基于測試數(shù)據(jù)的裝備健康狀態(tài)評估方法

羅珩娟,劉丙杰,陳建華

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，在保持裝備性能不受影響的前提下對裝備進(jìn)行有效維修的問題愈加突出，故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management，PHM)技術(shù)應(yīng)運而生[1]。故障預(yù)測與健康管理技術(shù)是先進(jìn)測試技術(shù)、診斷技術(shù)與裝備維修管理理論相結(jié)合的產(chǎn)物，借助該系統(tǒng)識別和管理故障的發(fā)生、規(guī)劃維修和決策保障，以達(dá)到降低裝備維修保障費用，提高裝備性能和任務(wù)完成率的目的。

健康狀態(tài)評估作為PHM的一項關(guān)鍵技術(shù)，是實施故障預(yù)測與維修決策的基礎(chǔ)，主要運用先進(jìn)的檢測設(shè)備提取健康特征信息，對信息運用科學(xué)評估方法進(jìn)行分類分析，監(jiān)視設(shè)備系統(tǒng)的健康狀態(tài)，對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警，提高系統(tǒng)維護(hù)保障能力，防止突發(fā)故障對任務(wù)造成影響。

目前，裝備健康狀態(tài)評估方法很多，常用的有模糊綜合評價[2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[4]、支持向量機[5]和深度學(xué)習(xí)[6]等。文獻(xiàn)[3]根據(jù)影響微電網(wǎng)蓄電池荷電狀態(tài)的4個主要因素，建立了健康狀態(tài)評估的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，確保達(dá)到全局最優(yōu)的同時提高了收斂速度。但這種方法只能評估當(dāng)前蓄電池荷電狀態(tài)，且權(quán)重和閾值的初始值對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果影響較大，健康狀態(tài)評估結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[7]將長期貯存的復(fù)雜武器裝備健康狀態(tài)主要分為健康和故障兩類，利用基于時間修正的D-S證據(jù)理論評估正常損耗條件下的裝備健康狀態(tài)，但該種方法對裝備健康狀態(tài)等級分類過于簡單，且影響因素權(quán)重設(shè)定主觀，評估過程使用單一測試數(shù)據(jù)，影響健康狀態(tài)評估準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[8]利用故障樹分析的方法分別對城市軌道交通牽引供電的柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)進(jìn)行分析，得到供電網(wǎng)絡(luò)的健康狀態(tài)評估模型，但這種方法需要自頂至下建立故障樹物理模型，難以適用于復(fù)雜裝備，且效率低，無法描述裝備健康狀態(tài)動態(tài)變化過程。

本文在使用當(dāng)前測試數(shù)據(jù)確定裝備健康度的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注測試數(shù)據(jù)變化過程對裝備健康度的影響，分別對裝備健康度的變化程度和幅度進(jìn)行了分析研究，得到了健康度變化狀態(tài)下的裝備健康狀態(tài)評估的方法，更加符合實際情況。

1 健康狀態(tài)評估方法

1.1 裝備健康狀態(tài)

裝備的健康狀態(tài)描述了裝備執(zhí)行設(shè)計功能的能力，表示了一種狀態(tài)或者一種趨勢，具體說就是裝備保持一定可靠性和維修性水平的能力。保持一定可靠性是指在較長的一段時間內(nèi)裝備能夠正常工作，保持一定維修性是指在未來一段時間內(nèi)即使發(fā)生故障，也能在較短時間內(nèi)修復(fù)。裝備的健康狀態(tài)可以分為良好、正常、注意、惡化和疾病5個等級，良好和正常的狀態(tài)認(rèn)為裝備“健康”，注意狀態(tài)認(rèn)為裝備“亞健康”，惡化和疾病狀態(tài)認(rèn)為裝備“故障”。健康狀態(tài)的裝備可以不采取維修措施，能夠在未來一段時間內(nèi)正常運行，亞健康的裝備需要引起維修保障人員注意，在未來的一段時間內(nèi)裝備可能退化為“故障”狀態(tài)，而處于“故障”狀態(tài)的裝備，已經(jīng)無法滿足任務(wù)需要，應(yīng)暫停使用并對其進(jìn)行維修。

