導彈健康狀態評估技術研究和應用現狀綜述

劉月，劉鐵林，孫宏偉，羅元元，高健

（1.陸軍工程大學石家莊校區；2.中國人民解放軍93786部隊，河北 張家口 075000；3.中國人民解放軍32683部隊，遼寧 沈陽 150003）

導彈武器系統是由導彈、發射平臺和技術保障設備組成的戰役級武器裝備，具有射程遠、速度快、精度高、威力大等突出優勢。隨著科技的發展，導彈武器裝備的技術水平得到了很大的提高，功能不斷擴展，規模日益擴大。尤其在近幾次局部戰爭中，導彈武器系統的參戰數量、種類和優勢呈迅速增長的態勢，其在斬首行動、空中攔截、要害防御等任務的過程中發揮了重要作用，對戰爭行動的影響越來越大。本文的研究對象是導彈本身。健康評估是PHM(Prognostics and Health Management)的一項關鍵技術，它的原理是利用盡可能少的傳感器采集系統的各種數據信息，從中提取武器裝備的健康特征，利用算法或者模型等進行融合處理，將高維特征向量轉換為單個健康指數（健康狀態、健康置信度CV等），最終可以實現對裝備健康狀態的評價和分級。目前部隊對導彈的健康狀態評估仍處于“定期檢測、專家打分”的階段。未來導彈部隊必須具有迅速發射大批量導彈并且精確打擊的能力，對于大批量導彈的測試數據結果，工作量大，評估時間長，可靠度低，具備較高的偶然性，不利于對導彈進行精準的評估。導彈健康狀態評估主要是結合導彈測試任務下采集的多型號、多產品、多批次、多單機的實際試驗數據，從參數、核心單機、整彈三個層次對導彈健康狀態進行多層次評估。本文在分析國內外導彈健康狀態評估項目的基礎上對近幾年的相關研究工作進行了總結，分析了導彈健康狀態評估的研究現狀，并對未來發展趨勢進行了探討，以便為后續的研究提供一些參考。

1 導彈健康狀態評估需求

面向未來戰場復雜嚴酷環境，為著眼應對導彈武器系統新質作戰能力及快速精確打擊能力發展威脅，亟需發展絕對安全、威懾有力、反擊可靠的新一代導彈平臺。為了提高導彈全壽命周期武器裝備故障及健康狀態的精確認知與管理能力，降低保障資源的依賴，進而提升導彈全壽命使用效能，亟需在導彈設計、研制及服役使用過程中，全面開展導彈健康狀態認知與管理能力建設，從而提升其在復雜戰場環境中的生存能力和作戰效能，確保新一代導彈武器平臺具備強適應、強突破、高生存和高可靠等能力特征。導彈健康狀態評估的主要影響因素有以下幾點：

（1）導彈種類各異、狀態參數多。根據擔負的作戰任務和職能，部隊配發遠、中、近程，地空、地地、空空等不同種類、不同型號、不同用途的導彈。導彈裝備是多個單機子系統構成、包含大量質量信息的復雜系統。部隊實際使用過程中，從底層技術參數至單機、分系統，直至整彈系統的眾多狀態參數都是導彈發射的重要依據。現有的導彈測試設備有的顯示測試數據是否在正常范圍內，有的只輸出“合格”或者“不合格”的結果。若同批導彈都有相近的測試參數且都在正常范圍內，或者都顯示合格，便很難評價這批導彈的優劣。

（2）結構層次復雜，系統綜合性強，導彈是一個結構高度復雜、功能高度完善、自動化性能高度集中的多層次結構武器系統，各組成部分相互聯系又彼此相互影響，結構、系統的故障模式和失效機理復雜，難以構建準確的模型，且無法借鑒飛機的退化模式。導彈的設備和系統是按照遞進式分布的，單機子系統構成了它的各類功能，各個單機系統是并行的，各單元、各單機子系統組成了整彈系統，它們之間又存在不同的關聯性。導彈性能狀態退化通常是由低層次單元產生，并逐漸引起高層次或同層次單元性能狀態發生退化，最終導致整彈系統的性能狀態退化，該特點為整彈評估提供了一種重要的思路。

