PHM技術在無人機系統保障中的應用

李 燦，侯興明，錢昭勇

（航天工程大學航天保障系，北京 101416）

0 引言

隨著科技的不斷進步，各項高新技術的迅猛發展，無人機系統已大量應用于軍事領域。與有人駕駛飛機相比，無人機系統具有生產成本低、周期短、避免人員傷亡、機動性強和環境適應性強等優點，越來越受到各國重視和青睞。

無人機系統是由飛行器系統、控制與導航系統、綜合無線電系統和任務載荷系統組成的復雜綜合系統。為了提高無人機系統的可靠性、安全性、使用效率和降低維修成本，無人機的維修保障技術受到廣泛重視。目前無人機維修方式主要是事后維修和定期維修相結合，這種維修方式容易導致裝備帶病運行或者頻繁維修，增加維修成本，傳統的維修方式已經不能滿足無人機高速發展的需求。PHM（Prognostic and Health Management，故障預測與健康管理）能夠滿足無人機系統自主保障、自主診斷，進行全面的健康監控、故障預測，是基于狀態的維修CBM（condition based maintenance，視情維修）的升級發展，因而研究PHM技術對無人機的發展具有重要意義[1]。

1 無人機維修保障現狀

目前國內無人機系統的維修按照故障嚴重程度分為小、中、大3種維修級別，采取自檢自修與返廠維修兩種保障模式。無人機管理使用單位負責定期對裝備進行維護保養、動靜態檢測調試，同時對常見的簡單故障進行維修，當需要利用精密儀器設備進行維修的時候則由生產廠家完成。例如美國空軍將維修能力分為基層級、中繼級、基地級3個級別[2]，基層級維修保障由于其不斷加強智能化技術的應用，大大提高了無人機的作戰效能；對比國內將中修任務分配至中繼級，而承制方往往只負責大故障的維修支援。為此，無人機裝備故障診斷及修復能力弱、維修資源浪費多、保障程序復雜的問題普遍存在，亟需提高無人機自主智能化維修保障能力，主要體現在以下兩個方面。

1.1 人員保障模式

根據無人機故障等級決定維修時的人員數量和專業技術等級。無人機配套系統涉及專業廣、技術手段密集，保障無人機維修需要多專業、多領域人員完成。人才隊伍保障模式分為兩種。一種是采用按梯次培養、多領域綜合編組、跨領域協同保障的模式構建保障隊伍；另一種是由使用保管單位與生產廠家的協同保障的模式構建保障隊伍。在人員培訓方面，主要采用軍地協同培養，增加部隊專業技術骨干與院校、廠家的生產設計方之間的交流。隨著無人機模擬訓練器的生產配發，深受使用方青睞的同時，也暴露出訓練內容單一、智能化程度較低，實景模擬程度不高等不足之處。

1.2 設備維修保障

目前，無人機裝備的基層級檢修主要是對機體的修補和耗損部件的更換，對系統的維修主要依靠計算機自帶的自檢系統、裝備維修車、隨裝測試設備進行檢修。維修保障設備缺乏、人員對設備操作使用不熟悉、配套設備的兼容性差、配套設施建設標準不明確等問題較為突出。解決問題的重要途徑不僅僅是簡化系統的操作流程、增加故障檢測的備件儲備，更應切實提高維修設備和無人機自主維修保障的智能能力。

2 應用PHM的無人機保障需求

2.1 PHM技術的發展

PHM技術是利用傳感器采集系統數據信息，綜合利用現代信息技術、人工智能技術，管理與評估系統自身的健康狀態，在故障發生前進行預測，并能夠提供維修保障建議的一種綜合技術。

PHM技術最早源自20世紀70年代，在1982年美軍用于大黃蜂戰機的發動機的監測，但沒有故障預測功能，這其實不屬于真正的PHM。直到20世紀90年代美英等軍事強國開始高度重視，PHM技術得到蓬勃發展。進入21世紀，隨著科學技術的發展和完善，PHM技術逐漸成熟，尤其PHM技術在美軍F-35戰機上的應用，是第一個真正有故障預測功能的PHM系統。目前PHM技術在國際軍事領域的應用涉及航天器、固定翼飛機、船舶等[3]。

國內PHM技術的研究起步較晚，在工程應用方面，距離發達國家還有很大差距。目前國內各大學、研究所相繼開展對PHM技術的研究，大多應用在民航領域，同時在軍用領域也進行理論研究和應用。

2.2 PHM應用的必要性和可行性

信息化戰爭中采用無人機作戰的一個關鍵因素是其自主智能程度較高。無人機作為集信息化、智能化、數字化于一體的高技術產品代表，與之匹配的維修保障能力要求也不斷提高。現階段由基層到基地的“兩級維修保障”[4]體制會帶來維修周期較長、保障實效性低、產生資源浪費等問題，日常的維護保養則又無法滿足無人機維修保障的訓練管理需求。基于PHM技術的維修保障系統能夠提高無人機的戰備完好率，縮減維修保障中間環節時間，從而節約資源和降低成本。具體而言，一是通過大數據、深度學習等智能算法模型進行無人機故障預測和剩余壽命估算，有利于將故障實時隔離和采取干預措施而提高維修保障的針對性；二是PHM系統逐漸實現自主智能故障診斷代替專家人為診斷，減少了故障的漏診誤診，通過對數據的綜合分析得出的故障指示和診斷信息指導系統自動做出相應決策，有利于提高維修效率；三是PHM系統所具有的快速反應能力和靈活的處置能力更加適應未來作戰需求，使之具備在飛行中完成維修準備的超前并行保障能力。在信息化戰場環境下，快速反應能力是評估作戰能力的主要因素。因此，無論基于無人機單純的維修保障問題還是著眼于戰斗力提升，開展無人機裝備基于PHM技術的自主智能化保障問題的研究與探索是必要可行的。

