健康監(jiān)測技術(shù)在機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用分析*

薛勇杰，虞慶慶，薛 飛

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）技術(shù)的定義是“一種利用信號、測量、模型和算法來監(jiān)測、評估和跟蹤退化的健康狀態(tài)并預(yù)測故障發(fā)展的維修保養(yǎng)方法”[1]，它是由基于狀態(tài)的維修（Condition-Based Maintenance,CBM）升級發(fā)展而來。PHM技術(shù)能夠通過即時監(jiān)測獲取系統(tǒng)的技術(shù)狀況，預(yù)測功能性故障并做必要的預(yù)防維修，從而縮短維修時間，降低飛機(jī)全壽命周期維護(hù)保障費(fèi)用，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，能夠?yàn)槲磥響?zhàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的維修保障提供有力支持[2-3]。

近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)都致力于PHM相關(guān)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究，取得大量成果，使得PHM技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。在飛機(jī)PHM整體架構(gòu)理論研究方面，文獻(xiàn)[4]給出了基于空地一體化管理的大飛機(jī)PHM的原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方案，討論了未來大飛機(jī)PHM系統(tǒng)研制面臨的主要問題。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)論述了實(shí)現(xiàn)PHM功能的信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems,CPS）架構(gòu)，分析了CPS在工業(yè)領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及瓶頸問題。文獻(xiàn)[6]依據(jù)航空電子系統(tǒng)的故障模式與機(jī)理，提出了一種基于測試性的電子系統(tǒng)綜合診斷與故障預(yù)測系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)[7]開發(fā)了基于可測性設(shè)計(jì)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)，分析了測試數(shù)據(jù)對系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的影響。目前，美國已將PHM技術(shù)應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)，顯著降低了維修人力和后勤保障資源的需求，同時大大提升了其出動架次率、全機(jī)使用壽命和作戰(zhàn)效能[7]。

機(jī)載雷達(dá)屬于典型的復(fù)雜軍用電子設(shè)備，其組成規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、雷達(dá)與載機(jī)平臺之間屬于緊耦合集成關(guān)系[8]，不可避免地導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)故障發(fā)生概率高以及維護(hù)和保障成本高。開展機(jī)載雷達(dá)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)體系研究，對PHM技術(shù)在我國機(jī)載雷達(dá)上的實(shí)施具有重要意義。

本文首先分析了典型飛機(jī)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)；然后，針對機(jī)載雷達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探究了機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)全壽命流程緊密融合的PHM構(gòu)建方法，分析了機(jī)載雷達(dá)PHM系統(tǒng)構(gòu)建流程；最后，以某機(jī)載雷達(dá)上大型一維轉(zhuǎn)臺為監(jiān)測對象，搭建了轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的地面試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控、故障診斷等功能。

1 典型飛機(jī)的PHM架構(gòu)分析

PHM技術(shù)不僅是一種先進(jìn)的測試、維修技術(shù)，更是一種全面的故障預(yù)測、診斷、隔離及狀態(tài)管理技術(shù)[9]。常規(guī)飛機(jī)PHM系統(tǒng)架構(gòu)分為機(jī)上和地面兩大部分，之間通過通信系統(tǒng)互聯(lián)，其典型架構(gòu)可歸納為圖1所示框圖。

圖1 典型飛機(jī)的PHM架構(gòu)

該P(yáng)HM系統(tǒng)首先從各類最底層信息源獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)信號處理后第一時間對其狀態(tài)進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)。PHM機(jī)上管理系統(tǒng)將故障信息綜合后，通過數(shù)傳系統(tǒng)傳至地面PHM系統(tǒng)。地面PHM系統(tǒng)是實(shí)時和事后處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對機(jī)上部分提交的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行綜合、仿真、評估、決策和優(yōu)化，以得到關(guān)鍵對象的損傷程度及壽命預(yù)計(jì)，最終據(jù)此對與作戰(zhàn)計(jì)劃、維修管理、備件供應(yīng)和人員培訓(xùn)等有關(guān)的需求資源做出恰當(dāng)、及時和決策性的響應(yīng)，并將有用的信息通過專家/經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫與同型號飛機(jī)共享[10]。

