數(shù)字孿生驅(qū)動的火箭控制系統(tǒng)故障診斷研究綜述

韓文婷，程 龍，韓文婧，楊林郁

(航天工程大學(xué)，北京 101400)

0 引言

工業(yè)社會發(fā)展日新月異，科學(xué)技術(shù)迭代推新，第四次工業(yè)革命已經(jīng)來臨。德國工業(yè)和學(xué)術(shù)界率先提出工業(yè)4.0概念[1]，旨在發(fā)展智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流三大主題。各國紛紛響應(yīng)號召。美國提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，中國則提出《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，智能制造的發(fā)展水平?jīng)Q定我國在未來制造業(yè)中的國際地位[2]。智能制造是多系統(tǒng)、多學(xué)科集成創(chuàng)新的產(chǎn)物，數(shù)字孿生作為智能制造領(lǐng)域最有前景的新興技術(shù)之一，借助其“虛實(shí)結(jié)合”的優(yōu)勢，在航空航天、船舶制造、車間調(diào)度、通信機(jī)房等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

當(dāng)前世界各國航天發(fā)射密度逐年遞增。截止2022年2月21日SpaceX的獵鷹九號火箭重復(fù)使用已達(dá)107次；截止2022年3月3日星鏈(Starlink)已發(fā)射超2200顆衛(wèi)星，加快了低軌資源的搶占速度。日本Epsilon火箭順利完成快速響應(yīng)發(fā)射，將發(fā)射準(zhǔn)備時間大幅縮短[4]。中國空間站已成功入駐兩個飛行乘組，載人航天工程取得重大突破。

各國日益增加的發(fā)射頻率，航天領(lǐng)域的快速發(fā)展都離不開運(yùn)載火箭的成功發(fā)射。而火箭的順利發(fā)射與其前期完備的測試流程和全程的健康管理、故障診斷息息相關(guān)。尤其對于未來可重復(fù)使用運(yùn)載器來說，健康管理技術(shù)顯得尤為重要。

可重復(fù)使用運(yùn)載器能夠大幅提升進(jìn)出空間的能力，為有效利用太空提供強(qiáng)有力的支撐[5]。對其實(shí)施合理的健康管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)它的全壽命周期健康狀態(tài)管理，支持射前測試階段、飛行期間的狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測與診斷，并及時進(jìn)行維修決策和健康評估，可以大幅提高重復(fù)使用運(yùn)載器的可靠性和安全性。

火箭的控制系統(tǒng)作為火箭的大腦中樞，是運(yùn)載火箭的重要組成部分，主要指火箭的飛行控制系統(tǒng)[6]?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)控制火箭將有效載荷送入預(yù)定軌道，確保入軌精度。當(dāng)前運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的智能化程度不斷提高，針對控制系統(tǒng)的健康管理和智能故障診斷具有重要意義。數(shù)字化、智能化的控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)有利于發(fā)射場技術(shù)人員更加高效、便捷地對火箭總體進(jìn)行維修和歸零，也有助于提高該型火箭的服役年限。

為進(jìn)一步適應(yīng)火箭控制系統(tǒng)的智能化程度，促進(jìn)發(fā)射場的數(shù)字化進(jìn)程，提高火箭的故障診斷效率，本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于火箭控制系統(tǒng)的故障診斷。結(jié)合火箭控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及常見故障，初步提出基于數(shù)字孿生的火箭控制系統(tǒng)故障診斷的組成框架，具有廣闊的應(yīng)用前景。運(yùn)載火箭所處環(huán)境惡劣，造價昂貴，飛行試驗(yàn)次數(shù)相對較少。利用火箭全壽命周期的數(shù)字孿生技術(shù)，可以促進(jìn)同一型號火箭在研制過程中的迭代改進(jìn)，提升方案設(shè)計的輕量化和性價比，縮短試驗(yàn)設(shè)計周期。其次，基于數(shù)字孿生的火箭健康管理系統(tǒng)，能夠用于火箭射前測試階段的快速診斷與智能決策。通過射前狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時故障預(yù)測來補(bǔ)充人工測試的不足，從而提高火箭發(fā)射的可靠性與成功率。另外，在火箭飛行階段，火箭的數(shù)字孿生體可以在地面充當(dāng)鏡像伴飛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)飛行過程的故障快速診斷，實(shí)現(xiàn)故障提前預(yù)測，避免飛行事故的發(fā)生。針對可重復(fù)使用火箭的全壽命健康管理，利用其數(shù)字孿生體，能夠積累大量歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)其各階段故障信息的實(shí)時檢測和故障決策的快速設(shè)立。