3 無人機PHM系統構建

無人機PHM系統主要由機載傳感器系統、地面PHM處理系統及維修保障系統組成。機載系統通過有線或無線傳輸給地面處理系統，地面系統處理完后將結果顯示傳輸到各維修部門。維修單位通過PHM系統處理的結果及操作人員和維修人員觀察到的異常情況，確定維修的具體計劃。根據計劃準備所需備件、材料，選擇合格的維修人員進行維修，并更新維修后的技術數據。下面對PHM系統主要子系統進行描述[5]。

3.1 機載傳感器系統

傳感器在無人機各子系統上采用分布式安裝，組建成全系統的傳感器網絡，監測無人機系統運行狀態的實時數據，掌握和評估無人機的健康情況，視情作出無人機維修決策[6]。目前，傳感器主要通過有線和無線的方式將獲取的數據傳輸給PHM系統中的其他部分。

3.2 信號采集與處理

信號數據的采集是PHM系統運作的前提和基礎，采集到數據需要進行有效地處理。

無人機運行狀態數據種類多數量大，需在分類整理后，通過數模轉換、去噪、濾波、壓縮等方法將實時采集到的數據處理成計算機可讀的格式[7]。通過故障特征的提取來判定無人機的狀態情況，由于故障和參數顯示不是一一對應的，因此需要借助多種算法，如：快速傅里葉變化（FFT）、離散小波變換（DWT）、平均濾波法等，來推斷無人機的故障情況，從而最大限度實現PHM系統診斷故障的能力和精度。

3.3 狀態監測

狀態監測系統主要是接收來自數據處理后的數據，然后將這些數據同數據庫中的期望數據值進行比較，從而判斷無人機系統的狀態，并可根據預定的參數極限值提供故障報警能力。

3.4 故障預測與診斷

故障預測與診斷是PHM系統的主要功能，該部分主要是利用前面系統的數據、歷史統計數據及無人機系統各參數，基于算法、經驗、建模、趨勢等方法手段來預測無人機系統的故障情況、剩余壽命及未來系統的健康穩定趨勢，為后續決策和維修提供有效的信息。

3.5 健康評估

該部分接收來自系統中其他部分的數據，通過無人機系統的出廠參數、歷史維修數據及工作狀態，運用各種機器學習和深度學習等綜合評估方法來判定各子系統和部件健康狀態，將健康情況數據記錄存檔，并確定是否有發生故障的可能性，為無人機系統是否能夠繼續執行任務，為維修決策提供信息支持。

3.6 決策與維修

該部分主要是利用PHM系統各部分提供的信息，在無人機系統運行中就能快速有效地作出維修決策，制定維修計劃，在飛機降落后能夠迅速維修，確保無人機能夠繼續飛行執行任務，在戰時能夠提高無人機系統的持續作戰能力。

接口顯示主要是對狀態監測、故障診斷及健康評估數據的顯示，通過網絡服務系統將信息傳遞到生產廠家、維修基地及裝備單位，從而了解該無人機系統的狀態，便于展開維修。

4 無人機PHM系統發展趨勢

目前，無人機系統在設計之初，沒有考慮故障診斷問題，沒有預留安裝傳感器的位置。因此，在現有無人機系統上安裝傳感器是急需解決的首要問題。加裝PHM傳感器首先要檢驗傳感器的大小、重量，這對無人機的配重有很大影響，關系到無人機能否安全起飛；其次傳感器安裝對參數的采集精度有很大影響，雖然傳感器安裝的越多，采集的數據越準確，但考慮到無人機系統的整體功能，要優化傳感器的布置；最后傳感器采集的數據在無人機運行狀態下，只能通過無線傳輸，但在實際應用中數據傳輸會受到電磁干擾，可靠性會降低[8]。因此，在無人機設計之初就應預留傳感器的位置，在數據傳輸時提高抗干擾能力。

完善狀態監測技術，以智能傳感器為基礎，構建狀態監測體系，實現系統化、模塊化實時監控無人機系統，為PHM系統提供真實可靠的數據。從而通過先進的狀態監測技術將無人機系統各階段的健康情況完整地記錄存檔，為構建數據庫提供準確真實的數據。

完善故障預測和診斷技術，發展基于人工智能的預測技術，實現故障準確預測；研究多種算法聯合診斷，基于人工智能實現智能診斷，將診斷方法標準化和程序化，提高故障診斷的準確性[9]。

完善健康評估技術，根據無人機出廠參數和歷史經驗劃分健康等級，能夠提前準確地診斷系統處于的健康等級，從而實現無人機狀態維修和視情維修，最終實現自主維修保障。

5 結束語

無人機PHM系統發展已更趨于自主智能化，能夠提高無人機的維修保障效率，降低維修管理成本，使維修更加靈活精確，更能夠滿足戰時需要。目前，自主智能化的無人機PHM系統還處于理論研究階段，距離實際應用還有一定差距，需要進一步檢驗研究，實現無人機精確化保障水平，提高作戰能力。