故障預測與健康管理技術在魚雷PHM模型設計中的應用

王　昊，高　江

（中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江，524022）

故障預測與健康管理技術在魚雷PHM模型設計中的應用

王昊，高江

（中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江，524022）

結合現(xiàn)役大型武器系統(tǒng)保障特點和故障預測與健康管理技術及其成功應用范例，介紹了故障預測與健康管理技術（PHM）的核心理論、關鍵技術和技術復雜性。從分析視情維修（CBM）開放體系結構的設計思想與應用方法入手，設計了魚雷的PHM模型，分析了各模塊職責與功能，并完善了該模型的體系架構，為實際應用提供一定的理論參考。

魚雷； 故障預測與健康管理技術； 視情維修

0　引言

伴隨著武器技術日益革新，魚雷型號越來越多，魚雷武器裝備維護保養(yǎng)壓力越來越重。但是，我國一段時間內對大型武器系統(tǒng)，包括魚雷武器系統(tǒng)的維護仍然以定期維護和試后維修為主，采用“多、勤、細”的方式來保障系統(tǒng)可靠性及正常任務的完成［1］，這種方式不僅耗費資源，而且效率低下，無法滿足現(xiàn)代高科技條件下的武器裝備系統(tǒng)要求，特別是裝備的可靠性、維修性等重要性能的要求。國內外早已嘗試一種新的管理維護理念，即故障預測與健康管理技術（PHM）?，F(xiàn)針對魚雷裝備實際，探索該技術在魚雷武器裝備上的運用。

1　故障預測與健康管理技術

故障預測與健康管理（prognostics and health management，PHM）技術最先是由美國軍方提出并發(fā)展起來的一門技術。這門技術借助故障預測和健康管理系統(tǒng)，識別和管理故障發(fā)生、規(guī)劃維修和決策保障，以此降低相關維護費用。PHM技術已經成功應用在美軍F-35聯(lián)合攻擊機研制中［2］，國內在潛射導彈發(fā)射裝置方面也融入了PHM技術。該項技術的可行性在嘗試與實踐中得到了有效驗證。

1） PHM技術核心理論

PHM技術應用系統(tǒng)采用開放系統(tǒng)結構，其核心是利用先進傳感器的集成，借助各種算法（如快速傅里葉變換、離散傅里葉變化）和智能模型（如專家系統(tǒng)、神經網絡等）來預測、監(jiān)控和管理武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

2） PHM的關鍵技術

PHM技術是融入多項關鍵技術的復雜綜合性技術，主要包括數據采集與信息融合技術、故障預測和預決策技術等。

2　PHM系統(tǒng)模型設計原理

由美國海軍出資組建的工業(yè)研究小組進行研究和驗證的視情維修開放體系結構（open system architecture for CBM，OSA-CBM）集中體現(xiàn)了PHM的設計思想與應用方法，其體系結構見圖1［3］。

由PHM體系結構圖可知，整個體系采用對復雜系統(tǒng)進行數據采集并傳輸，經過“數據處理”、“狀態(tài)監(jiān)測”、“狀態(tài)評估”等步驟后對系統(tǒng)狀態(tài)做出一個綜合性評估結論，與“數據庫”中數據進行比較分析對系統(tǒng)的現(xiàn)在及未來一段時間狀態(tài)進行預測并對需要解決的問題提出解決方案。最后通過人機接口完成全體系與輸出端的信息互通，以及完成體系內的信息反饋。

3　魚雷PHM模型

不同于實時運行的裝備平臺，魚雷裝備使用特點為長時間處于貯存狀態(tài)，在演習或者實戰(zhàn)中才進行使用，因此，其故障診斷和健康管理評估主要依靠歷史數據、離散狀態(tài)檢測數據以及在此基礎上建立的故障模型，如圖2所示。

魚雷裝備的PHM模型設計思路參考了美海軍OSA-CBM設計思想，結合魚雷實際進行設計，在保留單線進行“數據采集—數據處理—狀態(tài)監(jiān)測……人機接口”基礎上采用雙線交換，實時將各階段數據匯入交流通道，供“系統(tǒng)管理模塊”進行分析處理，方便及時處置因系統(tǒng)體系自身帶來的處理問題。

圖2　魚雷裝備的PHM系統(tǒng)體系結構圖Fig. 2　Structure diagram of PHM system for a torpedo

系統(tǒng)體系依靠大量傳感器或其他途徑收集該型裝備的基礎數據、發(fā)射數據、裝載技術狀態(tài)檢測數據和裝備備品備件數據，然后將相關數據進行預處理，變成系統(tǒng)能夠識別的數據格式，將處理后的數據先后進入數據處理模塊、狀態(tài)檢測與評估模塊、診斷分析模塊和分析決策模塊。

數據處理模塊對預處理后的數據進行數據融合、特征量提取并進行數據轉化［4］。數據轉化后在狀態(tài)監(jiān)測與評估模塊中進行征兆識別，對所得結果進行狀態(tài)評估。評估后的相關結論在診斷分析模塊中同時進行故障診斷和趨勢預測。出現(xiàn)故障結論后，分析決策模塊進行決策應對，得出解決問題方案。人機接口主要方便檢測人員和維修人員的信息錄入和讀取，同時建立與裝備保障信息化平臺的信息交流、共享。

