雷達(dá)系統(tǒng)預(yù)測(cè)與健康管理總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

秦 赟，王 飛，李 偉，張志強(qiáng)

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153;2. 海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

測(cè)試性作為裝備的一種設(shè)計(jì)特性具有與通用質(zhì)量特性中可靠性、維修性、保障性、安全性等同等重要的位置，是構(gòu)成武器裝備質(zhì)量特性的重要組成部分。

隨著現(xiàn)代雷達(dá)裝備綜合化、智能化程度的不斷提高，對(duì)裝備測(cè)試性的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)、綜合診斷等測(cè)試性設(shè)計(jì)已不能滿足裝備作戰(zhàn)效能完好、經(jīng)濟(jì)性持續(xù)保障的需要。因此，預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)這類新技術(shù)受到裝備研發(fā)越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。

本文從測(cè)試性與PHM的發(fā)展入手，整理歸納出PHM所涵蓋的主要功能；與PHM應(yīng)用較早的航天、航空系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行對(duì)比，分析了雷達(dá)系統(tǒng)PHM的特點(diǎn)，據(jù)此構(gòu)建了一種雷達(dá)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)針對(duì)其中的狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)兩大核心部分進(jìn)行研究并給出了典型的總體設(shè)計(jì)和具體的設(shè)計(jì)思路。

1 預(yù)測(cè)與健康管理發(fā)展

測(cè)試性技術(shù)的快速發(fā)展經(jīng)歷了由外部測(cè)試到機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)、智能BIT、綜合診斷、故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)的發(fā)展過(guò)程。PHM是對(duì)原有測(cè)試性設(shè)計(jì)的進(jìn)一步拓展，主要是引入了狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、維護(hù)策略的自動(dòng)分析生成，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的視情維修(On-condition Maintenance，OM)，避免傳統(tǒng)的修復(fù)性維修(Corrective Maintenance，CM)和計(jì)劃維修(Scheduled Maintenance，SM)帶來(lái)的設(shè)備故障造成重大損失或維修資源的不必要浪費(fèi)。測(cè)試性技術(shù)發(fā)展演變?yōu)镻HM技術(shù)是一個(gè)必然的過(guò)程。基于實(shí)際需求，從對(duì)故障的被動(dòng)等待處理到故障的主動(dòng)測(cè)試維修，再到事前預(yù)測(cè)和規(guī)劃維護(hù)修理。[1]

2 預(yù)測(cè)與健康管理主要涵蓋內(nèi)容

2.1 預(yù)測(cè)與健康管理功能

PHM可完成如下主要功能：故障的檢測(cè)、隔離；增強(qiáng)診斷推理；性能狀態(tài)評(píng)估；任務(wù)可執(zhí)行度分析；使用壽命跟蹤預(yù)計(jì)；性能退化失效預(yù)計(jì)；容錯(cuò)重構(gòu)處理；預(yù)防性維護(hù)維修策略；故障維修方案；數(shù)據(jù)庫(kù)管理及信息融合處理；輔助決策與資源管理；結(jié)果顯示及報(bào)告生成。

2.2 雷達(dá)系統(tǒng)PHM特點(diǎn)分析

各領(lǐng)域PHM可完成的主要功能是基本一致的，但在不同領(lǐng)域PHM有著不同的實(shí)際需求。相比較PHM應(yīng)用較早的航天、航空系統(tǒng)領(lǐng)域，PHM在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用還屬于比較新興的研究領(lǐng)域，也有著與航天、航空系統(tǒng)不同的設(shè)計(jì)要求特點(diǎn)：

(1) 航天、航空系統(tǒng)因?yàn)槿藛T、空間、安全等因素的影響，傳感器的設(shè)置原本就比較豐富高覆蓋，為PHM要求的原始測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取提供了便利；雷達(dá)系統(tǒng)往往由于成本、使用場(chǎng)合等客觀因素，傳感器設(shè)置相對(duì)欠缺。

(2) 航空系統(tǒng)因使用強(qiáng)度高，機(jī)械類部件壽命有限，同時(shí)出于安全性考慮對(duì)故障預(yù)測(cè)的需求強(qiáng)烈；而航天系統(tǒng)中因?yàn)樾袠I(yè)要求的高可靠性以及故障后修復(fù)的困難性，故障預(yù)測(cè)的需求從某種相對(duì)意義上來(lái)說(shuō)比較緩和；雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于故障預(yù)測(cè)的需求則介于兩者之間。

