導彈裝備健康管理系統的設計與應用*

劉丹丹，唐毓燕，原艷斌，倪曉峰，荊云建

（1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.北京航天晨信科技有限責任公司，北京 102308）

0 引言

導彈裝備健康管理一般是指通過監測獲取裝備的狀態信息，對其進行健康狀態評估和壽命預測，并對出現的故障進行診斷，結合可用資源和使用需求對維修活動做出適當決策或提出建議。通過裝備健康管理，可以提高裝備完好性、安全性、任務成功性，降低全壽命周期費用，其主要工作內容包括狀態監測、健康評估、壽命預測、故障診斷、維修決策等方面。根據故障診斷及預測分析的結果，結合先驗知識，分析、評估系統的健康狀態及其未來的健康情況等，判斷是否繼續運行、是否補償、是否需要故障隔離或緊急關機等。

按照健康管理系統的研制要求，為滿足裝備綜合保障工作要求，將健康管理技術應用到導彈裝備的維修保障中，對武器系統及其分系統進行健康狀態監測，評估導彈裝備系統級及分系統級的健康狀態并預測其未來的健康狀態，以保障導彈裝備的完好性、安全性以及任務成功性，并實現視情維修和自主式保障。

本文描述了導彈裝備健康管理系統設計基本原則、結構框架、工作流程及全壽命周期數據管理要求，最后以某裝備為例，驗證了該設計方法在健康管理系統研制中的可行性與有效性。

1 基本原則

健康管理系統設計的基本原則如下：

（1）多屬性評估

在進行系統級及分系統級的健康評估時，要綜合考慮其狀態特征參數和各種影響因素，包括裝備使用環境、維修測試信息等。

（2）動態性評估

武器系統及子系統的健康狀態評估是一個持續的過程，當武器系統及其分系統使用性能降低時通過評估來確定其是否可以繼續使用，在執行重大任務前通過評估來預測其完成任務的可能性，在執行維護和修理工作后通過評估確定其狀態恢復的程度等。

（3）層次性評估

從裝備的約定層次上，將裝備的層次結構分為系統層和分系統層，下一層次的健康狀態直接影響上一層次的健康狀態，上一層次的健康狀態是對下一層次健康狀態的綜合。在對系統進行健康評估時，要從被監測對象出發，從下到上逐級開展健康評估［1-2］。

2 系統結構框架

2.1 系統組成與功能

健康管理系統由2 個層次組成，分系統級及系統級。分系統級由各地面裝備的健康管理分系統組成，負責對所屬地面裝備的關重件進行狀態監測及健康狀態評估等。系統級負責綜合各分系統的狀態監測信息和健康評估結果，完成系統級的健康管理。導彈裝備的健康管理系統設計思路及信息交互關系如圖1 所示。

圖1 導彈裝備健康管理系統的設計思路及信息交互關系Fig.1 Design idea and information interaction of health management system

健康管理系統的主要功能是狀態監測、故障診斷、健康狀態評估、壽命預測、維修決策和系統全壽命周期管理，如圖2 所示。

圖2 健康管理系統主要功能Fig.2 Main function of health management system

（1）狀態監測

對與各地面裝備的工作狀態緊密相關的參數進行實時監測、采集、存儲與查詢［3］。

（2）故障診斷

根據監測的參數，結合機內測試（built-in test，BIT）測試數據等，對各地面裝備所發生的故障進行診斷，并將故障定位到外場可更換單元［4-5］。

（3）健康狀態評估

根據實時監測的參數，結合歷史的狀態及評估值、維修信息、故障信息等，建立健康狀態評估模型，評估裝備系統級及分系統級的健康狀況。健康狀態分為4 個等級：正常、預警、降級、故障。

健康狀態等級內涵如下：

1）正常：所有參數的測試數據均在允許范圍之內，且所有參數的測試數據均遠離閾值或接近標準值，可以按計劃進行監測并適當延遲修護周期。

2）預警：所有參數的測試數據均在允許范圍之內，且部分參數的測試數據在標準值上下一定范圍內波動，但未達到閾值，可以按計劃進行監測和維護。

3）降級：所有功能性能參數的測試數據均在允許范圍之內，但部分參數的測試數據接近或達到閾值，劣化趨勢明顯，或備份設備參數的測試數據不滿足要求，除適當縮短測試周期外，還要加速監測并盡快維護。

4）故障：部分參數的測試數據達到或超過注意值，且影響任務成功的參數的測試數據達到或超過閾值，應立即進行維修［6-10］。

（4）壽命預測

根據系統級和分系統級的當前健康狀態、使用條件、模型和推理能力，以一定的置信度，產生對某一關鍵部件在給定使用包線下的剩余使用壽命的估計，并據此來預測裝備未來的健康情況。

