測(cè)控天線健康管理與支援保障系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)

侯 錦，吳宗清，胡紅軍，秦明暖，付樹洪

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第39研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043；4.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

航天測(cè)控任務(wù)系統(tǒng)是機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)備相結(jié)合、軟硬件相結(jié)合的高復(fù)雜度設(shè)備。測(cè)控天線設(shè)備作為航天測(cè)控任務(wù)系統(tǒng)中信號(hào)接收前端的關(guān)鍵設(shè)備，具有控制精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)電控一體化和使用環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。其維修時(shí)間成本和難度會(huì)依據(jù)故障類型有較大區(qū)別，故障定位、維修和更換專業(yè)性強(qiáng)，是航天測(cè)控任務(wù)系統(tǒng)中保障的重點(diǎn)。目前天線機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備早期故障難以察覺、故障分析定位難度大、故障維修時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備維修嚴(yán)重依賴研制單位現(xiàn)場(chǎng)支撐，缺乏預(yù)見性的維修指導(dǎo)。

健康管理技術(shù)最早是由美國(guó)軍方基于視情維修提出的設(shè)備維修保障策略，該技術(shù)自誕生以來受到了英美等西方軍事大國(guó)的高度重視，多個(gè)科研機(jī)構(gòu)也開始對(duì)健康管理技術(shù)進(jìn)行專門研究，應(yīng)用范圍主要集中在武器裝備領(lǐng)域、航天飛行領(lǐng)域、船舶和車輛等裝備的研制和使用過程中，其中最成功的案例就是美國(guó)在F-35戰(zhàn)斗機(jī)中使用了健康管理技術(shù)，取得了不錯(cuò)的成效。美國(guó)還在NASA飛行器綜合健康管理系統(tǒng)、直升機(jī)健康與使用監(jiān)控等系統(tǒng)中進(jìn)行了深度研究和推廣。國(guó)內(nèi)的健康管理技術(shù)主要集中于理論和算法研究，在航天、航空[1-3]、船舶[4]、核能和風(fēng)電等高可靠性系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用。

隨著航天測(cè)控網(wǎng)的持續(xù)建設(shè)，針對(duì)設(shè)備地域分布廣、型號(hào)類型多、技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜和設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)，急需探索新的設(shè)備管理及維護(hù)維修保障方法[5-6]以匹配現(xiàn)有的任務(wù)要求。借鑒健康管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)[7-8]，結(jié)合航天測(cè)控設(shè)備的實(shí)際情況，保障測(cè)控裝備資源的可靠運(yùn)行和高效利用，建設(shè)有遠(yuǎn)程診斷、健康管理和支援保障能力的測(cè)控天線健康管理與支援保障系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

航天測(cè)控網(wǎng)內(nèi)的天線設(shè)備部署在全國(guó)各個(gè)站點(diǎn)，設(shè)備資源統(tǒng)一由中心調(diào)度和管理，維修設(shè)備主要由研制方來實(shí)施。因此在系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)上，測(cè)站級(jí)面向站點(diǎn)一級(jí)的設(shè)備，為測(cè)站用戶提供本站設(shè)備相關(guān)的健康管理服務(wù)，用戶中心為所有接入中心管理的設(shè)備提供任務(wù)規(guī)劃、資源調(diào)配、維護(hù)保養(yǎng)和數(shù)據(jù)管理(含全生命周期管理)等需求的相關(guān)服務(wù)，廠所中心則為測(cè)站和用戶中心提供遠(yuǎn)程故障診斷、數(shù)據(jù)分析和支援保障等服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)在總體架構(gòu)上采用分級(jí)管理和遠(yuǎn)程支援的構(gòu)建模式，測(cè)站和用戶健康管理中心通過航天測(cè)控網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，廠所遠(yuǎn)程技術(shù)支援保障中心借助具有網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的網(wǎng)絡(luò)專線與用戶中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)通過在測(cè)站設(shè)備端設(shè)置站級(jí)健康管理與保障終端來實(shí)現(xiàn)天線相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、多類型檢測(cè)信號(hào)的提取與多量綱數(shù)據(jù)歸一化、狀態(tài)檢測(cè)與參數(shù)異常值判定等功能，并依據(jù)系統(tǒng)模型結(jié)合故障案例，實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的快速診斷、綜合健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)、設(shè)備維修與管理等。

