火控系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)*

高美娟，劉白林，張振華

（1.西安工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

火控系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)*

高美娟1，劉白林1，張振華2

（1.西安工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710021；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006）

故障預(yù)測和健康管理（PHM）技術(shù)具有故障診斷、故障預(yù)測以及健康管理的功能，對降低火控裝備維修成本、增強火控系統(tǒng)的完備性以及提高火控系統(tǒng)管理效率具有重要意義。根據(jù)通用火控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，將PHM技術(shù)引入到火控系統(tǒng)中。首先介紹了PHM技術(shù)原理和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，重點討論了PHM關(guān)鍵技術(shù)和通用火控系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)。最后展望了火控系統(tǒng)PHM技術(shù)的發(fā)展趨勢。

火控系統(tǒng)，健康管理，故障預(yù)測，故障診斷，PHM體系結(jié)構(gòu)

0 引言

火控系統(tǒng)從最初的簡易火控系統(tǒng)，發(fā)展到現(xiàn)在的目標(biāo)自動跟蹤綜合性火控系統(tǒng)，主要包括目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、火控計算機、火控隨動系統(tǒng)等，是一種典型的“軟件密集型”系統(tǒng)。傳統(tǒng)對于火控系統(tǒng)故障的檢測，大多數(shù)是通過提取主要性能參數(shù)，綜合各種故障特征信息進行分析、診斷。但現(xiàn)代火控系統(tǒng)朝著復(fù)雜化、智能化、模塊化方向發(fā)展，故障的產(chǎn)生涉及到多方面因素且每個故障都有可能產(chǎn)生危險的后果，這給火控系統(tǒng)的健康管理帶來了很大的不便。因此，推動了PHM（Prognostic and Health Management）技術(shù)在火控系統(tǒng)領(lǐng)域的研究與發(fā)展［1-2］。

近年來，PHM技術(shù)朝著實時化、智能化、綜合化方向發(fā)展，大量PHM技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于國防航天領(lǐng)域、民用領(lǐng)域。火炮的火控系統(tǒng)是高科技復(fù)雜系統(tǒng)，其性能的好壞嚴(yán)重影響裝備作戰(zhàn)效能及安全，火控系統(tǒng)的健康管理問題已然成為一個亟待解決的問題。

1 PHM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 PHM原理

基于CBM（Condition Based Maintenance）發(fā)展起來的PHM技術(shù)，是一種新興的健康管理技術(shù)，它盡可能少地借助傳感器采集所需的數(shù)據(jù)信息，利用不同推理算法評估自身的健康狀況。在PHM技術(shù)中，主要由故障預(yù)測（prognostic）和健康管理（health management）構(gòu)成，故障預(yù)測通過系統(tǒng)當(dāng)前或歷史性能狀態(tài)可以對系統(tǒng)完成功能的狀態(tài)進行預(yù)測性地診斷，而健康管理通過對已獲得的預(yù)測信息、使用要求和可用維修資源進行診斷，可以對裝備的維修做出適當(dāng)?shù)臎Q策。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代末，美國軍方首次引入視情維修技術(shù)。近些年來，PHM技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注和重視。

民用領(lǐng)域，美國波音公司在民用飛機中引入“飛機狀態(tài)管理”（AHM）系統(tǒng)，提高了飛行安全和航班運營效率，并且已經(jīng)在其他國家航空公司的飛機上得到大量應(yīng)用，如B777，A320和A340等。據(jù)波音公司進行的初步統(tǒng)計資料顯示，AHM系統(tǒng)的引入使航空公司節(jié)省了約25%的因航班延誤及取消而導(dǎo)致的費用［3］。

軍事領(lǐng)域，PHM技術(shù)-“健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）”廣泛應(yīng)用于英、美、加拿大等國研制的各類飛機系統(tǒng)中，如直升機、戰(zhàn)斗機和運輸機等。美國陸軍750架“阿帕奇”直升機上的HUMS系統(tǒng)，安裝后直升機的任務(wù)完備率相比之前提高了10%；史密斯航宇公司70架未來“山貓”直升機的監(jiān)測系統(tǒng)和機艙聲音與飛行數(shù)據(jù)記錄儀（HUMS/CVFDR）的系統(tǒng)；海軍的綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）、空軍綜合系統(tǒng)健康管理（ISHM）系統(tǒng)及陸軍診斷改進計劃（ADIP）和等方案［4］。