2 機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)的PHM系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一般的機(jī)載雷達(dá)分為艙內(nèi)和艙外（罩內(nèi)）兩大部分。透波天線罩為雷達(dá)系統(tǒng)中唯一的外露結(jié)構(gòu)[11]，罩內(nèi)單元均通過安裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在罩內(nèi)的安裝固定，典型的有源相控陣?yán)走_(dá)中該部分重量約占整個雷達(dá)的40%[8]。視雷達(dá)架構(gòu)及功能的差異，獨(dú)立單元的總數(shù)量規(guī)模在500臺/件以上。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)適用于機(jī)械旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)，該結(jié)構(gòu)帶動綜合交連實(shí)現(xiàn)雷達(dá)陣面整體的旋轉(zhuǎn)及靜/動兩部分之間的電、液傳輸。艙內(nèi)單元一般采用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場可更換單元（Line Replaceable Unit,LRU）插箱形式，部分內(nèi)裝標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場可更換模塊（Line Replaceable Module,LRM）。同樣視雷達(dá)架構(gòu)及功能的差異，插箱及模塊的總數(shù)量規(guī)模在100臺/件以上。安裝結(jié)構(gòu)指雷達(dá)各設(shè)備與載機(jī)平臺互連的安裝過渡結(jié)構(gòu)，包括框架、導(dǎo)軌、減振器等，該部分結(jié)構(gòu)的規(guī)模與雷達(dá)-載機(jī)平臺結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)程度密切相關(guān)。

2.2 機(jī)載雷達(dá)PHM系統(tǒng)構(gòu)建方法

本文提出了一種與機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)全壽命流程緊密融合的PHM構(gòu)建方法，具體流程如圖2所示。從圖2中可以看出，PHM系統(tǒng)研發(fā)流程與雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)流程在方案、設(shè)計(jì)、集成測試及使用的各個階段緊密融合。例如，在方案階段，雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)流程中的故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode, Effects & Criticality Analysis, FMECA）的結(jié)果是PHM系統(tǒng)研發(fā)流程中PHM系統(tǒng)初步方案的輸入或依據(jù)，雷達(dá)系統(tǒng)研發(fā)流程中FMECA結(jié)果確定的結(jié)構(gòu)關(guān)/重件則決定了PHM系統(tǒng)中監(jiān)測對象及監(jiān)測參數(shù)的選定。

FMECA是分析產(chǎn)品所有可能的故障模式及其可能產(chǎn)生的影響，并按每個故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法。FMECA由故障模式及影響分析（Failure Mode,Effects Analysis, FMEA）和危害性分析（Criticality Analysis, CA）兩部分組成。具體的分析方法可參考GB/T 7826《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和影響分析（FMEA）程序》和GJB 1391《故障模式、影響及危害性分析指南》。

圖2 機(jī)載雷達(dá)PHM系統(tǒng)構(gòu)建流程

這里以典型雷達(dá)簡化后的艙內(nèi)設(shè)備為例，得到艙內(nèi)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層級樹（圖3）、典型單元的功能與結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)關(guān)系（圖4）以及功能結(jié)構(gòu)嚴(yán)酷度類別等級定義（表1）。

由于雷達(dá)屬于電訊功能為主的復(fù)雜電子系統(tǒng)，大部分結(jié)構(gòu)故障危害將通過各種機(jī)理及路徑耦合，最終體現(xiàn)在電訊功能上，因此這里僅以結(jié)構(gòu)的FMEA分析為例，進(jìn)一步的功能CA分析不在此文展開詳述?；谏鲜龆x及綜合分析，可得到對應(yīng)雷達(dá)艙內(nèi)系統(tǒng)的FMEA分析表。通過嚴(yán)酷度等級并結(jié)合關(guān)/重件特性分析，可以進(jìn)一步確定雷達(dá)關(guān)/重結(jié)構(gòu)件。

