航天器故障診斷技術(shù)綜述及發(fā)展趨勢

謝敏+樓鑫+羅芊

摘要：對國內(nèi)外航天器故障診斷技術(shù)的發(fā)展進行了回顧，總結(jié)了航天器故障診斷技術(shù)的基本方法，指出基于數(shù)據(jù)挖掘的航天器故障診斷方法是今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：航天器；故障診斷技術(shù)；數(shù)據(jù)挖掘

引言

故障診斷技術(shù)是指不進行設(shè)備拆卸的情況下，通過相應的方法和技術(shù)手段，在設(shè)備運行過程中掌握其運行狀態(tài)，確定是否發(fā)生故障并分析出發(fā)生故障的原因，預報故障未來的發(fā)展趨勢。故障診斷技術(shù)在各個工業(yè)領(lǐng)域都得到了國內(nèi)外的充分關(guān)注，并取得了豐厚的研究成果。

自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星上天以來，全世界發(fā)射的航天器已經(jīng)多達5000多顆。據(jù)統(tǒng)計，從1957年至1988年的30年間各國發(fā)生災難性事故的衛(wèi)星約140顆，造成了重大的經(jīng)濟損失。近十幾年來，隨著我國發(fā)射的衛(wèi)星越來越多，也出現(xiàn)了很多故障，針對航天器的故障診斷技術(shù)已經(jīng)引起航天領(lǐng)域?qū)＜覍W者的重點關(guān)注。

1航天器故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

航天器作為光機電一體化儀器的設(shè)備，由于其規(guī)模大、復雜度高、航天器的資源和人工干預能力有限，且太空環(huán)境日趨惡劣并存在著大量的不確定性因素等，這些都對航天器的故障診斷技術(shù)提出了挑戰(zhàn)難以進行有效維護，經(jīng)常會出現(xiàn)系統(tǒng)異常運行甚至出現(xiàn)故障的情況。因此，航天器故障診斷技術(shù)對提高航天器的可靠性、安全性和有效性具有十分重要的作用，已經(jīng)成為航天領(lǐng)域主要研究方向。

美國和俄羅斯（前蘇聯(lián)）為代表的國家，在航天器故障診斷技術(shù)方面做了大量且深入的研究工作。美國國家航空航天局（NASA）從上個世紀七十年代以來便開始研究航天器的在軌故障診斷技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，NASA利用建立的航天器故障診斷平臺，對大量故障航天器進行了成功的診斷與維修，保證了航天器的可靠穩(wěn)定運行，延長了航天器的使用壽命，除了保障航天器可靠穩(wěn)定的運行外，故障診斷技術(shù)對于減少地面工作人員的工作量、航天員的培訓時間以及發(fā)射與運行成本都具有重要意義。近幾年美國投入大量的資金用于航天器系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究。尤其是在航天飛機方面，將飛行風險降低了50%，同時運行預算降低了1/3，而且還可能進一步降低。

自上世紀70年代我國成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星以來，我國航天領(lǐng)域的技術(shù)人員便開始研究航天器故障診斷技術(shù)。但是一直以來，相關(guān)的研究所和日常管理部門沒有建立專業(yè)的航天器故障診斷平臺，主要依托某衛(wèi)星測控中心組織實施，在技術(shù)上還局限于依靠人工手段對航天器進行在軌管理。航天器發(fā)生嚴重的故障后，需要組織航天領(lǐng)域相關(guān)專家和航天器研制人員到故障處置的現(xiàn)場一起進行分析，制定相應的維修方案，并對維修方案進行仿真驗證確認后才能根據(jù)制定的維修方案對故障航天器進行維修，無法形成一個通用化的航天器故障診斷平臺。直到2014年我國首個航天器在軌故障診斷與維修實驗室才在西安某衛(wèi)星測控基地宣告成立。

目前，航天器在軌故障診斷與維修問題，已經(jīng)成為國際航天領(lǐng)域的熱點之一。建立航天器在軌故障診斷與維修通用化平臺已經(jīng)成為各個國家進行航天器在軌管理發(fā)展的實際需要和必然趨勢。

