雷達系統預測與健康管理總體架構設計

秦 赟，王 飛，李 偉，張志強

(1. 中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153;2. 海軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

測試性作為裝備的一種設計特性具有與通用質量特性中可靠性、維修性、保障性、安全性等同等重要的位置，是構成武器裝備質量特性的重要組成部分。

隨著現代雷達裝備綜合化、智能化程度的不斷提高，對裝備測試性的要求越來越高，傳統機內測試(BIT)、綜合診斷等測試性設計已不能滿足裝備作戰效能完好、經濟性持續保障的需要。因此，預測與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)這類新技術受到裝備研發越來越多的重視和應用。

本文從測試性與PHM的發展入手，整理歸納出PHM所涵蓋的主要功能；與PHM應用較早的航天、航空系統領域進行對比，分析了雷達系統PHM的特點，據此構建了一種雷達系統PHM總體架構設計，并重點針對其中的狀態評估、故障預測兩大核心部分進行研究并給出了典型的總體設計和具體的設計思路。

1 預測與健康管理發展

測試性技術的快速發展經歷了由外部測試到機內測試(BIT)、智能BIT、綜合診斷、故障預測與健康管理(PHM)的發展過程。PHM是對原有測試性設計的進一步拓展，主要是引入了狀態評估、故障預測、維護策略的自動分析生成，實現對設備的視情維修(On-condition Maintenance，OM)，避免傳統的修復性維修(Corrective Maintenance，CM)和計劃維修(Scheduled Maintenance，SM)帶來的設備故障造成重大損失或維修資源的不必要浪費。測試性技術發展演變為PHM技術是一個必然的過程?；趯嶋H需求，從對故障的被動等待處理到故障的主動測試維修，再到事前預測和規劃維護修理。[1]

2 預測與健康管理主要涵蓋內容

2.1 預測與健康管理功能

PHM可完成如下主要功能：故障的檢測、隔離；增強診斷推理；性能狀態評估；任務可執行度分析；使用壽命跟蹤預計；性能退化失效預計；容錯重構處理；預防性維護維修策略；故障維修方案；數據庫管理及信息融合處理；輔助決策與資源管理；結果顯示及報告生成。

2.2 雷達系統PHM特點分析

各領域PHM可完成的主要功能是基本一致的，但在不同領域PHM有著不同的實際需求。相比較PHM應用較早的航天、航空系統領域，PHM在雷達領域的應用還屬于比較新興的研究領域，也有著與航天、航空系統不同的設計要求特點：

(1) 航天、航空系統因為人員、空間、安全等因素的影響，傳感器的設置原本就比較豐富高覆蓋，為PHM要求的原始測試數據的獲取提供了便利；雷達系統往往由于成本、使用場合等客觀因素，傳感器設置相對欠缺。

(2) 航空系統因使用強度高，機械類部件壽命有限，同時出于安全性考慮對故障預測的需求強烈；而航天系統中因為行業要求的高可靠性以及故障后修復的困難性，故障預測的需求從某種相對意義上來說比較緩和；雷達系統對于故障預測的需求則介于兩者之間。

(3) 航天、航空系統為滿足任務成功及駕乘人員安全的需要，故障嚴酷度等級高，故障后余度和重構管理、重構的實時性以及深度要求比雷達系統要求嚴苛。

(4) 航空系統需建立起分布式PHM大系統，需要PHM系統作戰單元級及時的告警以及故障隱患信息的及時下傳，由PHM系統中的中繼級甚至基地級提前按策略準備好維修的資源以提高出動率。雷達系統尤其是艦載、島礁等雷達系統，中繼、基地級的及時維護維修往往在實際作戰中作用不大，更多還是依賴于單作戰平臺單設備建立集中式的PHM系統，依托基層(艦員)級人員及隨機配置資源完成設備的維護。

