某雷達裝備健康管理系統(tǒng)設(shè)計研究

李學民，張永福

（航天工程大學，北京，102206）

1 裝備健康管理概念

從20 世紀70 年代起，故障診斷、故障預(yù)測、CBM（視情維修，Condition Based Maintenance）、發(fā)動機監(jiān)控、健康管理等系統(tǒng)逐漸在工程項目中探索應(yīng)用。故障預(yù)測與健康管理（PHM，Prognostics and Health Management）是一種先進的設(shè)備維修管理方式[1]，它是為了滿足自主保障、自主維修的要求提出來的，是基于狀態(tài)的維修。

裝備健康管理可概括為主要的兩個方面，即裝備狀態(tài)評估和狀態(tài)管理，前者定性評價裝備的健康狀態(tài)（良好、劣化、惡化、失效）和定量預(yù)測裝備壽命，后者主要依據(jù)診斷/預(yù)測信息、資源等對維修維護活動做出決策。PHM 的實現(xiàn)程序一般為采用傳感器在線監(jiān)測或者離線檢測的方法，獲取裝備狀態(tài)信息，借助智能推理算法（大數(shù)據(jù)融合[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、深度學習[4]、專家診斷等）來評估裝備健康狀態(tài)，在裝備發(fā)生故障前對其進行預(yù)測，且提供維修或維護決策和實施計劃。健康管理應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在軍事、航天、船舶、民航等大型裝備設(shè)備上均有應(yīng)用。

2 健康管理系統(tǒng)組成

PHM 在美國聯(lián)合戰(zhàn)機計劃（JSF）項目中的成功應(yīng)用，推動了裝備健康管理的發(fā)展，2002 年，國際標準化組織發(fā)布了ISO 13374-1 標準，給出了PHM 的系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)出PHM 的6 大技術(shù)模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評估、預(yù)測及提出建議。裝備健康管理的系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 健康管理系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集就是通過傳感器收集設(shè)備的各種信號，這些信號表征了設(shè)備的故障狀態(tài)；數(shù)據(jù)處理是對獲取的信號進行處理，獲取能直接表達故障信息的特征；狀態(tài)檢測是對特征數(shù)據(jù)進行分析，輸出被檢測對象是否異常。并結(jié)合先驗信息、故障模型等對異?，F(xiàn)象進行故障診斷和定位；健康評估是利用特征數(shù)據(jù)和異常識別結(jié)果，融合輸入的健康信息，確定當期設(shè)備的健康程度。故障預(yù)測是依據(jù)當前的健康狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備或系統(tǒng)的壽命，提出建議即依據(jù)預(yù)測結(jié)果，給出設(shè)備運行管理規(guī)劃。

3 健康管理在雷達中的應(yīng)用

健康管理在雷達設(shè)備中的應(yīng)用研究是最近幾年的研究熱點。吳婕等針對雷達故障預(yù)測與健康管理技術(shù)工程實現(xiàn)中性能參數(shù)變化趨勢預(yù)測準確度不高的問題，提出一種基于多項式系數(shù)自回歸（PCAR）模型的性能參數(shù)預(yù)測方法，該方法采用PCAR 模型，有效降低了建模偏差，采用基于奇異值分解濾波算法（SVDFA）對PCAR 模型預(yù)測序列未來值，可以有效地提高預(yù)測概率[5]。同時根據(jù)雷達系統(tǒng)的物理特性，歸納了4 種故障預(yù)測方法，即基于可靠性數(shù)據(jù)的故障預(yù)測、基于預(yù)兆參數(shù)監(jiān)測的故障預(yù)測、基于累積損傷模型的故障預(yù)測、基于預(yù)警電路的故障預(yù)測，并分析了各方法的優(yōu)缺點[6]。

雷達系統(tǒng)發(fā)射機是可靠性最低、保障難度最大的一部分，以雷達發(fā)射機作為研究對象實現(xiàn)PHM 核心技術(shù)模塊在雷達系統(tǒng)上推廣有很好的借鑒作用[7]，鐘詩勝等在分析固態(tài)雷達發(fā)射機的組成結(jié)構(gòu)和工作過程的基礎(chǔ)上，定義了描述雷達發(fā)射機健康狀態(tài)的參數(shù)集。結(jié)合健康管理數(shù)據(jù)劃分國際標準，給出異構(gòu)參數(shù)基于劣化程度的標準化方案。建立了雷達發(fā)射機的健康評價層次結(jié)構(gòu)模型，優(yōu)化了層次分析法的權(quán)重關(guān)系判別矩陣構(gòu)建過程，提出了改進的雷達發(fā)射機健康狀態(tài)評價模糊層次分析法，利用雷達故障實際案例驗證了改進方法的健康狀態(tài)評價能力[8]。

