導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀綜述

劉月，劉鐵林，孫宏偉，羅元元，高健

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)；2.中國人民解放軍93786部隊，河北 張家口 075000；3.中國人民解放軍32683部隊，遼寧 沈陽 150003）

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是由導(dǎo)彈、發(fā)射平臺和技術(shù)保障設(shè)備組成的戰(zhàn)役級武器裝備，具有射程遠、速度快、精度高、威力大等突出優(yōu)勢。隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)彈武器裝備的技術(shù)水平得到了很大的提高，功能不斷擴展，規(guī)模日益擴大。尤其在近幾次局部戰(zhàn)爭中，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的參戰(zhàn)數(shù)量、種類和優(yōu)勢呈迅速增長的態(tài)勢，其在斬首行動、空中攔截、要害防御等任務(wù)的過程中發(fā)揮了重要作用，對戰(zhàn)爭行動的影響越來越大。本文的研究對象是導(dǎo)彈本身。健康評估是PHM(Prognostics and Health Management)的一項關(guān)鍵技術(shù)，它的原理是利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)信息，從中提取武器裝備的健康特征，利用算法或者模型等進行融合處理，將高維特征向量轉(zhuǎn)換為單個健康指數(shù)（健康狀態(tài)、健康置信度CV等），最終可以實現(xiàn)對裝備健康狀態(tài)的評價和分級。目前部隊對導(dǎo)彈的健康狀態(tài)評估仍處于“定期檢測、專家打分”的階段。未來導(dǎo)彈部隊必須具有迅速發(fā)射大批量導(dǎo)彈并且精確打擊的能力，對于大批量導(dǎo)彈的測試數(shù)據(jù)結(jié)果，工作量大，評估時間長，可靠度低，具備較高的偶然性，不利于對導(dǎo)彈進行精準的評估。導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估主要是結(jié)合導(dǎo)彈測試任務(wù)下采集的多型號、多產(chǎn)品、多批次、多單機的實際試驗數(shù)據(jù)，從參數(shù)、核心單機、整彈三個層次對導(dǎo)彈健康狀態(tài)進行多層次評估。本文在分析國內(nèi)外導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估項目的基礎(chǔ)上對近幾年的相關(guān)研究工作進行了總結(jié)，分析了導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展趨勢進行了探討，以便為后續(xù)的研究提供一些參考。

1 導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估需求

面向未來戰(zhàn)場復(fù)雜嚴酷環(huán)境，為著眼應(yīng)對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)新質(zhì)作戰(zhàn)能力及快速精確打擊能力發(fā)展威脅，亟需發(fā)展絕對安全、威懾有力、反擊可靠的新一代導(dǎo)彈平臺。為了提高導(dǎo)彈全壽命周期武器裝備故障及健康狀態(tài)的精確認知與管理能力，降低保障資源的依賴，進而提升導(dǎo)彈全壽命使用效能，亟需在導(dǎo)彈設(shè)計、研制及服役使用過程中，全面開展導(dǎo)彈健康狀態(tài)認知與管理能力建設(shè)，從而提升其在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力和作戰(zhàn)效能，確保新一代導(dǎo)彈武器平臺具備強適應(yīng)、強突破、高生存和高可靠等能力特征。導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估的主要影響因素有以下幾點：

（1）導(dǎo)彈種類各異、狀態(tài)參數(shù)多。根據(jù)擔(dān)負的作戰(zhàn)任務(wù)和職能，部隊配發(fā)遠、中、近程，地空、地地、空空等不同種類、不同型號、不同用途的導(dǎo)彈。導(dǎo)彈裝備是多個單機子系統(tǒng)構(gòu)成、包含大量質(zhì)量信息的復(fù)雜系統(tǒng)。部隊實際使用過程中，從底層技術(shù)參數(shù)至單機、分系統(tǒng)，直至整彈系統(tǒng)的眾多狀態(tài)參數(shù)都是導(dǎo)彈發(fā)射的重要依據(jù)。現(xiàn)有的導(dǎo)彈測試設(shè)備有的顯示測試數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，有的只輸出“合格”或者“不合格”的結(jié)果。若同批導(dǎo)彈都有相近的測試參數(shù)且都在正常范圍內(nèi)，或者都顯示合格，便很難評價這批導(dǎo)彈的優(yōu)劣。

