戰(zhàn)斗機(jī)預(yù)測與健康管理技術(shù)應(yīng)用的思考

摘要：從裝備維修保障能力發(fā)展需求及預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)內(nèi)涵入手，根據(jù)主要武器裝備的作戰(zhàn)使用及維修特點(diǎn)，分析了戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用PHM技術(shù)的迫切需求以及國內(nèi)外PHM技術(shù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀和特點(diǎn)；重點(diǎn)研究給出了戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制過程中關(guān)于需求識別、軟硬件統(tǒng)籌、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與能力提升、分層級診斷體系構(gòu)建、功能系統(tǒng)對象權(quán)衡確定等5個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的解決思路；結(jié)合國內(nèi)某型新機(jī)PHM系統(tǒng)的應(yīng)用場景闡述了戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制效果；最后對未來戰(zhàn)斗機(jī)PHM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)斗機(jī)；預(yù)測與健康管理；工程應(yīng)用；認(rèn)識與思考；應(yīng)用進(jìn)展；關(guān)鍵環(huán)節(jié)；研制效果

中圖分類號：V240.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.001

基金項目：國防基礎(chǔ)科研計劃（JCKY 2016205A004）

為應(yīng)對新的作戰(zhàn)需要，裝備的信息化水平和復(fù)雜程度顯著提升，使得按傳統(tǒng)模式和技術(shù)手段來保持和恢復(fù)裝備固有可靠性水平的維修保障不堪重負(fù)，實現(xiàn)精確維修、縮小保障規(guī)模、降低保障費(fèi)用迫在眉睫。因此需要引入新技術(shù)、創(chuàng)新理念，將傳統(tǒng)的事后維修或定時預(yù)防性維修轉(zhuǎn)變?yōu)榛跔顟B(tài)的維修。

預(yù)測與健康管理（prognostics and health management，PHM）是以裝備機(jī)內(nèi)自測試、綜合診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，基于海量的傳感器信息和飛行記錄參數(shù)，借助各種推理模型對裝備系統(tǒng)、部件或模塊的故障和剩余壽命進(jìn)行精確診斷、預(yù)測，綜合裝備的使用需求和可用的保障資源對維修活動進(jìn)行適當(dāng)決策的能力[1]。有關(guān)工程應(yīng)用研究表明，該技術(shù)有助于推動裝備實現(xiàn)精確維修、敏捷保障、直接提升作戰(zhàn)效能：

（1）故障診斷及時、準(zhǔn)確，能盡最大可能減少不正確維修，縮短故障排除時間，降低維修人員技術(shù)水平要求。

（2）故障和剩余壽命預(yù)測能力，能大幅度減少定時維修，降低非計劃維修的不可預(yù)知性，提升保障資源配置的精確性。

（3）基于健康狀態(tài)安排維修，能最大程度提升裝備執(zhí)行任務(wù)能力，降低保障規(guī)模和保障費(fèi)用。

裝備綜合應(yīng)用PHM技術(shù)是作戰(zhàn)需求、技術(shù)研究與工程應(yīng)用不斷迭代的過程。其間，涉及一系列既與裝備自身發(fā)展關(guān)聯(lián)，又與新技術(shù)研究應(yīng)用相關(guān)的基礎(chǔ)問題，既需要技術(shù)研究的突破，又需要工程應(yīng)用上的正確理解、合理使用與綜合集成創(chuàng)新。需要多領(lǐng)域?qū)＜夜餐?、?lián)合攻關(guān)，在工程實踐中持續(xù)深入研究基礎(chǔ)技術(shù)，探索系統(tǒng)研制應(yīng)用方法。目前，國外開展了先進(jìn)傳感器、信息獲取與處理、診斷預(yù)測智能模型、綜合體系架構(gòu)、驅(qū)動維修保障等理論與技術(shù)方法，并在F-35戰(zhàn)斗機(jī)上初步研制形成相應(yīng)系統(tǒng)，但其核心技術(shù)對外實施技術(shù)封鎖。國內(nèi)相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)研究相對比較薄弱，發(fā)表的文獻(xiàn)也多以智能傳感器、故障診斷與健康評估、診斷和預(yù)測算法推理模型等理論性研究為主。本文基于工程應(yīng)用的認(rèn)識和理解，在深入思考和總結(jié)國內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展的基礎(chǔ)上，給出了戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)工程實踐關(guān)鍵環(huán)節(jié)和發(fā)展方向，以期為工程研制人員提供參考。

1 PHM技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)的總體認(rèn)知

與其他武器裝備相比，戰(zhàn)斗機(jī)具有出動強(qiáng)度大、任務(wù)成功性高、機(jī)動部署性強(qiáng)、壽命周期長等特殊的作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，研制的目標(biāo)是追求高作戰(zhàn)效能，因此，故障及時發(fā)現(xiàn)、快速排除和精確維修、敏捷保障等能力顯得尤為重要，PHM技術(shù)可以發(fā)揮更好的作用。

1.1戰(zhàn)斗機(jī)獨(dú)有的維修特點(diǎn)使亟須PHM技術(shù)

航空、航天、兵器、艦船等各類武器裝備作戰(zhàn)使用及維修保障各不相同、各具特點(diǎn)[2-4]，其對PHM能力需求具有自身不同的應(yīng)用方向，但存在一些差異。