1 數(shù)字孿生在航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的物理世界與信息世界存在一定的隔閡，而數(shù)字孿生作為連接物理世界和信息世界的橋梁，能進(jìn)行有效的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能化的物理信息融合。數(shù)字孿生是一種多尺度、多物理場集成的高保真模型[7]。物理實(shí)體的鏡像模型利用傳感器獲取物理實(shí)體的實(shí)時數(shù)據(jù)，從而保持與物理空間的高度同步映射。它具有實(shí)時映射、交互融合、自我更新這三大特征[8]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字孿生應(yīng)用廣泛。在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉庫、醫(yī)療、制造車間和智慧城市這十大領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生同樣具有較大的應(yīng)用潛力與廣闊的發(fā)展前景[9]。

NASA首先在2010年提出，計劃在2027年將數(shù)字孿生成功應(yīng)用于基于仿真的系統(tǒng)工程，作為NASA未來三十年的一項(xiàng)頂級技術(shù)[10]。NASA數(shù)字孿生的定義是針對火箭或系統(tǒng)的一個多物理模型、多尺度的概率仿真，通過傳感器更新和艦隊歷史來鏡像反映飛行器的全壽命飛行。該數(shù)字孿生模型可以在任務(wù)期間持續(xù)、實(shí)時的仿真，作為火箭健康管理的基礎(chǔ)。該數(shù)字孿生體有以下4個應(yīng)用前景：1)在發(fā)射前模擬執(zhí)行火箭未來的飛行任務(wù)，該仿真過程可以獲取多種任務(wù)參數(shù)，分析異常影響，為后續(xù)飛行計劃安排積累數(shù)據(jù)；2)鏡像反映火箭的實(shí)際飛行，即模型“伴飛”，火箭飛行過程中的一系列環(huán)境因素，如溫度、實(shí)際載荷等會持續(xù)輸入孿生模型，實(shí)現(xiàn)對飛行孿生的持續(xù)預(yù)測；3)在發(fā)生潛在的災(zāi)難性故障時進(jìn)行現(xiàn)場取證。一旦傳感器將下降的健康狀態(tài)傳遞給數(shù)字孿生，即可開始診斷異常原因；4)作為飛行器設(shè)計更新的試驗(yàn)平臺。例如，當(dāng)一個執(zhí)行器出現(xiàn)故障時，數(shù)字孿生體可以用來確定結(jié)構(gòu)的新載荷分布以及預(yù)測剩余壽命，輔助制定維修策略。

之后，NASA在2016年提出了2035年的虛擬能力目標(biāo)，它包括6大部分：飛行器的飛行預(yù)測、飛行器數(shù)字孿生、材料設(shè)計、空域模擬、虛擬進(jìn)入下降著落、耦合地球系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和模型[11]。其中，著重指出飛行器數(shù)字孿生的目標(biāo)是：已竣工飛行器的高保真生命周期在2035減至目前一半的維修費(fèi)用，飛行器達(dá)到當(dāng)前10倍的服役壽命。

美國空軍在2020年宣布使用數(shù)字孿生技術(shù)去維護(hù)GPS衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)安全。通過建立GPS 2R衛(wèi)星的數(shù)字孿生體，從中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全滲透測試，達(dá)到查找GPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)漏洞的目標(biāo)。2022年3月，美空軍啟用“數(shù)字孿生全息實(shí)驗(yàn)室”，以數(shù)字孿生模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環(huán)境中測試新技術(shù)，促進(jìn)空軍基地的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2021年馬斯克用數(shù)字孿生開啟了航天工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時代。Space X公司利用C++語言和Matlab編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、建模仿真和矩陣計算，將物理世界火箭發(fā)射流程的數(shù)字孿生體映射到比特世界，進(jìn)行“沙盤演繹”，防止粒子翻轉(zhuǎn)引發(fā)火箭爆炸。