(3) 航天、航空系統(tǒng)為滿足任務(wù)成功及駕乘人員安全的需要，故障嚴(yán)酷度等級(jí)高，故障后余度和重構(gòu)管理、重構(gòu)的實(shí)時(shí)性以及深度要求比雷達(dá)系統(tǒng)要求嚴(yán)苛。

(4) 航空系統(tǒng)需建立起分布式PHM大系統(tǒng)，需要PHM系統(tǒng)作戰(zhàn)單元級(jí)及時(shí)的告警以及故障隱患信息的及時(shí)下傳，由PHM系統(tǒng)中的中繼級(jí)甚至基地級(jí)提前按策略準(zhǔn)備好維修的資源以提高出動(dòng)率。雷達(dá)系統(tǒng)尤其是艦載、島礁等雷達(dá)系統(tǒng)，中繼、基地級(jí)的及時(shí)維護(hù)維修往往在實(shí)際作戰(zhàn)中作用不大，更多還是依賴于單作戰(zhàn)平臺(tái)單設(shè)備建立集中式的PHM系統(tǒng)，依托基層(艦員)級(jí)人員及隨機(jī)配置資源完成設(shè)備的維護(hù)。

雷達(dá)健康管理更多是利用雷達(dá)BIT數(shù)據(jù)、關(guān)鍵特征參數(shù)信息、檢測(cè)隔離診斷結(jié)果、預(yù)測(cè)結(jié)果、設(shè)備資源信息、備品備件等維護(hù)維修資源信息以及其他相關(guān)信息，實(shí)時(shí)分析評(píng)估雷達(dá)的健康狀態(tài)和任務(wù)可執(zhí)行度，并根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果進(jìn)行維護(hù)維修決策生成，依托基層(艦員)級(jí)人員及隨機(jī)配置的保障資源，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)在全壽命周期內(nèi)自主和智能化的維護(hù)維修保障。

3 雷達(dá)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，基于狀態(tài)維修的開(kāi)放式架構(gòu)(Open System Architecture for Condition-based Maintenance,OSA-CBM)在PHM領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。該架構(gòu)主要從信息交換的角度進(jìn)行構(gòu)建。

根據(jù)以上分析的雷達(dá)系統(tǒng)PHM的特點(diǎn)，結(jié)合OSA-CBM架構(gòu)，設(shè)計(jì)一種集中式雷達(dá)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)，主要包含狀態(tài)處理監(jiān)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估、故障狀態(tài)預(yù)測(cè)、維護(hù)維修策略、數(shù)據(jù)庫(kù)及管理以及人機(jī)交互等幾個(gè)部分。具體PHM架構(gòu)示意如圖1所示。

典型雷達(dá)系統(tǒng)PHM架構(gòu)示意圖中陰影部分是原有常規(guī)機(jī)內(nèi)測(cè)試(BIT)、智能BIT、綜合診斷所涉及的內(nèi)容，雷達(dá)PHM設(shè)計(jì)則需要對(duì)該部分進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)：

(1) 根據(jù)PHM需求的測(cè)試點(diǎn)增加相應(yīng)傳感器；

(2) 基于需求的選擇性測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)處理及特征提取方法；

(3) 增強(qiáng)的綜合診斷設(shè)計(jì)；

(4) 增加雷達(dá)評(píng)估狀態(tài)、資源的友好化顯示；

(5) 增加維護(hù)維修策略的便利化顯示等。

其他無(wú)陰影部分則是雷達(dá)PHM設(shè)計(jì)所需要研究實(shí)現(xiàn)的部分，其中以健康狀態(tài)評(píng)估和故障狀態(tài)預(yù)測(cè)兩部分最為重要。

圖1 典型雷達(dá)系統(tǒng)PHM架構(gòu)示意圖

3.1 狀態(tài)處理監(jiān)測(cè)

狀態(tài)處理監(jiān)測(cè)是對(duì)雷達(dá)傳統(tǒng)BIT和狀態(tài)監(jiān)控功能的進(jìn)一步拓展，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容、流程如下：