航天裝備的主要使用模式為一次性使用或一次發(fā)射長期在軌運(yùn)行。發(fā)射過程若發(fā)生故障通常引起災(zāi)難性后果，在軌運(yùn)行后工況相對穩(wěn)定，因此航天裝備注重發(fā)射前測試與故障診斷、重視單次高可靠、不允許帶故障發(fā)射。對于發(fā)射過程或在軌運(yùn)行過程中發(fā)生的故障，無法及時采取維修工作，也無急迫的使用中和使用后保障需求。以上這些特點(diǎn)，使PHM技術(shù)觸發(fā)后續(xù)維護(hù)活動的作用就顯得比較難以實施。

兵器裝備的使用主要集中在地面，發(fā)生故障后可以隨時停留原地等待維修，引起車毀人亡等嚴(yán)重后果的風(fēng)險較低，而在裝備內(nèi)部實現(xiàn)PHM需要一定的代價，需要綜合權(quán)衡，因此兵器裝備通常采用定時維修或故障后修理相結(jié)合的策略，PHM技術(shù)在兵器裝備中如何有效使用，需要進(jìn)一步探索研究。

艦船裝備長期遠(yuǎn)洋航行、出動頻次低、單次出動周期長，航行期間僅能根據(jù)艦船修理條件和備件情況開展“部件替換式”的自修，主要結(jié)合在港停泊期間的航修以及塢修、廠修等開展定時維修或事后維修，故障排除雖有一定的實時性要求，但對故障精準(zhǔn)診斷和預(yù)測要求不同，所以應(yīng)用PHM技術(shù)的緊迫性和全面性上需要權(quán)衡。

對于航空裝備，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)，作為制空作戰(zhàn)的拳頭力量，采用基地化部署，高頻次重復(fù)使用、快速出動要求高，空中飛行發(fā)生故障可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡。因此，飛行前必須確保關(guān)鍵功能完好，以保證飛行安全、任務(wù)成功。飛行中能主動發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵功能故障便于決策備降或返航。一旦飛機(jī)著陸就能即時排除故障使之快速再次出動。應(yīng)該說，戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用PHM技術(shù)正是破解其因作戰(zhàn)使用形成的獨(dú)特維修保障需求的關(guān)鍵所在。

1.2 PHM技術(shù)是影響戰(zhàn)斗機(jī)研制目標(biāo)的關(guān)鍵要素

戰(zhàn)斗機(jī)研制追求的目標(biāo)之一是高作戰(zhàn)效能。長期以來，戰(zhàn)斗機(jī)研制技術(shù)相比以前已有明顯進(jìn)步，但距離目標(biāo)仍有差距，在戰(zhàn)斗機(jī)交付部署后面臨著維修時間長、機(jī)動能力差、維修費(fèi)用高等主要問題，具體表現(xiàn)為外場出現(xiàn)新故障、故障不復(fù)現(xiàn)、故障不能準(zhǔn)確定位、有故障但沒有報告、外場偶發(fā)故障（原因不明）、報故返廠測試后一切正常等。經(jīng)分析，造成上述問題的主要原因是在戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計過程中功能性能設(shè)計與可靠性、維修性、測試性、保障性等影響作戰(zhàn)效能的固有屬性同步設(shè)計不充分，缺乏PHM系統(tǒng)整體規(guī)劃和設(shè)計，嚴(yán)重制約著研制目標(biāo)的實現(xiàn)。

PHM技術(shù)具備的故障診斷能力可有效降低虛警、減少故障排除時間；預(yù)測能力可大幅減少因定時維修導(dǎo)致的戰(zhàn)斗機(jī)不可用時間，并能預(yù)測即將發(fā)生故障的設(shè)備從而觸發(fā)提前更換，降低任務(wù)執(zhí)行過程中故障發(fā)生概率，也可使偶然故障轉(zhuǎn)為計劃性的修復(fù)性維修。因此，在一定的可靠性、維修性、測試性、保障性設(shè)計基礎(chǔ)上，工程應(yīng)用PHM技術(shù)，可更有效提升戰(zhàn)斗機(jī)可用度（A）、可信度（D）和保障度（S），進(jìn)而間接影響作戰(zhàn)效能，使戰(zhàn)斗機(jī)研制追求的目標(biāo)更加落地[5]，實現(xiàn)買的起、用的起、好用、頂用的作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，如圖1所示。

1.3需權(quán)衡處理好與關(guān)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)系

PHM技術(shù)能力強(qiáng)大，但與戰(zhàn)斗機(jī)已有的測試性、機(jī)內(nèi)綜合告警等技術(shù)存在關(guān)聯(lián)，工程應(yīng)用不能唯PHM論，需綜合權(quán)衡處理好與其他相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)系。