4　模型模塊功能設計

結合魚雷實際使用特點，保障分為多種級別，以下相關處理主要根據 XX級轉為XX級相關技術要求，滿足實戰(zhàn)需求。

1） 數據采集模塊

齊全的數據采集手段是實施PHM的前提條件［5］，該裝備在全壽命周期內的狀態(tài)信息是多層次、多方面和動態(tài)的，既包含實時監(jiān)測信息，也包含定期檢測信息，同時還有其功能組件在研制、生產過程中的歷史數據，充分利用這些數據，才能為實施PHM提供充足可靠的數據。針對魚雷特點，面對海量數據，合理篩選數據類型，簡化數據采集渠道尤為重要。針對魚雷數據采集模塊，采集方式設計為人工采集與傳感器采集2種，數據采集項目如表1所示。

表1　數據采集Table 1　Data acquisition

XX1箱相關參數，包括XX1箱溫度、XX1箱濕度、XX1箱氣壓值； AX段XX部件電壓起伏狀態(tài)主要檢測XX調試時XX部件XX V電壓與XX V電壓變化趨勢，根據相應數據采集時間不統(tǒng)一。

2） 數據處理模塊

由數據采集模塊獲得的裝備狀態(tài)數據，通常是不同的特征和格式，需要經過處理，達到統(tǒng)一的數據格式，滿足系統(tǒng)要求。針對該型裝備，數據處理模塊根據設計分別提取處理輸入數值。

3） 狀態(tài)檢測與評估模塊

利用不同采集方式及經過處理過后的數據，可以較為全面的掌握全雷狀態(tài)信息。其狀態(tài)監(jiān)測與評估，主要依據人工設定參數標準值以及歷史相關數據進行，如表2所示。

4） 診斷分析模塊

表2　狀態(tài)檢測Table 2　State detection

診斷分析模塊得到狀態(tài)監(jiān)測與評估模塊結果后，可以調取數據庫模塊數據，參照相關參數故障將歷史出現(xiàn)的所有情況按概率高低依次羅列并形成診斷報告。此外統(tǒng)計一段時間某條某型魚雷采集數據分析結果，考慮利用各種預測方法對某一方面特性，包括XX部件元器件電流導通性、XX1箱密封性等進行預測。

5）分析決策模塊

針對某型魚雷的狀態(tài)診斷與未來狀態(tài)預測結果，分析決策模塊出具綜合性保障維護報告，直接指導人員對目標位置進行排查處理。

6）數據庫模塊

數據庫模塊在整個系統(tǒng)中承擔著智囊的作用，由各種類型的子數據庫組成，包括歷史數據庫、故障信息庫、維修知識庫和算法模型庫。子數據庫內容可以再進行劃分，包括裝備數據項、火工品數據項、檢測設備數據項、保障設備數據項和備品配件數據項等［6］。表3為某型魚雷檢測設備建檔數據項。

7） 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊執(zhí)行整個系統(tǒng)的運行，同時進行整個健康管理系統(tǒng)的模塊升級、系統(tǒng)維護更新等操作。

8） 人機接口

故障物理模型是進行裝備故障預測、健康狀態(tài)評估的基礎，需要根據歷史和當前數據進行不斷修正與完善，提高模型的精確性，此部分操作可能需要人機交互操作。

表3　檢測設備建檔數據項Table 3　Archiving data item of detection device

5　結束語

從國內裝備現(xiàn)實需求出發(fā)，借鑒國外PHM系統(tǒng)設計思想，討論適合我國裝備保障發(fā)展的故障預測與健康管理模型，為未來復雜化信息化作戰(zhàn)條件下的裝備保障提供相應參考。目前，關于故障預測與健康管理的一些設計理念尚不成熟，還有待完善，日后應著力進行這方面的研究。

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Hu dong，Xie Jin-song，Lü Wei-min. Applications of PHM Technology in Missile Weapon Systems［J］. Missiles and Space Vehicles，2010（4）: 24-30.

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Sun Bo，Kang Rui，Xie Jin-song. Research and Application of the Prognostic and Health Management System［J］. Systems Engineering and Electronics，2007，29（10）: 1762-1767.

（責任編輯: 許妍）

Application of Prognostics and Health Management Technology to Design of Torpedo PHM Model

WANG Hao，GAO Jiang
（91388thUnit，The People′s Liberation Army of China，Zhangjiang 524022，China）

Taking the successful application of the prognostics and health management （PHM） technology for example and considering the maintenance features of large weapon systems in service，the key theory and techniques，as well as the complexity of PHM technology，are discussed. And a torpedo PHM model is designed by analyzing the design idea and application approach of the condition based maintenance （CBM） opening system frame. The duty and function of each module in the model are analyzed，and the model′s structure is improved.

torpedo； prognostics and health management（PHM）； condition based repair（CBM）

TJ630.7

A

1673-1948（2015）02-0157-04

2014-11-06；

2015-01-31.

王昊（1988-），男，助理工程師，主要從事魚雷技術方面的研究.