(1) 相比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，需要在原有BIT上報(bào)原始故障信息及原始測(cè)試參數(shù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充采集必要的測(cè)試參數(shù)，傳感器層由現(xiàn)有的傳感器加上數(shù)量盡可能少的專用傳感器，以及一些由高級(jí)算法構(gòu)成的虛擬傳感器組成，用于完成原始數(shù)據(jù)收集及自動(dòng)錄入健康管理數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2) 完善或增加一些必要的信號(hào)處理，如奇異點(diǎn)的去除、降噪、信息歸類、特征提取，對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行綜合狀態(tài)監(jiān)測(cè)、閾值判斷、參數(shù)偏離量計(jì)算。原始數(shù)據(jù)處理計(jì)算后結(jié)果可同步由健康數(shù)據(jù)庫(kù)記錄供事后分析。

(3) 根據(jù)原始數(shù)據(jù)處理計(jì)算后結(jié)果進(jìn)行故障檢測(cè)和隔離，實(shí)現(xiàn)故障的判別及定位；同時(shí)結(jié)合綜合知識(shí)庫(kù)中預(yù)先設(shè)置及大數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)的相關(guān)故障診斷模型，提高綜合診斷能力。輸出設(shè)備當(dāng)前整機(jī)、分機(jī)、模塊的故障狀態(tài)及關(guān)鍵參數(shù)狀態(tài)，其中故障狀態(tài)含正常、告警(性能下降接近故障閾值)、故障、未知等綜合狀態(tài)以及具體故障模式等其他信息。

3.2 健康狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)原始數(shù)據(jù)處理后結(jié)果以及綜合診斷后結(jié)果進(jìn)行綜合健康狀態(tài)評(píng)估。

3.2.1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

健康評(píng)估涉及到對(duì)雷達(dá)總體、各分系統(tǒng)性能、可靠性、測(cè)試性、安全性等多方面的評(píng)估?？煽啃钥砂h(huán)境控制、設(shè)備本身故障預(yù)測(cè)分析等。測(cè)試性包含BITE工作狀態(tài)(中央BIT處理異常以及各級(jí)BIT通訊狀態(tài))等。安全性可包含發(fā)射、伺服等相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)(發(fā)射功率及波形異常、功率反射異常、伺服旋轉(zhuǎn)運(yùn)行異常狀態(tài)、羅經(jīng)等外部平臺(tái)輸入異常等)監(jiān)測(cè)評(píng)估。雷達(dá)總體性能以及陣面、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、冷卻等關(guān)鍵分系統(tǒng)的性能狀態(tài)評(píng)估對(duì)于雷達(dá)實(shí)際作戰(zhàn)使用任務(wù)的執(zhí)行意義較大，可以優(yōu)先考慮。

性能狀態(tài)評(píng)估主要基于系統(tǒng)裝備戰(zhàn)技指標(biāo)及分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行性能評(píng)估，輸出性能評(píng)估的具體參數(shù)數(shù)值，例如相控陣有源陣面增益、輻射功率、整機(jī)最大作用距離、探測(cè)范圍等?；谙到y(tǒng)裝備任務(wù)使命功能的任務(wù)可執(zhí)行度評(píng)估，輸出警戒搜索、目標(biāo)指示、氣象探測(cè)等典型作戰(zhàn)任務(wù)可執(zhí)行、有限執(zhí)行、無(wú)法執(zhí)行等層次化影響等級(jí)，并可同步分析給出雷達(dá)工作方式?jīng)Q策、參數(shù)化雷達(dá)的選擇配置建議。部分評(píng)估任務(wù)，如專用維護(hù)模式下的相控陣陣面幅相監(jiān)測(cè)、非自動(dòng)切換的多種工作模式下的狀態(tài)評(píng)估等等，需要加入評(píng)估任務(wù)的管理，同步考慮評(píng)估的時(shí)效性及資源占用率，必要時(shí)可人工干預(yù)評(píng)估過(guò)程，以保證狀態(tài)評(píng)估的覆蓋性、準(zhǔn)確性等。

3.2.2 基于任務(wù)執(zhí)行的健康評(píng)估設(shè)計(jì)