（1）充分認(rèn)識其與測試性技術(shù)的依托關(guān)系

測試性是產(chǎn)品能及時并準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)，并隔離其內(nèi)部故障的能力。測試性設(shè)計使產(chǎn)品可以通過測試確定是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的位置。PHM技術(shù)要完全發(fā)揮實時監(jiān)控、增強(qiáng)診斷、故障預(yù)測與健康管理的能力，重要前提是測試性設(shè)計的測試點(diǎn)與數(shù)量是否滿足要求。沒有良好的測試性為基礎(chǔ)，PHM技術(shù)功能再強(qiáng)大也會成為無米之炊。在工程應(yīng)用時，不僅不能錯誤地認(rèn)為其將代替測試性，反而應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)內(nèi)測試（BIT）和綜合診斷等測試性設(shè)計，以助力PHM系統(tǒng)研制。

（2）正確處理其與機(jī)上故障告警觸發(fā)信號的同源關(guān)系

戰(zhàn)斗機(jī)綜合告警系統(tǒng)負(fù)責(zé)將需要告知飛行員的飛機(jī)故障信息等通過視覺和聽覺方式傳遞給飛行員并引導(dǎo)其采取適當(dāng)?shù)娘w行操作動作。其中，故障信息由飛機(jī)管理系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)的處理單元負(fù)責(zé)處理后直接傳遞給綜合告警系統(tǒng)觸發(fā)告警。PHM技術(shù)具備實時監(jiān)控并診斷故障的能力，可以提供準(zhǔn)確的全機(jī)故障信息為維修服務(wù)。從數(shù)據(jù)同源的角度看，綜合告警系統(tǒng)的觸發(fā)信號可以由PHM系統(tǒng)產(chǎn)生。但也應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，告警系統(tǒng)傳遞的信息是需要飛行員引起注意或操作處理的故障，關(guān)系飛行員安全、飛行安全及任務(wù)執(zhí)行，工程應(yīng)用初期PHM可不直接參與機(jī)上故障告警，但可以同步對數(shù)據(jù)的同一性進(jìn)行分析驗證，待技術(shù)應(yīng)用成熟后，從任務(wù)關(guān)鍵信息開始逐步支持故障告警。

2國內(nèi)外PHM技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)展

PHM技術(shù)在綜合診斷基礎(chǔ)上發(fā)展而來，經(jīng)過深度技術(shù)研究和工程應(yīng)用，體現(xiàn)出其在故障深度診斷、實現(xiàn)故障與壽命預(yù)測、助力自主保障和提升保障效能方面特有的技術(shù)優(yōu)勢，越來越受到各國軍方的高度重視，國內(nèi)外航空裝備工業(yè)部門更致力于使之轉(zhuǎn)化為新研裝備的重要技術(shù)組成部分。

2.1技術(shù)研究現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)60年代的機(jī)內(nèi)測試技術(shù)開始，歷經(jīng)BIT、綜合診斷等發(fā)展階段，直至90年代PHM技術(shù)的誕生與發(fā)展，經(jīng)過長期研究和積累，目前已形成了完善的技術(shù)方法體系、功能結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)體系以及技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用與技術(shù)集成機(jī)制[6]。

國內(nèi)自“十五”末期引入PHM技術(shù)概念以來[7]，有關(guān)高校、工業(yè)部門在“十一五”相繼開展了大量技術(shù)基礎(chǔ)和國外應(yīng)用研究；“十二五”適應(yīng)國內(nèi)某型新機(jī)研制需要，工業(yè)部門組織開展了關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究與應(yīng)用攻關(guān)，為型號應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)；“十三五”隨著新機(jī)研制，結(jié)合預(yù)先研究專項安排，重點(diǎn)開展了復(fù)雜裝備PHM系統(tǒng)技術(shù)理論、工程系統(tǒng)及故障模型試驗驗證等研究工作，進(jìn)一步梳理了國內(nèi)技術(shù)方法體系、工程設(shè)計與驗證技術(shù)方法，走出了一條型號研制與預(yù)先研究并進(jìn)的技術(shù)研究之路。

2.2工程應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著技術(shù)研究的不斷深入，PHM技術(shù)在諸多領(lǐng)域已逐漸探索工程應(yīng)用[8]。其中，在戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用最為全面、系統(tǒng)而富有成效，也促進(jìn)其在其他領(lǐng)域應(yīng)用的落地與發(fā)展，更成為F-35和國內(nèi)某型新機(jī)的典型技術(shù)特征之一，如圖2所示。

美國自20世紀(jì)70年代中期的A-7E飛機(jī)研制發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以來，在經(jīng)歷40余年的測試技術(shù)發(fā)展和F-15、F-16、 F/A-18、F-22等型號的可靠性、測試性和綜合診斷工程實踐后，為提高出動架次率、降低保障規(guī)模、減少維修人力，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)研制中啟動了PHM系統(tǒng)研制，并形成一套研制方法和設(shè)計工具[9]。該系統(tǒng)是一種由機(jī)上和地面兩大部分構(gòu)成的軟件密集型系統(tǒng)，采用分層智能推理結(jié)構(gòu)，其機(jī)上部分由成員系統(tǒng)、區(qū)域管理器、飛機(jī)平臺管理器三個層次構(gòu)成，成員系統(tǒng)借助傳感器、BIT、模型等檢測故障，飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、機(jī)體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)等的區(qū)域管理器具有信號處理、信息融合和區(qū)域推理的功能，飛機(jī)平臺管理器通過關(guān)聯(lián)信息確認(rèn)并隔離故障。除推進(jìn)系統(tǒng)管理器外，其他區(qū)域管理器和飛機(jī)平臺管理器軟件均駐留綜合核心處理機(jī)（ICP）或顯示管理計算機(jī)（DMC）中[10]。F-35 PHM系統(tǒng)研制歷經(jīng)10余年，取得了很大的進(jìn)步，但隨著作戰(zhàn)試驗和各批次飛機(jī)部署驗證，也暴露了系統(tǒng)仍然存在故障檢測隔離能力仍不足、故障預(yù)測能力實現(xiàn)滯后等問題[11]，這也是PHM工程應(yīng)用過程的自身規(guī)律。