2航天器故障診斷的基本方法

故障診斷技術(shù)最早起源于美國。作為一門學科進行系統(tǒng)研究從上世紀60年代的美國宇航局（NASA）開始，1961年美國開始實施阿波羅計劃后出現(xiàn)了一系列的設(shè)備故障，促使美國海軍研究室主持美國機械故障預防小組開始把故障診斷作為一種技術(shù)進行研究開發(fā)。1971年，麻省理工學院的Beard發(fā)表的博士論文和Mehra和Peschon發(fā)表在Automatica上的論文，創(chuàng)新性的提出了運用軟件冗余代替硬件冗余的新思想，開啟了故障診斷技術(shù)研究的開端。

根據(jù)系統(tǒng)采用的特征描述和決策方法的差異，形成了不同的故障診斷方法，應用于航天器故障診斷的方法有很多種，其中應用較多的有：基于模型的方法、基于信號處理的方法和基于人工智能的方法。

2.1基于模型的故障診斷方法

基于模型的故障診斷方法是提出最早、研究最為系統(tǒng)的一種方法。基本思想是運用軟件冗余代替硬件冗余。基于模型的故障診斷方法分為基于參數(shù)估計的故障診斷方法和基于狀態(tài)估計的故障診斷方法。

2.1.1基于參數(shù)估計的故障診斷方法

基于參數(shù)估計的故障診斷方法的基本思想是不需計算殘差序列，而是根據(jù)模型參數(shù)及相應物理參數(shù)的變化量序列的統(tǒng)計特性來進行故障診斷，更利于故障的分離。因為被診斷對象的故障可以視為其過程參數(shù)的變化，而過程參數(shù)的變化又往往導致系統(tǒng)參數(shù)的變化。1984年Iserman對基于參數(shù)估計的故障診斷方法作出了完整的描述。目前研究得較為廣泛的有強跟蹤濾波器方法和最小二乘法。

2.1.2基于狀態(tài)估計的故障診斷方法

基于狀態(tài)估計的故障診斷方法的基本思想是由于系統(tǒng)被控過程的狀態(tài)直接反映出的是系統(tǒng)的狀態(tài)，因此只需估計出系統(tǒng)的狀態(tài)并結(jié)合適當?shù)哪Ｐ图纯蓪Ρ豢貙ο筮M行故障診斷。這種方法首先利用系統(tǒng)的解析模型和可測信息，重構(gòu)系統(tǒng)的被控過程，構(gòu)造殘差序列，殘差序列中包含豐富的故障信息，再對殘差進行分析處理，從而實現(xiàn)故障的檢測與診斷。主要有三種基本方法：Beard首先提出故障診斷檢測濾波器的方法；Mehra和Peschon提出了基于Kalman濾波的方法；Massoumnia提出的廣義一致空間法。在實際應用中，由于系統(tǒng)越來越復雜，很難建立十分精確的數(shù)學模型。目前研究較為廣泛的是將模型參考自適應的思想引入狀態(tài)估計中，從而提高系統(tǒng)魯棒性。

2.2基于信號處理的故障診斷方法

基于信號處理的故障診斷方法，通常是利用信號模型，如相關(guān)函數(shù)、頻譜、自回歸滑動平均、小波變換等，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，從而檢測出故障，不需要精確的解析模型，有很強的適應性。

2.2.1基于輸出信號處理的故障診斷法

基于輸出信號處理的故障診斷法的基本思路是系統(tǒng)的輸出（幅值、相位、頻率等）和故障存在著一定的聯(lián)系，可以通過數(shù)學的方法（頻譜分析）進行描述。當發(fā)生故障時，可以通過系統(tǒng)的輸出分析出故障發(fā)生的位置及其嚴重程度。常用的有：將時域信號變換至頻域加以分析的方法稱為頻譜分析的頻譜分析法；研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關(guān)系，并對具體有依存關(guān)系的現(xiàn)象探討其相關(guān)方向以及相關(guān)程度的先關(guān)分析法等。

