PHM技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)保障中的應(yīng)用

李 燦，侯興明，錢昭勇

（航天工程大學(xué)航天保障系，北京 101416）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，各項(xiàng)高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)已大量應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)系統(tǒng)具有生產(chǎn)成本低、周期短、避免人員傷亡、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到各國(guó)重視和青睞。

無人機(jī)系統(tǒng)是由飛行器系統(tǒng)、控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、綜合無線電系統(tǒng)和任務(wù)載荷系統(tǒng)組成的復(fù)雜綜合系統(tǒng)。為了提高無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性、安全性、使用效率和降低維修成本，無人機(jī)的維修保障技術(shù)受到廣泛重視。目前無人機(jī)維修方式主要是事后維修和定期維修相結(jié)合，這種維修方式容易導(dǎo)致裝備帶病運(yùn)行或者頻繁維修，增加維修成本，傳統(tǒng)的維修方式已經(jīng)不能滿足無人機(jī)高速發(fā)展的需求。PHM（Prognostic and Health Management，故障預(yù)測(cè)與健康管理）能夠滿足無人機(jī)系統(tǒng)自主保障、自主診斷，進(jìn)行全面的健康監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)，是基于狀態(tài)的維修CBM（condition based maintenance，視情維修）的升級(jí)發(fā)展，因而研究PHM技術(shù)對(duì)無人機(jī)的發(fā)展具有重要意義[1]。

1 無人機(jī)維修保障現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)無人機(jī)系統(tǒng)的維修按照故障嚴(yán)重程度分為小、中、大3種維修級(jí)別，采取自檢自修與返廠維修兩種保障模式。無人機(jī)管理使用單位負(fù)責(zé)定期對(duì)裝備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)調(diào)試，同時(shí)對(duì)常見的簡(jiǎn)單故障進(jìn)行維修，當(dāng)需要利用精密儀器設(shè)備進(jìn)行維修的時(shí)候則由生產(chǎn)廠家完成。例如美國(guó)空軍將維修能力分為基層級(jí)、中繼級(jí)、基地級(jí)3個(gè)級(jí)別[2]，基層級(jí)維修保障由于其不斷加強(qiáng)智能化技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了無人機(jī)的作戰(zhàn)效能；對(duì)比國(guó)內(nèi)將中修任務(wù)分配至中繼級(jí)，而承制方往往只負(fù)責(zé)大故障的維修支援。為此，無人機(jī)裝備故障診斷及修復(fù)能力弱、維修資源浪費(fèi)多、保障程序復(fù)雜的問題普遍存在，亟需提高無人機(jī)自主智能化維修保障能力，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.1 人員保障模式

根據(jù)無人機(jī)故障等級(jí)決定維修時(shí)的人員數(shù)量和專業(yè)技術(shù)等級(jí)。無人機(jī)配套系統(tǒng)涉及專業(yè)廣、技術(shù)手段密集，保障無人機(jī)維修需要多專業(yè)、多領(lǐng)域人員完成。人才隊(duì)伍保障模式分為兩種。一種是采用按梯次培養(yǎng)、多領(lǐng)域綜合編組、跨領(lǐng)域協(xié)同保障的模式構(gòu)建保障隊(duì)伍；另一種是由使用保管單位與生產(chǎn)廠家的協(xié)同保障的模式構(gòu)建保障隊(duì)伍。在人員培訓(xùn)方面，主要采用軍地協(xié)同培養(yǎng)，增加部隊(duì)專業(yè)技術(shù)骨干與院校、廠家的生產(chǎn)設(shè)計(jì)方之間的交流。隨著無人機(jī)模擬訓(xùn)練器的生產(chǎn)配發(fā)，深受使用方青睞的同時(shí)，也暴露出訓(xùn)練內(nèi)容單一、智能化程度較低，實(shí)景模擬程度不高等不足之處。

1.2 設(shè)備維修保障

目前，無人機(jī)裝備的基層級(jí)檢修主要是對(duì)機(jī)體的修補(bǔ)和耗損部件的更換，對(duì)系統(tǒng)的維修主要依靠計(jì)算機(jī)自帶的自檢系統(tǒng)、裝備維修車、隨裝測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢修。維修保障設(shè)備缺乏、人員對(duì)設(shè)備操作使用不熟悉、配套設(shè)備的兼容性差、配套設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不明確等問題較為突出。解決問題的重要途徑不僅僅是簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作流程、增加故障檢測(cè)的備件儲(chǔ)備，更應(yīng)切實(shí)提高維修設(shè)備和無人機(jī)自主維修保障的智能能力。

2 應(yīng)用PHM的無人機(jī)保障需求

2.1 PHM技術(shù)的發(fā)展

PHM技術(shù)是利用傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)，管理與評(píng)估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)，并能夠提供維修保障建議的一種綜合技術(shù)。

