健康管理技術(shù)在機(jī)載光電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

齊 華 黃 玉 劉 軍

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)(2.武警工程學(xué)院通信工程系 西安 710086)

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健康管理技術(shù)在機(jī)載光電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

齊 華1黃 玉1劉 軍2

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)(2.武警工程學(xué)院通信工程系 西安 710086)

探討了機(jī)載光電系統(tǒng)健康管理的需求和發(fā)展,對(duì)光電系統(tǒng)的健康管理做了簡(jiǎn)單的分析,介紹了光電系統(tǒng)健康管理的周期性任務(wù),提出了一種適應(yīng)于機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理方法,說(shuō)明該方法需要提升的地方,為機(jī)載光電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了保障。

機(jī)載光電系統(tǒng); 健康管理; 周期任務(wù); 故障診斷

Class Number V249

1 引言

機(jī)載光電系統(tǒng)[1]是航空飛行器電子“眼睛”,是用于偵查、測(cè)量、搜索、營(yíng)救以及火控系統(tǒng)瞄準(zhǔn)等用途的航空光學(xué)及電子裝置。隨著科技的迅速發(fā)展,光電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,功能越來(lái)越完善,集成化越來(lái)越高,系統(tǒng)的不同部分之間緊密關(guān)聯(lián),使得系統(tǒng)中一個(gè)小故障出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),難以確認(rèn)故障產(chǎn)生的原因、位置不能及時(shí)準(zhǔn)確處理,可能導(dǎo)致故障程度加大,甚至系統(tǒng)不能正常運(yùn)行需停機(jī)維修。同時(shí)因?yàn)轱w機(jī)的作戰(zhàn)環(huán)境惡劣、作戰(zhàn)形式復(fù)雜,系統(tǒng)內(nèi)部得健康運(yùn)行才能為精確復(fù)雜的作戰(zhàn)做好基礎(chǔ)保障。

健康管理(Health Management,HM)[2]是根據(jù)診斷信息、可用資源和使用需求對(duì)維修活動(dòng)作出適當(dāng)決策的能力。系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、失效預(yù)報(bào)、壽命預(yù)測(cè),該技術(shù)改變傳統(tǒng)的以日期或小時(shí)為單位的檢查維修和事后維修為按需維修,并給出合適的維修方案。目前健康管理技術(shù)廣泛應(yīng)用于了解或修復(fù)飛行器(飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、航天器)及其元部件狀態(tài),飛行器的健康狀態(tài)描述了系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件執(zhí)行設(shè)計(jì)功能的能力。

為提高機(jī)載光電設(shè)備執(zhí)行任務(wù)時(shí)的可靠性和安全性,對(duì)其維修保障提出了更高的要求,將健康管理技術(shù)應(yīng)用于光電系統(tǒng)中,可以大幅度提升光電系統(tǒng)維修的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。避免了診斷專(zhuān)家未在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)＜遗c技術(shù)人員之間傳達(dá)障礙等問(wèn)題,使得故障發(fā)生前或故障發(fā)生初期及時(shí)診斷維修處理,避免故障程度加大甚至停機(jī)維修。

2 健康管理技術(shù)的發(fā)展

健康管理技術(shù)[3～5]是從傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的,它代表了一種反應(yīng)性的通信向主動(dòng)性的3Rs的轉(zhuǎn)變,即在準(zhǔn)確的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確的部位采取正確的維修活動(dòng),也代表了維修保障方法從基于故障的事后維修或定期維修向基于狀態(tài)的故障預(yù)測(cè)維修(視情維修)。健康管理一般是針對(duì)故障多發(fā)的幾個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)的健康管理,由于分系統(tǒng)自身特點(diǎn)不同,需要相應(yīng)設(shè)計(jì)不同的健康管理方法,再集成綜合的健康管理系統(tǒng)。健康管理的重點(diǎn)是選用先進(jìn)的傳感器,采集飛行器狀態(tài)的信息,通過(guò)數(shù)據(jù)信息的處理,選擇合適算法與智能模型對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè),并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行健康評(píng)估,采取適當(dāng)?shù)木S修決策,保障飛行器在軌任務(wù)的順利執(zhí)行。