2.2.2基于小波變換的故障診斷法

小波變換屬于時頻分析的一種，是一種新型信號處理方法，是一種信號的時間-尺度（時間-頻率）分析方法，具有多分辨率分析的特點，而且在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變，但其形狀可改變，時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。基本思路是首先對一系統(tǒng)的輸入輸出信號進行小波變換，利用該變換求出輸入輸出信號的奇異點。然后去除由于輸入突變引起的極值點，則其余的極值點對應于系統(tǒng)的故障。

目前國內(nèi)已經(jīng)有所研究應用的基于小波變換的故障診斷方法主要有三種：利用觀測信號的奇異性進行故障診斷；利用觀測信號頻率結(jié)構(gòu)的變化進行故障診斷；利用脈沖響應函數(shù)的小波變換進行故障診斷。基于小波變換的故障診斷方法對輸入信號的要求低，對噪聲的抑制能力強，靈敏度高，運算量適中，可以進行在線實時檢測，在機械系統(tǒng)的故障診斷中取得了不少研究成果。

2.2.3基于時間序列分析的故障診斷法

基于時間序列分析的故障診斷法的基本思想是選取與故障直接相關(guān)的狀態(tài)變量，建立時間序列過程模型，以模型參數(shù)作為特征矢量來判別故障的類型。過程模型參數(shù)與系統(tǒng)（設(shè)備）的內(nèi)在特性和輸入輸出隱含著復雜的聯(lián)系，在長期的設(shè)備運行實踐中可以用統(tǒng)計的方法得出模型參數(shù)與系統(tǒng)典型故障之間的關(guān)系，作為故障識別的依據(jù)。這種方法可以在缺乏先驗診斷知識的情況下，通過對機組運行過程數(shù)據(jù)序列的統(tǒng)計認識，逐步積累識別故障的能力，建立有效的診斷體系。

2.3基于人工智能的故障診斷方法

基于人工智能的故障診斷方法是故障診斷領(lǐng)域的發(fā)展的重點，是現(xiàn)階段應用最廣泛，研究的最多的方向，不需要精確的模型，適用于不確定性的問題。下面介紹幾種航天器故障診斷方面比較常用的方法。

2.3.1基于定性模型的故障診斷方法

基于定性模型的診斷方法是由人工智能領(lǐng)域?qū)W者提出的一類診斷方法。基于定性模型的故障診斷方法的不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學模型。基本思想是根據(jù)系統(tǒng)組成元件與元件之間的連接（或參數(shù)間的依賴關(guān)系）建立診斷系統(tǒng)的模型；將過程特性的外部表現(xiàn)和人類專家對故障判斷和處理的經(jīng)驗，通過抽象化方法直接建立各種過程變量與故障模式之間的定性模型，對系統(tǒng)進行推理，預測系統(tǒng)的定性行為，通過觀測的系統(tǒng)實際行為與預期行為的差異，檢測系統(tǒng)是否存在故障，并診斷故障的原因。

在實際應用中，NASA開發(fā)的基于定性模型的診斷推理軟件先后在深空一號、對地觀測衛(wèi)星EO-1、x-37飛船等實際型號中進行了科學驗證或應用。國內(nèi)在航天領(lǐng)域基于定性模型的診斷技術(shù)主要在液體火箭發(fā)動機的故障診斷領(lǐng)域取得了一些研究成果。

2.3.2基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法

專家系統(tǒng)是人工智能的一個重要分支，能夠在一些特定的領(lǐng)域內(nèi)模仿人類專家的推理能力，來解決復雜的實際問題。基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法的基本思路是將某一領(lǐng)域長期的實踐經(jīng)驗和大量的故障信息知識，模仿人類專家的推理方式，總結(jié)歸納成規(guī)則知識庫使計算機能夠識別，然后將需要診斷的實時的數(shù)據(jù)輸入計算機的數(shù)據(jù)庫中，專家系統(tǒng)利用已經(jīng)歸納生成的知識庫對實時數(shù)據(jù)進行分析和推理，從而推算出可能的故障，如圖1所示。

使用專家系統(tǒng)進行故障診斷的方法在日常的工程應用中已經(jīng)有了大量的實踐，也較廣泛的應用于航天器故障診斷領(lǐng)域，如：CLIPS、EXSYS、G2等。