中國從自主研制的殲10戰(zhàn)斗機(jī)開始，在國內(nèi)引入并首次開展可靠性、維修性、測試性工程實踐，打下了理論方法和技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)。經(jīng)歷30余年的發(fā)展，依托良好的可靠性、測試性工程實踐技術(shù)支撐，在PHM工程基礎(chǔ)相對薄弱的情況下，為實現(xiàn)高保障能力、低全生命周期費(fèi)用，首次將PHM系統(tǒng)作為國內(nèi)某型新機(jī)的一個子系統(tǒng)納入裝備研制。該系統(tǒng)充分利用飛機(jī)管理計算機(jī)（VMC）、ICP、顯示管理處理機(jī)（DMP）及各二級控制器，構(gòu)建了具備不同工作模式的成員級、區(qū)域級、飛機(jī)級三層聯(lián)動系統(tǒng)架構(gòu)。國內(nèi)PHM系統(tǒng)技術(shù)工程應(yīng)用時間僅僅10多年，形成了一套特有的系統(tǒng)研制基礎(chǔ)技術(shù)與體系方法，并隨著新機(jī)試驗、交付部署及公開軍事活動亮相等一系列驗證表明，故障檢測隔離能力相比三代機(jī)明顯改善，預(yù)測能力逐漸提升。

基于以上技術(shù)研究和工程應(yīng)用現(xiàn)狀的梳理與分析可以看出：

（1）國內(nèi)外新一代戰(zhàn)斗機(jī)都應(yīng)用了PHM技術(shù)，提升了戰(zhàn)斗機(jī)故障檢測隔離能力。未來戰(zhàn)斗機(jī)更加廣泛地深入應(yīng)用PHM技術(shù)是發(fā)展趨勢。

（2）不同戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用PHM技術(shù)的理念相當(dāng)，但由于新技術(shù)的發(fā)展，研制的PHM系統(tǒng)在使用方面各有千秋。

（3）良好的可靠性、維修性、測試性和保障性設(shè)計與工程數(shù)據(jù)積累是PHM系統(tǒng)規(guī)劃和實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

（4）戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)能力存在長期熟化的過程，需要在全生命周期內(nèi)不斷提升，也符合工程研制漸進(jìn)式發(fā)展模式。

3戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制關(guān)鍵環(huán)節(jié)

戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)是在傳統(tǒng)測試性設(shè)計基礎(chǔ)上構(gòu)建和提升，應(yīng)充分結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)研制特點(diǎn)和系統(tǒng)研制需要，基于自身基礎(chǔ)和優(yōu)勢，對不同技術(shù)有所側(cè)重，采取一條自主創(chuàng)新、正向設(shè)計的研制路徑，研究其在需求、架構(gòu)、硬件、對象等方面的關(guān)鍵研制環(huán)節(jié)。

3.1首要環(huán)節(jié)是全方位識別系統(tǒng)需求

戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制的初衷是使維修保障與戰(zhàn)斗機(jī)高戰(zhàn)備完好性、高出動架次率、快速出動的作戰(zhàn)需求相適應(yīng)，解決維修時間長、保障費(fèi)用高等問題，必須以適應(yīng)和支撐戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)使用、維修保障、供應(yīng)保障以及工程支持等業(yè)務(wù)需求為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)性地梳理戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)使用和保障過程中的工作要求來確定系統(tǒng)的功能需求和運(yùn)行方式。

戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)的用戶主要涵蓋作戰(zhàn)指揮、飛行、維修、供應(yīng)、設(shè)計、制造、技術(shù)支持等不同人員，不同用戶關(guān)注的活動不盡相同。作戰(zhàn)指揮關(guān)注作戰(zhàn)能力，飛行關(guān)注操作使用，維修關(guān)注故障，供應(yīng)關(guān)注維修需求，設(shè)計關(guān)注能力提升，技術(shù)支持關(guān)注狀態(tài)與數(shù)據(jù)。因此，需要基于不同用戶的運(yùn)行流程，定義各主要活動、先后次序、活動輸入、輸出等要素，不斷捕獲系統(tǒng)全生命周期不同用戶的需要，進(jìn)而通過功能分析、場景分析、狀態(tài)分析等將用戶需要轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求，納入系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，形成牽引成品、子系統(tǒng)和系統(tǒng)功能設(shè)計的詳細(xì)研制要求，并在方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計等階段不斷開展系統(tǒng)驗證，確認(rèn)系統(tǒng)需求，改進(jìn)PHM系統(tǒng)設(shè)計，確保戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)、使用保障與維修等各方需求均能有基于PHM的解決方案（見圖3）。