健康管理于20世紀(jì)五六十年代應(yīng)用于美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的軍用飛機(jī)上,被稱(chēng)作健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)(Health and Using Monitor System,HUMS),目前已廣泛應(yīng)用在“陣風(fēng)”、“鷹”等固定翼軍用飛機(jī)上。綜合飛行器健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)這個(gè)概念出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,其定義為一些行為的集合,這些行為包括了解飛行器及其分系統(tǒng)、子系統(tǒng)及元器件的狀態(tài),當(dāng)飛行器發(fā)生異常時(shí)把它恢復(fù)到正常狀態(tài),以及在系統(tǒng)故障出現(xiàn)后,使它對(duì)系統(tǒng)安全和所執(zhí)行的任務(wù)的危害最小。“飛行器健康監(jiān)控”于20世紀(jì)90年代在研究機(jī)構(gòu)內(nèi)廣泛傳播,NASA與ARINC公司合作成功研制了“飛機(jī)狀態(tài)分析與管理系統(tǒng)”,NASA將Qualtech公司開(kāi)發(fā)的方案“綜合系統(tǒng)健康管理(ISHM)”應(yīng)用于航天飛機(jī),進(jìn)行健康狀況的監(jiān)控及故障診斷排查。PHM(“故障預(yù)測(cè)與健康管理”或叫“產(chǎn)品健康管理”)于20世紀(jì)90年代末在英美等國(guó)家軍方合作開(kāi)發(fā)的JSF項(xiàng)目中提出,該項(xiàng)目的PHM系統(tǒng)將機(jī)內(nèi)自檢與狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行延伸發(fā)展,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)維修管理。

目前健康管理技術(shù)在美國(guó)得到了深入研究,已從方案設(shè)計(jì)階段發(fā)展到工程應(yīng)用階段,已在軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域得到不斷推廣,歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在與美國(guó)飛機(jī)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展緊密合作共同推進(jìn)飛行器健康監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)的發(fā)展。

我國(guó)在健康管理技術(shù)研究方面起步較晚,隨著對(duì)飛機(jī)可靠性要求的提高,研究全壽命周期內(nèi)飛機(jī)的健康管理越來(lái)越重要,對(duì)國(guó)外相關(guān)技術(shù)跟蹤研究的同時(shí),我國(guó)也開(kāi)展了健康管理技術(shù)的深入研究工作。我國(guó)早期健康管理方面多用于民航,自主研發(fā)成果主要用于飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的性能監(jiān)控的軟件方面,硬件與軟件方面結(jié)合使用的應(yīng)用成果較少。目前我軍的飛機(jī)裝備已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控與健康管理,因而飛機(jī)的重要載荷機(jī)載光電系統(tǒng)也必須進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控與健康管理設(shè)計(jì)。

3 光電系統(tǒng)的健康管理設(shè)計(jì)

3.1 光電系統(tǒng)的健康管理概述

光電系統(tǒng)[6]是由光電轉(zhuǎn)塔(內(nèi)含電視、熱像、激光器)和光電電子箱組成,其中電子箱包含供電單元、伺服控制單元、任務(wù)管理單元和跟蹤單元。光電系統(tǒng)內(nèi)部集成大量的光電傳感器,主要包括可見(jiàn)光電視、CCD相機(jī)、激光器、多光譜相機(jī)、紅外熱像儀、光斑跟蹤器等。利用健康管理技術(shù)可監(jiān)測(cè)和評(píng)估機(jī)載光電系統(tǒng)的健康狀況,所以可在機(jī)載光電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)嵌入健康管理模塊對(duì)光電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估,使系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集能力,自檢測(cè)能力,信息融合和處理能力,故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)能力等。將光電系統(tǒng)的各子系統(tǒng)中所獲得的狀態(tài)信息集中到健康管理系統(tǒng),并與數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)比較分析,檢測(cè)和預(yù)報(bào)子系統(tǒng)或部件的故障,對(duì)故障進(jìn)行隔離和選擇合適的方法維修處理,因故障的致因可能多方面,維修后應(yīng)繼續(xù)檢測(cè)判斷是否維修有效或者是否全面維修。

3.2 機(jī)載光電系統(tǒng)健康管理的四個(gè)周期性任務(wù)

機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理是周期性的在進(jìn)行四個(gè)任務(wù)[7],具體見(jiàn)圖1。

1) 健康狀態(tài)的判斷:傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息以及工作參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)融合處理,與健康基線(xiàn)作比較判斷系統(tǒng)的健康狀況,若系統(tǒng)正常繼續(xù)采集判斷,若發(fā)生故障判斷故障程度、位置及原因,并能通過(guò)解釋信息保證用戶(hù)了解系統(tǒng)目前狀況。

2) 對(duì)故障進(jìn)行緩解:對(duì)故障危害進(jìn)行分析,調(diào)整任務(wù)方案或措施補(bǔ)償故障帶來(lái)的影響,或關(guān)閉某些功能以防發(fā)生更大災(zāi)難,最大化任務(wù)有效性的同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理。

3) 對(duì)故障進(jìn)行維修:因作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜,執(zhí)行任務(wù)豐富,若診斷出故障原因及故障位置,應(yīng)快速準(zhǔn)確地選擇維修方案進(jìn)行維修或更換元部件,以減少不必要的損失。

4) 驗(yàn)證維修的正確性:需要維修的故障有時(shí)只有單一故障有時(shí)卻有多個(gè)故障,驗(yàn)證系統(tǒng)是否及時(shí)得到正確的維修,可根據(jù)系統(tǒng)是否恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證維修效果,每一次故障都至少有一次健康管理的周期活動(dòng)。

圖1 健康管理的周期任務(wù)

