機載導彈發射裝置PHM系統總體設計

趙月琴 張勝利 肖守邦

摘 要：????? 預測與健康管理（PHM）是近年來在軍用裝備研制中提出的一種新的保障技術手段。 機載導彈發射裝置作為機載武器系統的配套產品， 已納入飛機PHM系統設計中。 本文介紹了PHM的基本概念和關鍵技術， 并根據發射裝置的功能特點， 提出了在線和離線相結合的發射裝置PHM框架結構， 最后探討了實施PHM部位原則、 監測參數的選取以及故障預測和維護管理方法。

關鍵詞：???? 預測與健康管理（PHM）; 發射裝置; 故障診斷; 故障預測

中圖分類號：??? TJ768.2 文獻標識碼：???? A? 文章編號：???? 1673-5048（2018）01-0087-06

0 引? 言

預測與健康管理（PHM）技術是由美國軍方最早提出和發展起來， PHM是對武器系統傳統機內測試（BIT）和健康狀態監控能力的進一步增強， 實現了從武器狀態監控到健康管理的轉變， 借助故障預測和健康管理系統， 識別和管理故障的發生、 規劃維修和決策保障， 以此降低使用和維護費用[1-3]。 隨著我國航空武器裝備的發展， 新一代戰機的高機動、 隱身以及全天候特性， 對機載設備包括導彈發射裝置不但在可靠性、 安全性、 環境適應性方面提出了更高的要求， 而且對產品的維修保障方面也提出了如預測與健康管理和適航性等全新的概念和要求。 目前國內外有關武器裝備的PHM研究大多針對大的工程系統或子系統， 如飛機或發動機、 綜合航空電子系統， 衛星、 導彈系統等， 而有關設備級特別是機電一體化產品的相關文獻較少， 而且不同領域的PHM采用的技術和理論方法不同， 沒有現成的案例可借鑒。 本文通過對國內外相關文獻和資料的學習研究， 根據PHM的概念和內涵， 對機載導彈發射裝置進行PHM系統總體設計研究。 分析飛機系統PHM的功能層次和物理層次關系， 確定產品級的PHM框架以及與飛機系統的數據傳輸硬件接口。 結合產品設計過程中的壽命和FMECA分析， 確定被檢測對象， 選擇監測參數， 從而確定監測點并進行傳感器布局。 對故障診斷和預測方法、 產品維護決策方法進行探討。

1 PHM技術

1.1 PHM的基本概念

PHM是指利用各種傳感器在線監測、 定期巡檢和離線檢測相結合的方法， 廣泛獲取設備狀態信息， 借助各種智能推理算法（物理模型、 神經元網絡、 數據融合、 模糊邏輯、 專家診斷系統等）， 在系統發生故障之前， 評估設備本身的健康狀態， 對壽命件給出剩余壽命評估， 并提供維修保障決策及實施計劃等， 以實現系統的視情維修[4]。

PHM技術的核心內容包括功能框架搭建、 物理架構布局、 故障預測與健康管理， 具體設計工作包括：

BITE設計、 傳感器選擇與布局、 數據采集與處理、 信息傳輸和融合、 故障診斷與預測模型的建立、 整機或部件剩余壽命預測、 維修建議生成等。

PHM的體系結構分為功能和物理兩個層面。

功能結構上， 國內大都參照了CBM（視情維修開放體系）的體系結構。 文獻[3] 參照OSA-CBM構建空空導彈的PHM結構模型; 文獻[4]提出視情維修的開放體系結構（OSA2CBM， open system architecture for condition based maintenance）， 用于指導構建機械、 電子和結構等領域的各種具體類型的PHM系統。 OSA2CBM主要由7個部分構成：? ① 數據采集和傳輸; ② 數據處理; ③ 狀態監測; ④ 健康評估; ⑤ 故障預測; ⑥ 自動推理決策; ⑦ 接口。 物理層面體系結構， 是指對上述7個功能模塊在工程系統中的具體物理布局， 通常包括3種： 集中式、 分布式、 綜合式[5]， 許多機載或星載系統將PHM分為機上（或星上）和地面兩個部分， 也有些系統稱為在線PHM系統和離線PHM系統 [5-9]。