圖4 典型單元的功能與結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)關(guān)系圖

表1 雷達(dá)艙內(nèi)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)嚴(yán)酷度類別等級定義

根據(jù)雷達(dá)全系統(tǒng)FMECA的詳細(xì)分析結(jié)果，可以得到雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)各結(jié)構(gòu)的故障影響內(nèi)容及嚴(yán)酷度等級，最終得到典型機(jī)載雷達(dá)嚴(yán)酷度等級結(jié)構(gòu)件清單（表2），從而確定監(jiān)測對象。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的健康監(jiān)測功能，載機(jī)勢必需要付出額外的綜合資源代價，主要包括重量、尺寸/空間、功耗、系統(tǒng)復(fù)雜程度及可靠性。然而，額外的資源代價將影響飛機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)及作戰(zhàn)效能。因此，PHM在機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用必須重點(diǎn)突出、有所取舍，不可一味盲目地搞“大而全”。

現(xiàn)有用于PHM監(jiān)控技術(shù)的傳感器類別包含熱、電、機(jī)械、化學(xué)、溫度、生物、光學(xué)（輻射）、磁性等。結(jié)合表1的分析結(jié)果，得到雷達(dá)整機(jī)全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)（圖5）。

表2 典型機(jī)載雷達(dá)嚴(yán)酷度等級結(jié)構(gòu)件清單

圖5 典型機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)

3 PHM在機(jī)載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測對象分析

基于機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的PHM系統(tǒng)架構(gòu)分析開展某機(jī)載雷達(dá)一維伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究。該大型一維轉(zhuǎn)臺主要由支撐環(huán)（外環(huán)、內(nèi)環(huán)）、方位軸承、支撐腿、大齒圈、減速器、小齒輪、測角裝置等組成。檢測對象主要包括方位軸承、齒輪、液壓馬達(dá)減速機(jī)及內(nèi)外環(huán)撐腿等結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺的主要監(jiān)控部位包括電控部分、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)和液壓部分，監(jiān)控要素包括轉(zhuǎn)速、角度、應(yīng)力、振動等。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

大型一維轉(zhuǎn)臺健康監(jiān)測系統(tǒng)整體方案如圖6所示。系統(tǒng)由嵌入式機(jī)載信息采集終端和故障診斷與健康管理服務(wù)平臺構(gòu)成。振動、應(yīng)變、電流等傳感器感知轉(zhuǎn)臺信號，信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集器獲取傳感器信號，通過信號處理獲得有效數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。健康管理服務(wù)平臺通過信號處理與特征提取、健康評估、故障診斷以及壽命預(yù)測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控和故障診斷，并進(jìn)行故障預(yù)測和健康管理。

圖6 大型一維轉(zhuǎn)臺健康監(jiān)測系統(tǒng)整體方案

3.2.2 監(jiān)控參量與監(jiān)控方法

監(jiān)控內(nèi)容主要分為電控部分、轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)部分和液壓部分，監(jiān)控要素包括轉(zhuǎn)速、角度、應(yīng)力、振動等。電控部分通過總線方式從電控系統(tǒng)獲取轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、電流、流量、壓力、溫度等監(jiān)控參量。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)部分包括：1）結(jié)構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測采用傳統(tǒng)的電測應(yīng)變方式，采用低溫應(yīng)變片作為應(yīng)變傳感器，通過應(yīng)變采集模塊采集應(yīng)變信號；2）傳動機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測采用加速度傳感器獲取軸承、大齒圈、小齒輪、減速機(jī)、馬達(dá)等傳動部件的振動信號，通過提取微弱故障信號進(jìn)行軸承早期故障診斷，依據(jù)軸承振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，并依據(jù)軸承壽命模型進(jìn)行壽命預(yù)測；3）結(jié)構(gòu)最大位移監(jiān)測采用定制的位移傳感器獲取位移信號。液壓部分采用光電傳感器獲取信號。

3.2.3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控硬件系統(tǒng)

