基于故障預(yù)測(cè)的艦船電子裝備綜合診斷問(wèn)題研究?

郗海龍 莊佳平 逄格新

（1.92020部隊(duì) 青島 266011）（2.海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）（3.91999部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

20世紀(jì)七八十年代，電子系統(tǒng)設(shè)備的維修保障出現(xiàn)了很多問(wèn)題，例如：裝備可測(cè)試性不佳、維修周期長(zhǎng)、備品備件管理冗余和保障經(jīng)費(fèi)昂貴等。為了有效解決相關(guān)問(wèn)題，美國(guó)提出了綜合診斷這一概念，并在之后的30多年內(nèi)美軍方將相關(guān)技術(shù)和理論較好的在裝備保障中加以推廣應(yīng)用，使得綜合保障的體系結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步完善[1～5]。

綜合診斷是指綜合考量裝備的可測(cè)試性、預(yù)先診斷、安全與故障預(yù)估、維修手段、裝備信息、維修人員和其他保障等要素，從而促使裝備保障能力達(dá)到最優(yōu)化的過(guò)程[6]。綜合診斷的最終目的是依據(jù)裝備的需求，合理整合裝備“五性”之間的關(guān)系，從裝備的需求論證、定型設(shè)計(jì)、具體使用和維護(hù)保障各個(gè)環(huán)節(jié)適當(dāng)融入綜合診斷的要素，以期達(dá)到良好的診斷效果，實(shí)現(xiàn)裝備的可用性良好和保障經(jīng)費(fèi)降低。綜合診斷技術(shù)的出現(xiàn)及后續(xù)的逐步完善，是裝備發(fā)展和技術(shù)手段進(jìn)步階段的必然產(chǎn)物，對(duì)于提高裝備作戰(zhàn)效能和生存能力意義重大。本文研究方向是基于故障預(yù)測(cè)的艦船電子裝備綜合診斷，主要是通過(guò)匯總電子裝備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息[7]，并對(duì)這些信息采取融合和估算的方法來(lái)判斷電子裝備的健康情況，從而實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)估和后續(xù)的修理。

2 電子裝備的故障預(yù)測(cè)

2.1 故障預(yù)測(cè)方案

基于故障預(yù)測(cè)的電子裝備故障預(yù)測(cè)方案設(shè)計(jì)思路如下：利用多渠道的傳感設(shè)備對(duì)裝備系統(tǒng)的可用參數(shù)進(jìn)行采集，采集后進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的預(yù)先處理，如濾波、降噪、設(shè)定閾值和特征提取等。預(yù)處理后的信號(hào)提供給健康分析模塊進(jìn)行故障分析，若分析結(jié)果達(dá)到故障閾值則進(jìn)行模塊級(jí)的故障診斷。診斷過(guò)程中若對(duì)時(shí)效性要求高則采用推理診斷手段；若對(duì)準(zhǔn)確度要求高則采用松弛診斷手段，來(lái)更好的查找出可能故障的模塊。然后采用數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)匹配等手段對(duì)于元器件級(jí)開(kāi)展故障診斷，識(shí)別出故障元器件。對(duì)診斷出的故障模塊或元器件進(jìn)行更換或修復(fù)后，再按照診斷方案進(jìn)行再次測(cè)試。

圖1 基于故障預(yù)測(cè)的電子裝備故障預(yù)測(cè)方案

從圖1可知，基于故障預(yù)測(cè)的電子裝備故障預(yù)測(cè)方案主要包括：

1）對(duì)測(cè)試的電子裝備，通過(guò)測(cè)試信號(hào)的預(yù)先處理及故障分析來(lái)判斷電子裝備是否存在故障，從而提供給系統(tǒng)作為維修或不維修的判斷依據(jù)。

2）在對(duì)測(cè)試信號(hào)預(yù)先處理和故障分析的基礎(chǔ)上，如果選擇不維修，則回到狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)試電子裝備的狀態(tài)；監(jiān)測(cè)的同時(shí)有機(jī)結(jié)合過(guò)往數(shù)據(jù)來(lái)判斷系統(tǒng)什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)故障。

3）在對(duì)測(cè)試信號(hào)預(yù)先處理和故障分析的基礎(chǔ)上，如果選擇維修，就需要從預(yù)處理的數(shù)據(jù)中判斷系統(tǒng)為復(fù)雜系統(tǒng)還是簡(jiǎn)單系統(tǒng)，再按照不同系統(tǒng)的處理流程分別采用模塊級(jí)診斷或者元器件級(jí)診斷。