裝備健康狀態(tài)體現(xiàn)了裝備能否滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需要，影響健康狀態(tài)的因素眾多，且無法精確確定。現(xiàn)實裝備使用過程中健康狀態(tài)評估一般都是由測試數(shù)據(jù)結(jié)果來表現(xiàn)得，其測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)偏差越大，則認(rèn)為裝備健康狀態(tài)越差。通過收集測試數(shù)據(jù)，評估裝備健康狀態(tài)，對可能故障進(jìn)行預(yù)測，并對故障進(jìn)行定位，為精確化維修提供決策依據(jù)，促使維修方式由事后維修向基于狀態(tài)的維修轉(zhuǎn)變。

1.2 健康狀態(tài)評估方法

想要對裝備進(jìn)行健康狀態(tài)評估，首先要利用先進(jìn)的測試技術(shù)獲得可以直接或間接表征裝備健康狀態(tài)的的參數(shù)信息。裝備測試時，一般主要檢查測試數(shù)據(jù)是不是在正常范圍內(nèi)。如果在正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為正常；否則不正常。但是，在裝備測試中經(jīng)常出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)呈趨勢性變化，如多次測試連續(xù)變小或連續(xù)變大，這種情況下僅僅以當(dāng)前測試值作為判斷依據(jù)并不能完全真實反映裝備的健康等級程度，所以本論文提出一種復(fù)合式裝備健康狀態(tài)評估方法。該方法不僅能反映當(dāng)前測試狀態(tài)下的裝備狀態(tài)，還能反映裝備健康的變化規(guī)律。

假設(shè)武器裝備某部件測試數(shù)據(jù)的正常范圍為：[dmin,dmax]，假設(shè)測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，某次測試數(shù)據(jù)為d，則部件基本健康度為：

(1)

即測試數(shù)據(jù)如果符合數(shù)據(jù)正常范圍要求，基本健康度為1，若不符合，基本健康度則為0。

部件測試數(shù)據(jù)變化率為：

如果有：

|vi|=-vi(i=1,…,r)或|vi|=vi(i=1,…,r)

即測試數(shù)據(jù)連續(xù)r次向同一個方向變化，則裝備健康變化率為：

hv=-0.01n+1.02,hv≥0,n≥3

(2)

其中：n為連續(xù)相同一個方向變化的次數(shù)。hv與n關(guān)系如表1所示。

表1 hv與n關(guān)系

即如果測試數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)上下浮動，則健康變化率為1，如果連續(xù)出現(xiàn)大于等于三次升高(或降低)，則部件正在惡化，健康變化率降低。

除了考慮健康變化率，還應(yīng)考慮健康變化幅度，即如果測試數(shù)據(jù)變化幅度較大，相應(yīng)的健康度也要下降較快，據(jù)此定義健康變化幅度為測試數(shù)據(jù)連續(xù)變化的幅度大小。定義如下公式：

(3)

式中，dn為第n次測試的數(shù)據(jù)，從第n次測試的數(shù)據(jù)開始，持續(xù)一個方向變化；dn+r為第n+r次持續(xù)一個方向變化的測試數(shù)據(jù)。

通過上式可以看出，如果測試數(shù)據(jù)連續(xù)三次在同一個方向上發(fā)生變化，則部件健康度朝著惡化的方向發(fā)展，基本符合實際情況。部件健康度為：

H=hb×hv×hf

(4)

假設(shè)裝備由m個部件組成，每個部件健康度為，則串聯(lián)結(jié)構(gòu)的裝備健康度為：

(5)

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的裝備健康度為：

(6)

武器系統(tǒng)健康度為：

H裝備=h串聯(lián)×h并聯(lián)

(7)