（2）結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜，系統(tǒng)綜合性強，導(dǎo)彈是一個結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、功能高度完善、自動化性能高度集中的多層次結(jié)構(gòu)武器系統(tǒng)，各組成部分相互聯(lián)系又彼此相互影響，結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的故障模式和失效機理復(fù)雜，難以構(gòu)建準確的模型，且無法借鑒飛機的退化模式。導(dǎo)彈的設(shè)備和系統(tǒng)是按照遞進式分布的，單機子系統(tǒng)構(gòu)成了它的各類功能，各個單機系統(tǒng)是并行的，各單元、各單機子系統(tǒng)組成了整彈系統(tǒng)，它們之間又存在不同的關(guān)聯(lián)性。導(dǎo)彈性能狀態(tài)退化通常是由低層次單元產(chǎn)生，并逐漸引起高層次或同層次單元性能狀態(tài)發(fā)生退化，最終導(dǎo)致整彈系統(tǒng)的性能狀態(tài)退化，該特點為整彈評估提供了一種重要的思路。

（3）導(dǎo)彈壽命周期長，狀態(tài)數(shù)據(jù)難把握。導(dǎo)彈裝備往往批量列裝，整個壽命周期中，在生產(chǎn)出廠、轉(zhuǎn)運、儲存、定期檢查、維修保養(yǎng)等諸多監(jiān)測環(huán)節(jié)中，積累了大量的歷史測試數(shù)據(jù)，主要包括歷史測試數(shù)據(jù)、當前測試數(shù)據(jù)、人工測試數(shù)據(jù)及傳感器測試數(shù)據(jù)等，其特點是“總體數(shù)據(jù)量大、單個參數(shù)有限、變化規(guī)律各異”，無法用相同的數(shù)學(xué)模型來描述不同參數(shù)的變化趨勢。最典型的控制系統(tǒng)，如慣組、平臺，測試參數(shù)多、測試次數(shù)頻繁，具有海量測試數(shù)據(jù)，而安全機構(gòu)與火工品二者整體上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)很少，甚至沒有。

2 導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估的意義

著眼當前部隊信息化、智能化轉(zhuǎn)型建設(shè)特點，以部隊現(xiàn)實需求為出發(fā)，通過研究導(dǎo)彈健康評估方法，實現(xiàn)對導(dǎo)彈及主要單機健康狀態(tài)的評估，準確掌握導(dǎo)彈裝備健康狀態(tài)，對于戰(zhàn)時作戰(zhàn)規(guī)劃科學(xué)決策、提高部隊快速反應(yīng)能力、充分發(fā)揮裝備效能，平時裝備精細化的管理、裝備保障指揮決策以及新型號裝備發(fā)展都具有非常重要的理論意義和軍事應(yīng)用價值。

（1）有利于提高導(dǎo)彈全壽命周期武器裝備故障及健康狀態(tài)的精確認知與管理能力。以高效、智能的方式利用裝備測試數(shù)據(jù)，對導(dǎo)彈及關(guān)鍵單機健康狀態(tài)進行評估，對任務(wù)中的使用性能進行監(jiān)測和評估，準確把握導(dǎo)彈在測試、使用等階段的實時健康狀態(tài)，為制定相應(yīng)決策提供輔助信息支撐，進而提升導(dǎo)彈全壽命使用效能。同時還可以為故障診斷和壽命預(yù)測提供支撐，進而優(yōu)化裝備維修保障決策，避免傳統(tǒng)維修方式的維修不足或過度，提高費效比，以指導(dǎo)相關(guān)部隊維修保障任務(wù)規(guī)劃等實踐活動。

（2）有利于提升導(dǎo)彈在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效能。在導(dǎo)彈設(shè)計、研制及服役使用過程中，全面開展導(dǎo)彈健康狀態(tài)認知與管理能力建設(shè)，實現(xiàn)基于試驗鑒定數(shù)據(jù)和結(jié)果的整批導(dǎo)彈健康狀態(tài)快速、精確的評估，從而能夠應(yīng)對導(dǎo)彈武器系統(tǒng)新質(zhì)作戰(zhàn)能力及快速精確打擊能力發(fā)展威脅，為改進型、新型號導(dǎo)彈研制發(fā)展的可靠性設(shè)計與評價提供技術(shù)支撐，從而使新一代導(dǎo)彈武器平臺具備強適應(yīng)、強突破、高生存和高可靠等能力特征，發(fā)展成為絕對安全、威懾有力、反擊可靠的新一代導(dǎo)彈平臺。

