測控天線健康管理與支援保障系統研究及設計

侯 錦，吳宗清，胡紅軍，秦明暖，付樹洪

(1.中國電子科技集團公司第39研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國西安衛星測控中心，陜西 西安 710043；4.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

航天測控任務系統是機械結構與電氣設備相結合、軟硬件相結合的高復雜度設備。測控天線設備作為航天測控任務系統中信號接收前端的關鍵設備，具有控制精度要求高、結構復雜、機電控一體化和使用環境復雜等特點。其維修時間成本和難度會依據故障類型有較大區別，故障定位、維修和更換專業性強，是航天測控任務系統中保障的重點。目前天線機械傳動設備早期故障難以察覺、故障分析定位難度大、故障維修時間長，設備維修嚴重依賴研制單位現場支撐，缺乏預見性的維修指導。

健康管理技術最早是由美國軍方基于視情維修提出的設備維修保障策略，該技術自誕生以來受到了英美等西方軍事大國的高度重視，多個科研機構也開始對健康管理技術進行專門研究，應用范圍主要集中在武器裝備領域、航天飛行領域、船舶和車輛等裝備的研制和使用過程中，其中最成功的案例就是美國在F-35戰斗機中使用了健康管理技術，取得了不錯的成效。美國還在NASA飛行器綜合健康管理系統、直升機健康與使用監控等系統中進行了深度研究和推廣。國內的健康管理技術主要集中于理論和算法研究，在航天、航空[1-3]、船舶[4]、核能和風電等高可靠性系統中進行了實踐和應用。

隨著航天測控網的持續建設，針對設備地域分布廣、型號類型多、技術狀態復雜和設備長時間滿負荷運行的特點，急需探索新的設備管理及維護維修保障方法[5-6]以匹配現有的任務要求。借鑒健康管理系統的功能架構[7-8]，結合航天測控設備的實際情況，保障測控裝備資源的可靠運行和高效利用，建設有遠程診斷、健康管理和支援保障能力的測控天線健康管理與支援保障系統十分必要。

1 系統總體設計

航天測控網內的天線設備部署在全國各個站點，設備資源統一由中心調度和管理，維修設備主要由研制方來實施。因此在系統總體功能設計上，測站級面向站點一級的設備，為測站用戶提供本站設備相關的健康管理服務，用戶中心為所有接入中心管理的設備提供任務規劃、資源調配、維護保養和數據管理(含全生命周期管理)等需求的相關服務，廠所中心則為測站和用戶中心提供遠程故障診斷、數據分析和支援保障等服務。整個系統在總體架構上采用分級管理和遠程支援的構建模式，測站和用戶健康管理中心通過航天測控網進行數據交互，廠所遠程技術支援保障中心借助具有網絡安全防護的網絡專線與用戶中心進行數據交互。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

系統通過在測站設備端設置站級健康管理與保障終端來實現天線相關設備的數據采集、狀態監測、多類型檢測信號的提取與多量綱數據歸一化、狀態檢測與參數異常值判定等功能，并依據系統模型結合故障案例，實現天線系統的快速診斷、綜合健康狀態評估與預測、設備維修與管理等。

用戶中心定位中心級管理，面向域內所有設備，同時具備多方向安全可靠的數據轉發控制管理能力，可對域內納入管理的設備實現綜合狀態實時監視、故障診斷和復雜數據分析，同時也具備遠程測控設備綜合狀態評估與預測能力，并通過數據驅動生成設備保養的工作計劃并進行閉環管理。

設備研制方中心定位域內設備保障與遠程技術支援，可通過網絡進行設備遠程故障診斷、健康狀態評估與預測、維修決策建議等遠程協助，并可提供設備原始數據、模型數據、全生命周期數據的存儲與管理，支持各類模型的迭代優化。

系統通過在測站設備端建立基于同一工況的體檢與自動化測試相結合的檢測評估模式來開展基于設備狀態的科學鑒定與維護，同時可結合任務數據分析，以診斷、評估、預測報告的形式形成設備維修維護的需求輸入，結合測控計劃開展測控設備資源的高效科學的調度。在數據傳輸設計上采用自動、定期和即時的多種傳輸方式，以提高系統運行的自動化程度。系統內各主要節點均設置有數據交互、存儲和管理功能，同時設計多方會商支持遠程支援和開展技術討論以應對突發狀況。在軟件架構設計上，系統采用基于微服務框架下的一體化設計便于系統信息共享、維護升級和后續功能擴展。