根據(jù)上式，結(jié)合裝備測試數(shù)據(jù)即可計算裝備的健康度。

健康狀態(tài)評估具體步驟如下。

1)獲取測試數(shù)據(jù)：使用先進(jìn)檢測設(shè)備定期對裝備進(jìn)行檢測，獲取直接或間接表征裝備健康狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)信息。

2)計算基本健康度hb：觀察測試數(shù)據(jù)是否符合正常范圍，如果符合，基本健康度為1，如果不符合基本健康度為0。

3)計算健康變化率hv：觀察測試數(shù)據(jù)變化方向，如果測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)大于等于三次向著同一個方向發(fā)展，則證明健康狀態(tài)有惡化趨勢，運用公式(2)計算得裝備健康變化率。

4)計算健康變化幅度hf：測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)大于等于三次向著同一個方向變化的情況下，分別計算變化過程中第r次測試數(shù)據(jù)相對于變化初始時刻測試數(shù)據(jù)的變化程度，利用公式(3)計算健康變化幅度。

5)計算部件健康度H：單一部件健康度等于裝備基本健康度、健康變化率和健康變化幅度三者之積。

6)計算裝備健康度H裝備：判斷裝備各部件之間串并聯(lián)情況，根據(jù)公式(7)計算武器系統(tǒng)健康度。

2 實例驗證

2.1 實例1

本項目以某導(dǎo)彈發(fā)動機壓力為例進(jìn)行仿真實驗。導(dǎo)彈發(fā)動機壓力是衡量發(fā)動機狀態(tài)的重要參數(shù)，如果發(fā)動機壓力不滿足要求，對導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用將產(chǎn)生重要影響。因而，需要及時獲知發(fā)動機壓力數(shù)據(jù)，以便對發(fā)動機及時維護(hù)。以下是某型導(dǎo)彈發(fā)動機壓力測試數(shù)據(jù)。按照指標(biāo)要求，發(fā)動機壓力的正常范圍區(qū)間為：0.65±0.01 MPa。該型導(dǎo)彈發(fā)動機測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導(dǎo)彈測試期間各級發(fā)動機壓力傳感器測試數(shù)據(jù)

由于兩個傳感器測試的數(shù)據(jù)反映的都是一個發(fā)動機狀態(tài)，所以，我們只對3個發(fā)動機中的一個其中的設(shè)定r=3，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，計算各發(fā)動機的健康度如表3所示。

表3 導(dǎo)彈測試期間各級發(fā)動機健康度數(shù)據(jù)

分析表2～3，如果按照傳統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，只以當(dāng)前測試數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，則實例1中各個測試時間下一級發(fā)動機和二級發(fā)動機健康度均為1，均符合發(fā)動機壓力的正常范圍。但觀察表1可知二級發(fā)動機M2yc1的測試數(shù)據(jù)從5月15日到7月22日一直增大，測試數(shù)據(jù)持續(xù)向一個方向變化，有超過閾值可能，說明此時裝備健康狀態(tài)正在惡化，而健康度仍為1并不合理，無法反應(yīng)裝備變化狀態(tài)也無法引起使用者關(guān)注。根據(jù)本文提出的方法，利用公式(4)對一級發(fā)動機和二級發(fā)動機的健康度進(jìn)行計算，所得結(jié)果與實際測試值所反映的發(fā)動機狀態(tài)基本一致，符合現(xiàn)實使用需要，更加直觀科學(xué)反應(yīng)發(fā)動機健康狀態(tài)。