1.2 關鍵技術

PHM的核心或關鍵技術即為預測和健康管理， 這也是判斷一個產品是否具有PHM功能的一個標志。 所謂預測， 即預計部件或系統完成其功能的狀態， 包括確定部件的殘余壽命或正常工作的時間長度。 所謂健康管理， 是根據診斷/預測信息、 可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策的能力。

PHM的基本原理是基于絕大部分故障在真正發生前都有一定的征兆， 而且故障征兆、 故障原因、 故障部位之間存在著某種線性或非線性的映射關系， 找到這種映射關系即推理方法和模型， 通過傳感器對反映故障征兆的信號進行采集、 檢測和分析， 再通過故障模型或推理方法， 就能在故障發生前， 對可能發生故障的原因和部位進行預測。 故障預測技術從方法和技術路線上可分為3大類： ① 基于模型的故障預測技術; ② 基于知識的故障預測技術; ③ 基于數據的故障預測技術[10-11]。 典型基于知識的故障預測方法有專家系統和模糊邏輯。 典型基于數據的故障預測方法有神經網絡和隱馬爾可夫模型。 文獻[11]給出了16種故障預測方法并簡要比較各種方法的優缺點。

2 發射裝置PHM設計分析

機載導彈發射裝置作為機載武器系統的一個組成部分， 其健康管理系統的設計不是孤立的， 而應與整個飛機系統相兼容， 其PHM設計工作應納入飛機系統的PHM體系中， 在大系統框架下開展產品級的PHM設計。

2.1 發射裝置功能組成及保障模式現狀

機載導彈發射裝置以飛機為平臺， 用于導彈的掛裝、 運載和控制發射。 機載導彈發射裝置是連接飛機武器系統和空空導彈的橋梁和紐帶， 一般由結構、 電氣兩大部分組成。 結構部分一般由殼體、 局部導軌、 機架吊掛螺栓或叉耳接口、 鎖制器、 彈架插頭分離機構、 頭尾整流罩等組成， 實現與飛機的機械連接和懸掛導彈， 保證導彈能夠可靠懸掛和發射（或彈射）離軌。 電氣部分一般由微處理器控制電路模塊、 接口電路板模塊和二次電源模塊及安裝結構等組成， 向上與飛機外掛管理子系統連接， 向下通過臍帶電纜與導彈連接， 通過與飛機發控線路交聯， 完成導彈供電、 信息通訊與信號格式轉換、 發射和應急發射等控制， 其中包括發射裝置鎖制器開鎖控制等。

機載導彈發射裝置屬于機電一體化產品， 其傳統的保障模式為三級維修體制， 以事后維修和定期維修為主， 結合日常維護檢查。 檢測設備依賴隨機配套保障設備， 如內、 外場測試儀（包括電氣測試儀、 氣動測試儀、 機械測力計等）。 產品維修模式屬于觸發式維修， 即當產品出現故障后進行的針對性維修， 這種維修模式不能對潛在故障進行提前預測和維修; 定期維修的概念是不管產品有無故障， 都在規定的時間如機械日、 產品定檢日等對產品進行全面的維護、 檢修， 這種方式存在盲目性， 其缺點是造成人力和物力的浪費。 此外， 在導彈發射前后， 一般要用內、 外場測試儀對發射裝置進行在線或離線自動測試設備（ATE）測試， 測試內容以電氣性能為主， 而結構方面以外觀檢查為主。 測試設備按既定的正常和故障程序對產品進行測試， 通過測試參數與預先設定的合格判據進行比較， 得出產品的測試結果， 由于考慮到產品的批量生產等因素， 往往合格判據較寬泛， 只能靠人工可能發現或許根本就不可能發現產品的潛在故障。