雷達健康管理更多是利用雷達BIT數據、關鍵特征參數信息、檢測隔離診斷結果、預測結果、設備資源信息、備品備件等維護維修資源信息以及其他相關信息，實時分析評估雷達的健康狀態和任務可執行度，并根據分析評估結果進行維護維修決策生成，依托基層(艦員)級人員及隨機配置的保障資源，實現雷達在全壽命周期內自主和智能化的維護維修保障。

3 雷達系統PHM總體架構設計

目前，基于狀態維修的開放式架構(Open System Architecture for Condition-based Maintenance,OSA-CBM)在PHM領域應用較廣泛。該架構主要從信息交換的角度進行構建。

根據以上分析的雷達系統PHM的特點，結合OSA-CBM架構，設計一種集中式雷達系統PHM總體架構，主要包含狀態處理監測、健康狀態評估、故障狀態預測、維護維修策略、數據庫及管理以及人機交互等幾個部分。具體PHM架構示意如圖1所示。

典型雷達系統PHM架構示意圖中陰影部分是原有常規機內測試(BIT)、智能BIT、綜合診斷所涉及的內容，雷達PHM設計則需要對該部分進行加強設計：

(1) 根據PHM需求的測試點增加相應傳感器；

(2) 基于需求的選擇性測試參數數據處理及特征提取方法；

(3) 增強的綜合診斷設計；

(4) 增加雷達評估狀態、資源的友好化顯示；

(5) 增加維護維修策略的便利化顯示等。

其他無陰影部分則是雷達PHM設計所需要研究實現的部分，其中以健康狀態評估和故障狀態預測兩部分最為重要。

圖1 典型雷達系統PHM架構示意圖

3.1 狀態處理監測

狀態處理監測是對雷達傳統BIT和狀態監控功能的進一步拓展，主要設計內容、流程如下：

(1) 相比較傳統設計而言，需要在原有BIT上報原始故障信息及原始測試參數的基礎上擴充采集必要的測試參數，傳感器層由現有的傳感器加上數量盡可能少的專用傳感器，以及一些由高級算法構成的虛擬傳感器組成，用于完成原始數據收集及自動錄入健康管理數據庫。

(2) 完善或增加一些必要的信號處理，如奇異點的去除、降噪、信息歸類、特征提取，對預處理后的信號進行綜合狀態監測、閾值判斷、參數偏離量計算。原始數據處理計算后結果可同步由健康數據庫記錄供事后分析。

(3) 根據原始數據處理計算后結果進行故障檢測和隔離，實現故障的判別及定位；同時結合綜合知識庫中預先設置及大數據智能學習的相關故障診斷模型，提高綜合診斷能力。輸出設備當前整機、分機、模塊的故障狀態及關鍵參數狀態，其中故障狀態含正常、告警(性能下降接近故障閾值)、故障、未知等綜合狀態以及具體故障模式等其他信息。

3.2 健康狀態評估

根據原始數據處理后結果以及綜合診斷后結果進行綜合健康狀態評估。

3.2.1 主要設計內容

健康評估涉及到對雷達總體、各分系統性能、可靠性、測試性、安全性等多方面的評估?？煽啃钥砂h境控制、設備本身故障預測分析等。測試性包含BITE工作狀態(中央BIT處理異常以及各級BIT通訊狀態)等。安全性可包含發射、伺服等相關運行狀態(發射功率及波形異常、功率反射異常、伺服旋轉運行異常狀態、羅經等外部平臺輸入異常等)監測評估。雷達總體性能以及陣面、發射機、接收機、冷卻等關鍵分系統的性能狀態評估對于雷達實際作戰使用任務的執行意義較大，可以優先考慮。

性能狀態評估主要基于系統裝備戰技指標及分系統關鍵技術指標進行性能評估，輸出性能評估的具體參數數值，例如相控陣有源陣面增益、輻射功率、整機最大作用距離、探測范圍等?；谙到y裝備任務使命功能的任務可執行度評估，輸出警戒搜索、目標指示、氣象探測等典型作戰任務可執行、有限執行、無法執行等層次化影響等級，并可同步分析給出雷達工作方式決策、參數化雷達的選擇配置建議。部分評估任務，如專用維護模式下的相控陣陣面幅相監測、非自動切換的多種工作模式下的狀態評估等等，需要加入評估任務的管理，同步考慮評估的時效性及資源占用率，必要時可人工干預評估過程，以保證狀態評估的覆蓋性、準確性等。