大型一維轉(zhuǎn)臺運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控硬件平臺由傳感器、調(diào)理器、采集器、存儲器、電腦、通訊接口等組成，實(shí)現(xiàn)信號傳感、調(diào)理、采集、通訊、存儲等功能。電控部分在外環(huán)上布置2個速度編碼器和2個角度編碼器，由測角裝置通過總線獲取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)部分包括：1）針對結(jié)構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測，在轉(zhuǎn)臺支腿的上下左右位置共安裝24個應(yīng)變傳感器，在外環(huán)上部均勻布置4個應(yīng)變傳感器；2）針對傳動機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，在方位軸承上均勻布置4個加速度傳感器，在減速器、馬達(dá)、馬達(dá)軸承上布置18個加速度傳感器；3）針對結(jié)構(gòu)最大位移監(jiān)測，在內(nèi)外環(huán)上各布置4個位移傳感器。液壓部分在液壓馬達(dá)上布置2個溫度傳感器，在進(jìn)出油管上各布置1個溫度傳感器，共計(jì)4個溫度傳感器，在進(jìn)出油管上各布置1個流量傳感器。

3.2.4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)

PHM主要包含故障預(yù)測和健康管理兩方面內(nèi)容。軟件開發(fā)基于嵌入式平臺系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互能力，結(jié)合上述硬件平臺，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壽命預(yù)測等功能。

（1）狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警功能

利用時域分析、頻域分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法，判定轉(zhuǎn)臺運(yùn)行健康狀況，如果出現(xiàn)異常，將結(jié)合故障機(jī)理和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行早期故障診斷和故障預(yù)警。轉(zhuǎn)臺健康監(jiān)測采用圖形和動畫的直觀方式顯示應(yīng)力、位移和振動數(shù)據(jù)，基于健康基線以綠色、黃色和紅色分別表示健康、警示和危險狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)臺健康監(jiān)控主界面

（2）故障預(yù)測與壽命預(yù)測功能

故障特征趨勢預(yù)測主要通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建并訓(xùn)練能夠較好反映故障特征隨時間發(fā)展規(guī)律的模型，進(jìn)而應(yīng)用該模型對未來故障特征的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測。短期預(yù)測是指直接應(yīng)用時間序列預(yù)測方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法等數(shù)據(jù)趨勢預(yù)測方法對未來故障特征進(jìn)行短期預(yù)測。長期預(yù)測是指在短期預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和短期預(yù)測數(shù)據(jù)，采取曲線擬合的方式建立故障特征與時間的函數(shù)，并得到未來較長時間內(nèi)的故障特征發(fā)展趨勢。要為運(yùn)維決策提供可信依據(jù)，需要完成健康狀態(tài)的可視化，并生成相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，包括性能退化圖、績效雷達(dá)圖、分類和故障分布圖以及風(fēng)險圖表，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)臺健康監(jiān)控大數(shù)據(jù)分析

目前，該健康監(jiān)測系統(tǒng)主要用于健康狀態(tài)監(jiān)測，并在使用過程中，通過數(shù)據(jù)積累逐漸建立和完善故障庫以及關(guān)鍵參量特征信號數(shù)據(jù)庫，為轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測以及壽命預(yù)測提供依據(jù)。后期可以根據(jù)使用過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)方面的問題，利用系統(tǒng)預(yù)留的備用接口對部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行擴(kuò)展監(jiān)測。

4 結(jié)束語

本文通過對典型的飛機(jī)PHM系統(tǒng)架構(gòu)的詳細(xì)分析，并結(jié)合機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了基于雷達(dá)全壽命周期和FMECA的PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和總體架構(gòu)，得到了典型機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)。以某機(jī)載雷達(dá)轉(zhuǎn)臺為例，探究了PHM技術(shù)在雷達(dá)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件健康監(jiān)測上的應(yīng)用，并獲得了各關(guān)鍵系統(tǒng)的多參量實(shí)時數(shù)據(jù)。本研究對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在機(jī)載雷達(dá)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。