2.2 發射裝置PHM結構框架設計分析

根據文獻[5]、 [10]， 飛機系統的PHM一般為綜合式， 其檢測關鍵部件的傳感器分布在各子系統的各產品中， 采集數據在本地進行初步處理和判斷后逐級上報， 最后由中心PHM系統進行數據融合和綜合處理。 機載導彈發射裝置作為懸掛武器管理子系統中的一個產品， 其電氣接口一般包括上接口、 下接口和檢測接口。 上接口為機架接口， 下接口為彈架接口， 統稱為任務接口。 檢測接口一般用于發射裝置的內外場測試、 維護接口。 任務接口一般要求貫徹GJB1188A標準， 軟硬件資源有限， 在目前條件下PHM數據不可能大量經由任務接口傳輸， 但其檢測接口可根據需要進行設計， 該接口一般與地面設備連接， 所以發射裝置PHM的物理結構也可分為在線和離線兩個部分， 其中在線部分借助深度自檢測， 完成顯性參數的采集和判斷， 通過任務接口上報至飛機。 離線部分利用地面測試設備如外場測試儀或專用便攜計算機， 對在線記錄如振動、 溫度、 電壓、 電流等數據通過有線或無線下載， 利用地面設備的資源進行離線故障診斷、 故障預測、 狀態分析以及維修決策。 發射裝置PHM系統的物理結構框架如圖1所示。

2.2.1 在線部分功能分析

在線部分的PHM功能利用發控電路盒的資源完成， 該功能嵌入在發控任務中。 為了減輕發控電路盒的資源負擔， 可將監測數據分為顯性數據和隱性數據。 電壓、 電流、 壓力、 時間等參數， 由于其判斷方法較為簡單， 通過時域分析， 可得到信號的峰值或均方根值等， 可直接用于電路工作狀態的判斷， 稱為顯性參數。 而隱性參數如產品的頻譜、 溫度、 振動、 應力等， 其背后隱含著產品的物理特征如電路功耗、 機構狀態、 結構疲勞損傷等， 主要用于發射裝置機械結構功能的監測。 其中顯性參數通過發控計算機進行簡單處理、 判斷后在線上報至飛機外掛管理系統; 隱性參數則由發控計算機進行在線記錄， 待飛機返回地面后下載至離線設備或數據處理中心， 進行復雜的故障或剩余壽命預測以及健康管理。

2.2.2 離線部分功能分析

離線部分用于完成復雜的故障預測或剩余壽命預測以及健康管理工作， 離線部分的數據來源廣， 不僅包括在線記錄數據， 也包括大量生產數據、 外場測試數據等， 由于離線計算機的資源強大， 因此可以設計各種包含特征提取、 數據融合、 預測算法、 模型的分析軟件， 完成需要大量計算的預測和健康管理工作。

由于發射裝置產品基本都配置了內場測試設備和外場測試設備， 內場測試設備屬于離位ATE設備， 通過模擬載機接口和導彈接口對發射裝置構成閉環系統對其進行離位定量測試; ?外場測試設備屬于在線、 半開環、 定性測試設備， 在外場當飛機掛裝發射裝置后模擬導彈接口對發射裝置進行掛彈前的檢查。 對于發射裝置的機械部分則配置了測力計， 用于導軌發射裝置鎖制器開鎖力測試， 這些設備在產品出廠前、 后進行了大量的測試， 設備存有大量數據， 對分析整體產品狀態或單個產品狀態提供了大量的數據支持， 再加上在線部分的記錄數據， 可以進行基于數據的故障預測或剩余壽命分析。