用戶中心定位中心級(jí)管理，面向域內(nèi)所有設(shè)備，同時(shí)具備多方向安全可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制管理能力，可對(duì)域內(nèi)納入管理的設(shè)備實(shí)現(xiàn)綜合狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障診斷和復(fù)雜數(shù)據(jù)分析，同時(shí)也具備遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備綜合狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)能力，并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成設(shè)備保養(yǎng)的工作計(jì)劃并進(jìn)行閉環(huán)管理。

設(shè)備研制方中心定位域內(nèi)設(shè)備保障與遠(yuǎn)程技術(shù)支援，可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷、健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)、維修決策建議等遠(yuǎn)程協(xié)助，并可提供設(shè)備原始數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、全生命周期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，支持各類模型的迭代優(yōu)化。

系統(tǒng)通過在測(cè)站設(shè)備端建立基于同一工況的體檢與自動(dòng)化測(cè)試相結(jié)合的檢測(cè)評(píng)估模式來開展基于設(shè)備狀態(tài)的科學(xué)鑒定與維護(hù)，同時(shí)可結(jié)合任務(wù)數(shù)據(jù)分析，以診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)報(bào)告的形式形成設(shè)備維修維護(hù)的需求輸入，結(jié)合測(cè)控計(jì)劃開展測(cè)控設(shè)備資源的高效科學(xué)的調(diào)度。在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)上采用自動(dòng)、定期和即時(shí)的多種傳輸方式，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化程度。系統(tǒng)內(nèi)各主要節(jié)點(diǎn)均設(shè)置有數(shù)據(jù)交互、存儲(chǔ)和管理功能，同時(shí)設(shè)計(jì)多方會(huì)商支持遠(yuǎn)程支援和開展技術(shù)討論以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用基于微服務(wù)框架下的一體化設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)信息共享、維護(hù)升級(jí)和后續(xù)功能擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)功能劃分與設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)站設(shè)備健康管理與保障終端主要功能

測(cè)站設(shè)備健康管理和保障終端部署于測(cè)站內(nèi)，作為站級(jí)管理節(jié)點(diǎn)，對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，負(fù)責(zé)為測(cè)站用戶提供本站設(shè)備相關(guān)的健康管理服務(wù)。測(cè)站設(shè)備健康管理和保障終端由采集單元、測(cè)站服務(wù)器和客戶端組成。由數(shù)據(jù)采集單元來實(shí)現(xiàn)單臺(tái)套設(shè)備信息采集和預(yù)處理，而特征項(xiàng)的提取與多量綱數(shù)據(jù)歸一化處理和狀態(tài)檢測(cè)、參數(shù)異常值判定、快速診斷、天線系統(tǒng)綜合健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)、設(shè)備維修與管理和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互都交由測(cè)站終端服務(wù)器統(tǒng)一進(jìn)行，客戶端提供人機(jī)操作交互。

終端的主要功能如下。

① 傳感器數(shù)據(jù)采集處理及管理。根據(jù)設(shè)備的失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，在減速箱、電機(jī)和饋電系統(tǒng)上安裝所需的傳感器[9-10]，匹配采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并通過設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互獲取測(cè)控設(shè)備的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。經(jīng)數(shù)據(jù)分類整理、無量綱化、歸一化處理等，形成用于設(shè)備監(jiān)測(cè)、診斷和評(píng)估的數(shù)據(jù)包組，發(fā)送至測(cè)站服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)和管理。