2 系統內各節點功能劃分與設計

2.1 測站設備健康管理與保障終端主要功能

測站設備健康管理和保障終端部署于測站內，作為站級管理節點，對站內設備進行統一管理，負責為測站用戶提供本站設備相關的健康管理服務。測站設備健康管理和保障終端由采集單元、測站服務器和客戶端組成。由數據采集單元來實現單臺套設備信息采集和預處理，而特征項的提取與多量綱數據歸一化處理和狀態檢測、參數異常值判定、快速診斷、天線系統綜合健康狀態評估與預測、設備維修與管理和遠程數據交互都交由測站終端服務器統一進行，客戶端提供人機操作交互。

終端的主要功能如下。

① 傳感器數據采集處理及管理。根據設備的失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)及狀態監測需求，在減速箱、電機和饋電系統上安裝所需的傳感器[9-10]，匹配采集設備實現實時數據采集，并通過設備間網絡數據交互獲取測控設備的業務數據作為補充。經數據分類整理、無量綱化、歸一化處理等，形成用于設備監測、診斷和評估的數據包組，發送至測站服務器對數據進行分類存儲和管理。

② 快速故障診斷設計。站級的快速診斷采用模型辨識、故障樹和故障案例匹配的方法，以最小可更換單元為功能對象，建立故障樹模型，底層關聯對應的特征項[11]、關聯事件，根據監測數據、判定門限和辨識結果，提供診斷依據。為提高人工診斷準確率，可向測站用戶提供圖形圖像、視頻等形式的協助診斷功能，在緊急狀態下可通過服務器啟動遠程技術支援。

③ 體檢、評估和預測設計。為準確獲取設備狀態，利用特定體檢項目結合系統自動測試，在統一工況下對各分系統的主要功能和性能進行評估，根據設計指標、測試門限和系統層次模型，以特征項為輸入進行基于權重的計算，由此獲得最小可更換單元級以上各層級的評估結果。利用評估數據，可采用灰色預測等模型進行設備后續時間段內的狀態預測。

④ 設備管理。依據體檢計劃的實施結果，測站自動生成故障診斷、評估報告和趨勢預測等報告，并形成管理流程閉環。通過數據庫對站內設備狀態信息、健康數據、模型數據、故障案例、指標信息和設備原始信息等數據進行存儲和管理，并與中心進行數據交互，實現本站設備全生命周期管理等數據的更新。

2.2 設備健康管理中心

設備健康管理中心的功能定位是設備數據分析、數據交互控制和域內測控設備的集中健康管理與運維指導。作為全網設備運維管控節點，可對域內多套設備實現綜合狀態監視、復雜數據分析、遠程支持，依據測站診斷、評估和預測報告數據生成設備保養周工作計劃并下發進行閉環管理，通過服務平臺提供基于任務的全域內設備資源調配，提供與維護保養需求相關的設備管理信息化服務。具備域內設備管理數據存儲、數據庫遠程同步更新和多方向數據轉發控制管理能力，可實現數據安全可靠的交互。

設備健康管理中心的主要功能如下。

① 設備集中管理功能。依據設備管理需求，中心管理人員根據測站終端上報的診斷和評估結果，按照特急、近期和正常的設備維護等級，依據設備維修維護指導，將維修保養時間、維修保養內容等作為信息要素，結合測控計劃制定設備維修保養計劃，經中心管理人員確定后下達至測站終端設備，由測站人員按計劃完成設備維護工作。綜合態勢顯示設備當前在用、保養、維修或改造的狀態，支持分級詳細診斷、評估和預測信息顯示。

② 數據分析處理功能。系統利用測站轉發數據，開展單套設備的健康管理與數據分析工作，同時支持與遠程支援中心的故障聯合診斷與遠程會商。

③ 數據信息交互及控制。根據數據包的標識和內部IP信息識別信息來源，對文件數據、狀態數據、設備信息數據進行分類存儲管理。通過專線實現與遠程支援中心的數據交互，根據數據類型和數據實時性要求，可對數據類型、轉發速率和轉發方向進行設置。數據交互通過設置人員權限和數據加解密處理來保護數據交互的可靠性和安全性。