以下提出雷達(dá)總體、關(guān)鍵分系統(tǒng)基于任務(wù)執(zhí)行的性能健康評(píng)估設(shè)計(jì)方向：

(1) 關(guān)鍵分系統(tǒng)的狀態(tài)及性能評(píng)估

? 有源陣面分系統(tǒng)，可收集相控陣天線陣面監(jiān)測(cè)獲得的通道幅相誤差數(shù)據(jù)和通道故障數(shù)量、分布位置等信息(幅相監(jiān)測(cè))，對(duì)通道狀態(tài)進(jìn)行圖形化顯示，給出全陣面、子陣面的可用資源百分比。同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算給出定量的天線方向圖具體指標(biāo)數(shù)值，包含發(fā)射波束增益Gt測(cè)試、接收波束增益Gr測(cè)試、波束寬度θb測(cè)試等。[2-3]

? 傳統(tǒng)雷達(dá)的發(fā)射分系統(tǒng)，可收集固態(tài)發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)獲得的發(fā)射電源輸出狀態(tài)、發(fā)射組件功率狀態(tài)、分布位置、總輸出功率狀態(tài)等信息，對(duì)電源、組件狀態(tài)進(jìn)行圖形化顯示，計(jì)算給出發(fā)射機(jī)發(fā)射通道的可用資源百分比及總輸出發(fā)射峰值功率Pt測(cè)試。對(duì)于真空管體制發(fā)射機(jī)，給出總輸出發(fā)射峰值功率Pt測(cè)試。

? 接收分系統(tǒng)，可測(cè)試給出接收機(jī)噪聲系數(shù)Fn測(cè)試等參數(shù)。

? 冷卻分系統(tǒng)，對(duì)于雷達(dá)的任務(wù)執(zhí)行是一個(gè)特殊保障的存在，可針對(duì)每個(gè)冷卻方向，例如陣面、電機(jī)、機(jī)柜等，根據(jù)散熱對(duì)象工作的工況，以當(dāng)前提供的冷卻水溫度、流量等參數(shù)計(jì)算評(píng)估該方向的冷卻效果，給出定性及定量的評(píng)估，輔以告警及建議等信息。

(b) 雷達(dá)總體性能的狀態(tài)評(píng)估

? 雷達(dá)作用距離評(píng)估

根據(jù)雷達(dá)的具體類型以及探測(cè)目標(biāo)的類型，結(jié)合關(guān)鍵分系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)值，使用典型雷達(dá)方程計(jì)算評(píng)估雷達(dá)作用距離。

例如，在給定探測(cè)目標(biāo)類型條件下，固定工作模式下的主動(dòng)探測(cè)雷達(dá)作用距離會(huì)主要隨著平均發(fā)射功率Pt、發(fā)射天線增益Gt、接收天線增益Gr、接收機(jī)噪聲系數(shù)Fn的變化而變化。根據(jù)以上4種測(cè)試參數(shù)，計(jì)算給出雷達(dá)當(dāng)前作用距離的評(píng)估值，并將評(píng)估值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。[2]

? 雷達(dá)探測(cè)角度精度評(píng)估

根據(jù)波束寬度測(cè)試值θb，估算熱噪聲誤差σθ熱噪聲、目標(biāo)起伏誤差σθ起伏、機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)方位單元采樣誤差σθ采樣、多路徑傳輸誤差σθ多路徑等，結(jié)合天線波束指向誤差σθ指向、平臺(tái)調(diào)平羅經(jīng)σθ平臺(tái)、大氣折射修正殘差σθ折射等誤差，計(jì)算給出雷達(dá)當(dāng)前角精度的評(píng)估值，并將評(píng)估值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析。[3]

? 雷達(dá)任務(wù)可執(zhí)行度評(píng)估

根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)剖面制定執(zhí)行任務(wù)時(shí)雷達(dá)性能指標(biāo)不滿足任務(wù)使用要求的閾值，同時(shí)根據(jù)故障模塊所關(guān)聯(lián)的任務(wù)模式綜合進(jìn)行功能性能評(píng)估，判定雷達(dá)是否具備完成任務(wù)能力，給指揮員提供定量判斷雷達(dá)完成任務(wù)能力的依據(jù)，為裝備維修保障人員制定維修任務(wù)計(jì)劃提供支撐。