3.2.2 基于任務執行的健康評估設計

以下提出雷達總體、關鍵分系統基于任務執行的性能健康評估設計方向：

(1) 關鍵分系統的狀態及性能評估

? 有源陣面分系統，可收集相控陣天線陣面監測獲得的通道幅相誤差數據和通道故障數量、分布位置等信息(幅相監測)，對通道狀態進行圖形化顯示，給出全陣面、子陣面的可用資源百分比。同時，實時計算給出定量的天線方向圖具體指標數值，包含發射波束增益Gt測試、接收波束增益Gr測試、波束寬度θb測試等。[2-3]

? 傳統雷達的發射分系統，可收集固態發射機監測獲得的發射電源輸出狀態、發射組件功率狀態、分布位置、總輸出功率狀態等信息，對電源、組件狀態進行圖形化顯示，計算給出發射機發射通道的可用資源百分比及總輸出發射峰值功率Pt測試。對于真空管體制發射機，給出總輸出發射峰值功率Pt測試。

? 接收分系統，可測試給出接收機噪聲系數Fn測試等參數。

? 冷卻分系統，對于雷達的任務執行是一個特殊保障的存在，可針對每個冷卻方向，例如陣面、電機、機柜等，根據散熱對象工作的工況，以當前提供的冷卻水溫度、流量等參數計算評估該方向的冷卻效果，給出定性及定量的評估，輔以告警及建議等信息。

(b) 雷達總體性能的狀態評估

? 雷達作用距離評估

根據雷達的具體類型以及探測目標的類型，結合關鍵分系統關鍵參數的監測值，使用典型雷達方程計算評估雷達作用距離。

例如，在給定探測目標類型條件下，固定工作模式下的主動探測雷達作用距離會主要隨著平均發射功率Pt、發射天線增益Gt、接收天線增益Gr、接收機噪聲系數Fn的變化而變化。根據以上4種測試參數，計算給出雷達當前作用距離的評估值，并將評估值與設計值進行對比分析。[2]

? 雷達探測角度精度評估

根據波束寬度測試值θb，估算熱噪聲誤差σθ熱噪聲、目標起伏誤差σθ起伏、機械旋轉雷達方位單元采樣誤差σθ采樣、多路徑傳輸誤差σθ多路徑等，結合天線波束指向誤差σθ指向、平臺調平羅經σθ平臺、大氣折射修正殘差σθ折射等誤差，計算給出雷達當前角精度的評估值，并將評估值與設計值進行對比分析。[3]

? 雷達任務可執行度評估

根據不同作戰任務剖面制定執行任務時雷達性能指標不滿足任務使用要求的閾值，同時根據故障模塊所關聯的任務模式綜合進行功能性能評估，判定雷達是否具備完成任務能力，給指揮員提供定量判斷雷達完成任務能力的依據，為裝備維修保障人員制定維修任務計劃提供支撐。

例如，根據警戒探測、目標指示、氣象探測等任務模式下評估的雷達當前作用距離和雷達探測角度精度，實時給出數值及圖形化提示，同時在探測距離、精度下降不多時給出任務有限執行評估，在不滿足任務要求(比如警戒探測下對典型飛機目標探測距離下降一定百分比；目標指示下對典型反艦導彈探測距離無法保證武器系統反應時間)時給出任務無法執行評估；輔以當前故障模塊所關聯的任務模式判斷，當故障模塊為實現該任務工作流程中必需且有冗余重構手段時給出任務有限執行評估，在無冗余重構手段時給出任務無法執行評估。

