無人機(jī)故障預(yù)測與健康管理技術(shù)研究

20十世紀(jì)末，美軍在聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）計(jì)劃中提出故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）概念。PHM是實(shí)現(xiàn)JSF自主后勤保障計(jì)劃（AL）的兩大關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠顯著降低使用、保障和維修費(fèi)用，提高飛行器的安全性和可用性。在目前作戰(zhàn)平臺的測試技術(shù)中，主要采用傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測試（BIT）和有限的狀態(tài)監(jiān)控維修方式。這種方式耗費(fèi)資源大、維修效率低，且無法解決高技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)可承受性之間的矛盾。PHM技術(shù)的發(fā)展是對傳統(tǒng)維修方式的轉(zhuǎn)變，即從事后維修和預(yù)防性維修向事前維修的轉(zhuǎn)變。它包括兩層含義，一是故障預(yù)測，即預(yù)先診斷部件或系統(tǒng)完成其功能的狀態(tài)，確定部件正常工作的時(shí)間長度；二是健康管理，即根據(jù)診斷/預(yù)測信息、可用資源和使用需求對維修活動(dòng)做出適當(dāng)決策的能力。

PHM系統(tǒng)概述

目前PH M主要是利用先進(jìn)的集成傳感器，如渦流傳感器、小功率無線綜合微型傳感器、無線微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），并借助各種算法，如Gabor變換、快速傅里葉變換、離散傅里葉變換，以及智能模型，如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等，來預(yù)測、監(jiān)控和管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

通俗來講，PHM系統(tǒng)是通過在飛行器結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)內(nèi)部最重要、最易受損的位置上布置相當(dāng)于神經(jīng)元的各類微小傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測布控位置結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等方面的各種信息，實(shí)時(shí)獲知飛行器的損傷及故障等問題，實(shí)現(xiàn)全機(jī)健康狀態(tài)的集成化管理。通過相當(dāng)于人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各類連接線路，傳遞到健康管理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算分析預(yù)測，及時(shí)診斷發(fā)生的故障和損傷，從而提前獲知飛行器的某些指標(biāo)是否處于正常狀態(tài)。通過監(jiān)測飛行器系統(tǒng)的各項(xiàng)“生理”指標(biāo)，對損傷和故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。飛行器可以自行判斷其故障是不會(huì)影響正常工作的“小問題”，還是威脅生命但不易察覺的“重大隱患”。就像人們看病一樣，當(dāng)飛行器處于亞健康狀態(tài)時(shí)第一時(shí)間向“醫(yī)生”發(fā)出警告。通過飛行器對自身“病情”的“陳述”，后勤保障人員可以采取相應(yīng)的維護(hù)措施，以此來提高飛行器的安全性與可靠性。

針對不同類型的復(fù)雜系統(tǒng)往往會(huì)開發(fā)出不同的PHM系統(tǒng)，但其設(shè)計(jì)的基本思路是相同的，區(qū)別主要表現(xiàn)在不同領(lǐng)域具體應(yīng)用的技術(shù)和方法不同。視情維修的開放體系結(jié)構(gòu)（OSA-CBM）由美國機(jī)械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟（MIMOSA）綜合所有PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方法所制定和發(fā)布，可用于指導(dǎo)實(shí)際構(gòu)建機(jī)械、電子和結(jié)構(gòu)等應(yīng)用領(lǐng)域的PHM系統(tǒng)。目前，該體系結(jié)構(gòu)已在包括航空、船舶系統(tǒng)、汽車制造以及其他各工業(yè)領(lǐng)域在內(nèi)的各領(lǐng)域多種系統(tǒng)中得到初步應(yīng)用驗(yàn)證。

F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的PHM系統(tǒng)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，PHM技術(shù)使F-35故障不能復(fù)現(xiàn)率減少82%，維護(hù)人員減少20%～40%，出勤率提高25%，保障費(fèi)用相較前代機(jī)種減少50%，使用壽命達(dá) 8000飛行小時(shí)。

