基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)載雷達(dá)健康評估技術(shù)研究

孔凡泉 倪向東

（中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所，安徽合肥 230088）

1 概述

機(jī)載雷達(dá)在實(shí)際作戰(zhàn)使用時由空中勤務(wù)人員操作使用，僅能靠機(jī)上在線檢測結(jié)果和系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況簡單評估系統(tǒng)狀態(tài)，無法對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，更無法對預(yù)期任務(wù)完成情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，影響作戰(zhàn)決策和作戰(zhàn)效果；然而，機(jī)載雷達(dá)維護(hù)保障是由地面勤務(wù)人員負(fù)責(zé)，系統(tǒng)狀態(tài)主要靠空勤人員口述和地面開機(jī)檢查獲得，地勤人員對任務(wù)執(zhí)行和設(shè)備運(yùn)行情況不能實(shí)時跟蹤掌握，無法準(zhǔn)確掌握雷達(dá)狀態(tài)，在出現(xiàn)問題時無法第一時間掌握故障現(xiàn)象，很多問題不能復(fù)現(xiàn)，給保障工作帶來了很大挑戰(zhàn)，同樣影響作戰(zhàn)決策和作戰(zhàn)效果。

在這種背景下，機(jī)載雷達(dá)健康管理可對機(jī)載雷達(dá)在線檢測和監(jiān)控功能的進(jìn)行拓展，更全面、更系統(tǒng)地對機(jī)載雷達(dá)狀態(tài)進(jìn)行綜合健康評估。機(jī)載雷達(dá)健康管理可以綜合利用雷達(dá)在作戰(zhàn)、維護(hù)以及空中、地面不同場景的歷史信息、在線檢測信息等多種信息，為地面勤務(wù)人員提供綜合信息和輔助決策，降低壽命周期成本，避免一些不可預(yù)料的潛在問題，可靠地完成系統(tǒng)預(yù)期任務(wù)。

2 機(jī)載雷達(dá)健康管理系統(tǒng)架構(gòu)

本文以O(shè)SA-CBM 開放體系為指導(dǎo)，構(gòu)建單部機(jī)載雷達(dá)裝備健康管理體系架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 機(jī)載雷達(dá)健康管理系統(tǒng)體系架構(gòu)

機(jī)載雷達(dá)健康管理系統(tǒng)體系架構(gòu)通常由狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、狀態(tài)預(yù)測和綜合決策等功能模塊構(gòu)成，通過對雷達(dá)系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部件各類特征信息的采集監(jiān)測，判斷與定位其故障，綜合評估雷達(dá)健康狀態(tài)，預(yù)測故障趨勢、性能和壽命長短，為裝備維修保障和作戰(zhàn)使用決策提供依據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測：該部分利用各種傳感器采集雷達(dá)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，主要通過雷達(dá)裝備狀態(tài)記錄設(shè)備和人工輔助進(jìn)行記錄，具有狀態(tài)信息、性能參數(shù)、故障信息、點(diǎn)航數(shù)據(jù)、視頻回波等信息，是PHM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)處理成后續(xù)模塊的狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預(yù)測等需要的格式，即進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。

健康評估：主要是收集評估對象的健康資料，對健康特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，綜合歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，構(gòu)建雷達(dá)裝備健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系，對雷達(dá)的健康狀態(tài)（含故障診斷與定位）進(jìn)行評估，兼顧雷達(dá)探測能力和保障能力評估。

狀態(tài)預(yù)測：主要是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，針對系統(tǒng)關(guān)鍵子系統(tǒng)或部件建立相應(yīng)的預(yù)測模型，對其運(yùn)行趨勢進(jìn)行預(yù)判，包括故障預(yù)測、性能預(yù)測和剩余壽命預(yù)測。這部分是PHM的難點(diǎn)，需要長期探索、積累和驗證。

綜合決策：在狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和狀態(tài)預(yù)測的數(shù)據(jù)和結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合研判決策。其目的是產(chǎn)生作戰(zhàn)使用和維修保障活動等建議措施，作戰(zhàn)使用和維修保障決策是相互作用的結(jié)果。作戰(zhàn)使用建議主要包括性能預(yù)測結(jié)果、受限制的功能與性能、操作使用建議等。