3 導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估問題開展了一系列的理論研究，并通過相關(guān)實驗進行了驗證，取得了較好的評估效果。導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估問題主要圍繞參數(shù)、核心單機部件、整彈三個方面展開，本文將圍繞以上三個方面對目前國內(nèi)外的相關(guān)項目、研究現(xiàn)狀進行分析和綜述。

3.1 研究項目概況

（1）國外研究項目概況。為滿足導(dǎo)彈快速反應(yīng)和實戰(zhàn)化要求，國外在基于導(dǎo)彈裝備各種有效的歷史和實時信息，研制開發(fā)評估導(dǎo)彈裝備性能狀態(tài)的平臺。美國陸軍通過建立戰(zhàn)備完好性信息管理系統(tǒng)，對導(dǎo)彈健康狀態(tài)進行及時快速的性能評估，是美陸軍評估導(dǎo)彈全壽命健康狀態(tài)的重要技術(shù)途徑。在智能監(jiān)測方面，北約發(fā)起了改進的海麻雀導(dǎo)彈(ESSM)健康監(jiān)測項目，通過使用RFID系統(tǒng)監(jiān)測導(dǎo)彈的溫濕度、震動和撞擊等數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)對導(dǎo)彈狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，從而提高導(dǎo)彈的可靠性和武器系統(tǒng)的準確性。美國空軍通過使用掛飛健康監(jiān)測系統(tǒng)，對海爾法II型導(dǎo)彈在阿帕奇AH-64D直升機上的掛飛狀態(tài)情況進行自動監(jiān)測和記錄，為地面檢查提供更加精準科學(xué)的依據(jù)，大幅降低地勤和維修人員的檢測工作量。在智能診斷系統(tǒng)方面，美國陸軍在愛國者地空導(dǎo)彈（GEM和AC-3）和陶氏反坦克導(dǎo)彈中應(yīng)用遙測戰(zhàn)備器材預(yù)測/診斷系統(tǒng)（RRAPDS），通過對常態(tài)環(huán)境下的溫濕度、振動和大氣壓力等參數(shù)進行感知和采集，測試人員以遙測的方式提取和發(fā)送有用的信息，實現(xiàn)對長時間貯存的導(dǎo)彈健康狀況進行遠程監(jiān)測、診斷、預(yù)測和分析，從而降低導(dǎo)彈武器系統(tǒng)維修保養(yǎng)、運輸和貯存等相關(guān)的費用。

（2）國內(nèi)研究項目概況。當前，我國在導(dǎo)彈領(lǐng)域的健康狀態(tài)評估項目研究尚處于起步階段，但其重要性已成為國家和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业墓沧R。國內(nèi)多家院校和研究機構(gòu)先后針對不同的應(yīng)用方向?qū)?dǎo)彈健康評估的理論方法和應(yīng)用技術(shù)開展了大量研究工作。北京航空航天大學(xué)針對飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)算法、模型和管理方式進行了探索性研究，比如，基于故障物理的電子系統(tǒng)加速試驗和健康監(jiān)控；海軍航空工程學(xué)院叢林虎將導(dǎo)彈狀態(tài)分為優(yōu)、良、中、差、故障五個等級，通過分析研究過程中證據(jù)理論存在的不足加以改進，構(gòu)建了導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估模型；火箭軍工程大學(xué)姜云耀等以導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為研究對象，從發(fā)射精度、飛行穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性三個方面綜合分析控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)?；鸺娧b備研究院以某型導(dǎo)彈為研究對象，根據(jù)導(dǎo)彈的測試數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗，主要針對慣性組合裝備，建立了評估指標，開展了評估與排序的工作；火箭軍多級機構(gòu)針對導(dǎo)彈關(guān)鍵單機子系統(tǒng)（如慣性組合、發(fā)射平臺、發(fā)動機等）開展了相關(guān)健康評估研究工作，并且開發(fā)了功能各異的健康評估軟件；火箭軍工程大學(xué)還針對某型號的導(dǎo)彈開發(fā)了導(dǎo)彈評估指標體系及整彈系統(tǒng)健康評估與預(yù)測的軟件，并應(yīng)用于實彈演習(xí)任務(wù)中。

3.2 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的健康狀態(tài)評估方法比較常見的有：基于知識經(jīng)驗的方法、基于模型驅(qū)動的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。

