基于數(shù)字孿生的航天測控設備預防性維護研究

張小飛 袁化宇 敬文慧 虞炳文 方毅

作者簡介：張小飛（1987— ），男，江西永豐人，工程師，碩士；研究方向：測量數(shù)據(jù)處理，雷達信號處理。

摘要：航天測控設備是對航天器發(fā)射或在軌運行的測量與控制設備，在其方案設計、電子元器件篩選、分機調(diào)試、整機調(diào)試、產(chǎn)品出廠等環(huán)節(jié)保證其可靠性有著重要意義。隨著我國航天試驗任務的日益密集以及航天設備可靠性方面要求的不斷提升，航天測控設備自身面臨的可靠性要求越來越高。在這樣的情況下，如何對測控設備進行預防性維護，確保設備使用過程中的可靠性，就成為測控設備維護的關鍵任務。文章結合實踐，在概括介紹數(shù)字孿生的基礎上，提出了基于數(shù)字孿生技術的航天測控設備預防性維護思路和方法，借助數(shù)字孿生技術的屬性賦能測控設備的可靠性提升，使航天測控設備的預防性維護工作能夠更加高效地開展，更有助于降低設備故障發(fā)生的概率。

關鍵詞：數(shù)字孿生；航天測控設備；預防性維護

中圖分類號：V443 文獻標志碼：A

0 引言

數(shù)字孿生是基于大數(shù)據(jù)、人工智能和仿真建模等相關基礎上發(fā)展起來的多學科集成技術。該技術首先借助數(shù)字化技術和方法建立表征物理實體的虛擬模型，然后通過仿真分析方法模擬物理實體的現(xiàn)實活動，最終綜合運用虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策過程迭代優(yōu)化等技術方法，實現(xiàn)物理實體與虛擬數(shù)字模型間的交互融合與智能控制。作為連通物理環(huán)境與虛擬世界之間的紐帶技術，數(shù)字孿生近年來在航空航天領域得到了廣泛而深入的應用，其中在航天測控設備的設計開發(fā)、生產(chǎn)試制、運行保障等方面的應用具有代表性。這主要是因為航天測控設備本身具有的研制難度大、裝備價值高、制造批量小等特點使得技術應用面臨較大的挑戰(zhàn)，而數(shù)字孿生在連通物理環(huán)境與虛擬世界方面的作用恰恰提高了航天測控設備研制、制造方面的技術水平。當然，除在研制、制造方面得到應用以外，數(shù)字孿生技術在航天測控設備的預防性維護方面也有較大的影響。相關實踐表明，借助數(shù)字孿生，可以隨時掌握裝備的狀態(tài)情況，并利用建模與仿真分析預防性維護裝備，使其始終處于最佳性能水平。本文從數(shù)字孿生技術基礎知識入手，深入探討分析其在航天測控設備預防性維護方面的應用，為促進航天測控設備高質(zhì)量、高效率運行，提供新的思路參考。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 數(shù)字孿生的概念及含義

數(shù)字孿生，是基于數(shù)據(jù)與模擬的集成和融合，其原理是通過在數(shù)字空間實時構建物理對象的精確數(shù)字映射，在數(shù)據(jù)集成、分析與預測基礎上，對物理實體的整個生命周期過程進行模擬、驗證、預測和控制，最終形成智能決策優(yōu)化閉環(huán)［1］。

1.2 數(shù)字孿生的特點

數(shù)字孿生有3個特點。第一，可見性。即數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)及其操作的可見、可感知。第二，預測性。即數(shù)字孿生為技術應用提供了多種建模技術，數(shù)字孿生模型能夠用于預測機器未來的狀態(tài)。第三，假設分析。即數(shù)字孿生提供了多種設計的接口，可以很容易地與各種模型進行交互，并對模型詢問假設性的問題，進而模擬現(xiàn)實中無法創(chuàng)建的各種條件，豐富情況的研判。數(shù)字孿生的這些特點以及航天測控設備預防性維護的應用場景需求，使得數(shù)字孿生成為航天測控設備預防性維護工作中重點挖掘和使用的技術。當然，考慮到航天測控設備在不同場景下的使用方式和要求，需要對數(shù)字孿生技術在設備預防性維護方面的應用進行針對性的研究分析，以明確技術的科學應用方法。