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動健康評估方法

在進(jìn)行裝備健康狀態(tài)評估時，需要從裝備的功能結(jié)構(gòu)和影響關(guān)系出發(fā)，可綜合運(yùn)用模糊理論、層次分析法和定量分析法完成。裝備的健康狀態(tài)是模糊的、不確定的，可采用以健康度為基礎(chǔ)的模糊綜合方法進(jìn)行裝備健康評估。裝備的健康度可用0～1 歸一化數(shù)值表示，接近1 時，表示該裝備處于健康狀態(tài)；接近或達(dá)到了0，表示該裝備處于危險狀態(tài)；處于0～1 之間時，表示中間狀態(tài)?；诮】刀葦?shù)據(jù)驅(qū)動的裝備健康狀態(tài)評估，可用于對系統(tǒng)整機(jī)、子系統(tǒng)設(shè)備或零部件的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。根據(jù)雷達(dá)裝備組成的層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和健康狀態(tài)的模糊特性，其評估過程如圖2 所示。

圖2 機(jī)載雷達(dá)健康狀態(tài)評估過程

3.1 建立裝備健康狀態(tài)集

裝備的健康狀態(tài)由各組成子系統(tǒng)的健康狀態(tài)決定，而各組成子系統(tǒng)的健康狀態(tài)又由相應(yīng)的各組成部件的健康狀態(tài)決定，因此，要進(jìn)行裝備健康狀態(tài)評估，首先要進(jìn)行部件健康狀態(tài)評估，然后進(jìn)行子系統(tǒng)設(shè)備健康狀態(tài)評估，逐級進(jìn)行，最終綜合得到裝備的健康狀態(tài)。以某機(jī)載雷達(dá)為例，其綜合評估模型如圖3 所示。

圖3 某機(jī)載雷達(dá)健康狀態(tài)評估模型

假設(shè)某機(jī)載雷達(dá)由n 個子系統(tǒng)組成，則可用U=（U1，U2，…，Ui，…，Un）表示其健康狀態(tài)集，其中，Ui（i=1，2，…，n）為第i 個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)；Ui=（Ui1，Ui2，…Uij，…，Uim）表示第i 個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)集，其中，Uij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）為第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的健康狀態(tài)。每個部件又由一個或多個健康特征數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，即Dij=（Dij1，Dij2，…，Dijk，…，Dijp），其中Dijk=（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p）表示第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的第可個特征參數(shù)健康特征數(shù)據(jù)。

可對裝備健康狀態(tài)等級進(jìn)行劃分，如某機(jī)載雷達(dá)的健康狀態(tài)可分為四個等級，健康、良好、注意和危險，其狀態(tài)評價集可用A=（I，II，III，IV）來表示。

3.2 特征數(shù)據(jù)提取與歸一化處理

機(jī)載雷達(dá)具有“長時間地面戰(zhàn)備、間歇性空中作戰(zhàn)”的特點(diǎn)。由于檢修狀態(tài)和工作狀態(tài)的差異，僅靠地面維護(hù)測試數(shù)據(jù)，往往無法準(zhǔn)確確定其健康狀態(tài)。由于環(huán)境的不同，部分?jǐn)?shù)據(jù)在地面維護(hù)狀態(tài)和空中作戰(zhàn)狀態(tài)存在較大差異，因此可分為地面維護(hù)數(shù)據(jù)和空中作戰(zhàn)數(shù)據(jù)。

為了更好的描述裝備健康狀態(tài)，需要提取能夠有效反映裝備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，進(jìn)行分類處理和歸一化，通常需要充分利用可以獲得的全面數(shù)據(jù)信息。

按照數(shù)據(jù)類型區(qū)分，可分為數(shù)值型數(shù)據(jù)、邏輯型數(shù)據(jù)和文本型數(shù)據(jù)，數(shù)值型數(shù)據(jù)是在一定范圍內(nèi)變化的具有特殊物理含義的數(shù)據(jù)，邏輯型數(shù)據(jù)主要用來表示真假，一般用0、1 表示，文本型數(shù)據(jù)主要是對某種狀態(tài)或功能的定性描述，如威力基本正常，小目標(biāo)探測情況不好等。如表1 所示，某雷達(dá)發(fā)射組件參數(shù)，同時具有兩種類型數(shù)據(jù)。