（3）導彈壽命周期長，狀態數據難把握。導彈裝備往往批量列裝，整個壽命周期中，在生產出廠、轉運、儲存、定期檢查、維修保養等諸多監測環節中，積累了大量的歷史測試數據，主要包括歷史測試數據、當前測試數據、人工測試數據及傳感器測試數據等，其特點是“總體數據量大、單個參數有限、變化規律各異”，無法用相同的數學模型來描述不同參數的變化趨勢。最典型的控制系統，如慣組、平臺，測試參數多、測試次數頻繁，具有海量測試數據，而安全機構與火工品二者整體上表現為數據很少，甚至沒有。

2 導彈健康狀態評估的意義

著眼當前部隊信息化、智能化轉型建設特點，以部隊現實需求為出發，通過研究導彈健康評估方法，實現對導彈及主要單機健康狀態的評估，準確掌握導彈裝備健康狀態，對于戰時作戰規劃科學決策、提高部隊快速反應能力、充分發揮裝備效能，平時裝備精細化的管理、裝備保障指揮決策以及新型號裝備發展都具有非常重要的理論意義和軍事應用價值。

（1）有利于提高導彈全壽命周期武器裝備故障及健康狀態的精確認知與管理能力。以高效、智能的方式利用裝備測試數據，對導彈及關鍵單機健康狀態進行評估，對任務中的使用性能進行監測和評估，準確把握導彈在測試、使用等階段的實時健康狀態，為制定相應決策提供輔助信息支撐，進而提升導彈全壽命使用效能。同時還可以為故障診斷和壽命預測提供支撐，進而優化裝備維修保障決策，避免傳統維修方式的維修不足或過度，提高費效比，以指導相關部隊維修保障任務規劃等實踐活動。

（2）有利于提升導彈在復雜戰場環境下的生存能力和作戰效能。在導彈設計、研制及服役使用過程中，全面開展導彈健康狀態認知與管理能力建設，實現基于試驗鑒定數據和結果的整批導彈健康狀態快速、精確的評估，從而能夠應對導彈武器系統新質作戰能力及快速精確打擊能力發展威脅，為改進型、新型號導彈研制發展的可靠性設計與評價提供技術支撐，從而使新一代導彈武器平臺具備強適應、強突破、高生存和高可靠等能力特征，發展成為絕對安全、威懾有力、反擊可靠的新一代導彈平臺。

3 導彈健康狀態評估研究現狀

目前，國內外對導彈健康狀態評估問題開展了一系列的理論研究，并通過相關實驗進行了驗證，取得了較好的評估效果。導彈健康狀態評估問題主要圍繞參數、核心單機部件、整彈三個方面展開，本文將圍繞以上三個方面對目前國內外的相關項目、研究現狀進行分析和綜述。

3.1 研究項目概況

（1）國外研究項目概況。為滿足導彈快速反應和實戰化要求，國外在基于導彈裝備各種有效的歷史和實時信息，研制開發評估導彈裝備性能狀態的平臺。美國陸軍通過建立戰備完好性信息管理系統，對導彈健康狀態進行及時快速的性能評估，是美陸軍評估導彈全壽命健康狀態的重要技術途徑。在智能監測方面，北約發起了改進的海麻雀導彈(ESSM)健康監測項目，通過使用RFID系統監測導彈的溫濕度、震動和撞擊等數據情況，實現對導彈狀態參數的監測，從而提高導彈的可靠性和武器系統的準確性。美國空軍通過使用掛飛健康監測系統，對海爾法II型導彈在阿帕奇AH-64D直升機上的掛飛狀態情況進行自動監測和記錄，為地面檢查提供更加精準科學的依據，大幅降低地勤和維修人員的檢測工作量。在智能診斷系統方面，美國陸軍在愛國者地空導彈（GEM和AC-3）和陶氏反坦克導彈中應用遙測戰備器材預測/診斷系統（RRAPDS），通過對常態環境下的溫濕度、振動和大氣壓力等參數進行感知和采集，測試人員以遙測的方式提取和發送有用的信息，實現對長時間貯存的導彈健康狀況進行遠程監測、診斷、預測和分析，從而降低導彈武器系統維修保養、運輸和貯存等相關的費用。