NASA制定的2027年目標(biāo)和2035年目標(biāo)均包含數(shù)字孿生體的建立，美空軍也在積極部署數(shù)字孿生的相關(guān)軍事應(yīng)用。由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)在未來航天領(lǐng)域的地位舉足輕重。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2020年美國航空航天學(xué)會(AIAA)和美國航空航天工業(yè)協(xié)會(AIA)發(fā)布《數(shù)字孿生：定義與價值》報告。報告中將數(shù)字孿生分為三大類：設(shè)計數(shù)字孿生、生產(chǎn)數(shù)字孿生、支持和服務(wù)數(shù)字孿生，它們分別對應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計階段、制造階段、使用和維護(hù)階段。下面按照這三大分類對數(shù)字孿生在國內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行簡單歸納：

1)設(shè)計數(shù)字孿生：吳浩等提出的基于數(shù)字孿生的火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗(yàn)證技術(shù)，增加了基于數(shù)字孿生的虛擬映射、模型驅(qū)動，提高了火箭設(shè)計效率[12]。金杰等提出的基于數(shù)字孿生的火箭起飛安全系統(tǒng)設(shè)計，利用數(shù)字化仿真、多源模型處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)火箭起飛過程的虛擬場景仿真，構(gòu)建了火箭的數(shù)字孿生體。通過仿真過程的起飛安全性分析，對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對火箭姿態(tài)進(jìn)行及時調(diào)整控制，進(jìn)一步提升了火箭起飛的安全可靠性[13]。張文杰等提出基于數(shù)字孿生和多智能體的航天器智能試驗(yàn)，搭建了智能試驗(yàn)管控平臺，縮短了航天器產(chǎn)品設(shè)計實(shí)施周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計精度[14]。趙琦等提出數(shù)字孿生在衛(wèi)星星座系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用框架，基于建模語言Modelica，對衛(wèi)星星座系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的建模過程進(jìn)行了展示，并提出相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)[15]。

2)生產(chǎn)數(shù)字孿生：王建軍等提出基于數(shù)字孿生的航天器系統(tǒng)工程，建立了基于數(shù)字孿生的5個典型階段的整體模型和應(yīng)用框架[16]。該技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)航天器設(shè)計階段的物理信息深度融合，促進(jìn)航天器研制的智能化進(jìn)程。萬峰等提出基于數(shù)字孿生的衛(wèi)星總裝過程管控系統(tǒng)，利用孿生建模、虛實(shí)驅(qū)動等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星總裝過程的實(shí)時管控，并提供決策支持[17]。郭具濤等提出基于數(shù)字孿生的航天制造車間生產(chǎn)管控方法，針對車間效率低、動態(tài)響應(yīng)能力不足的問題，借助數(shù)字孿生，設(shè)計跨網(wǎng)段信息異步交互的航天車間架構(gòu)，具有一定的智能應(yīng)用場景[18]。

3)支持和服務(wù)數(shù)字孿生：蔡紅維等提出了基于數(shù)字孿生的航天發(fā)射場建設(shè)思路，設(shè)計了發(fā)射場數(shù)字孿生體的體系結(jié)構(gòu)，逐一分析所需的關(guān)鍵技術(shù)[19]。該研究可以為未來發(fā)射場的日常運(yùn)行、健康管理、指揮決策提供重要支撐。張素明等提出基于數(shù)字孿生的火箭測試與發(fā)射過程的健康管理系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對該過程的天地鏡像仿真，虛擬火箭與火箭本體的信息交融[20]。該技術(shù)能夠提高未來火箭發(fā)射的可靠性，為其安全發(fā)射提供技術(shù)支持。北京世冠金洋科技發(fā)展有限公司提出航天飛行器數(shù)字孿生技術(shù)及仿真平臺，可以實(shí)現(xiàn)模型的快速組建，在軌衛(wèi)星的故障分析推演，構(gòu)建軌道任務(wù)評估系統(tǒng)，在衛(wèi)星測控領(lǐng)域有一定的工程實(shí)踐意義。黃文德等提出基于北斗與數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)運(yùn)維平臺，將北斗精準(zhǔn)時空技術(shù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)理論相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器，形成具有狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和自愈功能的數(shù)字孿生運(yùn)維平臺[21]。