PHM技術(shù)最早源自20世紀(jì)70年代，在1982年美軍用于大黃蜂戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的監(jiān)測(cè)，但沒有故障預(yù)測(cè)功能，這其實(shí)不屬于真正的PHM。直到20世紀(jì)90年代美英等軍事強(qiáng)國(guó)開始高度重視，PHM技術(shù)得到蓬勃發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和完善，PHM技術(shù)逐漸成熟，尤其PHM技術(shù)在美軍F-35戰(zhàn)機(jī)上的應(yīng)用，是第一個(gè)真正有故障預(yù)測(cè)功能的PHM系統(tǒng)。目前PHM技術(shù)在國(guó)際軍事領(lǐng)域的應(yīng)用涉及航天器、固定翼飛機(jī)、船舶等[3]。

國(guó)內(nèi)PHM技術(shù)的研究起步較晚，在工程應(yīng)用方面，距離發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。目前國(guó)內(nèi)各大學(xué)、研究所相繼開展對(duì)PHM技術(shù)的研究，大多應(yīng)用在民航領(lǐng)域，同時(shí)在軍用領(lǐng)域也進(jìn)行理論研究和應(yīng)用。

2.2 PHM應(yīng)用的必要性和可行性

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中采用無人機(jī)作戰(zhàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素是其自主智能程度較高。無人機(jī)作為集信息化、智能化、數(shù)字化于一體的高技術(shù)產(chǎn)品代表，與之匹配的維修保障能力要求也不斷提高?，F(xiàn)階段由基層到基地的“兩級(jí)維修保障”[4]體制會(huì)帶來維修周期較長(zhǎng)、保障實(shí)效性低、產(chǎn)生資源浪費(fèi)等問題，日常的維護(hù)保養(yǎng)則又無法滿足無人機(jī)維修保障的訓(xùn)練管理需求?；赑HM技術(shù)的維修保障系統(tǒng)能夠提高無人機(jī)的戰(zhàn)備完好率，縮減維修保障中間環(huán)節(jié)時(shí)間，從而節(jié)約資源和降低成本。具體而言，一是通過大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等智能算法模型進(jìn)行無人機(jī)故障預(yù)測(cè)和剩余壽命估算，有利于將故障實(shí)時(shí)隔離和采取干預(yù)措施而提高維修保障的針對(duì)性；二是PHM系統(tǒng)逐漸實(shí)現(xiàn)自主智能故障診斷代替專家人為診斷，減少了故障的漏診誤診，通過對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析得出的故障指示和診斷信息指導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)做出相應(yīng)決策，有利于提高維修效率；三是PHM系統(tǒng)所具有的快速反應(yīng)能力和靈活的處置能力更加適應(yīng)未來作戰(zhàn)需求，使之具備在飛行中完成維修準(zhǔn)備的超前并行保障能力。在信息化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，快速反應(yīng)能力是評(píng)估作戰(zhàn)能力的主要因素。因此，無論基于無人機(jī)單純的維修保障問題還是著眼于戰(zhàn)斗力提升，開展無人機(jī)裝備基于PHM技術(shù)的自主智能化保障問題的研究與探索是必要可行的。

3 無人機(jī)PHM系統(tǒng)構(gòu)建

無人機(jī)PHM系統(tǒng)主要由機(jī)載傳感器系統(tǒng)、地面PHM處理系統(tǒng)及維修保障系統(tǒng)組成。機(jī)載系統(tǒng)通過有線或無線傳輸給地面處理系統(tǒng)，地面系統(tǒng)處理完后將結(jié)果顯示傳輸?shù)礁骶S修部門。維修單位通過PHM系統(tǒng)處理的結(jié)果及操作人員和維修人員觀察到的異常情況，確定維修的具體計(jì)劃。根據(jù)計(jì)劃準(zhǔn)備所需備件、材料，選擇合格的維修人員進(jìn)行維修，并更新維修后的技術(shù)數(shù)據(jù)。下面對(duì)PHM系統(tǒng)主要子系統(tǒng)進(jìn)行描述[5]。

3.1 機(jī)載傳感器系統(tǒng)

傳感器在無人機(jī)各子系統(tǒng)上采用分布式安裝，組建成全系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，掌握和評(píng)估無人機(jī)的健康情況，視情作出無人機(jī)維修決策[6]。目前，傳感器主要通過有線和無線的方式將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給PHM系統(tǒng)中的其他部分。

3.2 信號(hào)采集與處理

信號(hào)數(shù)據(jù)的采集是PHM系統(tǒng)運(yùn)作的前提和基礎(chǔ)，采集到數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效地處理。