例如，根據(jù)警戒探測(cè)、目標(biāo)指示、氣象探測(cè)等任務(wù)模式下評(píng)估的雷達(dá)當(dāng)前作用距離和雷達(dá)探測(cè)角度精度，實(shí)時(shí)給出數(shù)值及圖形化提示，同時(shí)在探測(cè)距離、精度下降不多時(shí)給出任務(wù)有限執(zhí)行評(píng)估，在不滿足任務(wù)要求(比如警戒探測(cè)下對(duì)典型飛機(jī)目標(biāo)探測(cè)距離下降一定百分比；目標(biāo)指示下對(duì)典型反艦導(dǎo)彈探測(cè)距離無(wú)法保證武器系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間)時(shí)給出任務(wù)無(wú)法執(zhí)行評(píng)估；輔以當(dāng)前故障模塊所關(guān)聯(lián)的任務(wù)模式判斷，當(dāng)故障模塊為實(shí)現(xiàn)該任務(wù)工作流程中必需且有冗余重構(gòu)手段時(shí)給出任務(wù)有限執(zhí)行評(píng)估，在無(wú)冗余重構(gòu)手段時(shí)給出任務(wù)無(wú)法執(zhí)行評(píng)估。

3.3 故障狀態(tài)預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)是收集分析產(chǎn)品的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)并對(duì)故障何時(shí)發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)的技術(shù)，主要是對(duì)具有退化趨勢(shì)的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，估計(jì)剩余壽命或者故障的前置時(shí)間。[4]

3.3.1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估對(duì)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)于納入故障預(yù)測(cè)范圍的模塊、部件，主要處理內(nèi)容如下：

(1) 針對(duì)具有短期使用壽命，以及具有性能退化失效模型的模塊、部件，獲取被測(cè)模塊、部件的典型參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有和過(guò)去典型參數(shù)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合退化失效模型，預(yù)測(cè)模塊、部件在接下來(lái)的時(shí)間里的狀態(tài)，評(píng)估其功能的完備性。如果預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果始終在預(yù)定使用容限內(nèi)，則不斷迭代進(jìn)行狀態(tài)故障預(yù)測(cè)；如果接近壽命閾值或超出預(yù)定使用容限，則輸出“告警”信息，并將預(yù)測(cè)結(jié)果輸出至維護(hù)維修策略模塊進(jìn)行預(yù)防性維修建議的處理，以預(yù)防故障的發(fā)生。同時(shí)，積累模塊、部件狀態(tài)與性能監(jiān)測(cè)參數(shù)、環(huán)境應(yīng)力、使用模式等之間的離散相關(guān)性數(shù)據(jù)，對(duì)退化失效模型進(jìn)行驗(yàn)證修正，更新綜合模型庫(kù)；

(2) 針對(duì)異常的預(yù)測(cè)，主要是在處理過(guò)程中，智能識(shí)別檢測(cè)原來(lái)未預(yù)料到的異常情況，記錄收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)人員事后的異常分析，從而識(shí)別出未知的故障模式、退化失效模型幫助改進(jìn)裝備設(shè)計(jì)。

3.3.2 基于預(yù)測(cè)方法的故障預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)

常用的預(yù)測(cè)方法有預(yù)置損傷標(biāo)尺、性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測(cè)等[1]，也可以根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用各方法。

(1) 預(yù)置損傷標(biāo)尺方法主要通過(guò)增加一系列不同健壯程度(壽命長(zhǎng)短不一或安置在預(yù)測(cè)對(duì)象的不同壽命過(guò)程部分)的預(yù)警裝置，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)對(duì)象的損傷過(guò)程的連續(xù)定量監(jiān)測(cè)。

該方法對(duì)于純機(jī)電損耗產(chǎn)品適用性非常好，在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用不是太多，部分可設(shè)計(jì)場(chǎng)景為雷達(dá)需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部分，例如電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電滑環(huán)等。但是，一般雷達(dá)設(shè)計(jì)中，針對(duì)該使用場(chǎng)景往往是采用從可靠性角度提升部件使用壽命，輔以定時(shí)維護(hù)檢查的方法對(duì)裝備使用完好性的保證更為有效。

(2) 環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測(cè)是基于產(chǎn)品的性能退化實(shí)效模型，對(duì)產(chǎn)品工作的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，推斷出產(chǎn)品的剩余壽命。