表1 數(shù)字孿生在國內(nèi)航天應(yīng)用分類

數(shù)字孿生在國內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步探索階段，孿生火箭、孿生發(fā)射場、孿生衛(wèi)星、孿生空間站等數(shù)字孿生技術(shù)將是未來智能航天的主力軍。目前仍面臨著眾多技術(shù)難題：1)智能輕量的傳感器技術(shù)：安裝在航天器上的傳感器必須具備輕量化、多維化、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，才能及時收集各類環(huán)境信息和航天器自身狀態(tài)感知信息；2)數(shù)字孿生規(guī)則制定：應(yīng)盡快統(tǒng)一國內(nèi)關(guān)于航天數(shù)字孿生的定義、模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)框架等，以實(shí)現(xiàn)規(guī)范化的航天數(shù)字孿生理論體系；3)動態(tài)建模與故障診斷：復(fù)雜航天器系統(tǒng)具有虛擬動態(tài)建模，系統(tǒng)級故障診斷組件繁多、數(shù)據(jù)龐大、故障分析復(fù)雜等難題。

2 火箭控制系統(tǒng)故障診斷研究現(xiàn)狀

2.1 火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法研究

火箭控制系統(tǒng)一般指箭上控制系統(tǒng)。箭上控制系統(tǒng)一般包括制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和時序控制系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對火箭的飛行軌跡進(jìn)行控制和導(dǎo)航，姿控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制火箭的姿態(tài)和穩(wěn)定繞各軸的箭體姿態(tài)角。運(yùn)載火箭由上萬個器件組成，是一個龐大又復(fù)雜的系統(tǒng)。一個微小器件出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致整個大系統(tǒng)的癱瘓以及發(fā)射任務(wù)的失敗，甚至造成箭毀星亡、人員損傷的事故。上世紀(jì)90年代，我國長征二號捆綁運(yùn)載火箭點(diǎn)火發(fā)射時緊急關(guān)機(jī)，發(fā)射被迫中止。該事故原因是控制系統(tǒng)程序配電器的一個點(diǎn)火觸點(diǎn)存在多余物。因此，火箭控制系統(tǒng)組件的故障診斷對運(yùn)載火箭的成功發(fā)射至關(guān)重要。

2.1.1 常見故障診斷方法

故障診斷技術(shù)是保障運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)可靠性和安全性的重要技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)故障診斷方法大致分為三大類：基于解析模型的方法、基于信號處理方法和基于知識的方法[22]。其中最常用的是基于知識的方法，即故障診斷專家系統(tǒng)。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，故障診斷技術(shù)也朝著智能化、信息化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了診斷系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合、與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融合、經(jīng)驗(yàn)知識與原理知識結(jié)合的新技術(shù)。當(dāng)前研究中常見的診斷方法可分為：故障樹分析方法、專家系統(tǒng)診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法，故按此分類方法對國內(nèi)外研究動態(tài)進(jìn)行整理。

2.1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)

1)故障樹分析法：故障樹分析是故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)有故障診斷技術(shù)中最基礎(chǔ)、最常見的方法。劉成瑞等人提出基于擴(kuò)展故障樹的火箭故障診斷方法，將擴(kuò)展故障樹與基于規(guī)則的診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合，解決了專家系統(tǒng)的知識獲取難題[23]。同時，引入診斷優(yōu)先系數(shù)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重危害故障的優(yōu)先診斷，為火箭故障診斷的快速推理提供可行途徑?？追睆?qiáng)等提出基于故障樹最小割集和最小路集的火箭故障快速診斷決策方案，對故障樹進(jìn)行剪枝簡化，提高故障源一次判斷率[24]。趙巖等提出基于MIL-STD-1553B的運(yùn)載火箭故障診斷與故障注入方法，利用故障樹分析確定失效故障鏈，實(shí)時預(yù)測故障，并采用1553B總線對系統(tǒng)注入特定故障[25]。