F-35戰(zhàn)斗機(jī)的PHM系統(tǒng)由機(jī)載智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和地面飛機(jī)綜合管理系統(tǒng)組成，采用分層推理結(jié)構(gòu)，便于從部件級到全系統(tǒng)綜合應(yīng)用故障診斷和預(yù)測技術(shù)。F-35采用系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和部件級三級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息綜合。部件級是指飛機(jī)部件中的軟、硬件監(jiān)控程序，包括智能傳感器，機(jī)內(nèi)測試和機(jī)內(nèi)測試設(shè)備（BITE）。該級設(shè)備采集自身的監(jiān)測信息和飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，利用故障診斷算法進(jìn)行成員級的故障診斷，將有關(guān)信息提交給分系統(tǒng)級管理器。分系統(tǒng)級包括推進(jìn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。分系統(tǒng)健康管理軟件駐留在綜合處理機(jī)（ICP）中，各分系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)控、健康評估、故障預(yù)測和自助推理的功能，連續(xù)監(jiān)測飛機(jī)相應(yīng)分系統(tǒng)運(yùn)行狀況。分系統(tǒng)將故障推理結(jié)果傳送給系統(tǒng)級管理器，系統(tǒng)級管理器對所有分系統(tǒng)的故障進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)故障隔離和故障定位，最終形成飛機(jī)健康狀態(tài)信息和維修信息傳給地面飛機(jī)綜合管理系統(tǒng)。地面根據(jù)獲得的信息判斷飛機(jī)的安全性，為制定飛行計(jì)劃，實(shí)施技術(shù)狀態(tài)管理，更新飛機(jī)狀態(tài)記錄，調(diào)整任務(wù)安排，確定維修任務(wù)以及分析整個(gè)機(jī)群的健康狀況提供支持。

無人機(jī)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則

與有人機(jī)系統(tǒng)相比，由于機(jī)上沒有駕駛員，因此需要更高的自我監(jiān)控和自我診斷能力。無人機(jī)系統(tǒng)具有全天候、高分辨率、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、保密、小型、通用、寬收容、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，機(jī)載武器、電子對抗設(shè)備、機(jī)載電子計(jì)算機(jī)及其軟件的維護(hù)保障等都成為后勤保障的重要內(nèi)容，勢必要求無人機(jī)測試項(xiàng)目繁多、測試精度高；隨著無人機(jī)自動(dòng)化程度增高、早期故障率高的電子元器件被大量使用，增加了系統(tǒng)的脆弱性，造成備件和維修工作的增加；為增強(qiáng)作戰(zhàn)效能，無人機(jī)載油、載彈量明顯增加，機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的內(nèi)容和充填加掛的工作量成倍增加，有的還需要機(jī)務(wù)人員在無人機(jī)起飛前將航跡、狀態(tài)、任務(wù)數(shù)據(jù)輸入任務(wù)計(jì)算機(jī)。這種情況下，無人機(jī)能否做到快速出動(dòng)、高強(qiáng)度出動(dòng)，關(guān)鍵在于對無人機(jī)健康狀態(tài)的快速判斷。因此，相比有人系統(tǒng)，無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力對PHM系統(tǒng)的依賴程度增加。

基于新型無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，對無人機(jī)PHM系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）關(guān)鍵系統(tǒng)/過程壽命周期內(nèi)，能確保增強(qiáng)維修性、安全性、降低使用費(fèi)用；

（2）PHM系統(tǒng)應(yīng)為開放式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)/過程界面變動(dòng)最小，方便子系統(tǒng)和組件的變更、升級及更換；

（3）結(jié)構(gòu)和環(huán)境要求，需嚴(yán)格控制PHM系統(tǒng)重量；

（4）健康監(jiān)測的要求，包括故障、監(jiān)測、顯示、交互、協(xié)議/類型，必須與當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行過程緊密相關(guān)；

（5）可擴(kuò)展性要求與通用要求；

（6）供電與系統(tǒng)兼容性要求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在視情維修的開放體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將無人機(jī)作戰(zhàn)平臺PHM體系結(jié)構(gòu)在物理上分為機(jī)載系統(tǒng)部分和地面運(yùn)行平臺部分。

數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?，它提供PHM系統(tǒng)得以實(shí)施運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該部分技術(shù)應(yīng)用主要根據(jù)系統(tǒng)需求以及采用的不同方法和技術(shù)選擇相應(yīng)的待監(jiān)測的各種參數(shù)信息（如工作參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和性能參數(shù)等），選定待監(jiān)測的參數(shù)后，據(jù)此選用各種傳感器。表1給出了專門用于記錄和跟蹤失效機(jī)理的PHM傳感器的被測量、使用特點(diǎn)和常用型號等。