基于知識經(jīng)驗的方法是在沒有足夠的傳感器進行感知，或缺少模型進行模擬仿真的情況下，僅通過專家經(jīng)驗對設(shè)備健康狀態(tài)進行判斷的評估方法，包括專家系統(tǒng)、故障樹法、層次分析法、模糊評判法等?；谀Ｐ万?qū)動的方法是在對設(shè)備的運行狀態(tài)和故障機理充分掌握的基礎(chǔ)上,通過分析設(shè)備特定的機械動力學(xué)行為，依據(jù)設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建物理模型，或者利用數(shù)學(xué)模型描述設(shè)備的性能退化過程，以實現(xiàn)對設(shè)備健康狀態(tài)評估的方法，包括機理建模、狀態(tài)估計法、參數(shù)估計法等?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的方法是在設(shè)備狀態(tài)參數(shù)選定的基礎(chǔ)上,通過分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘隱含的設(shè)備運行狀態(tài)信息，進而實現(xiàn)健康狀態(tài)評估的目的。常用數(shù)據(jù)驅(qū)動的評估方法是基于統(tǒng)計學(xué)和人工智能的方法，如灰色系統(tǒng)理論、支持向量機（SVM）、隱馬爾可夫（HMM）、高斯混合模型（GMM）、貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。三種評估方法的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 不同健康狀態(tài)評估方法的對比

通過對三種評估方法的對比分析，可以針對不同的導(dǎo)彈的參數(shù)、核心單機子系統(tǒng)、整彈三個不同層次，尋求適合其各層特點的健康狀態(tài)評估方法，提高評估的準確性、客觀性、高效性。下面圍繞這三個方面對目前國內(nèi)外導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估研究方法現(xiàn)狀進行分析和綜述。

（1）參數(shù)。M.Mohammadi引入核向量機算法對在線電壓進行評估，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，該方法比單一方法效率更高。杜恩祥等從設(shè)備的FMECA結(jié)果中提取影響健康狀況的因素，采用模糊綜合和灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法，進行定量分析和評估，得出裝備在處于測試參數(shù)異常下的健康狀態(tài)等級。馬海英等引入劣化度概念，以裝備特征參數(shù)劣化度為評估指標，運用變權(quán)模糊理論，建立了基于劣化度的裝備健康狀態(tài)變權(quán)模糊綜合評估模型。

（2）核心單機子系統(tǒng)。黃睿等采用灰色理論和模糊綜合評價方法對各個子系統(tǒng)的性能質(zhì)量狀態(tài)進行評價，最后，在對實彈射擊結(jié)果信息進行深入研究的基礎(chǔ)上，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對整彈的性能狀態(tài)進行狀態(tài)預(yù)測。羅珩娟等通過觀察導(dǎo)彈測試數(shù)據(jù)變化規(guī)律并對比測試數(shù)據(jù)的正常范圍，分別計算測試部件的基本健康度、健康變化率和健康變化幅度，得到了裝備動態(tài)變化過程中的健康度數(shù)學(xué)模型，并建立了串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估方法。吳克雄等結(jié)合某型導(dǎo)彈慣導(dǎo)平臺系統(tǒng)的特點，采取專家系統(tǒng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動相融合的方式,建立健康評估模型，完成慣導(dǎo)平臺系統(tǒng)的健康評估。為實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的在線監(jiān)測與狀態(tài)評估，陳偉等通過信號特征提取EMD能量特征分析、主成分分析和SOM健康評估方法的研究。

（3）整彈。為了提高評估和預(yù)測的準確性，王浩偉等在引入狀態(tài)空間模型評估整彈退化程度的基礎(chǔ)上，采用Gamma過程建立退化失效模型。在突發(fā)失效概率與整體彈性性能退化程度有關(guān)的前提下，采用Weibull分布建立突發(fā)失效模型；然后，建立退化失效與突發(fā)失效競爭模式下的導(dǎo)彈可靠性模型。王茜等建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)根節(jié)點輸入和條件概率值進行推理，利用GeNIe2.0對試驗參數(shù)進行仿真，確定導(dǎo)彈處于各個健康等級的可能性。