2.3 實施PHM的功能部件的確定

產品在建立了PHM功能和物理頂層框架后， 接下來的設計工作就是確定被檢測對象， 然后選定監測參數， 布置傳感器、 提取特征參數進行故障預測和管理。 一般選擇產品的關鍵部件進行故障預測與健康管理， 所謂關鍵部件是指其一旦發生故障會給產品造成十分嚴重影響的部件， 這可從可靠性設計分析入手。 可靠性設計分析包括可靠性分配、 預計， FMECA（故障模式及影響分析）、 FTA（故障樹分析）， 產品壽命分析等， 這些工作是軍工產品研制過程的基本內容， 不僅是產品進行設計優化、 測試性設計、 可靠性冗余設計的依據， 也可作為產品實施PHM設計的依據。 FMECA分析報告中識別的關重件清單是產品實施PHM的重點監測對象; 通過壽命分析和可靠性預計等報告， 進一步篩選出易損件及短壽件。 通過FTA分析可以確定監測點等。 通過對上述報告的綜合分析可以建立產品關重件的故障模式、 故障原因、 故障現象、 危害度、 嚴酷度、 傳感器布置難度和PHM實施成本的多維度關系表， 優先選擇故障率高、 危害性大的故障模式作為監測源、 測試點選擇的依據， 如表1所示。

從表1可知， 結構關鍵部件主要有殼體、 吊掛螺栓、 局部導軌， 電氣部分主要有減振器、 部分重要電路、 微動開關等。 根據對發射裝置科研生產以及外場使用數據搜集， 發射裝置結構方面的常見故障部件和故障模式有彈簧斷裂、 結構裂紋， 產生故障的原因主要有靜動態載荷、? 沖擊、 振動、 銹蝕等。 因此， 對這些部件監測的傳感器的選取應包括振動傳感器、 應變式傳感器等。

電氣故障主要包括： 信號傳輸線路短路或斷路、 二次電源故障、 繼電器故障、 微動開關故障， 與該類故障相關的電路板和器件都是進行狀態監測和健康管理的對象， 監測參數包括電壓、 電流、 溫度等。

對某些安全關鍵部件、 零件或器件， 雖然重要， 但根據多年工程經驗和大量保障數據分析， 這些部位可靠性很高， 幾乎不會出現問題且安裝傳感器有困難， 如發射裝置導軌， 文獻[12]對發射裝置導軌的隨機振動疲勞壽命進行了計算分析， 計算出導軌的疲勞壽命為286～429 h， 遠遠滿足隨機振動試驗規定的80 h時間。 實際試驗和使用也驗證了這一點， 說明發射裝置對關鍵部位的設計余量還是很大的， 可暫不考慮實施PHM， 只需在日常應用中注意觀察即可。

2.4 監測參數選取

表1中列出了發射裝置重點監測對象的監測參數的選取原則。 機載武器設備的外部環境條件嚴酷， 特別是飛機起降時的沖擊、 巡航或戰斗時的振動、 離心力、 空氣動力環境， 以及溫、 濕度環境等， 都與地面的武器裝備環境條件有較大的區別， 會降低武器裝備的可靠性， 尤其是對機械結構和電氣系統損傷極大， 是系統故障的重要原因。 所以， 監測參數可以針對激發故障的外部環境參數進行監測， 稱之為間接參數監測， 一旦發現有超過設計要求的振動、 沖擊應力， 就可給出維護建議， 如需維護的組部件以及檢測內容。 另一種監測則是針對反映檢測對象故障征兆的直接參數變化或隱含特征參數數據， 如結構件的疲勞變形、 裂紋， 開鎖力的變化或具體電路的電壓、 電流以及殼溫參數等， 稱之為直接參數監測。 目前對發射裝置關鍵結構部件實施PHM的主要問題： 一是布置傳感器困難或特征數據獲取困難;? 二是沒有現成的各種故障預測模型。 在這種情況下可以采用環境參數監測方法， 可定性地給出系統維護意見， 這樣可以盡可能減少傳感器的布置。

發射裝置電氣部分主要包括微處理器電路、 數字電路、 模擬電路、 二次電源以及功率信號處理電路等， 獲得數據相對容易， 可以采用直接參數監測模式。 根據經驗， 數字集成電路的故障可以反映在具體芯片或整個系統的工作電流上， 所以監測數字電路的工作電流是數字電路狀態監控的重點參數選項。 而模擬電路和二次電源的性能退化直至失效一般是漸變性的， 可通過高速的A/D采樣， 進行狀態監控和數據收集。 對于發射裝置中常用的功率較大的器件， 按長時工作和短時工作模式采用不同的監控策略， 對長時工作模式， 導彈電源控制電路可采用測溫電路對器件的表面溫度進行監測， 獲得器件溫度參數的變化特征和趨勢， 來完成其故障預測，? 對于短時工作模式， 如電池激活、 發動機點火輸出控制繼電器， 可采用監測輸入輸出壓降變化的方法完成數據提取。

