PHM在空空導彈勤務(wù)保障中的應(yīng)用

王 茜，李志強，張孝虎，榮鵬輝

（空軍勤務(wù)學院，江蘇 徐州 221000）

PHM在空空導彈勤務(wù)保障中的應(yīng)用

王 茜，李志強，張孝虎，榮鵬輝

（空軍勤務(wù)學院，江蘇 徐州 221000）

簡要介紹了PHM概念和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，參照OSA-CBM模型，提出了空空導彈PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并闡述了各個模塊的功能作用。分析了PHM技術(shù)應(yīng)用于空空導彈貯存的效益和影響可靠性的因素，確定了監(jiān)測參數(shù)，根據(jù)尺寸、成本等提出傳感器選型要求，構(gòu)建空空導彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。通過市場調(diào)查，確定了可用于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器類型，對未來應(yīng)用于導彈內(nèi)部的傳感器系統(tǒng)提出了期待。

PHM，空空導彈，傳感器，包裝箱，狀態(tài)監(jiān)控

1 PHM概述

1.1PHM概念

隨著故障診斷技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展和“經(jīng)濟可承受性”的提出，在視情維修和自主式后勤的基礎(chǔ)上提出了故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）的概念［1］：PHM是指利用盡可能少的傳感器系統(tǒng)，借助各種智能推理算法，對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估，在系統(tǒng)故障發(fā)生之前對故障進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果采取一系列維修措施以實現(xiàn)裝備的視情維修。PHM技術(shù)在美軍的聯(lián)合攻擊機計劃中提出來，優(yōu)勢在F-35上得到了充分的展現(xiàn)［2-3］：PHM的應(yīng)用改變了維修原理，使得故障檢測覆蓋飛機的各大重要系統(tǒng)，可以實現(xiàn)故障的精確診斷和定位，并能夠預測關(guān)鍵部件的剩余壽命，減少了中繼級測試設(shè)備和研制驗證設(shè)備，取消了O級測試設(shè)備；減少了保障延誤時間，提高了保障效率，降低了維修成本，并簡化了使用和維修訓練。從關(guān)于PHM技術(shù)應(yīng)用于民航客機等大型系統(tǒng)的費效分析［4］結(jié)果來看，PHM技術(shù)確實具有非常可觀的研究價值。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國軍方最先提出PHM的概念，這一概念要求能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)進行故障預測，以完成對健康狀態(tài)的管理。Patrick W.、Chin Sun等人［5-6］對PHM系統(tǒng)進行了理論闡述，并分析了該技術(shù)為維修與后勤保障帶來的好處。PHM最先應(yīng)用于陸軍直升機，發(fā)展形成了HUMS系統(tǒng)，隨著應(yīng)用的推廣，又開發(fā)了飛機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Aircraft Condition Monitoring System，ACMS）、綜合診斷預測系統(tǒng)（Integrated Diagnostics and Prognostics System，IDPS）、發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)（EngineMonitoringSystem，EMS）和綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（Integrated Condition Assessment System，ICAS）［7］等。PHM技術(shù)在民航客機、大型水壩、核電站、汽車、橋梁等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，在民航客機方面尤為明顯。

國內(nèi)對PHM技術(shù)的研究起步相對較晚，但是發(fā)展很快。2005年曾聲奎［8］作了關(guān)于故障預測與健康管理的綜述，隨后各大科研院所也掀起了研究PHM的熱潮。關(guān)于PHM技術(shù)的實驗與應(yīng)用主要集中在軍用飛機、雷達、軸承、發(fā)動機等方面，以北京航空航天大學、空軍工程大學、軍械工程學院為代表的單位進行了PHM技術(shù)應(yīng)用于導彈上的研究，并取得了一系列成果：洪晟等［9］在PHM技術(shù)應(yīng)用于導彈的調(diào)研總結(jié)分析基礎(chǔ)上，提出了導彈維修保障綜合PHM的概念與構(gòu)建方法；王錕等［10］提出了適合于復雜裝備的PHM體系模型和相應(yīng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)，并在現(xiàn)有維修體制的基礎(chǔ)上，提出了基于Web的防空導彈PHM結(jié)構(gòu)；李其昌等［11］對裝備了PHM系統(tǒng)的倉儲導彈狀態(tài)監(jiān)測MEMS傳感器節(jié)點進行了設(shè)計研究。

2 空空導彈PHM結(jié)構(gòu)

目前，PHM技術(shù)主要應(yīng)用于軍用飛機、大型客機、裝甲車輛等裝備中，能夠?qū)ρb備進行健康狀態(tài)評估和故障診斷與精確定位，如果將PHM技術(shù)應(yīng)用到空空導彈裝備保障中，將對提高空空導彈戰(zhàn)備完好率，節(jié)約保障成本，減少不必要通電時間發(fā)揮重大作用。