秦赟等研究了雷達系統(tǒng)預(yù)測與健康管理（PHM）涵蓋的主要功能、雷達系統(tǒng)PHM 的特點，構(gòu)建設(shè)計了一種雷達系統(tǒng)PHM 總體架構(gòu)，重點研究了雷達系統(tǒng)中狀態(tài)評估、故障預(yù)測典型的設(shè)計思路，為雷達系統(tǒng)從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控向健康管理的轉(zhuǎn)變、引入對系統(tǒng)未來可靠性的預(yù)測能力提供了一種可行的總體設(shè)計方法，對設(shè)備由傳統(tǒng)的修復(fù)性維修和計劃維修向視情維修維護和自主式保障的轉(zhuǎn)變、達到降低使用與保障費用、提升裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性具有重要的意義[9]。呂永樂等研制的雷達系統(tǒng)在線健康管理軟件，采用“多任務(wù)并行”思想進行內(nèi)核數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計，通過監(jiān)測雷達系統(tǒng)BIT 信息，可以對設(shè)備故障進行監(jiān)測和定位[10]。

4 某雷達健康管理系統(tǒng)設(shè)計

健康管理系統(tǒng)是雷達重要的測試保障設(shè)備，系統(tǒng)通過從傳感器獲得各分系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理和分析，進行故障的診斷和預(yù)測，最后得到系統(tǒng)的性能退化程度或任務(wù)失效概率等，從而為維護和維修計劃提供決策信息。某雷達采用BITE（Built-in Test Equipment，機內(nèi)自檢設(shè)備）和ATE（Automatic Test Equipment，自動測試設(shè)備）相結(jié)合的方式獲取雷達健康數(shù)據(jù)，結(jié)合故障樹與故障字典、專家系統(tǒng)等一系列數(shù)據(jù)處理算法全面分析雷達健康狀態(tài)，為雷達提供健康管理功能。

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

雷達健康管理分系統(tǒng)采用分層分級的架構(gòu)設(shè)計，具備自下而上的狀態(tài)綜合能力。雷達系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)層次上依次可劃分為模塊、分機、分系統(tǒng)、系統(tǒng)，健康管理分系統(tǒng)遵從雷達層次劃分將接收到的所有健康數(shù)據(jù)分類處理后，自模塊逐級向上綜合，直到獲得雷達系統(tǒng)狀態(tài)，雷達分層分級健康管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 健康管理分層分級架構(gòu)

從圖2 可以看出層級越高，信息越少，但數(shù)據(jù)概括度越高，層級越低，信息越豐富，考慮到雷達使用和管理人員的技術(shù)水平和故障診斷需求，優(yōu)先展示最高層級的狀態(tài)，需要時可通過健康管理系統(tǒng)提供的場景切換方法觀察更為細致的信息，直至參數(shù)級健康管理。

某雷達工作在C 波段，依據(jù)雷達系統(tǒng)組成和對各分系統(tǒng)級及板卡級的測試診斷需求。健康管理系統(tǒng)硬件組成包括示波器、頻譜儀、信號源、微波適配器、自動化測試計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、轉(zhuǎn)接板等，詳細硬件組成如圖3 所示。

圖3 健康管理系統(tǒng)硬件組成圖

各硬件部分的控制方式均采用網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計，所有設(shè)備均采用LXI 的C類標準。各硬件與控制計算機均連接在網(wǎng)絡(luò)交換機上，并統(tǒng)一工作網(wǎng)段。健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計如圖4 所示。

圖4 健康管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

軟件設(shè)計上，健康管理系統(tǒng)采用故障樹和故障字典綜合推理建立診斷知識庫，進行全面故障模式分析。通過完善系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、模塊級等各級測試性設(shè)計，覆蓋盡可能多的故障模式。診斷知識建立基于故障傳遞模型，分系統(tǒng)各故障模式在系統(tǒng)中的傳遞關(guān)系，并在故障傳遞路徑中設(shè)置測試點（包括BIT、自動化測試、傳感器等），采用故障樹方法表示故障模式與測試項之間的映射關(guān)系。

4.2 工作方式設(shè)計

健康管理軟件根據(jù)雷達工作模式區(qū)分加電、周期、維護三種工作方式，數(shù)據(jù)源也分為在線和離線兩類。加電、周期方式下，數(shù)據(jù)源主要是在線BIT 信息和可在線測試項結(jié)果，實現(xiàn)雷達工作狀態(tài)的在線監(jiān)測、快速診斷評估；維護方式下，數(shù)據(jù)源除涵蓋加電、周期BIT 外，還包括如幅相監(jiān)校、方向圖等離線測試項結(jié)果、各級回波數(shù)據(jù)分析結(jié)果（標校模式下）及歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在離線狀態(tài)下或事后對雷達實施以數(shù)據(jù)為中心的深度故障診斷、全面健康狀態(tài)評估，保障雷達作戰(zhàn)任務(wù)可靠性。

雷達正常工作狀態(tài)下，健康管理軟件周期性地采集雷達系統(tǒng)、各分系統(tǒng)BIT數(shù)據(jù)報文并解析。若檢測到影響雷達正常工作的故障模式，可根據(jù)故障等級要求將雷達系統(tǒng)切換至脫機模式，進行維護BIT 測試。在脫機模式下，可運行必要的脫機測試項，獲得測試數(shù)據(jù)，并與在線測試項的測試結(jié)果進行綜合診斷，確定雷達系統(tǒng)的故障位置。詳細工作流程如圖5 所示。