3.3 故障狀態預測

預測是收集分析產品的工作狀態數據并對故障何時發生進行預測的技術，主要是對具有退化趨勢的故障進行預測，估計剩余壽命或者故障的前置時間。[4]

3.3.1 主要設計內容

根據狀態監測評估對數據的分析，對于納入故障預測范圍的模塊、部件，主要處理內容如下：

(1) 針對具有短期使用壽命，以及具有性能退化失效模型的模塊、部件，獲取被測模塊、部件的典型參數數據，通過對現有和過去典型參數數據的分析，結合退化失效模型，預測模塊、部件在接下來的時間里的狀態，評估其功能的完備性。如果預測評估結果始終在預定使用容限內，則不斷迭代進行狀態故障預測；如果接近壽命閾值或超出預定使用容限，則輸出“告警”信息，并將預測結果輸出至維護維修策略模塊進行預防性維修建議的處理，以預防故障的發生。同時，積累模塊、部件狀態與性能監測參數、環境應力、使用模式等之間的離散相關性數據，對退化失效模型進行驗證修正，更新綜合模型庫；

(2) 針對異常的預測，主要是在處理過程中，智能識別檢測原來未預料到的異常情況，記錄收集相關的數據，幫助設計人員事后的異常分析，從而識別出未知的故障模式、退化失效模型幫助改進裝備設計。

3.3.2 基于預測方法的故障預測設計

常用的預測方法有預置損傷標尺、性能狀態監測、環境應力監測等[1]，也可以根據實際情況綜合運用各方法。

(1) 預置損傷標尺方法主要通過增加一系列不同健壯程度(壽命長短不一或安置在預測對象的不同壽命過程部分)的預警裝置，實現預測對象的損傷過程的連續定量監測。

該方法對于純機電損耗產品適用性非常好，在雷達系統中應用不是太多，部分可設計場景為雷達需要機械運動旋轉部分，例如電機、旋轉電滑環等。但是，一般雷達設計中，針對該使用場景往往是采用從可靠性角度提升部件使用壽命，輔以定時維護檢查的方法對裝備使用完好性的保證更為有效。

(2) 環境應力監測是基于產品的性能退化實效模型，對產品工作的環境應力和工作應力進行監測分析，推斷出產品的剩余壽命。

該方法屬于間接預測方法，對預測對象的影響往往具有不確定性和積累性，多用于結合其他預測手段綜合使用。對于雷達系統，可以考慮在設備使用中進行環境應力參考性告警，例如采集機柜內溫度數值、溫度分布等信息，分析溫度變化趨勢，提前預示機柜工作告警以及輔助的冷卻系統告警；或是將工作應力作為加權，列入預計對象的壽命預計，例如統計區分伺服電機在不同工作模式轉速下的工作時間等，綜合加權預測電機的壽命。

(3) 在工程使用中，更多的還是性能狀態監測方法，是指利用對預測產品故障敏感、受到影響的性能參數或狀態，按實效模型計算變化趨勢，完成故障預測。關鍵參數的分析設置最終落實到傳感器等原始數據獲取處理設計上。

在應用場合上，部分設備尤其是純電子信息產品，故障具有突發性、不確定性和傳播性，其故障的表現形式往往屬于二值故障、間歇重復、間歇偽隨機其中一種，都不利于預計。因此，在目前的技術條件下，針對純電子信息系統實施在線健康管理，重點應放在基于狀態監測故障的及時診斷、準確隔離和快速響應方面，尤其是可靠性不高的部件、模塊，但其中可考慮一種特例——由數量比較多的重復器件堆疊實現的電子系統設計。堆疊系統性能的下降表現在部分重復器件的失效，該失效模式可近似地認為具有理想退化模型。堆疊系統性能的預測可理想的關聯重復器件失效的數量比率，例如發射組件關聯內部放大器、陣面T/R組件關聯收發前端模塊等。

