機(jī)載雷達(dá)故障預(yù)測和健康管理技術(shù)研究

劉健他　邵威

摘要：故障預(yù)測和健康管理（pHM）是一種全面的故障檢測、隔離和預(yù)測及狀態(tài)管理控制技術(shù)，將它用于機(jī)載雷達(dá)監(jiān)視及故障診斷的一體化控制系統(tǒng)，可有效提高機(jī)載雷達(dá)工作的任務(wù)可靠性。根據(jù)機(jī)載雷達(dá)的電氣特性和故障模式，首先給出了PHM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的工作和實現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，同時，還介紹了智能控制技術(shù)在故障預(yù)測中的應(yīng)用，最后對PHM技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)載雷達(dá)；預(yù)測與健康狀態(tài)管理；機(jī)內(nèi)測試；智能控制

1概述

隨著武器裝備系統(tǒng)性能的不斷提高以及復(fù)雜性的不斷增加，各種信息采集技術(shù)和智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，尤其是綜合了電子、微波等綜合技術(shù)的雷達(dá)設(shè)備，其可靠性越來越被大家重視。20世紀(jì)末，美國提出一種先進(jìn)的測試、維修和管理技術(shù)，即故障預(yù)測與健康狀態(tài)管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)，并將應(yīng)用于JSF（Joint Strike Fighter，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)）項目中，利用系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)實時采集到的各種信息，通過智能算法對整個電子設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行評估，就像對人體進(jìn)行體檢一樣，通過對各種指標(biāo)的監(jiān)測，可以有效地對系統(tǒng)故障進(jìn)行預(yù)測。

機(jī)載雷達(dá)不受地球曲率、遮蔽物和地面氣流影響，能夠在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行探測，尤其是針對“低慢小”目標(biāo)的探測能力更突出。目前，機(jī)載雷達(dá)已經(jīng)成為各國防空預(yù)警系統(tǒng)中的重要組成部分。由于修理和維護(hù)成本較高，世界上大多機(jī)載雷達(dá)采用故障后維修和定時保養(yǎng)、定期維修為主，最典型的方法就是采用系統(tǒng)的機(jī)內(nèi)測試（Build In Test，BIT）技術(shù)。但困擾BIT技術(shù)的一個關(guān)鍵問題就是系統(tǒng)虛警率較高，除了BIT系統(tǒng)自身的問題外，主要表現(xiàn)為不可復(fù)現(xiàn)和重測合格等狀態(tài)。

本文主要介紹了故障預(yù)測和健康管理技術(shù)在機(jī)載雷達(dá)上的應(yīng)用，既可以針對雷達(dá)內(nèi)部各個部件的故障初兆或者元器件的失效狀態(tài)，對雷達(dá)內(nèi)部的故障進(jìn)行故障判斷和故障隔離，甚至是故障預(yù)警，也可以對雷達(dá)長時間的故障信息進(jìn)行統(tǒng)計，形成雷達(dá)狀態(tài)的“履歷本”，對雷達(dá)整機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行管理，根據(jù)故障預(yù)判、雷達(dá)使用需要等信息，對雷達(dá)的維修時機(jī)做出適當(dāng)決策。最終可以減少由于故障造成的費(fèi)用和戰(zhàn)術(shù)風(fēng)險，提高雷達(dá)的作戰(zhàn)能力。

2機(jī)載雷達(dá)PHM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機(jī)載雷達(dá)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它包括天饋分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)和信號處理分系統(tǒng)等等。機(jī)載雷達(dá)的PHM系統(tǒng)由機(jī)上PHM系統(tǒng)地面PHM系統(tǒng)所組成，如圖l所示。

機(jī)上PHM系統(tǒng)包括為3層：

1）模塊PHM管理器：模塊級的PHM管理器主要負(fù)責(zé)從傳感器接收數(shù)據(jù)，可以以最快的速度響應(yīng)某一個LRU的故障，對故障信息進(jìn)行故障確認(rèn)和故障隔離，同時，向分系統(tǒng)級的PHM管理器進(jìn)行匯報；

2）分系統(tǒng)PHM管理器：分系統(tǒng)級的PHM管理器主要對本分系統(tǒng)下屬所有的故障信息進(jìn)行故障綜合和故障相關(guān)，排除虛假故障信息，并最終將分系統(tǒng)的實際狀態(tài)向整機(jī)管理器進(jìn)行上報；