② 快速故障診斷設(shè)計(jì)。站級(jí)的快速診斷采用模型辨識(shí)、故障樹和故障案例匹配的方法，以最小可更換單元為功能對(duì)象，建立故障樹模型，底層關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的特征項(xiàng)[11]、關(guān)聯(lián)事件，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、判定門限和辨識(shí)結(jié)果，提供診斷依據(jù)。為提高人工診斷準(zhǔn)確率，可向測(cè)站用戶提供圖形圖像、視頻等形式的協(xié)助診斷功能，在緊急狀態(tài)下可通過服務(wù)器啟動(dòng)遠(yuǎn)程技術(shù)支援。

③ 體檢、評(píng)估和預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。為準(zhǔn)確獲取設(shè)備狀態(tài)，利用特定體檢項(xiàng)目結(jié)合系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試，在統(tǒng)一工況下對(duì)各分系統(tǒng)的主要功能和性能進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)、測(cè)試門限和系統(tǒng)層次模型，以特征項(xiàng)為輸入進(jìn)行基于權(quán)重的計(jì)算，由此獲得最小可更換單元級(jí)以上各層級(jí)的評(píng)估結(jié)果。利用評(píng)估數(shù)據(jù)，可采用灰色預(yù)測(cè)等模型進(jìn)行設(shè)備后續(xù)時(shí)間段內(nèi)的狀態(tài)預(yù)測(cè)。

④ 設(shè)備管理。依據(jù)體檢計(jì)劃的實(shí)施結(jié)果，測(cè)站自動(dòng)生成故障診斷、評(píng)估報(bào)告和趨勢(shì)預(yù)測(cè)等報(bào)告，并形成管理流程閉環(huán)。通過數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)信息、健康數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、故障案例、指標(biāo)信息和設(shè)備原始信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，并與中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)本站設(shè)備全生命周期管理等數(shù)據(jù)的更新。

2.2 設(shè)備健康管理中心

設(shè)備健康管理中心的功能定位是設(shè)備數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交互控制和域內(nèi)測(cè)控設(shè)備的集中健康管理與運(yùn)維指導(dǎo)。作為全網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維管控節(jié)點(diǎn)，可對(duì)域內(nèi)多套設(shè)備實(shí)現(xiàn)綜合狀態(tài)監(jiān)視、復(fù)雜數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程支持，依據(jù)測(cè)站診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)生成設(shè)備保養(yǎng)周工作計(jì)劃并下發(fā)進(jìn)行閉環(huán)管理，通過服務(wù)平臺(tái)提供基于任務(wù)的全域內(nèi)設(shè)備資源調(diào)配，提供與維護(hù)保養(yǎng)需求相關(guān)的設(shè)備管理信息化服務(wù)。具備域內(nèi)設(shè)備管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)程同步更新和多方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制管理能力，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全可靠的交互。

設(shè)備健康管理中心的主要功能如下。

① 設(shè)備集中管理功能。依據(jù)設(shè)備管理需求，中心管理人員根據(jù)測(cè)站終端上報(bào)的診斷和評(píng)估結(jié)果，按照特急、近期和正常的設(shè)備維護(hù)等級(jí)，依據(jù)設(shè)備維修維護(hù)指導(dǎo)，將維修保養(yǎng)時(shí)間、維修保養(yǎng)內(nèi)容等作為信息要素，結(jié)合測(cè)控計(jì)劃制定設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃，經(jīng)中心管理人員確定后下達(dá)至測(cè)站終端設(shè)備，由測(cè)站人員按計(jì)劃完成設(shè)備維護(hù)工作。綜合態(tài)勢(shì)顯示設(shè)備當(dāng)前在用、保養(yǎng)、維修或改造的狀態(tài)，支持分級(jí)詳細(xì)診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)信息顯示。

② 數(shù)據(jù)分析處理功能。系統(tǒng)利用測(cè)站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，開展單套設(shè)備的健康管理與數(shù)據(jù)分析工作，同時(shí)支持與遠(yuǎn)程支援中心的故障聯(lián)合診斷與遠(yuǎn)程會(huì)商。