圖5 健康管理軟件工作流程

4.3 功能設(shè)計

4.3.1 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測通過周期采集各分系統(tǒng)工作狀態(tài)與工作參數(shù)，并送自動化測試診斷計算機顯示器顯示。檢測到故障發(fā)生時，實時記錄并送自動化測試診斷計算機顯示器報警。通過建立機內(nèi)測試（BIT）設(shè)備，對分系統(tǒng)各LRU 的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果上網(wǎng)發(fā)布。

狀態(tài)監(jiān)測覆蓋雷達各主要分系統(tǒng)或分機設(shè)備及其相互之間的接口。主要是通過接收并解析雷達內(nèi)網(wǎng)報文數(shù)據(jù)，將解析數(shù)據(jù)與標準閾值（0：正常，1：故障）進行對比得出監(jiān)測結(jié)果，并將結(jié)果進行顯示和存儲。

4.3.2 指標參數(shù)測試

指標參數(shù)測試通過自動化測試診斷計算機發(fā)起指標自動化測試命令，并通知雷達控制與計算機分系統(tǒng)，由雷達控制與計算機分系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令及參數(shù)，測試過程中自動化測試診斷計算機實時采集測試結(jié)果。測試的主要內(nèi)容如表1 所示。

表1 指標測試內(nèi)容

4.3.3 故障診斷與故障定位

故障診斷與定位通過綜合各分系統(tǒng)或設(shè)備的BIT 狀態(tài)信息以及相關(guān)自動化測試結(jié)果，采用故障樹+故障字典綜合推理模型，收集豐富的專家經(jīng)驗，建立盡可能完備的故障信息庫，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的故障診斷功能，并以此為依據(jù)提供維修建議。健康管理系統(tǒng)具備故障定位功能。雷達健康管理要求各分系統(tǒng)或分機設(shè)備均有完善的BIT 功能，其中最基本的要求就是能夠在內(nèi)網(wǎng)報文中反映出分系統(tǒng)、分機內(nèi)的LRU 工作狀態(tài)，健康管理系統(tǒng)會據(jù)此信息綜合判斷相關(guān)LRM 是否正常，能夠及時報警并根據(jù)故障分級類別確定是否能繼續(xù)工作。將故障定位到LRU，建立完備的故障信息庫，根據(jù)故障診斷定位結(jié)果與庫信息進行匹配，給出故障維護方式或提示。

4.3.4 健康管理

健康管理主要包括健康評價、信息統(tǒng)計、維修決策等功能。健康評價通過系統(tǒng)性能指標計算，評價雷達威力、精度、抗干擾等總體性能；同時針對易故障件及后端處理模塊等設(shè)備統(tǒng)計故障信息，包括故障模式、頻次、原因等信息。

雷達健康狀態(tài)評估技術(shù)是一項系統(tǒng)性技術(shù)，同時也是一項新的應(yīng)用型技術(shù)，該技術(shù)依托于對雷達系統(tǒng)的深入了解，著重研究雷達可獲取的用于評估雷達作戰(zhàn)性能的系統(tǒng)指標，提取反映雷達健康狀態(tài)的共性指標，形成一套完整的指標體系，健康管理系統(tǒng)著重梳理掌握各項評估指標測試方法，分析量化指標特性變化對雷達性能的影響程度，用于評估雷達健康狀態(tài)。根據(jù)不同故障模式下對裝備性能影響的不同，可以將健康狀態(tài)劃分為健康、亞健康、危險、失效四個等級。在具體應(yīng)用評價過程中，可以采用健康指數(shù)來度量健康等級。雷達系統(tǒng)性能評估數(shù)據(jù)主要由實時故障狀態(tài)、系統(tǒng)級指標狀態(tài)以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果組成，如圖6 所示。

圖6 雷達健康評價

5 結(jié)論

雷達裝備健康管理是綜合利用信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，以雷達使用環(huán)境、狀態(tài)、維修為依據(jù)，對雷達的狀態(tài)進行監(jiān)測、評估、預(yù)測及維修決策等技術(shù)活動，主要是對雷達設(shè)備從移交、使用、維修、退役等全壽命全流程實行健康管理。某雷達裝備健康管理采用“分布式數(shù)據(jù)采集－集中式分析處理”系統(tǒng)架構(gòu)，利用各分系統(tǒng)工作狀態(tài)與參數(shù)，進行故障檢測和定位；采用分層分級的架構(gòu)設(shè)計，基于FMECA 分析建立診斷知識庫，進行全面故障模式分析；分析系統(tǒng)指標特性變化，評估雷達健康狀態(tài)。盡管目前雷達裝備健康管理研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定成果，但與我國大多數(shù)雷達現(xiàn)實使用效益需求相比還存在不小的差距，仍然處于比較低的水平。