3）整機(jī)PHM管理器：整機(jī)級的PHM管理器一般在雷達(dá)的顯示控制計算機(jī)中實現(xiàn)，它會綜合雷達(dá)所有分系統(tǒng)的故障信息，與計算機(jī)中的故障樹進(jìn)行比對，給出最終的故障點(diǎn)預(yù)測。一般通過維護(hù)接口，將這些信息發(fā)送給操作員或者通過遠(yuǎn)程接口直接送入雷達(dá)大修廠。同時，將信息通過數(shù)據(jù)記錄儀或者大容量存儲器上報到地面的PHM系統(tǒng)中。

機(jī)上部分的分系統(tǒng)和整機(jī)級PHM管理器都具有智能推理功能，可以根據(jù)分系統(tǒng)內(nèi)部的故障關(guān)系或者整機(jī)的故障關(guān)系，進(jìn)行診斷推理、預(yù)測推理和差異推理，對分系統(tǒng)或者整機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和管理。

地面PHM系統(tǒng)包括和離線故障預(yù)測系統(tǒng)。故障處理系統(tǒng)用于對故障維修進(jìn)行決策支持，對故障處理的方法進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，提供基于故障狀態(tài)的維修建議。而離線故障預(yù)測則可以根據(jù)雷達(dá)調(diào)試人員輸入的調(diào)試報告進(jìn)行離線故障查找，通過數(shù)據(jù)庫積累，生成故障趨勢跟蹤表以及MTBF管理報告等。

3PHM系統(tǒng)工作與實現(xiàn)

在PHM系統(tǒng)中，各層管理器主要工作包括三個部分：傳感器檢測與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與信息處理、故障診斷與故障預(yù)測。

3.1傳感器檢測與數(shù)據(jù)采集

傳感器檢測是PHM的基本，傳感器送出的參數(shù)，是雷達(dá)工作情況的原始數(shù)據(jù)，只有保證原始數(shù)據(jù)的正確性和實時性，對雷達(dá)整機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和管理才成為可能。同樣，數(shù)據(jù)采集也包括在線和離線兩種方式。在線數(shù)據(jù)采集是通過雷達(dá)的監(jiān)控分系統(tǒng)對機(jī)載雷達(dá)整機(jī)的各個LRU的狀態(tài)進(jìn)行實時的采集；而離線數(shù)據(jù)采集是主要是通過調(diào)試人員在每一次雷達(dá)開機(jī)工作后，對雷達(dá)整機(jī)戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)變化進(jìn)行記錄，涉及雷達(dá)原始回波以及雷達(dá)點(diǎn)、航跡的處理結(jié)果，并將這些信息保存在雷達(dá)的整機(jī)PHM管理器中。

機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)十分復(fù)雜，不僅包含大量的電子設(shè)備，還包含很多微波器件，能夠表示雷達(dá)狀態(tài)的基本參數(shù)很多，比如電壓、電流、功率、阻抗、相位、頻率、駐波等。傳感器作為系統(tǒng)特性和工作環(huán)境應(yīng)力測量的執(zhí)行者，將直接影響機(jī)載雷達(dá)PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精確性和及時性。各層傳感器選用時應(yīng)注意小、輕、容易與其他設(shè)備聯(lián)網(wǎng)等特性。

3.2數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)傳輸包括設(shè)備之間的有線傳輸以及設(shè)備與控制站之間的無線傳輸，有線傳輸多采用現(xiàn)場總線，如RS485，CAN等，在機(jī)載環(huán)境下一般使用航空通用總線，如ARINC-429總線和MIL-STD-1553B總線等，實現(xiàn)高可靠、大數(shù)據(jù)量通訊。而無線傳輸一般采用專用電臺，將數(shù)據(jù)打包加密后，發(fā)送出去。

PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要以嵌入式處理器加FPGA為主體，以嵌入式處理器為主控制器，F(xiàn)PGA為協(xié)處理器。一般模擬傳感器送出的信號都是毛刺較多的，需要經(jīng)過信號隔離后進(jìn)入前置放大和采樣/保持，而數(shù)字傳感器輸出的信號較好，可直接通過信號接口電路進(jìn)入FPGA，所有傳感器的數(shù)據(jù)由FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合和打包，送人主控制器中，完成數(shù)據(jù)的特征提取。數(shù)據(jù)傳輸與處理流程如圖2所示。