該方法屬于間接預(yù)測(cè)方法，對(duì)預(yù)測(cè)對(duì)象的影響往往具有不確定性和積累性，多用于結(jié)合其他預(yù)測(cè)手段綜合使用。對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)，可以考慮在設(shè)備使用中進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力參考性告警，例如采集機(jī)柜內(nèi)溫度數(shù)值、溫度分布等信息，分析溫度變化趨勢(shì)，提前預(yù)示機(jī)柜工作告警以及輔助的冷卻系統(tǒng)告警；或是將工作應(yīng)力作為加權(quán)，列入預(yù)計(jì)對(duì)象的壽命預(yù)計(jì)，例如統(tǒng)計(jì)區(qū)分伺服電機(jī)在不同工作模式轉(zhuǎn)速下的工作時(shí)間等，綜合加權(quán)預(yù)測(cè)電機(jī)的壽命。

(3) 在工程使用中，更多的還是性能狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，是指利用對(duì)預(yù)測(cè)產(chǎn)品故障敏感、受到影響的性能參數(shù)或狀態(tài)，按實(shí)效模型計(jì)算變化趨勢(shì)，完成故障預(yù)測(cè)。關(guān)鍵參數(shù)的分析設(shè)置最終落實(shí)到傳感器等原始數(shù)據(jù)獲取處理設(shè)計(jì)上。

在應(yīng)用場(chǎng)合上，部分設(shè)備尤其是純電子信息產(chǎn)品，故障具有突發(fā)性、不確定性和傳播性，其故障的表現(xiàn)形式往往屬于二值故障、間歇重復(fù)、間歇偽隨機(jī)其中一種，都不利于預(yù)計(jì)。因此，在目前的技術(shù)條件下，針對(duì)純電子信息系統(tǒng)實(shí)施在線健康管理，重點(diǎn)應(yīng)放在基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障的及時(shí)診斷、準(zhǔn)確隔離和快速響應(yīng)方面，尤其是可靠性不高的部件、模塊，但其中可考慮一種特例——由數(shù)量比較多的重復(fù)器件堆疊實(shí)現(xiàn)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。堆疊系統(tǒng)性能的下降表現(xiàn)在部分重復(fù)器件的失效，該失效模式可近似地認(rèn)為具有理想退化模型。堆疊系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)可理想的關(guān)聯(lián)重復(fù)器件失效的數(shù)量比率，例如發(fā)射組件關(guān)聯(lián)內(nèi)部放大器、陣面T/R組件關(guān)聯(lián)收發(fā)前端模塊等。

不同于純電子信息系統(tǒng)，含有機(jī)電部件的混合系統(tǒng)其機(jī)電或半機(jī)電部件故障往往符合或部分符合性能退化故障的表現(xiàn)形式?？墒褂秒[馬爾科夫模型(Hidden Markov Models，HSMM)等描述隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)模型，采用信息提取和檢索并機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.4 維護(hù)維修策略

根據(jù)故障檢測(cè)及增強(qiáng)綜合診斷對(duì)原始數(shù)據(jù)處理計(jì)算后結(jié)果的分析，對(duì)于“故障”狀態(tài)的模塊、部件需要立即維修的，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中且故障部分具有重構(gòu)冗余設(shè)計(jì)時(shí)，啟動(dòng)容錯(cuò)重構(gòu)處理，應(yīng)急保障設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的成功性，同時(shí)根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行維修策略的分析生成，縮短基層(艦員)級(jí)人員維修時(shí)間。對(duì)于“告警”狀態(tài)的模塊、部件，分析出被測(cè)模塊、部件近期可能出現(xiàn)的故障模式，進(jìn)行預(yù)防性維修策略的分析生成，提出檢測(cè)、維護(hù)、維修的相關(guān)建議。

需要值得注意的是維護(hù)維修策略的生成設(shè)計(jì)需與交互式電子技術(shù)手冊(cè)(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)進(jìn)行總體協(xié)同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在實(shí)際使用中根據(jù)診斷預(yù)測(cè)出的故障模式自動(dòng)關(guān)聯(lián)調(diào)用IETM的數(shù)據(jù)庫(kù)生成維護(hù)維修方法。同時(shí)，維護(hù)維修策略的生成還可以接入雷達(dá)資源信息庫(kù)，直接獲取輸出當(dāng)前故障維護(hù)維修所需備品備件資源的儲(chǔ)備量、放置位置等信息。