3 PHM相關技術方法適應性分析

通過各種傳感器以及內、 外場測試設備得到的原始數據， 基本都屬于時域范圍的電壓、 電流信號， 有些為直接測量信號， 有些為物理變換信號， 如溫度和振動（位移）信號。 收集到原始數據后， 要根據這些信號來進行故障診斷、 故障預測以及剩余壽命評估， 即要對這些數據進行信號處理， 提取特征參數。 信號處理方法主要包括時域分析、 頻域分析、 時頻域分析、 高階統計量分析等。 通過時域分析可得到信號的時域特征信息， 如均值、 方差、 有效值（均方根）、 峰峰值等， 其中均值描述了信號的直流成分， 方差描述了信號對于均值的離散程度， 有效值反映了信號總體能量的大小。 通過頻域分析可得到信號的頻譜、 相位等， 而信號的均方根值、 峰值、 頻率、 相位等參數都可能包含有故障特征， 找到故障或壽命與特征信號關聯的映射關系， 從而完成故障或壽命的預測。 前面提到的3種常用故障預測方法， 對于發射裝置的關鍵組部件， 由于其使用環境復雜， 通常難以建立精確的數學模型， 因此尚不能采用基于模型的故障預測技術方法; 第2種基于知識的故障預測方法可以在發射裝置中嘗試， 因為發射裝置經歷了數十年的研制和使用， 積累了大量的知識和經驗， 但需要建立知識庫， 并進行知識規則化表述方面的研究;? 第3種基于數據的故障預測方法則是一種較實用的方法， 通過現有數據和歷史數據從數據統計特性的角度進行故障預測， 主要包括貝葉斯方法、 D-S證據方法、 似然比檢驗、 極大似然估計、 最大后驗概率估計和最小均方誤差估計等[8]。 可根據具體應用對這些方法進行深入研究后選用。

健康管理部分則是根據預測的故障部位進行智能推理， 給出維修決策， 對于大系統的健康管理， 最終要實現的維修決策包括： 裝備維修計劃制定、 裝備維修備件采購計劃、 裝備維修任務調度和裝備維修資源的統一調配等。 對于產品級， 做到提出維修部位的建議， 是否更換零部件、 是否返廠進行深度維修即可。 對發射裝置來說， 在PHM設計還很不完善的階段， 還要融合常規的人工檢查的數據和經驗， 給出維修指導， 主要包括組部件或元器件、 零件的更換或者進一步檢查， 如減振器、 微動開關、 電氣組件、 局部零件等。

4 結論與展望

本文根據PHM的基本概念和內涵以及主機的要求， 進行了機載導彈發射裝置PHM系統的結構框架設計， 給出了實施PHM部件及其檢測參數選取原則， 需要注意的是，? 對設備級的產品， 不是所有的功能部件都必須實施PHM， 而應結合產品自身的特點， 在重要程度、 可靠性、 實施難度、 經濟性和進度等之間綜合權衡。

從傳統的依賴外部設備測試的保障方式轉變為以PHM為核心技術的視情維修需要一個過程， 首先要轉變觀念， 然后是掌握相關方法和技術， 最后應納入到產品設計過程中。 在PHM設計還很不完善的階段， 機載導彈發射裝置的維護保障還需要人工介入， 對智能系統達不到的維護部位進行維護。 未來要設計完善實用的發射裝置PHM系統， 還需加強如下研究工作：

（1） 傳感器應用技術研究;

（2） 對特定故障模式， 開展基于模型的故障預測技術研究;

（3） 建立發射裝置知識庫， 進行知識規則化表述研究;

（4） 開展與保障設備互動的技術研究。

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