根據(jù)OSA-CBM模型［7］，建立空空導彈PHM系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PHM系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

PHM系統(tǒng)主要功能組成如下：①數(shù)據(jù)采集層，PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，主要采集來自傳感器系統(tǒng)和測試設(shè)備總線的參數(shù)，是進行故障診斷與預測的基本依據(jù)；②數(shù)據(jù)處理層，主要運用濾波、譜分析、統(tǒng)計分析等方法對采集的大批量數(shù)據(jù)進行篩選、融合處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需求的相應(yīng)格式；③狀態(tài)監(jiān)控層，利用專家系統(tǒng)或者推理算法，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果向系統(tǒng)零部件或者子系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化；④健康評估，根據(jù)來自狀態(tài)監(jiān)控層或者健康評估子節(jié)點的狀態(tài)信息，逐級向上，從子系統(tǒng)到系統(tǒng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)健康狀態(tài)的整體評估，并記錄出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)；⑤預測，根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)與健康評估結(jié)果，對零部件或者子系統(tǒng)進行剩余壽命預測，預測部件更換時間，以決定任務(wù)的執(zhí)行情況；⑥維修決策，根據(jù)預測結(jié)果，技術(shù)陣地進行材料準備，伺機安排更換零部件，同時更新備件庫存信息，方便后方倉庫和軍工廠的補給；⑦表達層或用戶接口，PHM系統(tǒng)與人員的交流接口，即信息數(shù)據(jù)輸出接口，包括部件的剩余壽命、維修決策等。

3 基于PHM技術(shù)的空空導彈全壽命管理

由于具有“長期儲存，一次性使用”的特點，空空導彈可以分為貯存和使用兩種應(yīng)用狀態(tài)，而使用是指導彈為了摧毀目標進行的發(fā)射飛行，除此之外，導彈所經(jīng)歷的儲存、檢測、運輸、維修等都屬于貯存的范疇。從空空導彈全壽命周期來看，貯存期占了壽命周期的絕大部分時間。研究空空導彈可靠性也主要集中于貯存期。圖2是空空導彈貯存期壽命剖面［12］。

圖2 空空導彈貯存期壽命剖面

在貯存期，空空導彈主要存在3個狀態(tài)：運輸/裝卸、庫房儲存和戰(zhàn)備值班。如果在空空導彈研制和生產(chǎn)過程中植入了PHM技術(shù)，無論是接收入庫或者向外調(diào)撥，還是值班準備或者班后儲存，空空導彈都不需要進行電氣屬性測試，這樣就可以減少不必要的通電時間，延長導彈的使用壽命。導彈在運輸、裝卸、掛飛等過程中承受的振動、沖擊、過載等數(shù)據(jù)可以直接獲取，導彈零部件的狀態(tài)變化可以感知，潛在的故障也能夠預測出來?；赑HM技術(shù)的視情維修取代了定期抽檢、定期維護，這為人手不足的技術(shù)陣地減輕了工作負擔，節(jié)約了大量的人力和物力資源，提高了部隊的應(yīng)急反應(yīng)能力，并保證了空空導彈的可靠性。

4 建立空空導彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

空空導彈PHM結(jié)構(gòu)是理想條件下的模型，其實施需要在導彈的設(shè)計、生產(chǎn)過程中就植入PHM技術(shù)。目前，部隊現(xiàn)有的大批量空空導彈，早已成型，無法進行結(jié)構(gòu)上的改裝?？湛諏椧话惴旁诎b箱內(nèi)，抽真空或者充氮包裝，如果建立監(jiān)測空空導彈所處環(huán)境即包裝箱環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，可以預測空空導彈的狀態(tài)變化，便于進行全壽命管理。

4.1 確定監(jiān)測參數(shù)

建立空空導彈所處包裝箱的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對導彈所處環(huán)境的一系列參數(shù)進行監(jiān)控，其中有溫度、濕度、振動、大氣壓力、加速度、電磁等：

包裝箱內(nèi)的溫濕度要保持一定范圍內(nèi)。溫度在30℃以內(nèi)，20℃較佳，溫度過高、過低或者劇烈變化都會對導彈產(chǎn)生影響：溫度過高，會加速導彈內(nèi)部金屬部件的腐蝕和橡膠、塑料件、防護漆層的老化變質(zhì)，也會使戰(zhàn)斗部裝藥變質(zhì)，性能變壞；溫度過低，會使導彈內(nèi)部的橡膠件發(fā)脆而強度下降，塑料件發(fā)硬而斷裂，防護漆層變脆脫落等；溫度劇烈變化會使導彈戰(zhàn)斗部裝藥表面結(jié)露受潮，使導彈內(nèi)部無線電引信中的晶體管損壞。濕度一般不超過70%，40%較佳：如果濕度過小，導彈內(nèi)部的皮革件就會變脆斷裂，火藥中的水分蒸發(fā)使得燃速增大；如果濕度過大，會使導彈金屬部件銹蝕，包裝箱、紙布、皮革等受潮霉爛腐朽，導彈內(nèi)部的橡膠件塑性和強度下降，還會使導彈裝藥變質(zhì)、性能變壞，火帽中的擊發(fā)藥作用不可靠，嚴重時瞎火。