③ 數(shù)據(jù)信息交互及控制。根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)和內(nèi)部IP信息識(shí)別信息來源，對(duì)文件數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)管理。通過專線實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程支援中心的數(shù)據(jù)交互，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求，可對(duì)數(shù)據(jù)類型、轉(zhuǎn)發(fā)速率和轉(zhuǎn)發(fā)方向進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)交互通過設(shè)置人員權(quán)限和數(shù)據(jù)加解密處理來保護(hù)數(shù)據(jù)交互的可靠性和安全性。

健康管理中心主要功能和架構(gòu)如圖2所示。

圖2 健康管理中心主要功能和架構(gòu)

2.3 遠(yuǎn)程技術(shù)支援中心

遠(yuǎn)程技術(shù)支援中心的功能定位是為研制方承研設(shè)備的全生命數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程技術(shù)提供支援，接收、存儲(chǔ)和管理域內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)和全生命周期數(shù)據(jù)，通過服務(wù)平臺(tái)向測(cè)站和健康管理中心提供必要的數(shù)據(jù)服務(wù)，通過數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)庫(kù)同步更新模型、參數(shù)、指標(biāo)和備品備件等信息。

① 數(shù)據(jù)管理功能。接收測(cè)站終端經(jīng)用戶中心控制轉(zhuǎn)發(fā)的各類數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)類型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理。通過平臺(tái)服務(wù)向測(cè)站及中心用戶提供診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)等模型下載、設(shè)備技術(shù)資料共享功能。依據(jù)設(shè)備類型對(duì)測(cè)站故障診斷數(shù)據(jù)、健康體檢及測(cè)試數(shù)據(jù)、評(píng)估與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以及設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)和算法模型數(shù)據(jù)庫(kù)等進(jìn)行管理。

② 遠(yuǎn)程技術(shù)支援與保障功能。接收測(cè)站及用戶中心的遠(yuǎn)程支援申請(qǐng)，通過網(wǎng)絡(luò)接收測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)文件和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，協(xié)助測(cè)站進(jìn)行分析診斷并提供技術(shù)支援，在緊急情況下可借助三方視頻會(huì)商，指導(dǎo)測(cè)站進(jìn)行應(yīng)急處置并提供維修決策。廠所專家可利用設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)模型及參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，通過設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)掌握測(cè)控設(shè)備的使用情況，針對(duì)設(shè)備各類故障的分析統(tǒng)計(jì)可對(duì)磨損消耗大、故障頻率高、生產(chǎn)采購(gòu)周期長(zhǎng)的部件進(jìn)行合理備份和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)工作流程和運(yùn)行模式

測(cè)站級(jí)部署的終端作為設(shè)備主要數(shù)據(jù)的生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)備狀態(tài)信息采集和分析處理形成本地及遠(yuǎn)程使用的診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)交互以滿足系統(tǒng)內(nèi)測(cè)站管理節(jié)點(diǎn)和中心管理節(jié)點(diǎn)的設(shè)備監(jiān)視、狀態(tài)鑒定、維護(hù)計(jì)劃生成、資源調(diào)度、遠(yuǎn)程技術(shù)支援和保障需求。

測(cè)站管理人員通過客戶端訪問測(cè)站服務(wù)器以實(shí)時(shí)監(jiān)視站內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、體檢計(jì)劃和維護(hù)計(jì)劃的實(shí)施和數(shù)據(jù)管理、設(shè)備預(yù)測(cè)的實(shí)施和數(shù)據(jù)管理。若設(shè)備出現(xiàn)故障或在測(cè)試時(shí)狀態(tài)異常可借由系統(tǒng)實(shí)施快速診斷，按系統(tǒng)提示完成排故。按需進(jìn)行備件和軟件版本信息更新。本地可支持的服務(wù)和數(shù)據(jù)由本地服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)提供，形成的各類報(bào)告將自動(dòng)提交至健康管理中心。若需遠(yuǎn)程支援或數(shù)據(jù)交互則可通過網(wǎng)絡(luò)與中心來開展相關(guān)工作。