2)基于專家系統(tǒng)的故障診斷：傳統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個計算機(jī)程序系統(tǒng)，其中集成了大量的專業(yè)知識，結(jié)合專用知識和人工智能技術(shù)，來解決人類專家才能解決的技術(shù)難題。劉成瑞等提出一直基于分布式專家系統(tǒng)的火箭故障診斷技術(shù)，將專家知識用四表結(jié)構(gòu)表示，采用分布式推理和分級推理結(jié)合的方法，對系統(tǒng)級和分系統(tǒng)級故障同時診斷，對高危害故障優(yōu)先診斷[26]。李鑫等人提出了基于測發(fā)控流程信息和部件互聯(lián)知識的專家診斷系統(tǒng)，根據(jù)測試特點(diǎn)采用在線與離線相結(jié)合的診斷模式，輔助設(shè)備進(jìn)行流程監(jiān)控故障推理，能夠完成單機(jī)故障定位[27]。劉昆明提出基于測試流程的火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了專家知識庫與推理機(jī)的相互獨(dú)立[28]。并對產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)，對控制系統(tǒng)專家知識進(jìn)行重新分類，實(shí)現(xiàn)專家知識的圖形化存儲。

3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷：將故障診斷與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是故障診斷技術(shù)的主要發(fā)展方向。尹茂君針對某型號火箭提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、測發(fā)數(shù)據(jù)鏈路和案例推理的復(fù)合故障診斷方法[29]。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時間序列預(yù)測技術(shù)對火箭的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，采用基于測發(fā)數(shù)據(jù)鏈路和案例推理相結(jié)合的方法進(jìn)行離線故障診斷。倪平等設(shè)計了基于CNN的火箭姿態(tài)控制執(zhí)行器故障診斷演示平臺，采用不同卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷[30]。

4)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷：發(fā)射場試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)豐富，充分利用測發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷是重要的研究方向。吳新鋒以運(yùn)載火箭典型控制系統(tǒng)的典型單機(jī)為研究對象，提出數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)故障模式分類[31]。周虎以捷聯(lián)慣組為例，提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的的火箭慣性器件故障診斷方法[32]?？滴晃惶岢隼眠b測數(shù)據(jù)驅(qū)動，利于有向圖和模糊集相結(jié)合的故障診斷方法[33]。

運(yùn)載火箭故障診斷有別于其他工業(yè)領(lǐng)域的故障診斷，具有故障危害嚴(yán)重、故障樣本少、歷史經(jīng)驗(yàn)相對欠缺、實(shí)時性要求高等特點(diǎn)。借助各類智能算法、數(shù)學(xué)模型、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)，能夠?yàn)檫\(yùn)載火箭的故障診斷技術(shù)注入新的活力，提高故障診斷定位的準(zhǔn)確性和及時性。

3 數(shù)字孿生驅(qū)動的火箭控制系統(tǒng)故障診斷

3.1 基于數(shù)字孿生的故障診斷與健康管理

健康管理(PHM,prognostics and health management)可以將事后維修升級為事前維修[34]。它利用設(shè)備上的傳感器獲取數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動，借助故障模型和人工智能算法，對設(shè)備的全生命周期實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測，提供維修策略支撐，從而提高裝備的可靠性[35]。然而，現(xiàn)有的PHM技術(shù)存在失效模型和故障機(jī)理研究不夠深入，原始數(shù)據(jù)較少，數(shù)據(jù)挖掘與信息融合欠缺等問題[36]。

基于數(shù)字孿生的PHM方法，是指將原始PHM技術(shù)與數(shù)字孿生相結(jié)合[37]。在搭建數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上，利用孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動物理設(shè)備和虛擬設(shè)備的交互融合，充分發(fā)揮仿真數(shù)據(jù)和虛擬模型的作用，從而實(shí)現(xiàn)對故障的提前預(yù)測和準(zhǔn)確定位。物理信息系統(tǒng)通過傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，將其傳輸至虛擬模型。虛擬模型在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動下，達(dá)到與物理實(shí)體的同步仿真運(yùn)行，并模擬可能出現(xiàn)的故障，實(shí)現(xiàn)故障定位。同時，在歷史故障庫的輔助下，得到維修方案。將該方案先后在虛擬模型和物理實(shí)體上運(yùn)行，來驗(yàn)證方案可行性。