不同于純電子信息系統，含有機電部件的混合系統其機電或半機電部件故障往往符合或部分符合性能退化故障的表現形式?？墒褂秒[馬爾科夫模型(Hidden Markov Models，HSMM)等描述隨機過程的統計模型，采用信息提取和檢索并機器學習的方法進行預測。

3.4 維護維修策略

根據故障檢測及增強綜合診斷對原始數據處理計算后結果的分析，對于“故障”狀態的模塊、部件需要立即維修的，在執行任務過程中且故障部分具有重構冗余設計時，啟動容錯重構處理，應急保障設備執行任務的成功性，同時根據被測系統的故障模式進行維修策略的分析生成，縮短基層(艦員)級人員維修時間。對于“告警”狀態的模塊、部件，分析出被測模塊、部件近期可能出現的故障模式，進行預防性維修策略的分析生成，提出檢測、維護、維修的相關建議。

需要值得注意的是維護維修策略的生成設計需與交互式電子技術手冊(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)進行總體協同設計開發，在實際使用中根據診斷預測出的故障模式自動關聯調用IETM的數據庫生成維護維修方法。同時，維護維修策略的生成還可以接入雷達資源信息庫，直接獲取輸出當前故障維護維修所需備品備件資源的儲備量、放置位置等信息。

3.5 數據庫及管理

根據雷達PHM系統的實際需求研究設置了健康數據庫、綜合模型庫、結果報告庫、系統支持庫、產品信息庫等5類數據庫。健康數據庫用于記錄雷達原始故障信息、原始測試參數以及數據處理判斷后的原始計算結果。綜合模型庫用于記錄特征提取模型、預測模型、診斷模型等預置知識，并可在設備健康管理使用過程中存儲結合大數據智能學習后的修正模型。結果報告庫用于記錄設備歷史故障信息、綜合診斷結果、故障預測結果、狀態評估結果、維護維修策略生成結果等等，并根據需求輸出結果供圖形化顯示及文件報告輸出使用。系統支持庫用于PHM系統使用用戶、軟件使用日志等管理。產品信息庫用于存儲并按需更新雷達隨機備品、備件、工具、材料等維修保障資源的編碼、名稱、型號、功能、性能、儲備量、放置位置、使用狀態、保養要求信息等等，為維護維修策略的生成提供一體化支持，同時還可兼顧雷達自身裝機件信息的管理。

3.6 人機交互

人機交互部分用于實現PHM系統的人機交互，實現顯示、管理、數據導出等功能。依托雷達顯控終端等設備，在原有雷達BIT故障顯示的基礎上以圖形化、分層化的綜合顯示方式，結合設備產品裝機信息，提供雷達評估狀態、故障告警信息、維護維修策略等結果顯示，提供5大數據庫以及故障預測、狀態評估任務的管理接口，設計提供PHM綜合狀態、維護維修策略的報告輸出接口以及健康數據、綜合模型等數據導出接口。

4 結束語

本文從測試性與PHM的發展入手，進行了如下分析研究和設計：

(1) 整理歸納出PHM所涵蓋的主要功能；

(2) 對比航天、航空系統，分析總結了雷達系統PHM的特點；

(3) 構建設計了一種雷達系統PHM總體架構，設計了各組成部分的主要功能及處理流程；

(4) 重點針對PHM架構中的兩大核心部分進行研究，分別根據保證任務執行及預測方法兩方面，給出了雷達系統中健康狀態評估、故障狀態預測典型的總體設計方向。

通過典型雷達系統PHM總體架構的設計構建，以及PHM架構中兩大核心功能的研究設計，為雷達系統從設備狀態監控向健康管理的轉變、引入對系統未來可靠性的預測能力提供了一種可行的總體設計以及具體設計思路。PHM架構中評估與預測能力的實現，可以識別和管理故障的發生，從而規劃雷達系統的維修和供應保障，達到降低使用與保障費用、提高系統安全性、以較少的維修投入實現視情維修和自主式保障的目的，對提升裝備的戰備完好性、任務成功性具有重要的意義。