航天領(lǐng)域，航天器綜合健康管理（IVHM）系統(tǒng)在第2代可重用運載器中已經(jīng)得到應(yīng)用，且QSI公司的綜合系統(tǒng)健康管理（ISHM）方案已經(jīng)得到應(yīng)用，實現(xiàn)了對飛機的健康管理。航空無線電通信公司（ARNC）公司的“飛機狀態(tài)分析與管理系統(tǒng)”（ACAMS），其功能在B757飛機上進行了飛行試驗演示驗證并取得了成功，且已經(jīng)向美國當(dāng)局提出專利申請［5］。

1.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于PHM技術(shù)這一新興領(lǐng)域的研究起步于20世紀(jì)50年代，已經(jīng)在故障診斷、故障預(yù)測和健康管理方面開展了較為深入的工作，如兵器、航天、航空等領(lǐng)域。

我國關(guān)于PHM技術(shù)的研究以各大高校和研究所為主，內(nèi)容主要集中在PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和診斷預(yù)測算法等方面，且政府大力支持PHM技術(shù)相關(guān)的研究工作，并將其列入國家“八六三”發(fā)展計劃。如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。一些研究已經(jīng)取得了明顯的成果，如北航可靠性工程研究所在飛行器領(lǐng)域開展預(yù)測算法、智能模型等方向的探索性研究，大多對時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其混合模型展開研究。

我國軍方，空軍雷達(dá)學(xué)院王晗中等［6］構(gòu)建了一種基于PHM技術(shù)的雷達(dá)裝備維修保障系統(tǒng)；解放軍炮兵學(xué)院彭樂林等［7］針對無人機系統(tǒng)的故障特點來建立設(shè)備邏輯體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

隨著PHM技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、民用、航天航空等領(lǐng)域，成為國內(nèi)新一代武器裝備實現(xiàn)健康管理的核心技術(shù)。目前，雖然在火控系統(tǒng)中引入了一些技術(shù)，但還不是很全面的系統(tǒng)。隨著新型保障模式和預(yù)測健康管理技術(shù)的成熟和發(fā)展，這一領(lǐng)域?qū)俏磥淼囊粋€很好應(yīng)用。

2 PHM關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

火炮火控系統(tǒng)的彈道參數(shù)修正量傳感器，能夠?qū)崟r地為計算機提供彈道參數(shù)當(dāng)前值或偏差值，一旦數(shù)據(jù)偏離建立彈道方程的標(biāo)準(zhǔn)條件，計算機可以及時地計算出相應(yīng)的修正量進行補償，從而保證火炮射擊的準(zhǔn)確性。

PHM技術(shù)對傳感器的要求是盡量小且易進行聯(lián)網(wǎng)，以提高惡劣工作環(huán)境對電磁干擾的抵抗力等。研究主要從兩方面展開：一方面是通過采取提高傳感器器件精度、方向性、穩(wěn)定性等措施實現(xiàn)對傳感器性能的優(yōu)化；二是通過減小傳感器尺寸便于集成［8］。此外，PHM系統(tǒng)還引入新型微機電（MEMS）系統(tǒng)使得傳感器向小型化發(fā)展又邁進了一步，極大地降低功耗和無線通信的成本。

2.2 嵌入式測試診斷技術(shù)

火控系統(tǒng)是一種典型的“軟件密集型”系統(tǒng)，嵌入式軟件性能的好壞嚴(yán)重影響火控系統(tǒng)性能的發(fā)揮。在對火控系統(tǒng)進行鑒定中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的測試方法還不能實現(xiàn)有效、完善的測試，且存在著針對性、適用性不強的缺陷，不能滿足要求。

嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用系統(tǒng)為中心且可以一定程度地裁減軟硬件，從而滿足系統(tǒng)速度、安全及成本要求的計算機系統(tǒng)。嵌入式測試診斷技術(shù)主要包括4部分，嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備和用戶應(yīng)用程序［9］，具有對故障進行檢測、診斷和隔離的功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)進行測試、控制和管理的能力。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