（2）國內研究項目概況。當前，我國在導彈領域的健康狀態評估項目研究尚處于起步階段，但其重要性已成為國家和相關領域專家的共識。國內多家院校和研究機構先后針對不同的應用方向對導彈健康評估的理論方法和應用技術開展了大量研究工作。北京航空航天大學針對飛行器應用領域的相關算法、模型和管理方式進行了探索性研究，比如，基于故障物理的電子系統加速試驗和健康監控；海軍航空工程學院叢林虎將導彈狀態分為優、良、中、差、故障五個等級，通過分析研究過程中證據理論存在的不足加以改進，構建了導彈健康狀態評估模型；火箭軍工程大學姜云耀等以導彈控制系統為研究對象，從發射精度、飛行穩定性和系統可靠性三個方面綜合分析控制系統的健康狀態。火箭軍裝備研究院以某型導彈為研究對象，根據導彈的測試數據和專家經驗，主要針對慣性組合裝備，建立了評估指標，開展了評估與排序的工作；火箭軍多級機構針對導彈關鍵單機子系統（如慣性組合、發射平臺、發動機等）開展了相關健康評估研究工作，并且開發了功能各異的健康評估軟件；火箭軍工程大學還針對某型號的導彈開發了導彈評估指標體系及整彈系統健康評估與預測的軟件，并應用于實彈演習任務中。

3.2 研究現狀

現有的健康狀態評估方法比較常見的有：基于知識經驗的方法、基于模型驅動的方法和基于數據驅動的方法。

基于知識經驗的方法是在沒有足夠的傳感器進行感知，或缺少模型進行模擬仿真的情況下，僅通過專家經驗對設備健康狀態進行判斷的評估方法，包括專家系統、故障樹法、層次分析法、模糊評判法等。基于模型驅動的方法是在對設備的運行狀態和故障機理充分掌握的基礎上,通過分析設備特定的機械動力學行為，依據設備運行狀態數據，構建物理模型，或者利用數學模型描述設備的性能退化過程，以實現對設備健康狀態評估的方法，包括機理建模、狀態估計法、參數估計法等。基于數據驅動的方法是在設備狀態參數選定的基礎上,通過分析處理監測數據挖掘隱含的設備運行狀態信息，進而實現健康狀態評估的目的。常用數據驅動的評估方法是基于統計學和人工智能的方法，如灰色系統理論、支持向量機（SVM）、隱馬爾可夫（HMM）、高斯混合模型（GMM）、貝葉斯、神經網絡等。三種評估方法的優缺點對比如表1所示。

表1 不同健康狀態評估方法的對比

通過對三種評估方法的對比分析，可以針對不同的導彈的參數、核心單機子系統、整彈三個不同層次，尋求適合其各層特點的健康狀態評估方法，提高評估的準確性、客觀性、高效性。下面圍繞這三個方面對目前國內外導彈健康狀態評估研究方法現狀進行分析和綜述。

（1）參數。M.Mohammadi引入核向量機算法對在線電壓進行評估，并結合神經網絡進行訓練，該方法比單一方法效率更高。杜恩祥等從設備的FMECA結果中提取影響健康狀況的因素，采用模糊綜合和灰色關聯分析相結合的方法，進行定量分析和評估，得出裝備在處于測試參數異常下的健康狀態等級。馬海英等引入劣化度概念，以裝備特征參數劣化度為評估指標，運用變權模糊理論，建立了基于劣化度的裝備健康狀態變權模糊綜合評估模型。

（2）核心單機子系統。黃睿等采用灰色理論和模糊綜合評價方法對各個子系統的性能質量狀態進行評價，最后，在對實彈射擊結果信息進行深入研究的基礎上，采用模糊神經網絡對整彈的性能狀態進行狀態預測。羅珩娟等通過觀察導彈測試數據變化規律并對比測試數據的正常范圍，分別計算測試部件的基本健康度、健康變化率和健康變化幅度，得到了裝備動態變化過程中的健康度數學模型，并建立了串聯、并聯系統的導彈健康狀態評估方法。吳克雄等結合某型導彈慣導平臺系統的特點，采取專家系統和數據驅動相融合的方式,建立健康評估模型，完成慣導平臺系統的健康評估。為實現液壓系統的在線監測與狀態評估，陳偉等通過信號特征提取EMD能量特征分析、主成分分析和SOM健康評估方法的研究。

