雷達(dá)裝備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

李 碩 徐國(guó)平 蔡興雨 沈 珺

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

雷達(dá)裝備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法研究

李 碩1徐國(guó)平1蔡興雨1沈 珺2

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

為適應(yīng)雷達(dá)裝備維修保障趨勢(shì)，參考航空航天最新PHM技術(shù)，構(gòu)建了雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型。利用嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)，量化雷達(dá)各組成設(shè)備的健康狀態(tài)，并結(jié)合AHP確定各設(shè)備權(quán)重，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)各級(jí)的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)。提出一種優(yōu)化算法，解決雷達(dá)各裝備參數(shù)歸一化帶來(lái)的失真問(wèn)題，提高雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的置信度。

雷達(dá);模糊隸屬度函數(shù);健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型

0 引言

雷達(dá)裝備是國(guó)家防空預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)空情報(bào)獲取和電子對(duì)抗的主戰(zhàn)裝備，雷達(dá)裝備維修保障則是保持、恢復(fù)雷達(dá)裝備完好率和順利完成作戰(zhàn)任務(wù)的保證。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、微電子、信息處理等高新技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)裝備，傳統(tǒng)的事后維修、定時(shí)維修、視情維修等維修保障方式，已難以滿足現(xiàn)代雷達(dá)裝備維修保障的需求，呈現(xiàn)諸多弊端:如故障診斷能力不強(qiáng)、維修設(shè)備繁多、保障費(fèi)用急劇增長(zhǎng)、無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行有效預(yù)測(cè)等［1］。

故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)是當(dāng)前美軍裝備維修保障的一項(xiàng)最新技術(shù)并在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)機(jī)(JSF)等領(lǐng)域成功應(yīng)用，將其應(yīng)用于我軍雷達(dá)裝備的維修保障，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修是現(xiàn)代雷達(dá)裝備維修保障發(fā)展的迫切需求和必然趨勢(shì)。此外，現(xiàn)代雷達(dá)裝備的機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)備(BITE)不斷完善，也為PHM技術(shù)在雷達(dá)裝備中的成功應(yīng)用提供了前提條件和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)［2－4］。

1 雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)基本原則

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)《通用雷達(dá)裝備質(zhì)量監(jiān)控要求》，本文構(gòu)建五維雷達(dá)裝備健康狀態(tài)隸屬度向量，分別對(duì)應(yīng)健康、亞健康、注意、惡化、病態(tài)五個(gè)狀態(tài)。裝備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)是為了故障預(yù)測(cè)和維修決策服務(wù)的，也就是說(shuō)要根據(jù)健康裝備評(píng)價(jià)結(jié)果做出相應(yīng)的決策和行動(dòng)，這就要求每一種狀態(tài)都必須與相應(yīng)的決策或行動(dòng)相對(duì)應(yīng)，如裝備處于“健康”狀態(tài)則無(wú)須對(duì)其進(jìn)行維修檢查;處于“亞健康”狀態(tài)表示裝備偏離最好狀態(tài)，但不影響正常工作;處于“注意”狀態(tài)則應(yīng)安排維修檢查計(jì)劃;處于“惡化”狀態(tài)則應(yīng)縮短維修檢查周期;處于“病態(tài)”則表示設(shè)備不能正常工作，應(yīng)馬上進(jìn)行維修［5］。

利用雷達(dá)分級(jí)設(shè)計(jì)思想，對(duì)雷達(dá)組成進(jìn)行分級(jí)劃分(總系統(tǒng)—分系統(tǒng)—設(shè)備—部件)，如圖1所示。并每一設(shè)備建立健康狀態(tài)評(píng)價(jià)集合。

2 雷達(dá)健康狀態(tài)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及評(píng)價(jià)方法

2.1 劣化度

裝備健康狀態(tài)由一系列狀態(tài)特征參數(shù)表征，狀態(tài)特征參數(shù)是時(shí)間的函數(shù)，即隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而劣變。故障或失效則是狀態(tài)特征參數(shù)超過(guò)正常工作狀態(tài)集合的界限。而在正常工作中的裝備狀態(tài)是一定程度上偏離了良好狀態(tài)，但未超過(guò)極限技術(shù)狀態(tài)界限，是個(gè)中間狀態(tài)。因此劣化度可定義為裝備狀態(tài)偏離良好狀態(tài)向極限技術(shù)狀態(tài)發(fā)展的程度。劣化度取值范圍為［0，1］，0代表沒(méi)有產(chǎn)生任何劣變，1代表故障或失效。