不同于一般的火炮槍支的試驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)有限，具有故障樣本少、歷史經(jīng)驗(yàn)相對欠缺的特點(diǎn)。有限的故障數(shù)據(jù)不足以支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，也就得不到準(zhǔn)確的故障模型，難以實(shí)現(xiàn)故障定位。針對運(yùn)載火箭這一顯著特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生的PHM方法能夠?qū)鹘y(tǒng)歷史測發(fā)數(shù)據(jù)和孿生仿真產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)充分融合，從而解決火箭關(guān)鍵故障數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動方法不可靠的問題，使數(shù)據(jù)庫得到有效擴(kuò)充和利用，從而提高運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)故障預(yù)測的準(zhǔn)確率[38]。提取的歷史數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)與故障條件下的控制系統(tǒng)特征進(jìn)行匹配，訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障預(yù)測[39]。

3.2 基于數(shù)字孿生的火箭控制系統(tǒng)故障診斷

據(jù)統(tǒng)計，近十年來運(yùn)載火箭發(fā)射失敗情況中，故障部位主要集中在火箭的推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)和有效載荷整流罩。其中，推進(jìn)系統(tǒng)故障占一半左右，控制系統(tǒng)故障位居第二，占總故障率的19%左右[40]?？刂葡到y(tǒng)故障現(xiàn)象主要為：基準(zhǔn)系統(tǒng)失去信號或錯發(fā)信號，火箭失控翻轉(zhuǎn)等。其中，軟件與計算機(jī)故障為控制系統(tǒng)的主要故障部位。表2列舉出火箭故障部位為控制系統(tǒng)的發(fā)射失利部分案例[41]。

表2 火箭控制系統(tǒng)故障案例

控制系統(tǒng)通過一個完整的負(fù)反饋控制回路，使火箭在足夠頻率下保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，從而滿足制導(dǎo)精度[42]。由控制系統(tǒng)的作用機(jī)理可知，針對控制系統(tǒng)的故障診斷與健康管理具有重要意義，它能夠有效保證發(fā)射任務(wù)的順利進(jìn)行。當(dāng)前，故障診斷技術(shù)向著信息化、智能化方向發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的重要手段，已能夠有效應(yīng)用于復(fù)雜設(shè)備的健康管理與故障診斷。本文擬建立一套數(shù)字孿生驅(qū)動的火箭控制系統(tǒng)故障診斷方法，分別從火箭控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建、孿生數(shù)據(jù)生成、孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)故障診斷，以及火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動的火箭控制系統(tǒng)故障診斷框架

1)火箭控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建：火箭控制系統(tǒng)的高保真數(shù)字孿生模型具有多維度、多變量的特點(diǎn)，能夠較好地鏡像復(fù)現(xiàn)控制系統(tǒng)物理實(shí)體的特征[43]。該數(shù)字孿生模型包括：幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型[44]。

2)火箭控制系統(tǒng)孿生數(shù)據(jù)生成：火箭控制系統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測需要大量數(shù)據(jù)投入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，這就需要原有的歷史數(shù)據(jù)、測發(fā)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。在控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型建立完成之后，進(jìn)行仿真運(yùn)行，能夠得到大量的實(shí)時仿真數(shù)據(jù)，組成數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，為之后反映控制系統(tǒng)的故障特征進(jìn)行數(shù)據(jù)支撐[45]。

3)孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制系統(tǒng)故障診斷預(yù)測：在控制系統(tǒng)數(shù)字孿生模型建立及仿真運(yùn)行之后，產(chǎn)生大量的仿真數(shù)據(jù)。首先，要對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到清洗后的數(shù)據(jù)。再將該數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到控制系統(tǒng)的故障診斷預(yù)測模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火箭控制系統(tǒng)的智能故障診斷。

4)火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)的開發(fā)：針對以上3個步驟，將其進(jìn)行集成封裝，形成一套火箭控制系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)[46]，實(shí)現(xiàn)三大模塊集成：故障實(shí)時智能診斷；輔助決策；事后故障復(fù)演。該系統(tǒng)具有可視化、直觀性的特點(diǎn)，能夠在發(fā)射任務(wù)之前對火箭飛行進(jìn)行模擬訓(xùn)練，預(yù)測故障并及時定位；同時，也能在事后對火箭控制系統(tǒng)故障進(jìn)行及時定位；在日常訓(xùn)練時，為發(fā)射場操作人員提供仿真實(shí)操，提高發(fā)射試驗(yàn)的熟練度[47]。