2.2 故障預(yù)測(cè)架構(gòu)

在以往裝備維修中一般采取計(jì)劃修理和故障修理兩種。計(jì)劃修理是指按照預(yù)先計(jì)劃定期開(kāi)展的修理工作，例如艦船的小修或中修修理計(jì)劃，這種模式存在著在計(jì)劃修理期間有的裝備還未故障，但因計(jì)劃的開(kāi)展而不得不進(jìn)行維修。故障修理是指在裝備明確發(fā)生故障后開(kāi)展的修理工作，例如艦船的臨搶修，這種模式有可能會(huì)產(chǎn)生因前期小隱患不注意而導(dǎo)致“帶病工作”產(chǎn)生大故障的情況[8～11]。

因此我們可以設(shè)想一種新的修理模式為適時(shí)修理。這是指對(duì)通過(guò)及時(shí)獲取電子裝備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并加以分析判斷，來(lái)評(píng)估電子裝備的良好性，通過(guò)預(yù)測(cè)結(jié)果判斷出潛在的故障，以便于開(kāi)展早期維修。其基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障預(yù)測(cè)框架

從圖2可知，故障預(yù)測(cè)架構(gòu)的基本流程是先采集電子裝備的激勵(lì)信號(hào)；并將采集的信號(hào)進(jìn)行特征提??；提取后通過(guò)轉(zhuǎn)換處理來(lái)觀察電子裝備的相關(guān)性能是否出現(xiàn)退化現(xiàn)象，若出現(xiàn)退化現(xiàn)象則為觸發(fā)故障指示；再將故障指示數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)設(shè)的時(shí)效閾值進(jìn)行判斷；超出閾值則需要采取適時(shí)修理，未超出閾值則可暫不采取修理手段。

3 艦船電子裝備的綜合診斷方案

3.1 綜合診斷需求分析

目前大部分艦船電子裝備都屬于復(fù)雜系統(tǒng)，存在著系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的特點(diǎn)，所以一旦出現(xiàn)故障很難準(zhǔn)確判斷出具體故障情況。另外由于復(fù)雜系統(tǒng)中單元關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，當(dāng)發(fā)生某一故障時(shí)很難像簡(jiǎn)單系統(tǒng)那樣快速定位并排除故障。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于故障的描述或者特征模型表述也較難實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于綜合診斷的需求也就應(yīng)運(yùn)而生。

3.2 綜合診斷架構(gòu)方案

根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)的綜合診斷的方案如圖3所示。其大致流程如下。

對(duì)于故障電子裝備首先通過(guò)監(jiān)測(cè)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，而后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的信號(hào)發(fā)送給虛警模塊進(jìn)行預(yù)測(cè)信號(hào)是否超容；對(duì)于超容信號(hào)則進(jìn)行綜合診斷推理，推理過(guò)程中有機(jī)融合多信號(hào)模型、系統(tǒng)虛警處理和診斷推理的相關(guān)模型、算法和方法；而后可較準(zhǔn)確地將故障定位到相應(yīng)的系統(tǒng)或子系統(tǒng)上；再通過(guò)補(bǔ)充診斷的輔助，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位故障的功能。

在整個(gè)綜合診斷方案中，還應(yīng)建立故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)以往診斷數(shù)據(jù)的積累能夠較好地實(shí)現(xiàn)新故障診斷過(guò)程中的數(shù)據(jù)比對(duì)和故障預(yù)測(cè)。除此之外與診斷系統(tǒng)相關(guān)的其他模型、算法、手段信息可也存放于數(shù)據(jù)庫(kù)中，更加便于人員學(xué)習(xí)和使用。

圖3 艦船電子裝備綜合診斷方案

4 結(jié)語(yǔ)

艦船電子裝備綜合診斷是在全面掌握裝備狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析信息數(shù)據(jù)，預(yù)估相關(guān)裝備可能發(fā)生故障的系統(tǒng)或模塊，從而及時(shí)采取維修手段使故障在初發(fā)階段就被排除。這一技術(shù)在保障裝備良好的可用性的同時(shí)還能大幅降低維修經(jīng)費(fèi)的使用，在我未來(lái)艦船電子裝備維修保障中必將發(fā)揮巨大的作用。本文以基于故障預(yù)測(cè)技術(shù)的綜合保障手段入手，架構(gòu)了電子裝備故障預(yù)測(cè)方案和綜合診斷方案，對(duì)該技術(shù)后續(xù)的深入應(yīng)用和研究具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)對(duì)于在線故障的綜合診斷方法將進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。