)非常有前途的技術(shù)。

我國(guó)國(guó)防科技工業(yè)對(duì)于 PHM 技術(shù)有著強(qiáng)烈的需求。借鑒吸收國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研究 PHM中的關(guān)鍵技術(shù)可為我國(guó)艦船通信系統(tǒng)的研制提供基礎(chǔ)技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)奠定工程應(yīng)用基礎(chǔ)，更好地促進(jìn)我國(guó)國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展有著重要意義。

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