2.3.3基于數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷方法

基于數(shù)據(jù)挖掘的故障診斷方法的核心思想是利用海量的歷史數(shù)據(jù)進行處理從而獲取系統(tǒng)的行為模型，通過結(jié)合先驗知識可及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)或者即將出現(xiàn)的故障，如圖2所示。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Networks，ANN）能夠有效地實現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射，是數(shù)據(jù)挖掘最常用的技術(shù)之一。當系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，這類系統(tǒng)一般難以有效建立模型，因而用本身就是非線性映射的ANN來模擬難以建模的非線性系統(tǒng)恰好解決了這一難題。

模糊技術(shù)：即利用模糊集理論對實際問題進行評判、決策、模式識別和聚類分析。適用于系統(tǒng)狀態(tài)及故障狀態(tài)具有不確定性，并可采用模糊集描述的情況。其主要方法有四種：基于模糊模型的故障診斷方法，基于自適應模糊閾值的殘差評價方法，基于模糊聚類的殘差評價方法和基于模糊邏輯的殘差評價方法。

在航天器故障診斷應用中，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對歷史測控數(shù)據(jù)進行規(guī)則挖掘，從海量的樣本數(shù)據(jù)中獲取故障診斷的規(guī)則，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆并采取有效措施就可能避免航天器出現(xiàn)重大的故障。NASA領(lǐng)導下的Ames Research Center（ARC）的Inductive Monitoring System（IMS）主要采用聚類的方式對數(shù)據(jù)進行自動狀態(tài)分類。通過對哥倫比亞航天飛機失事前數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)IMS能比航天飛機控制中心更早發(fā)現(xiàn)故障，并于09年用于國際空間站控制中心的ISS管理。

3航天器故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，基于人工智能的航天器故障診斷方法已經(jīng)成為主要的研究方向，尤其是基于數(shù)據(jù)挖掘的航天器故障診斷方法不需要建立對象的模型，依靠分析已經(jīng)積累的海量歷史數(shù)據(jù)，提取出其中的關(guān)聯(lián)關(guān)系和趨勢特征作為識別故障的依據(jù)。

航天器遙測數(shù)據(jù)包括了航天器運行和控制過程中的各種性能參數(shù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)分析數(shù)據(jù)、二次計算結(jié)果等多種狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)反應了航天器的運行狀態(tài)。由于航天器系統(tǒng)復雜，參數(shù)眾多，大多包括成千上萬的傳感器測量參數(shù)，這些參數(shù)在設(shè)備發(fā)生故障之前的一段時間可能就會有一定變化，如溫度、壓力等參數(shù)的異常變化，其也會導致測控過程中的一些其他數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化。基于數(shù)據(jù)挖掘的航天器故障診斷的方法，通過以航天器的遙測數(shù)據(jù)為研究對象，構(gòu)建航天器遙測數(shù)據(jù)的訓練庫和測試庫，利用數(shù)據(jù)挖掘分類方法訓練故障分類器，經(jīng)測試庫數(shù)據(jù)驗證分類器的有效性后，生成對應的故障診斷規(guī)則，并利用歷史數(shù)據(jù)對規(guī)則進行測試和優(yōu)化。在故障診斷中，將設(shè)備實時的數(shù)據(jù)與的診斷規(guī)則和診斷知識一起代入診斷運算過程，得到故障是否存在、產(chǎn)生的原因和處理的方法。這種方法可從海量的數(shù)據(jù)中及時發(fā)現(xiàn)異常情況，并對異常情況進行預警、診斷并發(fā)現(xiàn)一些深層次的故障原因，并將故障重新輸入訓練庫中，提高后續(xù)故障診斷的準確度和精度，是今后研究的一個重點。

4結(jié)束語

本文對故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀進行了綜述。重點介紹了泛應用于航天器的故障檢測的基于模型、基于信號處理、基于人工智能的診斷方法。由于航天器系統(tǒng)的復雜性及其運行環(huán)境的特殊性，還有很多故障診斷的問題亟待解決，可以將各種方法進行融合，發(fā)揮各自的優(yōu)點，不斷用新的方法來探究。