3.5 數(shù)據(jù)庫(kù)及管理

根據(jù)雷達(dá)PHM系統(tǒng)的實(shí)際需求研究設(shè)置了健康數(shù)據(jù)庫(kù)、綜合模型庫(kù)、結(jié)果報(bào)告庫(kù)、系統(tǒng)支持庫(kù)、產(chǎn)品信息庫(kù)等5類數(shù)據(jù)庫(kù)。健康數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄雷達(dá)原始故障信息、原始測(cè)試參數(shù)以及數(shù)據(jù)處理判斷后的原始計(jì)算結(jié)果。綜合模型庫(kù)用于記錄特征提取模型、預(yù)測(cè)模型、診斷模型等預(yù)置知識(shí)，并可在設(shè)備健康管理使用過(guò)程中存儲(chǔ)結(jié)合大數(shù)據(jù)智能學(xué)習(xí)后的修正模型。結(jié)果報(bào)告庫(kù)用于記錄設(shè)備歷史故障信息、綜合診斷結(jié)果、故障預(yù)測(cè)結(jié)果、狀態(tài)評(píng)估結(jié)果、維護(hù)維修策略生成結(jié)果等等，并根據(jù)需求輸出結(jié)果供圖形化顯示及文件報(bào)告輸出使用。系統(tǒng)支持庫(kù)用于PHM系統(tǒng)使用用戶、軟件使用日志等管理。產(chǎn)品信息庫(kù)用于存儲(chǔ)并按需更新雷達(dá)隨機(jī)備品、備件、工具、材料等維修保障資源的編碼、名稱、型號(hào)、功能、性能、儲(chǔ)備量、放置位置、使用狀態(tài)、保養(yǎng)要求信息等等，為維護(hù)維修策略的生成提供一體化支持，同時(shí)還可兼顧雷達(dá)自身裝機(jī)件信息的管理。

3.6 人機(jī)交互

人機(jī)交互部分用于實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)顯示、管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。依托雷達(dá)顯控終端等設(shè)備，在原有雷達(dá)BIT故障顯示的基礎(chǔ)上以圖形化、分層化的綜合顯示方式，結(jié)合設(shè)備產(chǎn)品裝機(jī)信息，提供雷達(dá)評(píng)估狀態(tài)、故障告警信息、維護(hù)維修策略等結(jié)果顯示，提供5大數(shù)據(jù)庫(kù)以及故障預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估任務(wù)的管理接口，設(shè)計(jì)提供PHM綜合狀態(tài)、維護(hù)維修策略的報(bào)告輸出接口以及健康數(shù)據(jù)、綜合模型等數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從測(cè)試性與PHM的發(fā)展入手，進(jìn)行了如下分析研究和設(shè)計(jì)：

(1) 整理歸納出PHM所涵蓋的主要功能；

(2) 對(duì)比航天、航空系統(tǒng)，分析總結(jié)了雷達(dá)系統(tǒng)PHM的特點(diǎn)；

(3) 構(gòu)建設(shè)計(jì)了一種雷達(dá)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了各組成部分的主要功能及處理流程；

(4) 重點(diǎn)針對(duì)PHM架構(gòu)中的兩大核心部分進(jìn)行研究，分別根據(jù)保證任務(wù)執(zhí)行及預(yù)測(cè)方法兩方面，給出了雷達(dá)系統(tǒng)中健康狀態(tài)評(píng)估、故障狀態(tài)預(yù)測(cè)典型的總體設(shè)計(jì)方向。

通過(guò)典型雷達(dá)系統(tǒng)PHM總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)建，以及PHM架構(gòu)中兩大核心功能的研究設(shè)計(jì)，為雷達(dá)系統(tǒng)從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變、引入對(duì)系統(tǒng)未來(lái)可靠性的預(yù)測(cè)能力提供了一種可行的總體設(shè)計(jì)以及具體設(shè)計(jì)思路。PHM架構(gòu)中評(píng)估與預(yù)測(cè)能力的實(shí)現(xiàn)，可以識(shí)別和管理故障的發(fā)生，從而規(guī)劃雷達(dá)系統(tǒng)的維修和供應(yīng)保障，達(dá)到降低使用與保障費(fèi)用、提高系統(tǒng)安全性、以較少的維修投入實(shí)現(xiàn)視情維修和自主式保障的目的，對(duì)提升裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性具有重要的意義。