健康管理中心主要功能和架構如圖2所示。

圖2 健康管理中心主要功能和架構

2.3 遠程技術支援中心

遠程技術支援中心的功能定位是為研制方承研設備的全生命數據管理和遠程技術提供支援，接收、存儲和管理域內所有設備的狀態數據和全生命周期數據，通過服務平臺向測站和健康管理中心提供必要的數據服務，通過數據交互和數據庫同步更新模型、參數、指標和備品備件等信息。

① 數據管理功能。接收測站終端經用戶中心控制轉發的各類數據，依據數據類型對數據進行本地數據庫存儲和管理。通過平臺服務向測站及中心用戶提供診斷、評估和預測等模型下載、設備技術資料共享功能。依據設備類型對測站故障診斷數據、健康體檢及測試數據、評估與預測數據，以及設備全生命周期數據和算法模型數據庫等進行管理。

② 遠程技術支援與保障功能。接收測站及用戶中心的遠程支援申請，通過網絡接收測站現場故障數據文件和實時狀態監測數據，協助測站進行分析診斷并提供技術支援，在緊急情況下可借助三方視頻會商，指導測站進行應急處置并提供維修決策。廠所專家可利用設備數據對診斷、評估和預測模型及參數進行迭代優化，通過設備全生命周期數據掌握測控設備的使用情況，針對設備各類故障的分析統計可對磨損消耗大、故障頻率高、生產采購周期長的部件進行合理備份和改進設計。

3 系統工作流程和運行模式

測站級部署的終端作為設備主要數據的生產節點，通過設備狀態信息采集和分析處理形成本地及遠程使用的診斷、評估、預測數據，經數據交互以滿足系統內測站管理節點和中心管理節點的設備監視、狀態鑒定、維護計劃生成、資源調度、遠程技術支援和保障需求。

測站管理人員通過客戶端訪問測站服務器以實時監視站內各設備運行狀態、體檢計劃和維護計劃的實施和數據管理、設備預測的實施和數據管理。若設備出現故障或在測試時狀態異常可借由系統實施快速診斷，按系統提示完成排故。按需進行備件和軟件版本信息更新。本地可支持的服務和數據由本地服務器和數據庫提供，形成的各類報告將自動提交至健康管理中心。若需遠程支援或數據交互則可通過網絡與中心來開展相關工作。

健康管理中心借助中心服務平臺通過測站上報的數據可對全域內重點關注的設備進行詳細的狀態監測。根據測站評估結果對設備狀態進行鑒定，按照預測結果、健康等級、維護保養時間和資源以及測控計劃制定設備后續體檢和維護計劃。中心可根據設備的各類數據開展統計綜合分析，便于管理者全方位了解設備狀態。

遠程技術支援保障中心通過中心服務平臺對設備數據開展復雜數據分析、診斷和評估預測等模型的設計和優化工作，并向健康管理中心和測站發布、上傳系統所需的設備模型、資料等，分析設備體檢和評估數據，結合全生命周期過程數據來優化設計，并開展對備件的相關管理。

系統內三方均可按需通過會商開展遠程技術支援和培訓等。

系統業務流程如圖3所示。

圖3 系統業務流程

4 系統軟件架構設計

由于系統部署在測站、用戶中心和設備研制廠所等不同地域，為了針對不同用戶提供有針對性的服務(尤其是測站端中被管理的對象數量較多時)，并適應未來的設備發展，系統需要具備良好的擴展性，同時業務各節點須協同工作，系統在軟件架構的設計上在借助目前主流架構思想的同時也須兼顧系統內各節點分布式數據的傳輸要求、系統擴展性和優先任務數據、帶寬受限的實際情況。綜上，健康管理中心和遠程支援中心對于數據展示和其他業務的處理，選用微服務數據服務共享技術，基于Java的微服務架構對兩個中心功能域的架構設計進行有效簡化。在測站端采用遠程過程調用(Remote Procedure Call,RPC)分布式數據采集和傳輸技術，用性能和兼容性較高的C++/Qt開發來實現測站涉及的實時數據采集、分發、故障、體檢和預測等業務。