表1 某雷達(dá)發(fā)射組件特征數(shù)據(jù)分類表

基于空中作戰(zhàn)記錄數(shù)據(jù)和地面維護(hù)測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動機(jī)載雷達(dá)健康狀態(tài)評估，一項重要工作是數(shù)據(jù)的歸一化處理。由于裝備健康狀態(tài)影響因素的量綱不一致，為了能夠進(jìn)行定量分析，需要對影響因素進(jìn)行歸一化處理，即將其壓縮到[0,1]之間，歸一化方法根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)分類確定，歸一化后的數(shù)據(jù)可以直觀反映出該健康特征數(shù)據(jù)的好壞。

3.3 各層次重要度確定

不同的特殊數(shù)據(jù)和不同的部件對系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響是有差異的，確定子系統(tǒng)和部件的重要度是裝備健康狀態(tài)評估的關(guān)鍵，可采用層次分析法結(jié)合FMECA 分析結(jié)果確定子系統(tǒng)的重要度權(quán)重向量W={W1，W2，…，Wi，…，Wn}、部件的重要度向量Wi={Wi1，Wi2，…，Wij，…，Wim}和健康度數(shù)據(jù)的重要度向量Wij={Wij1，Wij2，…，Wijk，…，Wijp}。FMECA 數(shù)據(jù)一般在裝備研制階段就會給出，對裝備每一約定層次的故障模式、原因及影響進(jìn)行了全面分析，同時建立了各約定層次之間的迭代關(guān)系，可得到裝備由健康狀態(tài)發(fā)展為故障狀態(tài)的各系統(tǒng)、各層次的影響因素，在確定各層次重要度時可結(jié)合使用維護(hù)階段的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修正。

3.4 建立部件級健康度模糊判斷矩陣

部件級健康狀態(tài)等級隸屬度可根據(jù)部件的健康度數(shù)據(jù)得出，求解隸屬度的函數(shù)有很多，不同函數(shù)具有不同特點(diǎn)，可根據(jù)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行選取，本文采用采用嶺形分布隸屬度函數(shù)來求解部件級健康狀態(tài)等級隸屬度，如公式（1）-（5）所示，該函數(shù)具有主值區(qū)間寬、過渡帶平緩的特點(diǎn)。

由此可得到第i 個子系統(tǒng)第j 個部件以健康度數(shù)據(jù)為評價標(biāo)準(zhǔn)的模糊評判矩陣為

3.5 各層次健康狀態(tài)隸屬度評估

在以上基礎(chǔ)上，綜合部件的健康度數(shù)據(jù)隸屬度和重要度，可得到第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的健康狀態(tài)隸屬度評估向量為

3.6 確定裝備整體健康狀態(tài)

按照最大隸屬度原則，可確定雷達(dá)裝備的健康狀態(tài)。

4 應(yīng)用與驗證

根據(jù)上述方法，以某機(jī)載雷達(dá)為樣本，選取3 個子系統(tǒng)共6個部件進(jìn)行分析評估，根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取確定了9 種特征數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行了重要度分析，結(jié)果如所表2 所示。

表2 某機(jī)載雷達(dá)部分子系統(tǒng)及部件重要度分析表

對該機(jī)載雷達(dá)一定時間內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行了跟蹤分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 某機(jī)載雷達(dá)健康狀態(tài)評估

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)驅(qū)動PHM 技術(shù)在復(fù)雜系統(tǒng)健康管理應(yīng)用中受到了廣發(fā)關(guān)注，尤其是在現(xiàn)役裝備中的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨許多現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。本文針對現(xiàn)役機(jī)載雷達(dá)的維修保障和作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)載雷達(dá)PHM 設(shè)計結(jié)構(gòu)和健康評估方法，可以離線分析、處理和評估雷達(dá)健康狀態(tài)，具有一定的工程應(yīng)用價值。