但在實(shí)際使用過程中，由于電磁干擾、空間布局限制等各種因素，傳感器的安放位置與數(shù)量并不能達(dá)到理想狀態(tài)，目前優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)傳輸方法是解決該問題的有效途徑之一?，F(xiàn)有的幾種傳輸方法中，藍(lán)牙傳輸缺乏實(shí)時(shí)性、安全性及可靠性；有線傳輸需要連接電纜，受空間布局限制，安裝困難；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)省空間、安裝便利，但成本較高，且抗電磁干擾能力極差，數(shù)據(jù)失真嚴(yán)重。因此，根據(jù)美軍的飛行經(jīng)驗(yàn)，衛(wèi)星通信相比來說是比較好的選擇。

數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊將接收來自各數(shù)據(jù)處理模塊處理后的信號和數(shù)據(jù)以及各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)處理成后繼所需的健康評估、故障預(yù)測和狀態(tài)監(jiān)測等部分處理要求的協(xié)議格式。數(shù)據(jù)處理一般包括兩個(gè)步驟，第一步通常叫做信號預(yù)處理，目的是增強(qiáng)信號的特征，這樣便于有效地提取有用的信息，這些有用的信息指示出有缺陷的部件或子系統(tǒng)的狀態(tài)。采用的方法包括濾波、放大、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)確認(rèn)和降噪以改善信噪比。第二步目的在于從預(yù)處理數(shù)據(jù)中提取特征或狀態(tài)指標(biāo)，這些預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中包含了早期故障的一些特征。模塊采用的技術(shù)包括對不同數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)信息噪聲去除、高通濾波、數(shù)據(jù)壓縮、信號自相關(guān)等。因數(shù)據(jù)應(yīng)用目的不同，數(shù)據(jù)處理的方式和技術(shù)也不同，如實(shí)現(xiàn)故障識別和故障隔離目的需應(yīng)用特征提取技術(shù)；去除大量冗雜的原始數(shù)據(jù)則需應(yīng)用數(shù)據(jù)簡化技術(shù)；將連續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為離散數(shù)據(jù)則采用循環(huán)計(jì)數(shù)的方法。

狀態(tài)監(jiān)測模塊

該模塊利用數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)同預(yù)定的失效判據(jù)等進(jìn)行判斷來評判當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，并且根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各種參數(shù)指標(biāo)閾值、極限值來提供故障報(bào)警能力。無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)覆蓋全機(jī)從上電到斷電的整個(gè)過程，飛機(jī)在起飛前狀態(tài)是否完好非常重要，在模塊中應(yīng)將這部分予以單獨(dú)提示。此外，在監(jiān)測過程中，應(yīng)可以使用BIT重試技術(shù)來防止虛警。

健康評估模塊

該模塊接收的數(shù)據(jù)主要來自不同的狀態(tài)監(jiān)測模塊以及其他健康評估模塊。主要評估被監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀態(tài)，這里的被監(jiān)測系統(tǒng)也可以是子系統(tǒng)，而健康狀態(tài)不但包括是否出現(xiàn)故障，還包括是否有參數(shù)退化現(xiàn)象等，經(jīng)過評估，可以記錄產(chǎn)生故障診斷并確定故障發(fā)生的可能性。系統(tǒng)的健康評估不但基于各種健康狀態(tài)工作情況、歷史數(shù)據(jù)還包括系統(tǒng)的歷史維修數(shù)據(jù)等。該模塊主要實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的量化評價(jià)并為故障預(yù)測提供定量的系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。

診斷處理過程是將系統(tǒng)的歷史健康信息及趨勢、系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的維護(hù)保障記錄等信息進(jìn)行融合處理，從而得出故障診斷結(jié)果。常用的故障診斷方法主要有基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)的方法、基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、基于知識的智能故障診斷方法、基于案例推理的方法等。常用的健康評估方法主要有基于模糊評判的方法和基于專家系統(tǒng)的方法等。

故障預(yù)測模塊

該部分可以綜合利用系統(tǒng)狀態(tài)檢測，健康評估等各模塊的數(shù)據(jù)信息，來評估和預(yù)測被監(jiān)測系統(tǒng)未來一段時(shí)間的健康狀態(tài)，包括剩余使用壽命等參數(shù)。故障預(yù)測能力的強(qiáng)弱是PHM系統(tǒng)能否進(jìn)行健康管理的顯著特征之一。