對(duì)于第i個(gè)狀態(tài)特征參數(shù)，其劣化度計(jì)算公式為

其中:Ai為第i個(gè)狀態(tài)特征參數(shù)的出廠允許值;Bi為第i個(gè)狀態(tài)特征參數(shù)的極限值;Ci為第i個(gè)狀態(tài)特征參數(shù)的實(shí)測(cè)值;k為指數(shù)，它反映第i個(gè)狀態(tài)參數(shù)的變化對(duì)裝備功能的影響程度，一般情況下取2;Ai，Bi的值取自準(zhǔn)備的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，它根據(jù)裝備設(shè)計(jì)使用和維修說(shuō)明或根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

2.2 模糊隸屬度函數(shù)

為了量化五維健康狀態(tài)，將抽象概念轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，本文采用嶺形分布隸屬度函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式為

其中，a2，a1為函數(shù)調(diào)整參數(shù)，取值范圍為［0，1］。嶺形分布隸屬度函數(shù)具有主值區(qū)域?qū)?，過(guò)渡帶平緩等特點(diǎn)，能較好地反映裝備劣化度與狀態(tài)的模糊關(guān)系，如圖2所示。

將劣化度值代入嶺形分布隸屬度函數(shù)表達(dá)式，則得到五個(gè)隸屬度值，這表示劣化度所屬狀態(tài)并不唯一，處于一個(gè)中間過(guò)渡狀態(tài)。這樣就可以將設(shè)備從正常到故障的過(guò)渡狀態(tài)都表示出來(lái)。

3 雷達(dá)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)步驟

第一步:計(jì)算各設(shè)備權(quán)重并構(gòu)建權(quán)重矩陣。根據(jù)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，計(jì)算各個(gè)部件及設(shè)備分系統(tǒng)的權(quán)重。采用9標(biāo)度層次分析法進(jìn)行兩兩比較建立判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重向量并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終得到權(quán)重矩陣。

第二步:建立部件級(jí)劣化度模糊判斷矩陣。將各部件的劣化度代入嶺形分布隸屬度函數(shù)中，得到部件級(jí)劣化度模糊判斷矩陣。

第三步:計(jì)算分系統(tǒng)級(jí)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣。利用部件級(jí)權(quán)重矩陣和部件級(jí)劣化度模糊判斷矩陣，進(jìn)行矩陣相乘運(yùn)算，得到分系統(tǒng)級(jí)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣。并以此類推，得到上一級(jí)的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣。

第四步:按照最大隸屬度原則判斷設(shè)備健康狀態(tài)。

4 實(shí)例應(yīng)用

本文以有源相控陣?yán)走_(dá)為例，將其組成按圖1進(jìn)行劃分，建立健康狀態(tài)評(píng)價(jià)集合，如圖3所示。通過(guò)構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型，逐層完成裝備的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)。

4.1 構(gòu)建各設(shè)備權(quán)重矩陣

利用AHP層次分析法計(jì)算權(quán)重，以輔助分系統(tǒng)級(jí)為例，如圖4所示

輸入專家打分結(jié)果并檢查一致性，當(dāng)一致性不符合要求需要進(jìn)行檢查打分結(jié)果，最終確定各權(quán)重。以此類推，得到各個(gè)設(shè)備的權(quán)重，如表1所示。

4.2 建立部件級(jí)劣化度模糊判斷矩陣

部件劣化度具有反映部件實(shí)際工作狀態(tài)的信息，需要和嶺形分布隸屬度函數(shù)進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)當(dāng)前劣化度是否能夠正確反映其當(dāng)前狀態(tài)。傳統(tǒng)的方法是直接利用計(jì)算好的劣化度，但實(shí)際應(yīng)用中，不同設(shè)備狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過(guò)歸一化后，都會(huì)帶來(lái)一定程度的失真情況，因此本文提出一個(gè)劣化度調(diào)整參數(shù)，并配合隸屬度函數(shù)參數(shù)，共同調(diào)整解決參數(shù)歸一化帶來(lái)的失真情況，如圖5所示，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)虛線位置來(lái)判斷此劣化度的有效性，使得后續(xù)工作能跟好地反映裝備實(shí)際健康狀態(tài)。