3.3 光電系統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)組成

對(duì)PHM的通用體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[8],設(shè)計(jì)機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理由以下幾個(gè)部分組成:狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)與健康管理等模塊(見(jiàn)圖2)。

圖2 機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理組成示意圖

狀態(tài)監(jiān)測(cè):接受來(lái)自傳感器或采集電路采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去噪、濾波轉(zhuǎn)換等處理以及其它狀態(tài)監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的期望的數(shù)據(jù)值或數(shù)值范圍進(jìn)行比較進(jìn)而判斷系統(tǒng)的狀態(tài),并且根據(jù)事先預(yù)定的各種參數(shù)指標(biāo)極限值(閾值)來(lái)提供故障報(bào)警能力。

健康評(píng)估:首先判斷傳感器或采集電路是否能正常工作,再接受來(lái)自不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)器或其它健康評(píng)估模塊的數(shù)據(jù),評(píng)估被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)子系統(tǒng)部件的健康狀態(tài)是否退化,可以產(chǎn)生健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)記錄并確定故障發(fā)生的時(shí)間、位置與原因,健康監(jiān)控應(yīng)基于各種健康狀態(tài)歷史數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)以及維修歷史數(shù)據(jù)等。

故障預(yù)測(cè):綜合利用前述各部分的數(shù)據(jù)信息,可以評(píng)估預(yù)測(cè)被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)健康狀態(tài),如損傷趨勢(shì)、剩余壽命的預(yù)測(cè)、故障發(fā)生率等。

健康管理:結(jié)合各種數(shù)據(jù)庫(kù)信息及健康評(píng)估和預(yù)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)規(guī)劃合適的維修策略或建議,可在被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生故障之前的適宜時(shí)機(jī)采取維修措施,優(yōu)化備品備件等資源的管理與調(diào)度,以降低維修成本與時(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理[9],需在光電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及上報(bào)處理,它隨光電系統(tǒng)的啟動(dòng)而啟動(dòng)。采集關(guān)鍵部位的電流、電壓等信號(hào)通過(guò)調(diào)整電路輸出為一定范圍內(nèi)的電壓信號(hào)送入檢測(cè)電路,檢測(cè)電路通過(guò)與健康基線(xiàn)的對(duì)比判斷系統(tǒng)及子系統(tǒng)是否正常工作,出現(xiàn)異常上報(bào)任務(wù)管理機(jī),并記錄光電系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障信息及維修信息等,從而對(duì)保障光電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

光電系統(tǒng)的健康管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)是故障的診斷[10]。可采用故障樹(shù)分析診斷系統(tǒng)故障,利用故障樹(shù)的定性分析求出最小割級(jí),再利用故障樹(shù)的定量分析確定最小割級(jí)及其組成單元的診斷順序,其中最小割級(jí)的診斷順序依據(jù)故障概率大小,組成單元診斷順序依據(jù)重要性大小。兼顧了故障發(fā)生大小與模塊的重要性,一定程度上會(huì)避免概率小的故障優(yōu)先診斷,對(duì)故障的快速準(zhǔn)確診斷有一定的保障作用。另一方面,健康管理中知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立較為困難。不僅需要出廠的一些材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能等信息,以確定正常健康基線(xiàn),剩余壽命以及維修策略及手段;還需要考慮惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響,以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互關(guān)聯(lián)的影響,應(yīng)加大這方面的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

健康管理技術(shù)是確保機(jī)載光電系統(tǒng)安全運(yùn)行、保障作戰(zhàn)性能、提高系統(tǒng)的維修性、降低系統(tǒng)整個(gè)壽命周期運(yùn)行成本的關(guān)鍵技術(shù),因此世界各國(guó)都在大力研究發(fā)展健康管理技術(shù)。應(yīng)用于機(jī)載光電系統(tǒng)的健康管理技術(shù)目前還在理論探索階段,各個(gè)方面都需要快速提升。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,健康管理技術(shù)在未來(lái)光電系統(tǒng)中必將得到充分的應(yīng)用,進(jìn)而推進(jìn)整個(gè)維修保障技術(shù)的進(jìn)步。

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Application of Health Management Technology in Airborne Photoelectric System

QI Hua1HUANG Yu1LIU Jun2

(1. Electronic Information Engineering College, Xi’an Technological University, Xi’an 710021) (2. Department of Communication Engineering, Armed Police College of Engineering, Xi’an 710086)

The requirements and development of airborne photoelectric system health management are discussed, and a simple analysis on the health management of photoelectric system is made. This paper introduces the periodic tasks of photoelectric system health management, this paper proposes a health management methods suitable for airborne photoelectric system, expains the aspects that need to improve, and provides the guarantee safe operation for airborne photoelectric system.

airborne photoelectric system, health management, cycle task, fault diagnosis

2016年7月9日,

2016年8月27日

齊華,女,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、信息傳輸、信息處理、信息編碼理論、電磁兼容技術(shù)等研究和應(yīng)用工作。黃玉,女,碩士研究生,研究方向:無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

V249

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.021