健康管理中心借助中心服務(wù)平臺(tái)通過測(cè)站上報(bào)的數(shù)據(jù)可對(duì)全域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)測(cè)站評(píng)估結(jié)果對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行鑒定，按照預(yù)測(cè)結(jié)果、健康等級(jí)、維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間和資源以及測(cè)控計(jì)劃制定設(shè)備后續(xù)體檢和維護(hù)計(jì)劃。中心可根據(jù)設(shè)備的各類數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計(jì)綜合分析，便于管理者全方位了解設(shè)備狀態(tài)。

遠(yuǎn)程技術(shù)支援保障中心通過中心服務(wù)平臺(tái)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)開展復(fù)雜數(shù)據(jù)分析、診斷和評(píng)估預(yù)測(cè)等模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，并向健康管理中心和測(cè)站發(fā)布、上傳系統(tǒng)所需的設(shè)備模型、資料等，分析設(shè)備體檢和評(píng)估數(shù)據(jù)，結(jié)合全生命周期過程數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，并開展對(duì)備件的相關(guān)管理。

系統(tǒng)內(nèi)三方均可按需通過會(huì)商開展遠(yuǎn)程技術(shù)支援和培訓(xùn)等。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)部署在測(cè)站、用戶中心和設(shè)備研制廠所等不同地域，為了針對(duì)不同用戶提供有針對(duì)性的服務(wù)(尤其是測(cè)站端中被管理的對(duì)象數(shù)量較多時(shí))，并適應(yīng)未來的設(shè)備發(fā)展，系統(tǒng)需要具備良好的擴(kuò)展性，同時(shí)業(yè)務(wù)各節(jié)點(diǎn)須協(xié)同工作，系統(tǒng)在軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上在借助目前主流架構(gòu)思想的同時(shí)也須兼顧系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)的傳輸要求、系統(tǒng)擴(kuò)展性和優(yōu)先任務(wù)數(shù)據(jù)、帶寬受限的實(shí)際情況。綜上，健康管理中心和遠(yuǎn)程支援中心對(duì)于數(shù)據(jù)展示和其他業(yè)務(wù)的處理，選用微服務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)共享技術(shù)，基于Java的微服務(wù)架構(gòu)對(duì)兩個(gè)中心功能域的架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效簡(jiǎn)化。在測(cè)站端采用遠(yuǎn)程過程調(diào)用(Remote Procedure Call,RPC)分布式數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，用性能和兼容性較高的C++/Qt開發(fā)來實(shí)現(xiàn)測(cè)站涉及的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分發(fā)、故障、體檢和預(yù)測(cè)等業(yè)務(wù)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 設(shè)備故障診斷

為在測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)開展對(duì)設(shè)備故障的快速排查和診斷，需要獲取設(shè)備狀態(tài)的特征信息，在原有設(shè)備采集信息不滿足需求的情況下，需要在設(shè)備故障診斷上利用傳感器采集技術(shù)[9-10]、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)具備開展復(fù)雜故障的遠(yuǎn)程診斷與技術(shù)支持的能力。在故障診斷方法上，針對(duì)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)采用了基于故障樹模型、故障案例和機(jī)電系統(tǒng)故障辨識(shí)等多種故障診斷隔離方法，以提高故障診斷成功率和效率。電機(jī)和齒輪箱是天線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，電機(jī)電流變化可以反映電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，其特征和故障可建立關(guān)系，因此基于狀態(tài)估計(jì)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)故障辨識(shí)方法是機(jī)電故障診斷和狀態(tài)判斷的主要方法。采用電機(jī)電流的特征分析方法，利用設(shè)計(jì)的自構(gòu)架模糊系統(tǒng)對(duì)故障信息進(jìn)行逼近。通過將電流、電壓和速度3個(gè)輸入量的模糊輸出和卡爾曼估計(jì)器估計(jì)值之間的誤差作為補(bǔ)償來逼近故障函數(shù)，利用故障函數(shù)來區(qū)分系統(tǒng)狀態(tài)區(qū)間(健康、正常、異常、失效)。通過減速箱振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)[12]方法，協(xié)助分離軸承或軸故障。