4 導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估發(fā)展趨勢

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)階段導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估研究應(yīng)用雖然取得了一定的成果，但是還存在一些急需解決的問題。在應(yīng)用范圍方面，針對關(guān)鍵零部件、單機系統(tǒng)評估研究較多，整彈系統(tǒng)研究較少，對當前導(dǎo)彈的作戰(zhàn)行動決策和裝備保障維修決策優(yōu)化的支撐力度不夠；在使用標準方面，已開發(fā)的健康狀態(tài)評估軟件尚未根據(jù)不同型號導(dǎo)彈的差異性和共性需求，制定的指標及權(quán)重不統(tǒng)一，重復(fù)開發(fā)導(dǎo)致人力和物力的浪費，從而使用效益不高；在資源利用方面，現(xiàn)有的信息數(shù)據(jù)利用率不夠，測試數(shù)據(jù)分散導(dǎo)致無法交流整合，造成大量數(shù)據(jù)的浪費，影響評估模型的構(gòu)建和評估的準確性；在體系發(fā)展方面，健康狀態(tài)評估的研究工作太零散，沒有形成系統(tǒng)性的跟蹤管理和自動化評估的平臺，研究成果和結(jié)論雖然多，但是，難以有效指導(dǎo)部隊的作戰(zhàn)使用和裝備管理工作。

考慮到當前導(dǎo)彈的全壽命周期使用流程特點，以及在試驗鑒定、測發(fā)等過程中，通過不同數(shù)據(jù)傳輸鏈路采集到導(dǎo)彈大量運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)條件，如何以高效、智能的方式利用這些數(shù)據(jù)，對導(dǎo)彈及主要單機工作性能進行評估和預(yù)示，對測發(fā)任務(wù)中的使用性能進行監(jiān)測和評估，以解決高可信性試驗鑒定、輔助產(chǎn)品優(yōu)化改進設(shè)計、提升導(dǎo)彈的綜合作戰(zhàn)效能，亟待進一步研究和解決。綜合對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，導(dǎo)彈武器的設(shè)計改進與綜合效能提升促使當前導(dǎo)彈武器的健康狀態(tài)評估向以下幾個方向發(fā)展：

（1）快速評估方向。適應(yīng)作戰(zhàn)的快節(jié)奏，強對抗，必須對導(dǎo)彈健康狀態(tài)進行快速評估。針對導(dǎo)彈系統(tǒng)的層級化，可擴展健康評估模型的構(gòu)建工具，以及配套的指標管理工具，為基于試驗鑒定數(shù)據(jù)和結(jié)果的導(dǎo)彈性能快速評估提供基礎(chǔ)支撐。

（2）智能化評估方向。隨著導(dǎo)彈試驗數(shù)據(jù)采集、存儲、管理等能力的持續(xù)成熟與發(fā)展，可在當前試驗鑒定支持軟件體系下，進一步結(jié)合統(tǒng)計閾值自適應(yīng)生成、性能健康基線模型、時序深度模型等先進算法技術(shù)，實現(xiàn)更加自適應(yīng)的指標體系管理，改變傳統(tǒng)的定期檢測、射前檢測和人工評估的模式，實現(xiàn)精確、自主、智能的導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估。

（3）全局性評估方向。針對監(jiān)測參數(shù)、關(guān)鍵單機子系統(tǒng)、典型場景以及整彈等不同層級開展健康狀態(tài)評估，從不同維度準確把握導(dǎo)彈在測試、使用等階段的實時健康狀態(tài)，充分整合利用各種分散的測試數(shù)據(jù)，提高評估模型的構(gòu)建和評估的準確性，從而為制定相應(yīng)決策提供輔助信息支撐。

（4）體系性評估方向。由于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)具有復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性、任務(wù)環(huán)境多樣性等特點，必須從體系發(fā)展的角度開展導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估，對多場景、多型號、多批次試驗鑒定及其評估結(jié)果進行評估，在固化繼承現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建與開發(fā)能夠服務(wù)于不同型號的導(dǎo)彈裝備全壽命健康狀態(tài)評估的柔性平臺。

5 結(jié)語

導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估問題是目前研究的熱點問題，準確掌握導(dǎo)彈的健康狀態(tài)有利于導(dǎo)彈的精細化管理和保障指揮決策，一方面，可以為故障診斷和壽命預(yù)測提供決策支持，進而實現(xiàn)導(dǎo)彈的視情維修，降低對保障資源的依賴，提升維修保障的資源配置率；另一方面，能夠進行精準的分級排序，從而針對不同的任務(wù)要求進行決策指揮，最大程度的發(fā)揮同一型號不同健康狀態(tài)的導(dǎo)彈的效能，提高任務(wù)完成率。研究導(dǎo)彈健康狀態(tài)評估對裝備作戰(zhàn)運用、采購、管理、新型號研制有較大的理論和現(xiàn)實意義。