（5）維修決策

根據健康管理系統輸出的診斷信息、健康評估信息、健康預測信息，并結合所監測的狀態數據，提示所需開展的維修活動，包括維護/維修項目、方法及配套的保障資源等信息，為裝備修復性維修和計劃性維修活動提供參考和輸入。

（6）裝備全壽命周期健康數據管理

對系統從開始工作到故障返修，再到功能喪失報廢處理整個全壽命周期中的狀態監測信息、故障信息、維修信息等進行統一管理。

（7）健康管理信息顯示

顯示健康管理信息和數據等，且提供人機交互界面。為便于使用人員的操作，各裝備健康管理顯示界面的顯示方式應盡量統一［11-13］。

2.2 狀態監測

裝備有效的健康管理信息建立在其輸入數據的全面性、趨勢性和代表性。健康管理系統的監測信息主要包括設置的監測點的狀態信息、各類測試和診斷信息、維修信息等。監測信息可以根據裝備的實際運行特點，定期測試維護計劃或不定期測試進行積累。所有信息采集后應納入數據庫進行統一管理。

2.3 故障診斷

各分系統依據所監測數據和BIT 的測試數據，采用基于故障樹信息傳遞算法進行故障診斷，提示故障的發生，并將故障隔離到外場可更換單元。同時，分系統將其發生故障與否的信息實時上報至系統。本文以診斷對象最不希望發生的事件作為頂事件，按照對象的結構和功能關系逐層展開，直到不可分事件（底事件）為止。該方法能夠實現快速診斷；知識庫很容易動態修改，并能保持一致性；概率推理可在一定程度上用于選擇規則的搜尋信道，提高診斷效率。故障診斷實現方案如圖3所示［14-15］。

圖3 故障診斷實現方案Fig.3 Implementation scheme of fault diagnosis

2.4 健康評估

根據狀態監測過程中所監測的參數，并結合所建立的健康評估模型，評估裝備的動態健康狀態。其中，需要對影響裝備運行過程中的健康狀態因素進行有效分析，并客觀地提取出裝備運行健康狀態的評估指標，以準確反映出裝備動態健康狀態的特性。影響裝備及其各分系統健康狀態的評估指標主要包括如下3 個方面：

（1）基本情況

裝備及各分系統的基本情況是最基本的屬性，是裝備及各分系統自身特性的一種體現，反映出裝備及各分系統所具備的能力，如裝備特點、功能組成、技術參數、性能指標、分系統及其組成設備之間的功能冗余關系等因素。

（2）歷史信息

裝備及各分系統的運行數據是其運行過程中所采集到的數據，這些數據經過長時間的積累能夠反映裝備及各分系統某些方面的健康狀態信息，包括故障信息、維修信息等。

（3）監測信息

監測信息是由裝備實時運行狀態、運行環境等相關因素所反映，一般通過實時數據采集的方式獲得。

健康狀態評估的內容主要包括：

（1）評價當前系統處于其性能退化過程中的哪一種健康狀態。

（2）判斷系統是由于何種故障模式引起其健康水平的下降。當系統處于性能下降狀態時，判斷系統是由于何種故障模式引起其健康水平下降的，并評價當前狀態偏離正常狀態程度的大小。

（3）預測系統未來的健康狀態，包括：預測未來的一段時間（下一次任務之內）系統能否正常完成其預定功能，以及預測系統的剩余壽命。

2.5 健康評估模型

健康評估模型組成為：健康狀態H－健康指標I－指標參數P。健康狀態H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝。對于系統級健康評估模型，對應的健康指標I用裝備任務可靠度來表征；對于分系統級健康評估模型，對應的健康指標I用各地面裝備的任務可靠度來表征。

3 系統工作流程

考慮健康管理的功能以及系統執行任務時的資源調度，在不同工況下，健康管理系統運行的功能不同，具體如下：

（1）日常維護

系統按日常維護計劃，定期對系統健康狀態進行檢查，運行健康管理系統，并給出裝備健康狀態評估結果；系統也可根據需要增加新的日常維護項目并執行維護計劃。

（2）系統工作異常

主要有2 種情況：第1 種情況為系統執行任務過程中，設備狀態異常且給出報警信息，必要時系統中止任務，并向健康管理運行軟件發出診斷或評估請求，健康管理運行其故障診斷或健康評估功能并給出結果；第2 種情況為系統任務結束后，任務管理服務向健康管理服務發送任務異常消息，并發出診斷或評估請求，健康管理運行其故障診斷或健康評估功能并給出結果。

圖4 給出了健康管理系統的工作流程。

圖4 健康管理系統的工作流程Fig.4 Working process of health management system

4 全壽命周期數據管理

裝備全壽命周期健康數據管理是指對裝備從開始工作到故障返修，再到功能喪失報廢處理等全壽命周期的健康數據進行管理。

通過對裝備全壽命周期采集的數據、狀態監測的數據、測試診斷數據、維修數據、環境數據等健康數據進行統一管理，可以更有效地分析出系統/分系統已工作時間、平均壽命時間、剩余壽命、平均故障率等關鍵指標，以便對系統健康狀態有更直觀、可量化的了解。同時，隨著裝備全壽命周期健康管理數據的累積與擴充，裝備健康評估模型和壽命預測模型亦可同步更新、迭代，以保證裝備的健康狀態評估結果和壽命預測結果更接近裝備的實際情況［16］。

