基于PHM的导弹多层健康管理系统设计*

刘 月,谭莺飞,林日峰,李霁盈,郝利超

(1. 陆军工程大学石家庄校区,河北 石家庄 050000;2. 中国人民解放军93786部队,河北 张家口 075000;3. 中国人民解放军93575部队,河北 承德 067000;4. 中国人民解放军95961部队,北京 100080)

导弹武器系统是由导弹及其配套的各种装备和设施组成的武器系统,导弹是其中最核心的部分。大多数导弹武器系统用于探测和跟踪目标的雷达站、光电通信联络设备以及导弹发射装置,均安装在地面制导站、同一战舰或载机上,而且，往往和其他武器系统共用,因此，也可以认为,导弹武器系统是由导弹、发射平台和技术保障设备组成。本文研究的对象是导弹本身[1]。

为应对导弹武器系统新质作战能力及快速精确打击能力发展威胁,亟需发展绝对安全、威慑有力、反击可靠的新一代导弹平台。随着科技的发展,导弹武器装备的技术水平得到了很大的提高,功能不断扩展,规模日益扩大,同时,由于系统复杂性、关联性、任务环境多样性等导致出现一系列故障问题。由此,为了提高导弹全寿命周期武器装备故障及健康状态的精确认知与管理能力,降低保障资源的依赖,进而提升导弹全寿命使用效能,亟需在导弹设计、研制及服役使用过程中,全面开展导弹健康状态认知与管理能力建设,从而提升其在复杂战场环境下的生存能力和作战效能,确保新一代导弹武器平台具备强适应、强突破、高生存和高可靠等能力特征。

PHM 技术是指利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息,借助各种智能推理算法(如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等)来评估系统自身的健康状态,在系统故障发生前对其进行预测,并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修[2]。纵观PHM 技术的发展,该技术在飞机系统领域得到较为广泛的应用,而在导弹武器系统/运载火箭系统中并未发现应用先例[3]。如何根据导弹装备的实际特点对其进行健康状态监测,确定导弹当前的健康状态并对其进行性能评估,进而安排合理的维修保障措施,实现导弹装备的视情维修,都是崭新的研究课题[4]。

1 导弹健康管理系统开发需求

考虑当前导弹的全寿命周期使用流程特点,以及在试验鉴定、测发等过程中,通过不同数据传输链路采集到导弹大量运行状态监测数据条件,如何以高效、智能的方式利用这些数据,对导弹及主要单机工作性能进行评估和预示,对测发任务中的使用性能进行监测和评估,亟待进一步研究和解决。因此,本文研究设计基于PHM 技术的导弹多层次、多维度的健康管理系统,实现对导弹多层次、多维度的性能评估和故障预报,有助于提高导弹装备全寿命可用度、优化装备维修决策与战场综合保障[5],解决高可信性试验鉴定问题，辅助产品优化改进设计，提升导弹的综合作战效能。因此,导弹武器的设计改进与综合效能提升对当前导弹武器的健康状态认知与管理系统能力提出了以下要求。

1)需要一套针对导弹武器系统的层级化、可扩展健康评估模型的构建工具以及配套的指标管理工具,为基于试验鉴定数据和结果的导弹性能快速评估提供基础支撑;

2)需要针对监测参数、关键单机与系统、典型场景以及整弹等不同层级开展健康状态评估,从不同维度准确把握导弹在测试、使用等阶段的实时健康状态,从而为制定相应决策提供辅助信息支撑;

3)需要对多场景、多型号、多批次试验鉴定及其评估结果进行预示,在时间维度上对设备性能变化情况进行提前准确预测,以提升试验鉴定的综合效能。

面向以上现状和需求,本文针对导弹武器的试验鉴定、服役使用等阶段,建设一套多层健康管理软件,实现导弹的健康状态评估及性能预测功能,从而能够为试验鉴定的综合管理、型号的改进优化设计、使用决策辅助支持等提供有效支撑[6]。

2 健康管理系统架构设计

系统包含底层硬件支撑、核心算法支撑、五大功能模块以及顶层服务。其中,五大功能模块包括:指标体系构建模块,针对构建的健康评估模型基于专家知识或数据驱动进行赋权;性能评估模块,基于构建的评估模型和导弹测试参数完成多层次、多维度的健康状态快速评估;评估总览模块,对健康评估结果进行直观可视化展示;结构评估模块,针对不同层次设备和系统在不同场景下的评估结果进行融合;故障预报模块,完成不同层级参数和性能退化趋势的预测,并结合阈值完成故障预报[7-10]。