3.2務(wù)必注重系統(tǒng)軟硬件規(guī)劃與融合

戰(zhàn)斗機(jī)的任務(wù)使命要求最大化發(fā)揮平臺性能、搭載更多任務(wù)載荷。在一定的發(fā)動機(jī)推重比情況下，戰(zhàn)斗機(jī)重量、發(fā)動機(jī)推力、平臺機(jī)動性、任務(wù)設(shè)備、掛載武器、系統(tǒng)基本可靠性等是一組矛盾體，尤其健康管理自身帶來的重量（質(zhì)量）增加和基本可靠性的降低，需要慎重，綜合權(quán)衡考慮為宜。

戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)是由硬件和軟件構(gòu)成的機(jī)載系統(tǒng)。硬件是系統(tǒng)的感知、傳導(dǎo)和駐留的承載體，需要借助各類傳感器和BIT設(shè)備等采集故障識別所需的數(shù)據(jù)，基于總線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用各類處理器駐留相關(guān)軟件；軟件是系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)對識別故障的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理、信息融合、區(qū)域推理、關(guān)聯(lián)分析。將其作為獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行研制，設(shè)計獨(dú)立的硬件，軟件獨(dú)立于系統(tǒng)之外運(yùn)行，必然會增加戰(zhàn)斗機(jī)重量、降低系統(tǒng)基本可靠性，使維修保障不降反增，與系統(tǒng)研制初衷背道而馳。因此，戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制，應(yīng)與其他機(jī)載系統(tǒng)功能性能同步規(guī)劃、綜合權(quán)衡，注重軟硬件統(tǒng)籌、規(guī)劃與融合。

（1）硬件盡可能共用化

首要原則是盡量與機(jī)上功能系統(tǒng)共享硬件資源。系統(tǒng)、設(shè)備故障識別的信息采集與BIT設(shè)計所需硬件應(yīng)與重量、能源、基本可靠性綜合權(quán)衡，持續(xù)優(yōu)化機(jī)上已布置的系統(tǒng)功能傳感器；機(jī)體結(jié)構(gòu)裂紋、疲勞、腐蝕等損傷識別特別避免加裝傳感器，利用飛行參數(shù)—載荷模型識別關(guān)鍵結(jié)構(gòu)載荷，通過損傷評估模型，完成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)損傷識別；借用飛機(jī)管理、任務(wù)處理計算機(jī)為駐留平臺進(jìn)行信息融合、診斷推理；依托機(jī)上現(xiàn)有總線系統(tǒng)和空地鏈路實現(xiàn)機(jī)載PHM數(shù)據(jù)管理和信息傳遞。

（2）功能軟件化

為實現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)強(qiáng)大的作戰(zhàn)能力，新研制戰(zhàn)斗機(jī)軟件規(guī)模非常龐大。PHM系統(tǒng)能力主要通過軟件實現(xiàn)，在能力未成熟前，應(yīng)暫不參與機(jī)載系統(tǒng)功能運(yùn)行，僅進(jìn)行能力設(shè)計，采用功能軟件化、獨(dú)立分區(qū)的設(shè)計思想，便于系統(tǒng)能力可持續(xù)不斷提升，避免系統(tǒng)軟件崩潰影響其他機(jī)載系統(tǒng)正常工作（見圖4）。

（3）數(shù)據(jù)對于戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)至關(guān)重要

PHM系統(tǒng)研究的主要對象是系統(tǒng)和成品故障模式及影響分析（FMECA）工作輸出的“故障”，各成品測試性設(shè)計是故障識別的基礎(chǔ)，系統(tǒng)級、飛機(jī)級通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析確認(rèn)故障，飛機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)及PHM系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會記錄到飛機(jī)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，實際飛行一個架次會記錄數(shù)十個G的數(shù)據(jù)，戰(zhàn)斗機(jī)全生命周期的數(shù)據(jù)堪稱海量。因此，PHM系統(tǒng)研制應(yīng)保證數(shù)據(jù)設(shè)計、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)利用等不同階段的數(shù)據(jù)同源，多次重用，便于診斷、預(yù)測模型開發(fā)和優(yōu)化。

3.3開放式、升級性強(qiáng)的系統(tǒng)架構(gòu)是核心

戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計面臨技術(shù)領(lǐng)域多、覆蓋對象廣，系統(tǒng)能力不能一蹴而就，需要制定與平臺能力版本升級協(xié)同的系統(tǒng)能力路線和批次定義，將研制要求分階段、分批次進(jìn)行分解，化解技術(shù)風(fēng)險，確保系統(tǒng)能力隨飛機(jī)整體研制進(jìn)度逐步提升。

同時，由于戰(zhàn)斗機(jī)全生命周期時間長，在平臺相對穩(wěn)定的情況下，戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)特別是任務(wù)系統(tǒng)，能力批次多，升級迭代快。PHM系統(tǒng)與其他機(jī)載系統(tǒng)并行開始詳細(xì)設(shè)計和模型算法開發(fā)，更重要的是在戰(zhàn)斗機(jī)服役后，系統(tǒng)依然需要利用積累的故障和維修數(shù)據(jù)開展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的推理模型熟化。為此，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與能力提升應(yīng)能適應(yīng)電子系統(tǒng)不斷升級和不同階段自身系統(tǒng)功能驗證與回歸測試的發(fā)展需求，確保滿足系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范。