該層根據(jù)健康評估結(jié)果并結(jié)合系統(tǒng)關(guān)鍵特征的未來趨勢來預(yù)測設(shè)備未來狀態(tài)，評估剩余使用壽命。一般采用基于物理模型的預(yù)測、基于特征擴(kuò)展的智能預(yù)測、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測等方法。用上述方法對系統(tǒng)重要特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)得到一個(gè)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)故障率曲線，據(jù)此預(yù)測系統(tǒng)可能發(fā)生故障的時(shí)間和概率，或者對系統(tǒng)損傷過程進(jìn)行建模然后根據(jù)模型來判斷系統(tǒng)未來的狀態(tài)。

自動(dòng)推理決策模塊

該部分接受來自系統(tǒng)健康評估、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)故障預(yù)測部分的數(shù)據(jù)。其功能主要是為使用者提出維修建議和更換要求，即讓無人機(jī)開口“說話”，為維修人員制定包括維修保障的安排、調(diào)整設(shè)備操作的配置、調(diào)整任務(wù)計(jì)劃等。該部分實(shí)現(xiàn)了PHM系統(tǒng)自助決策、管理的能力，是另一顯著特征之一。它需要考慮操作的歷史記錄、當(dāng)前與將來的任務(wù)以及可用資源的限制等做出綜合判斷，包括任務(wù)可行性分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測以及資源信息管理等過程。

接口

該部分主要包括人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口兩部分。其中，人-機(jī)接口包括狀態(tài)監(jiān)測模塊的預(yù)警信息顯示以及健康評估報(bào)告，為故障預(yù)測和推理決策摸塊提供飛行器的健康參數(shù)、異常情況和報(bào)警等數(shù)據(jù)信息的顯示等，使操作人員可以方便快捷地獲取所需數(shù)據(jù)。機(jī)-機(jī)接口能夠使上述各模塊之間及PHM系統(tǒng)可以同其他系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。

目前我國的無人機(jī)型號多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異大，所以無人機(jī)PHM系統(tǒng)必須是一個(gè)開放式體系結(jié)構(gòu)，具有即插即用能力，即一方面可不斷更新或加入新的模塊，另一方面具有與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交換和集成的能力。其接口技術(shù)主要從以下幾個(gè)方面加以考慮：PHM系統(tǒng)各模塊之間；無人機(jī)其他子系統(tǒng)同PHM系統(tǒng)之間；部件級PHM同系統(tǒng)級PHM之間；人-機(jī)接口；PHM系統(tǒng)同其他決策支持、計(jì)劃、庫存、自動(dòng)化以及維修系統(tǒng)的接口。

需要指出的是，上述體系結(jié)構(gòu)中的各模塊之間并沒有明顯的界限，均存在著數(shù)據(jù)信息的交叉反饋。此外，目前關(guān)于健康評估和故障預(yù)測等方面的研究工作大部分集中在部件、子系統(tǒng)上，形成了一些比較成熟的預(yù)測技術(shù)，但還存在故障診斷不夠全面、故障發(fā)生發(fā)展和傳播的機(jī)理不明確、虛警率高、系統(tǒng)級故障關(guān)聯(lián)不明確、預(yù)測準(zhǔn)確性低、壽命周期成本利用率低等問題。因此，未來應(yīng)在現(xiàn)有的技術(shù)水平上，加深對故障的理解和認(rèn)識，建立準(zhǔn)確的有關(guān)故障發(fā)生發(fā)展和傳播的數(shù)學(xué)模型，建立一種診斷和預(yù)測的架構(gòu)，選擇和集成恰當(dāng)?shù)脑\斷和預(yù)測方法，各取所長，提高信息的利用率，實(shí)現(xiàn)對故障多角度、多參數(shù)的診斷和預(yù)測，完善和提高診斷和預(yù)測的水平。

結(jié)束語

綜合健康管理系統(tǒng)是故障預(yù)測診斷體系的發(fā)展方向，對提高無人機(jī)安全性能、維修保障效率，降低壽命周期費(fèi)用將起到重要作用。但PHM作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須研制階段就加以考慮，在國內(nèi)該方面的研究還處于起步階段。因此，在應(yīng)用綜合健康系統(tǒng)的設(shè)備方面，今后還要在工程實(shí)踐中進(jìn)行大量的驗(yàn)證工作。

（責(zé)任編輯：王瀟一）