面向导弹多型号、多产品、多单机等复杂层次,基于多测试任务(如单元测试、总检查测试等)下的多源测试数据,结合层级框图建模等先进技术,提供评估指标管理、性能状态评估、结构评估以及故障预报等核心功能,进而为多型号、多层次导弹健康评估与性能预测提供有力的技术支撑。同时,利用基础数据层提供的核心单机、系统、整弹性能参数等数据作为输入,基于指标体系算法集、性能评估算法集、性能预示及故障预报算法集的基础算法集,支持用户对多装备间、多层级的评估结果及健康等级进行多维度总览查看,实现对产品整体各层次健康状态的快速把握,同时实现对整弹、核心单机、关键参数的健康度趋势预示功能。从而实现一套满足试验要求,即结合当前先进的计算机测控技术,利用基于虚拟仪器技术和LXI总线的数据采集与控制系统,实现集信号采集、数据分析、记录存储、设备控制等多功能为一体的测控系统。硬件为基于LXI平台搭建的测试系统,包括2U机架式服务器、开关和数据采集平台、多路复用模块、数字IO模块、矩阵开关模块、时序测量模块。

健康状态评估及性能预测软件,包括指标体系构建模块、性能评估模块、评估总览模块、结构评估模块和故障预报模块。各功能模块之间逻辑关系如图1所示。

3 健康管理系统软件功能及实现

3.1 指标体系构建

3.1.1 核心单机级指标体系构建

核心单机级指标体系构建子模块能够提供核心单机级性能评估指标的构建,针对各类具体业务场景下的核心单机测试项,构建相应的评估指标判据;提供各系统级测试任务下核心单机级性能评估指标扩展构建功能,结合各类系统级业务场景,可以针对各类任务的核心单机级测试项分别构建独立的指标判据,以适应不同测试任务下的评估需求;能够提供指标判据的标准导入接口;具备指标类别ID的识别和评估指标的编辑与修改以及相应的可视化等功能。

图1 健康状态评估及性能预测软件系统架构

3.1.2 场景级指标体系构建

场景级指标体系构建子模块可以实现全弹系统级性能评估指标构建,针对具体业务场景,支持用户基于场景总检查等各类系统级测试任务下属的单机级测试项进行综合建模,以模型框图的形式构建整弹系统级性能评估指标;提供框图设计与构建,支持用户基于系统级测试任务下属各单机级测试项的功能逻辑结构关系,建立场景层级性能评估框图;提供系统模块权重配置与生成功能以及模块权重运算功能,具备模块化图元显示、编辑功能,根据各类具体业务场景下各模块的功能逻辑关系,对系统各层级各场景图元进行添加、删除与连接等操作;系统框图模型展示、模块化图元显示、权重结果显示等相关可视化功能。

3.1.3 整弹级指标体系构建

整弹指标体系构建子模块支持整弹级性能评估指标构建,针对各弹层级,支持用户以模型框图的形式构建整弹级性能评估指标;框图设计与构建,支持用户基于系统级测试任务下属各单机级测试项的功能逻辑结构关系(比如串联结构、并联结构、串并混联结构等),以及具体业务场景下各单机级测试项与系统级测试的层级关系,建立整弹层级性能评估框图;提供全弹权重配置与生成功能以及模块权重运算功能,可基于专家先验知识和业务场景下采集的各类参数,提供专家重要度权重生成与数据驱动权重生成两种模块权重生成模式,为整弹各层级性能评估框图中的模块提供量化权重集合;具备模块化图元显示、编辑功能以及相关的可视化功能。