2.2 實例2

本課題以某型導(dǎo)彈Ⅱ級伺服機構(gòu)油面測試為例進(jìn)行仿真實驗。伺服系統(tǒng)是某型潛射導(dǎo)彈姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，伺服液壓源是伺服機構(gòu)的動力源，為了確保導(dǎo)彈能夠完全按照彈上控制系統(tǒng)指令飛行，就必須保證伺服工作液充足。這就需要對伺服工作液進(jìn)行定期檢測測試，評估伺服機構(gòu)的健康狀態(tài)。當(dāng)前，伺服工作液的測試都是實時測試，只要所測數(shù)據(jù)符合規(guī)定數(shù)據(jù)要求即判斷合格。但是，隨著潛艇載彈值班時間、次數(shù)的增加，伺服工作液可能出現(xiàn)泄漏、滲漏、揮發(fā)等故障，一旦故障發(fā)生，只能返回原廠維修，將嚴(yán)重影響導(dǎo)彈值班、發(fā)射等作戰(zhàn)任務(wù)的實施，在歷次導(dǎo)彈測試、訓(xùn)練、試驗中也出現(xiàn)過類似故障，影響任務(wù)順利完成。所以如果能夠根據(jù)測試數(shù)據(jù)事先預(yù)測伺服工作液狀態(tài)，為使用者提供準(zhǔn)確的維修策略依據(jù)，實現(xiàn)裝備的預(yù)防性維修，將大大提高潛射導(dǎo)彈的綜合保障能力，確保戰(zhàn)備任務(wù)的順利完成。

1)導(dǎo)彈伺服機構(gòu)伺服液壓源：

伺服液壓源是伺服機構(gòu)的動力源，由燃?xì)鉁u輪泵和油源組件兩部分組成，燃?xì)鉁u輪泵由渦輪轉(zhuǎn)子、動密封組件、轉(zhuǎn)速傳感器等組成，見圖1所示。

圖1 伺服液壓源結(jié)構(gòu)組成示意圖

2)實測數(shù)據(jù)：

某導(dǎo)彈伺服機構(gòu)液面測試數(shù)據(jù)要求范圍：[4.5,5.0]。歷次測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表4所示。

表4 導(dǎo)彈測試期間伺服機構(gòu)二級油面測試數(shù)據(jù)

根據(jù)健康度計算公式，計算伺服機構(gòu)健康度如表5所示。

表5 導(dǎo)彈測試期間伺服機構(gòu)健康度數(shù)據(jù)

分析表3表4，如果按照傳統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法，只以當(dāng)前測試數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)判斷發(fā)動機健康狀態(tài)，則實例2中除2015年1月8日外各個測試時間下伺服機構(gòu)健康度均為1，均符合伺服機構(gòu)液面測試數(shù)據(jù)要求范圍。但觀察表3可知伺服機構(gòu)二級油面測試數(shù)據(jù)從2014年8月24日到2015年1月8日一直減小，測試數(shù)據(jù)持續(xù)向一個方向變化，最終超過閾值，裝備出現(xiàn)故障，在此變化過程中，傳統(tǒng)健康度評估方法無法反映變化趨勢，提醒使用者裝備即將可能故障，使用者也無法及時對裝備進(jìn)行維修，直至裝備出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重影響。根據(jù)本文提出的方法，利用公式(4)對伺服機構(gòu)的健康度進(jìn)行計算，當(dāng)裝備健康狀態(tài)出現(xiàn)惡化趨勢時即可提醒使用者采取維修措施，避免裝備徹底故障停機，更加符合基于狀態(tài)的維修要求，提高裝備利用率，確保任務(wù)完成率。

3 結(jié)束語

裝備健康狀態(tài)評估是PHM技術(shù)的一項重要功能，良好的健康狀態(tài)是裝備保持和發(fā)揮戰(zhàn)斗力的重要保證，確定潛在故障發(fā)生時刻和定位故障位置也為維修決策提供依據(jù)，確保裝備可以在較短時間內(nèi)恢復(fù)性能，保證任務(wù)的順利完成。針對當(dāng)前裝備健康狀態(tài)評估方法無法反映健康狀態(tài)變化過程的問題，本文提出了一種新型的基于測試數(shù)據(jù)的裝備健康狀態(tài)評估方法，重點關(guān)注測試數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程對裝備健康度的影響，得到了健康度變化狀態(tài)下的裝備健康狀態(tài)評估的方法。通過某型潛射導(dǎo)彈裝備實例分析表明，該方法更符合現(xiàn)實需要，能更加準(zhǔn)確評估裝備健康狀態(tài)，為使用者維修決策提供可靠依據(jù)。