基于以上分析，戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)采用“架構(gòu)一次到位，能力逐漸提升”研制思路，在方案設(shè)計階段對功能定義、架構(gòu)定義進(jìn)行多輪分析和迭代，設(shè)計開放式、升級性強(qiáng)的系統(tǒng)架構(gòu)，在不同階段不斷進(jìn)行設(shè)計與驗證的反饋和迭代，確保架構(gòu)設(shè)計一次到位、合理有效，滿足全生命周期系統(tǒng)不斷升級的技術(shù)需要以及能力的螺旋式提升，滿足全部利益攸關(guān)方的需要。

3.4重點(diǎn)要圍繞故障建立分層的診斷體系

戰(zhàn)斗機(jī)綜合程度越來越高，系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)性、耦合度越來越復(fù)雜，導(dǎo)致故障模式爆發(fā)式增長，且產(chǎn)生大量具有關(guān)聯(lián)和傳播特性的故障難以檢測和隔離，傳統(tǒng)通過加裝硬件設(shè)計診斷系統(tǒng)的方法不能適應(yīng)戰(zhàn)斗機(jī)的研制特點(diǎn)，給戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)研制帶來了新的挑戰(zhàn)，需要根據(jù)戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)雜、分層的技術(shù)特點(diǎn)，采取相應(yīng)的研制措施：

（1）自頂向下規(guī)劃，統(tǒng)籌機(jī)上能力需要與硬件資源狀態(tài)，考慮預(yù)測與健康管理所需數(shù)據(jù)量大、硬件資源占用多以及預(yù)測具有一定提前量、實時性不高等特點(diǎn)，采用機(jī)上和地面相結(jié)合的技術(shù)體系。在機(jī)上構(gòu)建分層級診斷推理體系，成員級診斷模型側(cè)重于物理模型的構(gòu)建，注重時域、頻域特征參數(shù)的挖掘提取，系統(tǒng)級和飛機(jī)級診斷模型側(cè)重于功能模型的構(gòu)建，重點(diǎn)采用系統(tǒng)功能關(guān)聯(lián)分析模型及基于維修保障數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能診斷方法，實現(xiàn)系統(tǒng)級故障診斷、飛機(jī)級故障確認(rèn)與隔離，最終形成維修信息供地面綜合、判斷和決策。

（2）自下而上研制，將飛機(jī)、系統(tǒng)設(shè)計要求逐層、全面貫徹到各成品測試性設(shè)計中，作為識別故障的信息源，并采用信息融合和數(shù)據(jù)驅(qū)動等技術(shù)，在系統(tǒng)級進(jìn)行有效信號提取、信息融合、區(qū)域推理，飛機(jī)級進(jìn)行故障關(guān)聯(lián)確認(rèn)、故障存儲和傳輸，為地面PHM系統(tǒng)預(yù)測模型算法積累數(shù)據(jù)，同時支持機(jī)載PHM系統(tǒng)設(shè)計更改和模型優(yōu)化（見圖5）。

3.5面向外場維護(hù)單元的診斷和預(yù)測是根本

戰(zhàn)斗機(jī)全生命周期主要經(jīng)歷設(shè)計、制造、試驗、使用、維修等階段，不同階段責(zé)任主體、所針對的對象不完全相同（見圖6）。

PHM系統(tǒng)的研制、使用、升級會涉及戰(zhàn)斗機(jī)整個全生命周期，系統(tǒng)能力應(yīng)考慮不同階段的不同對象，實際上是建立不同類型BOM的對應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。從系統(tǒng)服務(wù)的對象及其功能角度出發(fā)，系統(tǒng)研制的主要需求應(yīng)是對外場維護(hù)單元的故障準(zhǔn)確診斷和隔離，使故障確認(rèn)后基層級能實施快速維修或更換，而外場維護(hù)單元可能覆蓋多個系統(tǒng)、多個成品、多個制造工藝環(huán)節(jié)等。因此，考慮面向基層級維修統(tǒng)籌系統(tǒng)研制，其關(guān)鍵是將完整功能、可整體拆卸和更換、可檢測隔離的結(jié)構(gòu)件、成品設(shè)備、管路、線纜等基層級維修單元作為PHM系統(tǒng)檢測、隔離、預(yù)測的對象（見圖7）。

故障代碼是地勤人員排故的主要依據(jù)，代碼應(yīng)精準(zhǔn)指示部隊地勤人員可快速更換的設(shè)備、故障的檢測方式、更換的備件等（見圖8）。因此，統(tǒng)一的故障代碼設(shè)計必不可少，其自身包含全機(jī)各系統(tǒng)專業(yè)的設(shè)計邏輯和寶貴經(jīng)驗，向前能夠打通故障模式分析和測試性設(shè)計，向后可以傳遞維護(hù)所需的信息，驅(qū)動高效維修保障，不僅能夠滿足部隊對于精準(zhǔn)隔離、快速維修、快速出動的現(xiàn)實訴求，從長期來看，能夠降低戰(zhàn)斗機(jī)全生命周期的保障費(fèi)用。