5 關鍵技術

5.1 設備故障診斷

為在測站現場開展對設備故障的快速排查和診斷，需要獲取設備狀態的特征信息，在原有設備采集信息不滿足需求的情況下，需要在設備故障診斷上利用傳感器采集技術[9-10]、業務數據采集、數據融合技術和遠程通信網絡使系統具備開展復雜故障的遠程診斷與技術支持的能力。在故障診斷方法上，針對復雜機電系統采用了基于故障樹模型、故障案例和機電系統故障辨識等多種故障診斷隔離方法，以提高故障診斷成功率和效率。電機和齒輪箱是天線傳動機構的重要組成部分，電機電流變化可以反映電機負載轉矩的變化，其特征和故障可建立關系，因此基于狀態估計和經驗模態分解的復雜機電系統故障辨識方法是機電故障診斷和狀態判斷的主要方法。采用電機電流的特征分析方法，利用設計的自構架模糊系統對故障信息進行逼近。通過將電流、電壓和速度3個輸入量的模糊輸出和卡爾曼估計器估計值之間的誤差作為補償來逼近故障函數，利用故障函數來區分系統狀態區間(健康、正常、異常、失效)。通過減速箱振動信號對軸承運行狀態進行監測，利用經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)[12]方法，協助分離軸承或軸故障。

另外，在基于數據驅動的診斷和預測模型設計上可有多種選擇，通過交叉驗證等方法篩選出特征項后，進行模型設計和驗證。

5.2 設備的狀態評估與預測

在天線綜合健康狀態評估中，重點研究如何確定部件、分系統工作狀態對整個系統的影響和作用。系統采用基于層次分析[13]的評估方法，使評價定性因素定量化，使評價結果更科學且易于工程化。

通過對天線系統進行結構劃分、功能分解和分類，建立關聯模型，并采用基于測試數據、無量綱化和歸一化處理的健康評估方法對特征項級進行評估并據此開展各層級評估。對各特征項依據其表征選取正向、負向、適度無量綱化模型，確定極大、極小、最優值和線性化程度值，完成統一量化。

通過無量綱化處理特征項級評估，獲得最底層評估數據，然后自下而上根據權重比依次評估各層級直到天線系統級，確定系統健康狀態，采用變權綜合法對各層次權重值[14]進行適當調整。同時無量綱化處理信息和狀態評估結果,可作為基于數據驅動的各類評估預測方法的輸入，例如利用特征項構建灰色預測模型獲得被監測部件未來一定時期的參數變化趨勢和系統的健康狀態變化趨勢[15-16]。天線健康狀態評估步驟如圖4所示。

圖4 天線健康狀態評估步驟

6 結束語

面向測站設備用戶、中心任務管理和研制方維護保障的不同需求，在充分利用現有測控設備硬件和技術資源的基礎上，設計了測站、中心的分級分層管理和遠程支援的總體架構，明確了系統內各節點的主要功能及系統工作流程、運行模式和關鍵技術要點，利用傳感器技術、信息監測技術、數據處理技術和RPC加微服務技術實現了一種面向測控天線系統的健康管理與支援保障系統的工程化設計。

以某測控站天線系統作為健康管理對象，對系統內主要功能、節點間信息交互，以及關鍵技術進行了實踐和驗證。通過建立測站管理終端、用戶中心和遠程技術支援中心，建立了單套天線設備、一個分系統的分級健康管理及遠程診斷支援模式，實現了天線設備的狀態信息的采集、遠程數據交互、數據分析處理、天線設備故障診斷、評估與預測功能，以及狀態庫、知識庫、模型庫、指標庫的信息導入與維護更新，基于全生命周期的信息化管理能力，并以電機典型故障進行了診斷方法的測試和驗證，效果良好。在此基礎上以多臺套設備作為管理對象，對系統進行了軟硬件平臺和維護保障信息化管理能力的擴展，經測試驗證了系統架構的合理可行性，對后續的工程應用具有積極的指導和借鑒意義。