無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)種類多數(shù)量大，需在分類整理后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、去噪、濾波、壓縮等方法將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)處理成計(jì)算機(jī)可讀的格式[7]。通過故障特征的提取來判定無人機(jī)的狀態(tài)情況，由于故障和參數(shù)顯示不是一一對(duì)應(yīng)的，因此需要借助多種算法，如：快速傅里葉變化（FFT）、離散小波變換（DWT）、平均濾波法等，來推斷無人機(jī)的故障情況，從而最大限度實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)診斷故障的能力和精度。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是接收來自數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫(kù)中的期望數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，從而判斷無人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)，并可根據(jù)預(yù)定的參數(shù)極限值提供故障報(bào)警能力。

3.4 故障預(yù)測(cè)與診斷

故障預(yù)測(cè)與診斷是PHM系統(tǒng)的主要功能，該部分主要是利用前面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及無人機(jī)系統(tǒng)各參數(shù)，基于算法、經(jīng)驗(yàn)、建模、趨勢(shì)等方法手段來預(yù)測(cè)無人機(jī)系統(tǒng)的故障情況、剩余壽命及未來系統(tǒng)的健康穩(wěn)定趨勢(shì)，為后續(xù)決策和維修提供有效的信息。

3.5 健康評(píng)估

該部分接收來自系統(tǒng)中其他部分的數(shù)據(jù)，通過無人機(jī)系統(tǒng)的出廠參數(shù)、歷史維修數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，運(yùn)用各種機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等綜合評(píng)估方法來判定各子系統(tǒng)和部件健康狀態(tài)，將健康情況數(shù)據(jù)記錄存檔，并確定是否有發(fā)生故障的可能性，為無人機(jī)系統(tǒng)是否能夠繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，為維修決策提供信息支持。

3.6 決策與維修

該部分主要是利用PHM系統(tǒng)各部分提供的信息，在無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中就能快速有效地作出維修決策，制定維修計(jì)劃，在飛機(jī)降落后能夠迅速維修，確保無人機(jī)能夠繼續(xù)飛行執(zhí)行任務(wù)，在戰(zhàn)時(shí)能夠提高無人機(jī)系統(tǒng)的持續(xù)作戰(zhàn)能力。

接口顯示主要是對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷及健康評(píng)估數(shù)據(jù)的顯示，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)將信息傳遞到生產(chǎn)廠家、維修基地及裝備單位，從而了解該無人機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)，便于展開維修。

4 無人機(jī)PHM系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

目前，無人機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，沒有考慮故障診斷問題，沒有預(yù)留安裝傳感器的位置。因此，在現(xiàn)有無人機(jī)系統(tǒng)上安裝傳感器是急需解決的首要問題。加裝PHM傳感器首先要檢驗(yàn)傳感器的大小、重量，這對(duì)無人機(jī)的配重有很大影響，關(guān)系到無人機(jī)能否安全起飛；其次傳感器安裝對(duì)參數(shù)的采集精度有很大影響，雖然傳感器安裝的越多，采集的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，但考慮到無人機(jī)系統(tǒng)的整體功能，要優(yōu)化傳感器的布置；最后傳感器采集的數(shù)據(jù)在無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，只能通過無線傳輸，但在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸會(huì)受到電磁干擾，可靠性會(huì)降低[8]。因此，在無人機(jī)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)預(yù)留傳感器的位置，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)提高抗干擾能力。

完善狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以智能傳感器為基礎(chǔ)，構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、模塊化實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)，為PHM系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。從而通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)將無人機(jī)系統(tǒng)各階段的健康情況完整地記錄存檔，為構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)提供準(zhǔn)確真實(shí)的數(shù)據(jù)。

完善故障預(yù)測(cè)和診斷技術(shù)，發(fā)展基于人工智能的預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；研究多種算法聯(lián)合診斷，基于人工智能實(shí)現(xiàn)智能診斷，將診斷方法標(biāo)準(zhǔn)化和程序化，提高故障診斷的準(zhǔn)確性[9]。

完善健康評(píng)估技術(shù)，根據(jù)無人機(jī)出廠參數(shù)和歷史經(jīng)驗(yàn)劃分健康等級(jí)，能夠提前準(zhǔn)確地診斷系統(tǒng)處于的健康等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)狀態(tài)維修和視情維修，最終實(shí)現(xiàn)自主維修保障。

5 結(jié)束語

無人機(jī)PHM系統(tǒng)發(fā)展已更趨于自主智能化，能夠提高無人機(jī)的維修保障效率，降低維修管理成本，使維修更加靈活精確，更能夠滿足戰(zhàn)時(shí)需要。目前，自主智能化的無人機(jī)PHM系統(tǒng)還處于理論研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定差距，需要進(jìn)一步檢驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)精確化保障水平，提高作戰(zhàn)能力。