5 應用案例

以某導彈裝備為例，對上述設計方法進行驗證。本文采用分層級健康評估的方法，具體如下：

針對裝備每層具體的產品或者設備，建立由“健康狀態H－健康指標I－指標參數P”組成的分級健康狀態評估模型，裝備的每一健康狀態可具備多個健康指標（本系統以任務可靠度為健康指標），每一健康指標可具備多個指標參數，每一參數可以通過對傳感器、機內測試設備、外部測試設備或者人工判斷采集獲取。

5.1 健康評估總體思路

根據某裝備的產品組成，分層級開展裝備的健康評估。頂層為系統級（裝備級），下一層為分系統級，即各地面裝備。首先，通過分析影響各地面裝備主要/關鍵功能的設備，確定監測對象，對其主要功能/性能信號進行監測；然后，根據所監測信息類型、參數形式等構建健康評估模型，給出每個分系統的健康評估指標；最后，綜合各地面裝備的健康評估指標，形成系統級的健康評估指標，進而完成武器系統級的健康評估。總體思路如圖5 所示。

圖5 某裝備分層級健康評估總體思路Fig.5 General thinking of hierarchical health assessment for a certain equipment

5.2 健康評估模型構建

某裝備平均嚴重故障間隔時間（mean time between critical failures，MTBCF）為108 h，其任務可靠度隨時間變化關系為R=exp｛-（λt）｝，可得武器系統任務可靠度隨時間變化趨勢如圖6 所示。

圖6 某裝備任務可靠度隨時間變化趨勢Fig.6 Changing trend of mission reliability of certain equipment with time

設定某裝備的健康狀態分別對應H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝=｛（0.37，1］，［0.22，0.37］，［0.13，0.22），（0，0.13）｝。系統級健康狀態H由其組成的地面裝備1、地面裝備2、地面裝備3 來決定，即

式中：P1為地面裝備1 任務可靠度；P2為地面裝備2任務可靠度；P3為地面裝備3 任務可靠度。

針對分系統級，分別建立地面裝備1、地面裝備2 和地面裝備3 的健康評估模型。

以地面裝備1 為例，其MTBCF=300 h，其任務可靠度隨時間變化關系為R=exp｛-（λt）｝，武器系統任務可靠度隨時間變化趨勢如圖7 所示。

圖7 地面裝備1 任務可靠度隨時間變化趨勢Fig.7 Changing trend of mission reliability of ground equipment 1 with time

由此設定地面裝備1 的健康狀態分別對應H=｛I1，I2，I3，I4｝=｛正常，預警，降級，故障｝=｛（0.70，1］，［0.58，0.70］，［0.49，0.58），（0，0.49）｝。

地面裝備1 的健康狀態H由其組成的LRU（line replaceable unit）決定，I（P1，P2，…，P50）=，其中Pi=exp｛-（λit）｝。

測試指標，若為0，則H=0，判為故障；若為1，則按Pi=exp｛-（λit）｝進行計算。

5.3 設計實現與應用

基于上述健康管理系統的設計方法，并對健康管理系統的輸入/輸出數據、內部數據格式、數據發送策略、外部文檔格式及數據容錯性檢查等做出詳細規定，開展某裝備系統級及分系統級健康管理系統的硬件與軟件設計，圖8～11 為某地面裝備健康管理軟件分系統處于正常、預警、降級和故障等狀態下的軟件運行界面。調用數據庫軟件中分系統實際運行數據，將其與健康管理系統接收、顯示數據相比對，可知，依據本文設計方法開發的健康管理系統能真實反映裝備、各分系統、各設備的監測狀態，并準確給出裝備的健康狀態。圖12 為所調用的數據庫界面。

圖8 某地面裝備分系統“正常”狀態運行界面Fig.8 “Normal”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖9 某地面裝備分系統“預警”狀態運行界面Fig.9 “Warning”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖10 某地面裝備分系統“降級”狀態運行界面Fig.10 “Degradation”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖11 某地面裝備分系統“故障”狀態運行界面Fig.11 “Fault”state of operation interface of a ground equipment subsystem

圖12 數據庫調用界面Fig.12 Database call interface

6 結束語

本文基于裝備健康管理系統研制的迫切需求，針對導彈裝備的特點，提出了健康管理系統的設計方法。并以某裝備為例，開發了系統級及分系統級健康管理系統，經工程部署運行，狀態穩定、良好，與武器系統及地面裝備的實際狀態完全符合，由此驗證了該設計方法在健康管理系統研制中的可行性與有效性。