4 PHM技術(shù)應(yīng)用案例與效果

在戰(zhàn)斗機(jī)典型作戰(zhàn)場景下，按照上述PHM系統(tǒng)研制關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展了系統(tǒng)研制，PHM系統(tǒng)與自主保障系統(tǒng)相結(jié)合形成了典型使用場景，如圖9所示。

（1）實時監(jiān)控狀態(tài)

實時監(jiān)控飛機(jī)、系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)，機(jī)上原位檢測和隔離大部分關(guān)鍵故障，虛警大幅減少，最大限度支持實施正確維修。

（2）提前觸發(fā)保障

通過數(shù)據(jù)鏈在著陸前將大量的飛機(jī)飛行、消耗品和故障數(shù)據(jù)實時傳至地面，如圖10所示，觸發(fā)地面提前制訂作訓(xùn)任務(wù)計劃、開展維修準(zhǔn)備和保障資源調(diào)度，確保飛機(jī)一旦著陸就能根據(jù)實際健康狀態(tài)開展針對性維修和快速出動保障。

（3）智能放飛決策

飛機(jī)地面維修保障人員得到的是PHM系統(tǒng)處理運(yùn)行的明確結(jié)果，實現(xiàn)了快速定位與自動判讀。通過故障關(guān)聯(lián)分析，最大程度過濾虛警，基于健康管理代碼快速判斷飛機(jī)狀態(tài)，按故障影響等級決策放飛，如圖11所示。

（4）故障檢測隔離

利用關(guān)聯(lián)信息增強(qiáng)故障診斷和深度定位能力，故障對象直接指向維修單元，地勤人員僅需完成故障件拆卸、更換等簡單維修工作。

（5）基于狀態(tài)維修

根據(jù)健康狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)預(yù)測剩余使用壽命，在功能故障前實施維修。

（6）機(jī)體個性翻修

實現(xiàn)以每架次飛行參數(shù)為輸入，通過構(gòu)建的“飛參—載荷”方程、結(jié)構(gòu)損傷評估模型，評估、預(yù)測單架飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)，確保根據(jù)每架飛機(jī)使用履歷和結(jié)構(gòu)損傷程度制訂個性化的基地級維修計劃。

國內(nèi)某型新機(jī)部署效果表明，飛機(jī)可用度高、出動速度快、架次多，故障發(fā)現(xiàn)及時、定位準(zhǔn)確，虛警率低，很大程度上簡化了維修方式、提升了保障效能，PHM系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)，驗證了PHM系統(tǒng)研制關(guān)鍵環(huán)節(jié)的正確性。

5結(jié)論與展望

PHM技術(shù)具有故障診斷及時準(zhǔn)確、故障和剩余壽命可預(yù)測、可基于狀態(tài)安排維修等能力，戰(zhàn)斗機(jī)獨(dú)有的維修需求使應(yīng)用更加迫切，也有利于有效解決戰(zhàn)斗機(jī)面臨的維修時間長、保障費(fèi)用高等問題，系統(tǒng)研制過程中需重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的途徑與方法。結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)自身的研制、使用、維修特點(diǎn)，在需求、架構(gòu)、體系、硬件、軟件、對象等方面形成了技術(shù)轉(zhuǎn)化與工程應(yīng)用方法，經(jīng)國內(nèi)某型新機(jī)PHM系統(tǒng)研制實踐表明，本文總結(jié)的方法行之有效，能夠有效促進(jìn)其關(guān)鍵技術(shù)落地，有助于提升戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)效能。

未來空戰(zhàn)模式具有智能化、體系化特點(diǎn)，需要在更大范圍和程度上綜合發(fā)揮體系內(nèi)各作戰(zhàn)單元的戰(zhàn)力，也需要更加有效及時地實施維修保障。戰(zhàn)斗機(jī)也會更加智能。為此，戰(zhàn)斗機(jī)PHM系統(tǒng)將向著適用于體系化、智能化作戰(zhàn)需要的方向發(fā)展：

（1）聚焦作戰(zhàn)任務(wù)能力的綜合化健康狀態(tài)評估

感知并融合利用多源信息，建立硬件、功能與任務(wù)能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，考慮裝備健康狀態(tài)評估體系作戰(zhàn)能力，根據(jù)任務(wù)能力要求推薦滿足條件的裝備組合出動執(zhí)行任務(wù)。

（2）面向體系作戰(zhàn)的集群化健康狀態(tài)管理

挖掘歷史使用和維修保障大數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合化故障與壽命預(yù)測，考慮機(jī)群健康狀態(tài)以及體系作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)，適應(yīng)性調(diào)整維修任務(wù)，提高體系作戰(zhàn)條件下能執(zhí)行任務(wù)的能力。

（3）適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智能化健康管理技術(shù)

應(yīng)用新一代人工智能技術(shù)，使系統(tǒng)外在表現(xiàn)更智能化，提升預(yù)測與健康管理精度與廣度，提供健康狀態(tài)結(jié)果支持任務(wù)與維修決策；使系統(tǒng)自身智能化，自主利用應(yīng)用過程中不斷積累的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，循序漸進(jìn)增強(qiáng)預(yù)測與健康管理能力。