3.2 性能评估

3.2.1 核心单机级性能评估

单机级原始参数曲线可视化功能,该功能能够将单机全部参数原始曲线可视化查看,能够支持对导入监测参数的真实形态进行查看;单机级原始参数分时对比功能,该功能能够进行同一单机不同测试时刻原始数据的历史比对,同时能够对原始参数的趋势进行分析;单机级原始参数分批次对比功能,该功能能够进行同一批次多个单机原始数据的历史比对,同时能够对多个单机原始数据进行趋势分析;关键参数性能评估功能,该功能能够对单机关键参数性能进行评估,能够支持用户根据各核心单机下属的关键参数指标判据,通过相应评估算法对数据类、图形类、跟踪反馈类等关键参数开展性能评估与健康度分析;核心单机综合性能评估功能,综合加权单机全部参数,进行单机级性能评估与健康度分析;核心单机评估结果多维度对比功能,该功能能够对核心单机性能进行对比分析,能够支持对相同型号下多装备间单机的评估结果进行横向对比,以及与其历史评估结果进行纵向对比。

3.2.2 场景级性能评估>

场景级原始参数分时对比功能,该功能能够进行同一控制系统不同测试时刻的原始数据的历史比对,同时,能够对原始参数的趋势进行分析;场景级原始参数分批次对比功能,该功能能够进行不同批次控制系统设备原始数据的历史比对,同时能够对多个控制系统原始数据进行趋势分析;场景级综合性能评估功能,该功能能够支持按多场景的总检查等测试项目分别进行系统级综合性能评估;场景级健康度分布评估功能,该功能可评估多类型测试项目的同一批不同产品的健康度分布情况，以此,能够更加直观地监测系统健康状态;场景级评估框图建模功能,该功能能够支持用户根据系统级评估框图模型,对总检查等系统级测试任务开展综合性能评估,系统级评估项目内容可基于评估框图模型可视化调整;场景级评估框图可视化功能,结合系统框图的评估实现可视化,对构建的系统层级框图及其评估结果进行一体可视化展示,是系统级评估框图建模功能的前端显示,为决策提供数据支撑;场景级评估结果多维度对比功能,对系统级装备综合性能进行对比分析,对相同型号下多装备间各系统评估结果进行横向对比,以及与历史评估结果的纵向对比。

3.2.3 整弹级性能评估

整弹级健康度分布评估功能,该功能能够评估同一批次多个型号产品的健康度分布情况。以此,能够更加直观地监测产品健康状态;整弹级全要素综合性能评估功能,该功能能够对全整弹包括总检查等全部整弹级测试项目综合后进行全要素评估;全要素综合评估参数建模功能,全要素综合方法支持数据驱动、专家知识、人工打分三种模式,对综合评估模型中的参数进行赋值;整弹级全要素评估框图建模功能,该功能能够对全整弹级综合性能进行评估分析,能够支持用户根据整弹级评估框图模型,综合多场景总检查等整弹级性能评估结果,开展整弹级综合性能评估;整弹级全要素评估框图可视化功能,该功能能够将整弹级框图的评估可视化,能够支持对构建的整弹级层级框图及其评估结果进行一体可视化展示;整弹级评估结果多维度对比功能,该功能能够对整弹级综合性能进行对比分析,支持对相同型号下多发产品间整弹级评估结果进行横向对比,以及与历史评估结果的纵向对比。

3.3 评估总览

3.3.1 核心单机级评估总览

关键参数评估总览功能,提供对核心单机下属各关键参数健康状态的可视化总览功能,能够支持对核心单机下属关键参数的评估结果、健康等级进行总览查看;核心单机评估总览功能,能够对核心单机健康状态进行可视化总览,能够对多装备间各类核心单机评估结果、健康等级进行总览查看，最终实现对多设备各类核心单机的健康状态进行总体把握;核心单机级评估结果排序功能,具备评估表格等可视化展现形式,能够对已被评估完成的核心单机健康度进行排序,使数据能够直观可视化。

3.3.2 场景级评估总览

场景级多场景评估总览功能,能够对不同测试场景的场景级总检查评估结果进行可视化总览,同时支持对多装备间各类系统测试任务的评估结果、健康等级进行总览查看，以此,实现对多设备的各类场景级健康状态的直观综合展示与快速掌握;场景级评估结果排序功能,能够按照场景级健康状态的评估结果对其进行排序,并使用雷达图将排序结果进行可视化处理,实现对场景级评估结果排序的功能,以此,实现对场景级健康状态的快速把握。

3.3.3 整弹级评估总览

整弹级评估总览功能,能够综合全部系统级测试项目的整弹级健康状态并将之可视化总览,对多装备间综合全部测试任务的整弹级评估结果、健康等级进行总览查看，实现了对整弹的健康状态的准确把控;整弹级评估结果排序功能,能够按照整弹级健康状态的评估结果对其进行排序,并使用雷达图将排序结果进行可视化处理,实现对整弹级评估结果排序的功能,以此,实现对整弹级设备的健康状态的快速把握。