火控系統(tǒng)的綜合性、復(fù)雜性、智能性決定了數(shù)據(jù)的海量性，故障參數(shù)、故障種類、特征參數(shù)等大量的數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)狡渌糠?，?shù)據(jù)傳輸技術(shù)的好壞決定了傳輸過程的質(zhì)量。目前，數(shù)據(jù)傳輸主要包括兩種方式：一是有線傳輸，二是無線傳輸。

有線傳輸是指通過有線數(shù)據(jù)總線和網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸，把線纜采集傳感器的數(shù)據(jù)存儲在部件級的監(jiān)測系統(tǒng)中，通過特定的有線網(wǎng)絡(luò)將存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒爰壉O(jiān)測處理系統(tǒng)中進行存儲。無線傳輸是指通過組件內(nèi)部的無線調(diào)制解調(diào)器進行數(shù)據(jù)通訊，由一系列分布式布置的傳感器組件構(gòu)成，這些組件具有獨立的數(shù)據(jù)采集和處理能力［10］。其中，傳感器組件主要包括以下幾部分：無線傳輸器、微處理器、數(shù)據(jù)采集電路以及參數(shù)傳感器等。

2.4 故障預(yù)測技術(shù)

故障預(yù)測技術(shù)的分類從實際研究中應(yīng)用理論、實現(xiàn)方法和技術(shù)路線來看，分為3大類。

2.4.1 基于模型的故障預(yù)測技術(shù)（model-based approach）

這種技術(shù)需要知道對象系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，且由該領(lǐng)域的專家給出并經(jīng)過大量數(shù)據(jù)驗證。一般情況下，系統(tǒng)的故障特征是與給定系統(tǒng)模型的參數(shù)緊密聯(lián)系的，因此，對象系統(tǒng)的本質(zhì)特征得到很好的體現(xiàn)。此外，要想提高該技術(shù)的預(yù)測精度達(dá)到實時預(yù)測的要求，可以通過修正對象系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。但在實際應(yīng)用中，當(dāng)對象系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型要求較高精度且應(yīng)用于綜合復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)時，這種預(yù)測技術(shù)往往達(dá)不到預(yù)期的效果，具有一定的局限性［11］。

2.4.2 基于知識的故障預(yù)測技術(shù)（knowledge-based approach）

該技術(shù)對于系統(tǒng)模型的要求不是那么精確，但需要對象系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域大量的專家知識進行故障預(yù)測，有著更為廣泛的應(yīng)用前景。目前，主要有兩種典型的應(yīng)用形式:專家系統(tǒng)和模糊邏輯。

專家系統(tǒng)是指包含有某個領(lǐng)域?qū)＜业拇罅恐R與經(jīng)驗，充分利用人類專家知識、方法來處理所遇到問題，通常與其他技術(shù)手段相結(jié)合，如與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合［12］等。但是在實際中，主要包括兩方面局限：一是專家知識的局限，二是專家知識規(guī)則化表述的難度。知識庫的不完備性體現(xiàn)在當(dāng)遇到一個新的、不曾出現(xiàn)過的故障現(xiàn)象且知識庫中沒有相匹配或相關(guān)規(guī)則時，這種預(yù)測技術(shù)也會失效。

模糊邏輯具有處理不確定信息的能力，且提供表達(dá)和處理模糊概念的機制，為解決故障預(yù)測問題提供了重要的理論方法和實現(xiàn)工具，其應(yīng)用往往是與其他技術(shù)相結(jié)合。

2.4.3 基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)（data-driven approach）

該技術(shù)使用傳感器采集的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，分析各種數(shù)據(jù)處理方法挖掘其中隱含的信息，對系統(tǒng)故障進行預(yù)測，是現(xiàn)在比較實用的一種故障預(yù)測方法。但在具體應(yīng)用時，火炮裝備的一些關(guān)鍵性數(shù)據(jù)很難輕易獲取，采集到的數(shù)據(jù)存在著不確定性、不完整性，技術(shù)的實現(xiàn)還有待進一步解決［13］。