包裝箱受到的振動主要采用振動傳感器進行監(jiān)測，利用拾震器捕捉庫房內(nèi)外人員或保障裝備活動等產(chǎn)生的較大震動信號。經(jīng)常性的振動會是導彈內(nèi)部陀螺、導引頭和緊固件發(fā)生松動現(xiàn)象，也不利于導彈裝藥性能的穩(wěn)定。為了防止導彈部件不被空氣氧化，導彈加裝彈衣抽真空或者充氮氣進行包裝，當壓力發(fā)生明顯變化時，可以通過對包裝箱內(nèi)部壓力的檢測及時發(fā)現(xiàn)：抽真空包裝時，當出現(xiàn)氣密性問題時，包裝箱內(nèi)部由于有空氣的進入，使壓力增大；充氮氣包裝時，當出現(xiàn)氣密性問題時，包裝箱內(nèi)部的壓力會降低。包裝箱內(nèi)部抽真空或者充氮氣的另一個目的是為了防止菌類的繁衍生長。

包裝箱內(nèi)部配置加速度傳感器可以用來監(jiān)測節(jié)點所處狀態(tài)的平衡情況，對于防跌落尤為重要。對傳感器進行模式［13］設(shè)置，以節(jié)約電源：一般情況下，導彈包裝箱的加速度為零，節(jié)點初始狀態(tài)運行在低功耗模式，一旦有加速度產(chǎn)生，傳感器立刻進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并判定采集的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)大于事先設(shè)定的閾值，表明導彈處在不平衡狀態(tài)，有可能出現(xiàn)跌落、傾斜或者滑落情況，監(jiān)測節(jié)點隨即進入工作狀態(tài)，并發(fā)出報警信號，通知庫房人員處理。

空空導彈一般采用固體火箭發(fā)動機作為推力裝置，其點火系統(tǒng)異常敏感，一旦發(fā)生故障，要么點火系統(tǒng)失效，導彈無法正常點火，要么異常發(fā)火，造成嚴重人員傷亡［14］。影響點火系統(tǒng)的監(jiān)測因素除了上述的溫度、沖擊之外，電磁環(huán)境對點火系統(tǒng)影響最大。點火系統(tǒng)一般采用電啟動發(fā)生，電磁環(huán)境主要影響點火系統(tǒng)的電路，造成電路誤啟動，從而將點火能量輸送給點火裝置引起誤點火或感應(yīng)足夠的能量引起誤點火。

4.2 傳感器系統(tǒng)選型要求

PHM運用中，應(yīng)該根據(jù)測量參數(shù)范圍、傳感器成本、傳感器尺寸和重量等進行選擇。由于傳感器的運用受到電源、傳輸方式、板上存儲器等影響，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇是使用內(nèi)置電源還是外置電源，采用有線傳輸方式還是無線傳輸方式。包裝箱內(nèi)傳感器節(jié)點的布置應(yīng)盡量不影響包裝箱的結(jié)構(gòu)與組裝方式，即減少對包裝箱的損壞，同時又能夠?qū)崟r準確地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器的選型應(yīng)該根據(jù)實際，選擇體積較小的、功耗較低的MEMS傳感器［15］。由于采用低功耗傳感器，傳感器可以在工作模式、空閑模式和休眠模式之間進行合理轉(zhuǎn)換［11］，電源消耗較少，在很長一段時間內(nèi)都不需要更換電池。如果傳感器是數(shù)字輸出型，根據(jù)采集的參數(shù)，直接進行判斷，只有超過一定的取值范圍才進行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 包裝箱狀態(tài)監(jiān)測模型

圖3 導彈包裝箱無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)

導彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通用平臺的硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)包括傳感器模塊、微處理器模塊、庫房數(shù)據(jù)處理中心和相應(yīng)的呼叫響應(yīng)設(shè)備。該節(jié)點能夠?qū)Πb箱內(nèi)部的溫度、濕度、振動等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，對于在設(shè)定的控制范圍內(nèi)的數(shù)值停留在傳感器一級進行處理；對于超出設(shè)定范圍的數(shù)值經(jīng)過無線/有線信號發(fā)送到微處理器，經(jīng)微處理器內(nèi)部的專家系統(tǒng)或推理算法對多個傳感器數(shù)據(jù)綜合分析之后，將該包裝箱數(shù)據(jù)運行結(jié)果發(fā)送到庫房數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控中心。如果多個包裝箱都存在普遍的溫濕度問題，可以通過中央空調(diào)調(diào)節(jié)庫房溫濕度，從而改善各個包裝箱內(nèi)部溫濕度。當然，如果存在突發(fā)的強烈振動或者個別包裝箱過熱過濕情況，微處理器將直接利用自身報警裝置報警，呼叫技術(shù)人員立即處理，同時也將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)微處理器內(nèi)置的顯示模塊實時顯示各個無線傳感器節(jié)點的工作情況。如果發(fā)現(xiàn)某個無線傳感器節(jié)點失效，微處理器的顯示模塊就顯示失效節(jié)點的標識號，庫房工作人員可及時更換或檢修失效節(jié)點，保證庫房包裝箱檢測區(qū)域不存在檢測死角。當庫房包裝箱內(nèi)有異常情況發(fā)生時，微處理器又可以作為報警器使用，內(nèi)置的報警裝置可及時報警異常情況。報警裝置的報警上限可以自行設(shè)定，可以在不同的氣候地域視具體情況設(shè)定不同的安全界限。導彈包裝箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。對于使用金屬包裝箱的導彈，內(nèi)部傳感器節(jié)點不能使用無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)該采用有線傳輸方式。

圖4 導彈包裝箱傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 傳感器系統(tǒng)選型

為了確定可運用于空空導彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)測的商業(yè)可用傳感器系統(tǒng)，共收集了來自22個生產(chǎn)廠家的31種傳感器系統(tǒng)的特性，這些傳感器系統(tǒng)的特性包括感知參數(shù)、電源供應(yīng)和電源管理能力、采樣頻率、板上存儲器、數(shù)據(jù)傳輸方式、內(nèi)置信號處理軟件的可用性、尺寸、重量和成本。典型的傳感器有：Texas Instruments公司生產(chǎn)的TMP275溫度傳感器、Sensirion公司生產(chǎn)的 SHT15濕度傳感器、BOSCH公司生產(chǎn)的SMB380數(shù)字輸出型震動傳感器、VTI Technologies公司生產(chǎn)的SCA3000-E01加速度傳感器、Intersema公司生產(chǎn)的MS5534B大氣壓力傳感器。

要實現(xiàn)PHM技術(shù)在導彈內(nèi)部的運用，當前的傳感器系統(tǒng)應(yīng)該在幾個方面提高。首先是尺寸和重量，運用PHM的電子系統(tǒng)具有高密度元器件，需要小尺寸、輕質(zhì)量并能夠安裝到電路板上的傳感器系統(tǒng)。板上電源也是當前傳感器系統(tǒng)的一個主要限制，特別是對于無線數(shù)據(jù)傳輸傳感器系統(tǒng)，主要的板上電源是電池，一旦用完就需要更換或者充電。在PHM運用中，需要具有小尺寸、輕質(zhì)量的高容量電池或者非電池電源，這樣傳感器系統(tǒng)能夠運行更長的時間。板上數(shù)據(jù)處理能力也應(yīng)該得到提高。

6 結(jié)束語

PHM技術(shù)的應(yīng)用將提高空空導彈的戰(zhàn)備完好率，提高部隊的快速反應(yīng)能力，降低維護成本，簡化技術(shù)人員培訓流程。借助于傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、智能推理技術(shù)等，PHM能夠?qū)崿F(xiàn)對空空導彈健康狀態(tài)的評估，進行故障診斷與定位。

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Study on Application of PHM in Air-to-Air Missile Service Support

WANG Qian，LI Zhi-qiang，ZHANG Xiao-hu，RONG Peng-hui
（Air Force Logistics College，Xuzhou 221000，China）

On the base of introducing the concept of PHM and its research status at home and abroad briefly，and referring to the model of OSA-CBM，the architecture of PHM system for air-to-air missile is put forward，and the function of every module is described.By summarizing the benefits brought by using PHM on missiles in store，analyzing the factors influencing the reliability to determine monitoring parameters，and giving requirements on choosing sensor systems according to its cost and shape，condition monitoring system for missile package box is established.Through a market survey，sensor systems available for condition monitoring system are determined，and expectation is represented for sensor systems accessible inside missile in the future.

PHM，air-to-air missile，sensor system，package box，condition monitoring

TP212

A

1002-0640（2015）05-0021-04

2014-03-19

2014-05-22

王 茜（1967- ），女，安徽蕭縣人，副教授，碩士生導師。研究方向：機載制導彈藥測試。