3.3故障診斷與故障預(yù)測

PHM系統(tǒng)最主要的功能進(jìn)行故障診斷與故障預(yù)測。首先就要建立雷達(dá)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，這需要長時間的對該雷達(dá)的工作情況進(jìn)行記錄才可能生成。

目前，常規(guī)的機(jī)載雷達(dá)各分系統(tǒng)都擁有較為完善的BIT功能，監(jiān)控分系統(tǒng)會實時監(jiān)測雷達(dá)各分系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)雷達(dá)出現(xiàn)明顯故障時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動報警，提示操作員，進(jìn)行故障排查，一般可通過更換備件的方式，確定某LRU的實際故障與否。在PHM系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)長期的雷達(dá)故障記錄，通過對當(dāng)前故障狀態(tài)信息的綜合以及與歷史故障數(shù)據(jù)的對比，自動給出故障診斷結(jié)果。在沒有發(fā)生明顯故障時，通過對某些模擬信號的變化趨勢與雷達(dá)健康數(shù)據(jù)庫中的值進(jìn)行對比，進(jìn)行中期或長期的故障預(yù)測，給出下次維修的時間，指導(dǎo)設(shè)備保障規(guī)劃，故障診斷與故障預(yù)測流程如圖3所示。

4智能控制在故障預(yù)測中的應(yīng)用

在機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中，通過對單個敏感參數(shù)的準(zhǔn)確檢測來預(yù)測系統(tǒng)的故障發(fā)生時間，但是，由于很多不同信號引發(fā)的歷史故障數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計數(shù)據(jù)集，很難確認(rèn)何種參數(shù)的組合適合于當(dāng)前的預(yù)測，而建立較為清晰、明了的故障庫模型則更為困難。所以，目前，在PHM技術(shù)中，廣泛地采用智能控制技術(shù)對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)綜合以及特征提取進(jìn)行處理，特別是進(jìn)行特征提取時，主要使用了專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。

其實PHM各層管理器，尤其是分系統(tǒng)級和整機(jī)級。其結(jié)構(gòu)就是類似一個小型的專家系統(tǒng)，包括知識庫、數(shù)據(jù)庫和推理機(jī)三個部分。各分系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗建立多個知識庫模型，推理機(jī)根據(jù)雷達(dá)當(dāng)前的工作狀態(tài)來選擇一種經(jīng)確認(rèn)的模型去診斷和預(yù)測故障。

和專家系統(tǒng)的確定性模型不同，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等控制技術(shù)是通過不斷的自學(xué)習(xí)，逐漸完善整個PHM系統(tǒng)的預(yù)測準(zhǔn)確性，它不需要對研究對象進(jìn)行深入的了解，而是從長期的雷達(dá)歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)異常和正常值，從而得到算法內(nèi)輸人與輸出值的映射關(guān)系，從而建立的非線性模型，可通過這個模型可以得出一條雷達(dá)故障趨勢圖，從而進(jìn)行故障預(yù)測。

5結(jié)束語

PHM技術(shù)已經(jīng)成為為國外新一代武器裝備研制和實現(xiàn)自主式裝備保障的一項核心技術(shù)。它在機(jī)載雷達(dá)上的應(yīng)用，對于提高雷達(dá)設(shè)備的維修性和保障性水平、降低雷達(dá)全壽命周期費(fèi)用都有極其重要的意義。

目前，雷達(dá)的故障預(yù)測與健康管理正處于起步階段，在某些產(chǎn)品上已經(jīng)進(jìn)行了初步的研究和試用，對于雷達(dá)狀態(tài)數(shù)據(jù)已經(jīng)開始進(jìn)行積累和管理，可對某些常規(guī)故障進(jìn)行正確的自動診斷和故障發(fā)生概率預(yù)測。但是，由于雷達(dá)設(shè)備的復(fù)雜度不斷提高，而電子器件的可靠性不斷增大，很難提取出可用的故障信息預(yù)測規(guī)則，另外，很多故障發(fā)生時間極為短暫，也無法在離線情況下進(jìn)行故障完全復(fù)現(xiàn)，也為后期的故障預(yù)測增加了不少的難度。