表1 有源相控陣?yán)走_(dá)組成設(shè)備及部件的權(quán)重

當(dāng)各個(gè)部件全部調(diào)整確認(rèn)劣化度后，代入嶺形分布隸屬度函數(shù)，可以得到各個(gè)部件的模糊判斷矩陣。如表2所示。

表2 有源相控陣?yán)走_(dá)各部件模糊判斷矩陣

根據(jù)最大隸屬度原則，確定各個(gè)設(shè)備的健康狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)評(píng)價(jià)集的隸屬度值相同時(shí)，例如伺服設(shè)備，健康集和亞健康集的隸屬度值相同，為了保證排除隱患，應(yīng)選取次級(jí)評(píng)價(jià)集，即伺服設(shè)備處于亞健康狀態(tài)。

4.3 計(jì)算分系統(tǒng)級(jí)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣

利用部件級(jí)權(quán)重矩陣和部件級(jí)劣化度模糊判斷矩陣，進(jìn)行矩陣相乘運(yùn)算，得到分系統(tǒng)級(jí)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)矩陣，如圖6所示?？梢钥闯?，每個(gè)分系統(tǒng)在五個(gè)健康評(píng)價(jià)集都有分布。以收發(fā)分系統(tǒng)為例，從表看出風(fēng)機(jī)電源處于注意集，但風(fēng)機(jī)電源所占收發(fā)分系統(tǒng)的權(quán)重很小，而權(quán)重相對(duì)重要的T/R組件和風(fēng)機(jī)處于亞健康狀態(tài)，因此收發(fā)分系統(tǒng)仍然處于亞健康集，但為了保證裝備任務(wù)可靠性，應(yīng)縮短維修檢查時(shí)間，排除隱患。以此類推，通過(guò)分系統(tǒng)評(píng)價(jià)矩陣和分系統(tǒng)權(quán)重矩陣可以計(jì)算出系統(tǒng)級(jí)的健康狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)裝備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究具有重要實(shí)際應(yīng)用意思，從設(shè)計(jì)階段構(gòu)建健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系有助于產(chǎn)品的調(diào)試，以及用戶使用，提高產(chǎn)品的可靠性和可維修性。本文以有源相控陣?yán)走_(dá)為例，介紹了基于劣化度的裝備健康狀態(tài)判斷方法，利用嶺形分布模糊隸屬度函數(shù)，將抽象概念量化，通過(guò)構(gòu)建包含健康評(píng)價(jià)指標(biāo)、健康狀態(tài)參數(shù)的層次分析結(jié)構(gòu)，有效地回避了物理建模方法的高建模代價(jià)以及多元回歸方法可能面臨的模型復(fù)雜性和穩(wěn)定性問(wèn)題。同時(shí)，本文為解決參數(shù)歸一化中，單一劣化度計(jì)算公式不能正確反映設(shè)備實(shí)際狀態(tài)與隸屬函數(shù)關(guān)系造成失真的情況，提出一個(gè)調(diào)整參數(shù)，與隸屬函數(shù)參數(shù)共同來(lái)調(diào)整劣化度隸屬準(zhǔn)確性問(wèn)題。此方法可以完成每一個(gè)設(shè)備劣化度的隸屬標(biāo)定，具有靈活性和可移植性，提高了裝備健康評(píng)價(jià)模型的置信度。

［1］曾聲奎，吳際.故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2005，26(9):626－633.

［2］黃建軍，楊江平，房子成.基于 AHP和模糊評(píng)判的雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(3):12 －16，33．

［3］鐘詩(shī)勝，譚治學(xué).雷達(dá)發(fā)射機(jī)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2014，36(6):69－74.

［4］王晗中，楊江平，王世華.基于PHM的雷達(dá)裝備維修保障研究［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，19(4):84 －85.

［5］周林，趙杰，馮廣飛.裝備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2015:145－146.

Evaluation Method Research on Radar Health Status

Li Shuo1Xun Guoping1Cai Xingyu1Shen Jun2
(1.Xi'an Electronic Engineering Research Institute，Xi'an 710100;2.Xidian University，Xi'an 710071)

In order to adapt to the trend of radar equipment maintenance support，referring the latest PHM technology of aeronautics and astronautics，a radar health status evaluation model was constructed.Using the ridge distribution of membership functions，quantifing the health status of rader's configuration equipment，combining AHP methods to confirm their weight，the radar health status evaluation was completed.To solve the distortion problem of normalizing parameter and improve the confidence value of the radar health status evaluation model，a optimization algorithm was presented.

radar;membership functions;radar health status evaluation model

A

A

1008-8652(2017)01-012-04

2017-01-21

李碩(1992－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)總體技術(shù)。