3.4 结构评估

3.4.1 核心单机级结构评估

核心单机级结构评估计算和显示功能，提供不同核心单机产品在多场景下的评估结果融合计算和结构评估结果显示功能。对某核心单机,首先获取其在不同场景下的性能评估结果,作为结构评估输入;进而结合专家权重或算术平均,将各场景评估结果进行融合,完成该单机的结构评估计算;调用前端显示控件,将该单机以图元的形式进行展示,同时将结构评估结果数值打印在该单机对应的图元上,完成核心单机级结构评估结果的显示功能。

3.4.2 系统级结构评估

系统级结构评估计算和显示功能，提供不同系统产品在多场景下的评估结果融合计算功能。对导弹某系统,首先获取其在不同场景下的性能评估结果,作为结构评估输入;进而结合专家权重或算术平均,将各场景评估结果进行融合,完成该系统的结构评估计算。调用前端显示控件,将该系统以图元的形式进行展示,同时将结构评估结果数值打印在该系统对应的图元上,完成系统级结构评估结果的显示功能。

3.4.3 整弹级结构评估

整弹级结构评估计算和显示功能，提供不同导弹对象在多场景下的评估结果融合计算功能。对某型号导弹个体,首先获取其在不同场景下的性能评估结果,作为结构评估输入;进而结合专家权重或算术平均,将各场景评估结果进行融合,完成该弹的结构评估计算；调用前端显示控件,将该导弹以图元的形式进行展示,同时将结构评估结果数值打印在该导弹对应的图元上,完成整弹级结构评估结果的显示功能。

3.5 故障预报

3.5.1 核心单机级趋势分析与预报

提供核心单机性能综合预示功能,支持通过相关预测算法对单机历史评估结果进行量化建模,并实现对其未来趋势的预测,同时生成健康等级。通过专家知识选取的退化敏感参数,结合时域、频域、时频域等信号处理技术等,提取了原始数据中蕴藏的衰退信息；进而采用智能算法等对关键单机性能衰退趋势进行外推预测，即该子模块分为退化敏感信息提取、退化趋势拟合、退化趋势外推预测三个部分。

3.5.2 场景级趋势分析与预报

关键参数级趋势预测和可视化功能，提供单机关键参数趋势预测功能,支持通过相关预测算法对单机关键参数的历史数据进行量化建模,并实现关键参数未来趋势的外推预测。具体实现流程包括整弹单机级关键参数历史数据和监测数据的选择与配置、算法选择、参数监测数据未来趋势分析及外推预测。针对整弹单机级的关键参数进行趋势预测,针对不同参数的历史数据预测下一次测试的预期测试数据,将其结果进行可视化展示。

3.5.3 整弹级趋势分析与预报

整弹级性能趋势综合预测和可视化功能，针对整弹级综合性能评估输出的健康度等量化结果,在时间尺度上开展外推预测。获取外推预测趋势结果之后,结合专家知识或历史经验确定的多级阈值,为整弹性能演化趋势划定不同健康等级,进一步辅助整弹的测试与试验鉴定等工作。根据用户指令和操作生成数据库查询语句,在数据库中存储所需信息的位置执行查询调用,通过系统内部接口传输至前端,使用可交互的显示控件对上述信息以二维图表、文字等多种形式对整弹性能历史趋势曲线可视化展示、整弹性能趋势预测结果可视化展示、整弹性能变化趋势的健康等级可视化展示进行可视化展示。

4 结束语

本文提出的导弹装备多层健康管理系统设计,包括硬件和软件模块,实现了导弹指标体系构建、性能评估、评估总览、结构评估、故障预报等功能,全面考虑了弹上控制系统与地面控制系统工作特点,基本能满足导弹故障预测与健康管理要求,难点是弹上PHM 技术应用实现。未来随着导弹试验数据采集、存储、管理等能力的持续成熟与发展,可在当前试验鉴定支持软件体系下,进一步结合统计阈值自适应生成、性能健康基线模型、时序深度模型等先进算法技术,实现更加自适应的指标体系管理,以及更加精确、自主、智能的导弹状态评估与故障预测。