（3）整彈。為了提高評估和預測的準確性，王浩偉等在引入狀態空間模型評估整彈退化程度的基礎上，采用Gamma過程建立退化失效模型。在突發失效概率與整體彈性性能退化程度有關的前提下，采用Weibull分布建立突發失效模型；然后，建立退化失效與突發失效競爭模式下的導彈可靠性模型。王茜等建立貝葉斯網絡拓撲結構模型，根據根節點輸入和條件概率值進行推理，利用GeNIe2.0對試驗參數進行仿真，確定導彈處于各個健康等級的可能性。

4 導彈健康狀態評估發展趨勢

從國內外研究現狀來看，現階段導彈健康狀態評估研究應用雖然取得了一定的成果，但是還存在一些急需解決的問題。在應用范圍方面，針對關鍵零部件、單機系統評估研究較多，整彈系統研究較少，對當前導彈的作戰行動決策和裝備保障維修決策優化的支撐力度不夠；在使用標準方面，已開發的健康狀態評估軟件尚未根據不同型號導彈的差異性和共性需求，制定的指標及權重不統一，重復開發導致人力和物力的浪費，從而使用效益不高；在資源利用方面，現有的信息數據利用率不夠，測試數據分散導致無法交流整合，造成大量數據的浪費，影響評估模型的構建和評估的準確性；在體系發展方面，健康狀態評估的研究工作太零散，沒有形成系統性的跟蹤管理和自動化評估的平臺，研究成果和結論雖然多，但是，難以有效指導部隊的作戰使用和裝備管理工作。

考慮到當前導彈的全壽命周期使用流程特點，以及在試驗鑒定、測發等過程中，通過不同數據傳輸鏈路采集到導彈大量運行狀態監測數據條件，如何以高效、智能的方式利用這些數據，對導彈及主要單機工作性能進行評估和預示，對測發任務中的使用性能進行監測和評估，以解決高可信性試驗鑒定、輔助產品優化改進設計、提升導彈的綜合作戰效能，亟待進一步研究和解決。綜合對比國內外研究現狀可知，導彈武器的設計改進與綜合效能提升促使當前導彈武器的健康狀態評估向以下幾個方向發展：

（1）快速評估方向。適應作戰的快節奏，強對抗，必須對導彈健康狀態進行快速評估。針對導彈系統的層級化，可擴展健康評估模型的構建工具，以及配套的指標管理工具，為基于試驗鑒定數據和結果的導彈性能快速評估提供基礎支撐。

（2）智能化評估方向。隨著導彈試驗數據采集、存儲、管理等能力的持續成熟與發展，可在當前試驗鑒定支持軟件體系下，進一步結合統計閾值自適應生成、性能健康基線模型、時序深度模型等先進算法技術，實現更加自適應的指標體系管理，改變傳統的定期檢測、射前檢測和人工評估的模式，實現精確、自主、智能的導彈健康狀態評估。

（3）全局性評估方向。針對監測參數、關鍵單機子系統、典型場景以及整彈等不同層級開展健康狀態評估，從不同維度準確把握導彈在測試、使用等階段的實時健康狀態，充分整合利用各種分散的測試數據，提高評估模型的構建和評估的準確性，從而為制定相應決策提供輔助信息支撐。

（4）體系性評估方向。由于導彈武器系統具有復雜性、關聯性、任務環境多樣性等特點，必須從體系發展的角度開展導彈健康狀態評估，對多場景、多型號、多批次試驗鑒定及其評估結果進行評估，在固化繼承現有研究成果的基礎上，構建與開發能夠服務于不同型號的導彈裝備全壽命健康狀態評估的柔性平臺。

5 結語

導彈健康狀態評估問題是目前研究的熱點問題，準確掌握導彈的健康狀態有利于導彈的精細化管理和保障指揮決策，一方面，可以為故障診斷和壽命預測提供決策支持，進而實現導彈的視情維修，降低對保障資源的依賴，提升維修保障的資源配置率；另一方面，能夠進行精準的分級排序，從而針對不同的任務要求進行決策指揮，最大程度的發揮同一型號不同健康狀態的導彈的效能，提高任務完成率。研究導彈健康狀態評估對裝備作戰運用、采購、管理、新型號研制有較大的理論和現實意義。