4 總結(jié)展望

4.1 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)分析

針對運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生故障診斷與健康管理研究，接下來將在多元智能感知技術(shù)、多維孿生模型組建技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究[48]。

1)多元智能感知技術(shù):為構(gòu)建火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，必須有控制系統(tǒng)實(shí)體的數(shù)據(jù)支撐?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)是多源化的，具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，這對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理提出了較高的要求。而傳感器作為智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可靠的多元智能傳感技術(shù)是數(shù)字孿生的支柱。在火箭多元化的工作環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的高效感知，智能傳感器不僅要具備傳輸多維信息的作用，還應(yīng)有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的功能[49]。

2)多維孿生模型組建技術(shù):一個完整的數(shù)字孿生體一般包括“幾何-物理-行為-規(guī)則”這幾類模型構(gòu)建[50]。孿生模型不僅僅是物理模型的單一復(fù)制再現(xiàn)，還包含多個維度的有機(jī)融合，使虛擬模型能夠?qū)崿F(xiàn)與物理實(shí)體的同步交互映射。針對火箭控制系統(tǒng)的多維度建模，要利用統(tǒng)一建模語言在相關(guān)建模軟件中實(shí)現(xiàn)元模型的搭建[51]。之后，進(jìn)一步完成各元件之間的模型組裝與融合，為整個控制系統(tǒng)的孿生模型組成提供基礎(chǔ)。

3)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù):傳統(tǒng)仿真技術(shù)已無法滿足復(fù)雜系統(tǒng)的模擬運(yùn)行，而機(jī)器學(xué)習(xí)能夠利用算法實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)能力，并不斷完善自我性能[52]。在進(jìn)行算法學(xué)習(xí)時，通過對大量故障樣本的學(xué)習(xí)，能夠自動獲取數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)映射與預(yù)測，能很好地服務(wù)于數(shù)字孿生的故障診斷研究。

4.2 未來工作展望

數(shù)字孿生驅(qū)動的故障診斷與健康管理技術(shù)具有一定的應(yīng)用價值，將其與運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生健康管理平臺，對發(fā)射場的智能數(shù)字化建設(shè)具有理論借鑒意義。接下來的工作重點(diǎn)將在圖2中分幾步展開：1)建立火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。在導(dǎo)入幾何模型的基礎(chǔ)上，填充網(wǎng)絡(luò)，補(bǔ)充控制系統(tǒng)的相關(guān)物理特性，并設(shè)定相應(yīng)行為邊界；2)驗(yàn)證控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，在物理實(shí)體與虛擬模型輸入相同的情況下，驗(yàn)證其輸出是否相同[53]。若偏差較小，表明模型與實(shí)際系統(tǒng)吻合；若不符合，則重新調(diào)整參數(shù)，直至偏差滿足合理范圍;3)生成控制系統(tǒng)的孿生數(shù)據(jù)，在合理設(shè)置的模擬條件下，仿真控制系統(tǒng)的工作過程，計算生成故障條件下的數(shù)據(jù)，得到控制系統(tǒng)關(guān)鍵組件慣組、速率陀螺、伺服機(jī)構(gòu)等的孿生數(shù)據(jù);4)將控制系統(tǒng)多維組件的故障數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型輸入，通過樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練測試，得到故障概率，作為模型輸出[54];5)在分析故障數(shù)據(jù)和訓(xùn)練故障預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，自動生成控制系統(tǒng)的故障維修方案，并在虛擬模型上進(jìn)行驗(yàn)證。模型驗(yàn)證合理的基礎(chǔ)上，再對控制系統(tǒng)實(shí)體實(shí)行維修方案，完成工作流程的閉環(huán)處理。

圖2 火箭控制系統(tǒng)的數(shù)字孿生健康管理平臺流程

5 結(jié)束語

智能化制造是未來工業(yè)發(fā)展的大勢所趨，借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理信息融合，有利于提高火箭發(fā)射的信息化和智能化[55]。本文梳理了數(shù)字孿生在航天領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及火箭控制系統(tǒng)故障診斷的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，初步提出了數(shù)字孿生驅(qū)動的火箭控制系統(tǒng)故障診斷的組成框架。并分析該方法的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)一步指出下步工作規(guī)劃，為日后該方法的落地實(shí)施提供理論基礎(chǔ)。