2 航天測控設備預防性維護概述

2.1 預防性維護的概念

航天測控設備預防性維護，是對航天測控設備進行針對性的、預防性的維護維修。所謂預防性維護，是指以設備的實際狀態(tài)為依據(jù)進行的維修，是對設備在線運行時的狀態(tài)進行監(jiān)測，并收集、分析設備運行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)診斷并預測航天測控設備故障的發(fā)展趨勢，以輔助提前制定設備預防性維護方案和實施提前性的檢測維修行為［2］。根據(jù)概念可以看出，航天測控設備預防性維護，實際上是在設備出現(xiàn)故障之前進行提前維護，以發(fā)現(xiàn)和消除設備故障隱患，保證設備的運行狀態(tài)和效果。

2.2 預防性維護的必要性

對航天測控設備進行預防性維護主要考慮兩方面的原因。第一，避免設備使用中出現(xiàn)故障。航天測控設備是對航天器狀態(tài)進行的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的搜集，其直接影響到航天器生產(chǎn)的過程和結果。一旦設備使用過程中出現(xiàn)故障，勢必會影響到航天器的測控進度與效果，進而影響到航天任務的質(zhì)量管控行為［3］。因此，需要通過預防性維護措施對使用前的航天測控設備的運行狀態(tài)進行提前檢測和維護，確保設備的可靠性，降低設備使用中的故障風險。第二，保證航天器的可靠性。航天測控設備是對航天器進行的測控，其自身的可靠性會直接影響到航天器可靠性的評價。而航天器的可靠性，會直接影響到航天任務的完成情況。因此，需要在使用航天測控設備對航天器進行測控前，對其可靠性進行檢測和維護，確保設備使用的可靠性，降低因為設備問題而導致航天器測控環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的風險。

2.3 預防性維護的常規(guī)模式

在長期的航天測控設備使用中，相關主體已經(jīng)逐步構建了較為完善的設備預防性維護模式。圖1是對該模式的簡單展示。在常規(guī)的設備預防性維護中，相關主體會重點做好五方面的內(nèi)容。第一，對航天測控設備以往的故障原理和故障參數(shù)等進行分析，獲取預防性維護模型構建的基本信息，提高模型的對應性。第二，借助傳感器設備對航天測控設備運行的數(shù)據(jù)進行采集，掌握設備運行狀態(tài)。第三，對采集到的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行噪聲和規(guī)范化處理，使數(shù)據(jù)契合建模和數(shù)據(jù)挖掘算法運行的要求，最終獲得引發(fā)設備故障的一個或者多個故障特征值。第四，根據(jù)掌握的數(shù)據(jù)建立故障模型，運用數(shù)據(jù)挖掘算法、數(shù)據(jù)分析算法等算法對獲取的故障特征值的模式進行識別，達到故障診斷的效果。同時，通過機器學習進行故障發(fā)生趨勢的分析預測，達到提前研判設備故障的目的。第五，根據(jù)模型輸出的結果和故障預防方案，進行針對性的設備維修維護。

3 數(shù)字孿生技術的具體應用

基于數(shù)字孿生的航天測控設備預防性維護，是在常規(guī)預防性維護模式的基礎上加入數(shù)字孿生技術而衍生出來的新模式［4］。之所以要使用該模式進行維護，是因為常規(guī)維護模式對傳感器采集到的諸如在線狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)、設備歷史記錄等信息未能充分利用，且在設備預防性維護的效果方面有進一步提升的空間。下文將重點對數(shù)字孿生技術支持下的航天測控設備預防性維護模式及其應用進行介紹。

3.1 預防性維護系統(tǒng)架構

基于數(shù)字孿生的航天測控設備預防性維護系統(tǒng)主要由基礎層、數(shù)據(jù)層、應用層3個部分組成（見圖2）。其中，基礎層是航天測控設備故障診斷和預測的對象，主要通過各類傳感器采集相應的設備在線運行數(shù)據(jù)，為模型構建和算法應用與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持，同時，該層還承擔構建物理設備與設備數(shù)字孿生體之間的虛擬映射關系的功能。數(shù)據(jù)層是對基礎層采集到的數(shù)據(jù)進行噪聲去除和格式化處理，為應用層的故障診斷和預測建模提供相關數(shù)據(jù)信息支持。應用層是結合設備預防性維護的需要和要求，建立相應的數(shù)據(jù)模型、算法以及相關服務項目，供用戶進行設備的故障診斷和預測操作使用［5］。