同時，PHM依然是既涉及多學(xué)科交叉，又涉及戰(zhàn)斗機(jī)研制、生產(chǎn)、作戰(zhàn)使用、維修的新興技術(shù)。未來PHM技術(shù)轉(zhuǎn)化在國內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)用技術(shù)取得初步成效的基礎(chǔ)上，仍需要繼續(xù)以型號工程應(yīng)用為牽引，建立相應(yīng)的技術(shù)體系和研制方法，才能有效提升其整體技術(shù)能力并促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)落地應(yīng)用到型號工程中。

參考文獻(xiàn)

[1]張寶珍.國外綜合診斷、預(yù)測與健康管理技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].計算機(jī)測量與控制，2008，16（5）：591-594. Zhang Baozhen. Development and applications of integrated diagnostics， prognostics and health management technologies of abroad[J]. Computer Measurement & Control， 2008， 16（5） ： 591-594. （in Chinese）

[2]于功敬，熊毅，房紅征.健康管理技術(shù)綜述及衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)想[J].電子測量與儀器學(xué)報，2014，28（3）：227-232. YuGongjing，Xiong Yi，F(xiàn)angHongzheng.Surveyof prognostics and health management technology and application idea for satellite[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2014， 28（3） ： 227-232. （in Chinese）

[3]翟梅杰，叢華，馮輔周，等.裝甲車輛PHM系統(tǒng)性能度量指標(biāo)體系構(gòu)建[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2017，31（2）：53-59. Zhai Meijie， Cong Hua， Feng Fuzhou， et al. Construction of performance measurement index system for armored vehicle PHM system[J]. Journal of Academy of Armored Force Engineering， 2017 ， 31（2） ：53-59. （in Chinese）

[4]裴大銘，王建峰，周鵬太，等.船舶PHM技術(shù)綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報，2016，30（9）：1289-1297. Pei Daming， Wang Jianfeng， Zhou Pengtai， et al. Survey on PHM technology in marine system[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation， 2016， 30（9）：1289-1297. （in Chinese）

[5]MIL-HDBK-338BElectronic reliability design handbook[S].America：Department of Defense USA，2012.

[6]呂琛，馬劍，王自力. PHM技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展情況綜述[J].計算機(jī)測量與控制，2016，24（9）：1-4. Lyu Chen， Ma Jian， Wang Zili. A state of the art review on PHM technology[J]. Computer Measurement & Control， 2016， 24（9）：1-4. （in Chinese）

[7]曾聲奎，Michael G P，吳際.故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空學(xué)報，2005，26（5）：626-632. Zeng Shengkui， Michael G P， Wu Ji. Status and perspectives of prognostics and health management technologies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2005， 26（5）： 626-632.（in Chinese）

[8]張寶珍.國外預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用[J].國防科技情報，2013（3）：1-3. Zhang Baozhen. Development and applications of prognostics and health management （PHM） technologies of abroad[J]. Defense Science and Technology Information， 2013（3）：1-3. （in Chinese）

[9]朱斌，陳龍，強(qiáng)弢，等.美軍F-35戰(zhàn)斗機(jī)PHM體系結(jié)構(gòu)分析[J].計算機(jī)測量與控制，2015，23（1）：1-7. Zhu Bin， Chen Long， Qiang Tao， et al. Analysis on PHM architecture of US F-35 fighter[J]. Computer Measurement & Control， 2015 ， 23（1）：1-7. （in Chinese）

[10]Pecht M. Prognostics and health management of electronics[M].America：Wiley online Library，2008.

[11]郝曉輝，孫蛟.美軍F-35預(yù)測與健康管理和自主保障信息系統(tǒng)研制進(jìn)展及啟示[J].空軍裝備，2018（5）：26-28. HaoXiaohui，SunJiao.Developmentprogressand enlightenment of US F-35 prognostics and health management and automatics logistics information system [J]. Air Force Equipment， 2018（5）： 26-28. （in Chinese）

（責(zé)任編輯王昕）

作者簡介

王海峰（1964-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛行器設(shè)計、飛行控制與飛行試驗、健康管理與綜合保障。

Tel：028-85509596E-mail：611@avic.com

Research on Application of Prognostics and Health Management Technology for Fighter Aircraft

Wang Haifeng*

AVIC Chengdu Aircraft Design & Research Institute，Chengdu 610091，China

Abstract： From the perspective of the development requirements for equipment maintenance & support capabilities and the connotation of prognostics and health management （PHM） technology， the paper analyzes the urgent demands， marked effects and interlinked tradeoff for the PHM application on fighter aircraft based on its unique characteristics in the operation and maintenance modes from other types of military equipment. It reviews the current research status and features of PHM engineering application at home and abroad， and highlights the solutions in five key links during the development process of PHM system on fighter aircraft. They are respectively identification of system requirement， planning & integration of software and hardware， design and upgrade of system architecture， construction of hierarchical diagnosis system， as well as tradeoff determination of functional system objects. Furthermore， the application effects of PHM system development on fighter aircraft are elaborated in light of its application scenarios on a new type of domestic fighter， and thus the future development direction of PHM technology application on fighter aircraft is proposed.

Key Words： fighter aircraft； PHM； engineering application； understanding and reflections； application progress； key links； development effects