另外，在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的診斷和預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)上可有多種選擇，通過交叉驗(yàn)證等方法篩選出特征項(xiàng)后，進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

5.2 設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)

在天線綜合健康狀態(tài)評(píng)估中，重點(diǎn)研究如何確定部件、分系統(tǒng)工作狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響和作用。系統(tǒng)采用基于層次分析[13]的評(píng)估方法，使評(píng)價(jià)定性因素定量化，使評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)且易于工程化。

通過對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分、功能分解和分類，建立關(guān)聯(lián)模型，并采用基于測(cè)試數(shù)據(jù)、無量綱化和歸一化處理的健康評(píng)估方法對(duì)特征項(xiàng)級(jí)進(jìn)行評(píng)估并據(jù)此開展各層級(jí)評(píng)估。對(duì)各特征項(xiàng)依據(jù)其表征選取正向、負(fù)向、適度無量綱化模型，確定極大、極小、最優(yōu)值和線性化程度值，完成統(tǒng)一量化。

通過無量綱化處理特征項(xiàng)級(jí)評(píng)估，獲得最底層評(píng)估數(shù)據(jù)，然后自下而上根據(jù)權(quán)重比依次評(píng)估各層級(jí)直到天線系統(tǒng)級(jí)，確定系統(tǒng)健康狀態(tài)，采用變權(quán)綜合法對(duì)各層次權(quán)重值[14]進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。同時(shí)無量綱化處理信息和狀態(tài)評(píng)估結(jié)果,可作為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的各類評(píng)估預(yù)測(cè)方法的輸入，例如利用特征項(xiàng)構(gòu)建灰色預(yù)測(cè)模型獲得被監(jiān)測(cè)部件未來一定時(shí)期的參數(shù)變化趨勢(shì)和系統(tǒng)的健康狀態(tài)變化趨勢(shì)[15-16]。天線健康狀態(tài)評(píng)估步驟如圖4所示。

圖4 天線健康狀態(tài)評(píng)估步驟

6 結(jié)束語(yǔ)

面向測(cè)站設(shè)備用戶、中心任務(wù)管理和研制方維護(hù)保障的不同需求，在充分利用現(xiàn)有測(cè)控設(shè)備硬件和技術(shù)資源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了測(cè)站、中心的分級(jí)分層管理和遠(yuǎn)程支援的總體架構(gòu)，明確了系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的主要功能及系統(tǒng)工作流程、運(yùn)行模式和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，利用傳感器技術(shù)、信息監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和RPC加微服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種面向測(cè)控天線系統(tǒng)的健康管理與支援保障系統(tǒng)的工程化設(shè)計(jì)。

以某測(cè)控站天線系統(tǒng)作為健康管理對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)主要功能、節(jié)點(diǎn)間信息交互，以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐和驗(yàn)證。通過建立測(cè)站管理終端、用戶中心和遠(yuǎn)程技術(shù)支援中心，建立了單套天線設(shè)備、一個(gè)分系統(tǒng)的分級(jí)健康管理及遠(yuǎn)程診斷支援模式，實(shí)現(xiàn)了天線設(shè)備的狀態(tài)信息的采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)分析處理、天線設(shè)備故障診斷、評(píng)估與預(yù)測(cè)功能，以及狀態(tài)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)、指標(biāo)庫(kù)的信息導(dǎo)入與維護(hù)更新，基于全生命周期的信息化管理能力，并以電機(jī)典型故障進(jìn)行了診斷方法的測(cè)試和驗(yàn)證，效果良好。在此基礎(chǔ)上以多臺(tái)套設(shè)備作為管理對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件平臺(tái)和維護(hù)保障信息化管理能力的擴(kuò)展，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)架構(gòu)的合理可行性，對(duì)后續(xù)的工程應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)和借鑒意義。