3.2 預防性維護系統(tǒng)的運行

預防性維護系統(tǒng)的運行大致可以分為以下5個環(huán)節(jié)。

3.2.1 構建虛擬實體

在基于數(shù)字孿生的航天測控設備預防性維護中，最為關鍵和基礎的是對設備在線運行過程中產(chǎn)生的各類參數(shù)和數(shù)據(jù)的采集［6］。因為系統(tǒng)需要根據(jù)這些信息來判斷設備本身的運行狀態(tài)。在實際的虛擬實體構建中，技術人員需要借助計算機技術、人工智能技術等相關技術構建虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實相結合的虛擬實體［7］。

3.2.2 構建數(shù)據(jù)源

構建數(shù)據(jù)源是根據(jù)傳感器采集到的設備參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)尤其是設備故障數(shù)據(jù)和設備維護記錄等信息，構建綜合性的數(shù)據(jù)源體系，為航天測控設備預防性維護系統(tǒng)的后續(xù)狀態(tài)和模式判斷提供充分的數(shù)據(jù)信息支持［8］。

3.2.3 實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是對通過各種數(shù)據(jù)源獲取的各種類型的數(shù)據(jù)進行清洗、集成和轉換，使原本分散、孤立、零散的數(shù)據(jù)形成同一數(shù)據(jù)集合［9］。同時，數(shù)據(jù)融合也是對采集到的無意義的垃圾數(shù)據(jù)進行剔除，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

3.2.4 搭建識別模型

搭建識別模式是結合整理出的數(shù)據(jù)，進行故障診斷和故障預測模型的構建。在故障診斷方面，主要是通過對融合后的數(shù)據(jù)進行分析，來獲得不同類型設備的故障特征值，并將其同步傳輸至數(shù)字化的實體中，進行虛擬仿真，最終將運行的結果與故障知識庫和設備歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，判斷設備是否存在故障，并推測故障發(fā)生的原因［10］。在故障預測方面，主要是結合設備在線運行狀態(tài)的相關數(shù)據(jù)建立預測模型，預測設備在線運行過程中可能發(fā)生的故障，并通過多個時間、多個狀況下的設備運行參數(shù)關聯(lián)來進行數(shù)據(jù)挖掘仿真實驗，最終預測可能產(chǎn)生的設備故障類型及相對具體的部位。

3.2.5 設備維護決策

在獲得識別模型后，就可以找到設備可能存在的故障點，并根據(jù)系統(tǒng)的提示方案開展預防性維護方案的選擇和維護方案的實施。

4 結語

相關實踐表明，基于數(shù)字孿生的航天測控設備預防性維護系統(tǒng)的應用，可以實現(xiàn)對設備故障或者隱患部件的提前掌握并輔助開展預防性維護，從而提高設備故障排查的可追溯性和故障解決的概率，保證航天測控設備故障檢修的準確率，避免設備運行過程中出現(xiàn)故障造成損失。當然，對維護主體來說，該系統(tǒng)的具體應用還需要結合航天測控設備運行的要求和實際，進行科學分析與認真確定以保證系統(tǒng)應用的科學性、合理性和有效性。

參考文獻

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（編輯 傅金睿）

Abstract： Space TT&C equipment is a measurement and control equipment for spacecraft launch or in orbit operation. It is of great significance to ensure its reliability in its program design， electronic component screening， extension debugging， whole machine debugging， and product delivery. With the increasingly intensive space test tasks in China and the continuous improvement of the reliability requirements of space equipment， the reliability requirements of space TT&C equipment are becoming higher and higher. In this case， how to carry out preventive maintenance on measurement and control equipment and ensure the reliability of the equipment in use has become the key task of measurement and control equipment maintenance. Combined with practice， based on the summary of digital twins， this paper puts forward the idea and method of preventive maintenance of aerospace TT&C equipment based on digital twins technology. With the help of the attribute of digital twins technology， the reliability of the TT&C equipment can be improved， so that the preventive maintenance work of aerospace TT&C equipment can be carried out more efficiently， which is more conducive to reducing the probability of equipment failure.

Key words： digital twins; space TT&C equipment; preventive maintenance