現(xiàn)代火控系統(tǒng)具有模塊智能化、功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、故障種類多樣化等特點，故障何時、何地、何處出現(xiàn)存在著一定的不確定性，因此，對于故障的預(yù)測也存在一定難度。對于故障預(yù)測技術(shù)的選用還有待進一步進行仿真、實驗和測試，好的故障預(yù)測技術(shù)對于火控系統(tǒng)健康管理尤為重要。

3 通用火控系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)

故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)是火炮火控系統(tǒng)重要組成部分，是獨立的、多功能的、通用的、模塊化系統(tǒng)。在故障發(fā)生之前，結(jié)合多種歷史信息資源對可能發(fā)生的故障進行預(yù)測，并提供相應(yīng)故障維修措施，以實現(xiàn)視情維修。通用火控系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通用火控系統(tǒng)PHM體系結(jié)構(gòu)

（1）故障診斷模塊：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過原理診斷、經(jīng)驗診斷、關(guān)鍵字查詢等方式實現(xiàn)故障的定位，并給出相應(yīng)的維修策略。同時提供歷史故障信息，記錄并總結(jié)頻率較高的故障，在下次故障發(fā)生之前，提前預(yù)防。

（2）故障預(yù)測模塊：通過CAN總線、以太網(wǎng)、串口等通用接口采集單體狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。根據(jù)故障預(yù)測模型和設(shè)備單體故障評判標(biāo)準(zhǔn)，進行故障預(yù)測。對可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)實現(xiàn)報警，并將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以供查詢。

（3）數(shù)據(jù)解析模塊：主要完成數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出功能。根據(jù)協(xié)議規(guī)范，記錄火控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫；對存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行解析，解析后的數(shù)據(jù)供故障預(yù)測模塊使用；根據(jù)用戶協(xié)議規(guī)范，將數(shù)據(jù)庫定期導(dǎo)出，如15天或者30天，確保數(shù)據(jù)不因存儲空間不足而丟失。

（4）輔助功能模塊：對存儲知識的數(shù)據(jù)庫進行定期維護，如知識庫的增、刪、查、改；友好的人機界面使用戶可以將指定目錄下的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。

4 結(jié)束語

筆者針對火控系統(tǒng)發(fā)展趨勢和應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了引入PHM技術(shù)的必要性、國內(nèi)外研究情況，詳細(xì)介紹了PHM技術(shù)和火控系統(tǒng)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后對火控系統(tǒng)PHM技術(shù)發(fā)展趨勢進行了展望。今后將在以下方面進一步發(fā)展：

①PHM關(guān)鍵技術(shù)互相融合，推動共同發(fā)展；

②新的健康管理分類方法和故障預(yù)測理論運用到火控系統(tǒng)中，將會對火控系統(tǒng)實現(xiàn)真正的健康管理；

③基于計算機的故障智能預(yù)測方法在未來會更加實用，并逐步提高故障預(yù)測能力。

目前，對火控系統(tǒng)健康管理的研究還處于初級階段，更深層次的問題還有待繼續(xù)探討，因此，今后的工作重點放在詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)功能和研究建立通用健康管理系統(tǒng)平臺，需要結(jié)合各專業(yè)學(xué)科知識展開研究，做大量工作，取得較快的進展和較好的效果。

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Research on Prognostic and Health Management of Fire Control System

GAO Mei-juan1，LIU Bai-lin1，ZHANG Zhen-hua2
（1.School of Computer Science and Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；
2.North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

Prognostic and Health Management（PHM）technology is provided with fault diagnosis，prognostic and health management，which has made a great sense of reducing fire control equipment maintenance costs，enhancing equipment availability，and improving management efficiency.This paper aims at the development status and application requirements of the universal fire control system and introduces PHM technology.Firstly，it introduces the theories and development statuses of PHM technologies，and emphatically discusses the key technologies of the present PHM and PHM system structure of general fire control system.Finally，this paper prospects the developing trend of the fire control system PHM technology.

fire control system，health management，fault prediction，fault diagnosis，PHM system structure

TP206

A

1002-0640（2015）05-0001-04

2014-02-25

2014-04-15

國家重點基金資助項目（40405070301）

高美娟（1990- ），女，山西祁縣人，碩士研究生。研究方向：人工智能及應(yīng)用。