大數(shù)據(jù)背景下航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究

李孟源?李丹敏?張?bào)努|?陳湘龍

摘要：隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)航天領(lǐng)域的設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)越發(fā)智能，也日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)策略逐漸難以滿(mǎn)足實(shí)際的維護(hù)需求。而物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的快速崛起，為預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合航天設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，針對(duì)航天設(shè)備運(yùn)行管理、高頻度發(fā)射和惡劣氣候環(huán)境等復(fù)雜使用環(huán)境，提出了基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)策略確保航天設(shè)備正常運(yùn)行。文章首先分析了航天發(fā)射場(chǎng)工作環(huán)境的特點(diǎn)及其對(duì)維護(hù)技術(shù)的要求，然后給出了航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的具體流程，最后闡述了航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)模型的一些關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：預(yù)測(cè)性維護(hù)；大數(shù)據(jù)；航天設(shè)備

近些年，我國(guó)航天領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，相應(yīng)設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)精密化、智能化、復(fù)雜化程度逐步提高。由于航天設(shè)備運(yùn)行管理、高頻度發(fā)射和惡劣氣候環(huán)境等復(fù)雜使用環(huán)境，發(fā)生部件退化、失效、故障的可能性較高。而在航天領(lǐng)域，任何設(shè)備失效引發(fā)的事故，都可能導(dǎo)致難以挽回的嚴(yán)重?fù)p失。為此，航天設(shè)備維護(hù)需要投入的人力、物力成本非常高。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，基于海量的設(shè)備運(yùn)行、監(jiān)測(cè)、維護(hù)數(shù)據(jù)，在嚴(yán)重事故發(fā)生之前，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警故障、進(jìn)行故障隔離，確定設(shè)備健康狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)以及評(píng)估剩余壽命，進(jìn)而制定高效可行的維護(hù)計(jì)劃，對(duì)保障航天設(shè)備安全可靠運(yùn)行有重要價(jià)值。由此看來(lái)，針對(duì)航天設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)研究變得十分迫切。

一、研究背景與研究現(xiàn)狀

（一）航天發(fā)射場(chǎng)的環(huán)境特點(diǎn)及其維護(hù)現(xiàn)狀

我國(guó)為保障運(yùn)載火箭將衛(wèi)星送入太空，20世紀(jì)70年代開(kāi)始航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)施設(shè)備建設(shè)，保障了各類(lèi)運(yùn)載火箭的發(fā)射任務(wù)，發(fā)射場(chǎng)設(shè)施設(shè)備不斷迭代更新，順利完成各項(xiàng)工作。我國(guó)航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)施具有單臺(tái)次，非標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)特性不明顯等特點(diǎn)。隨著深空探測(cè)、空間站等任務(wù)相繼實(shí)施，航天任務(wù)高密度開(kāi)展，各類(lèi)設(shè)施設(shè)備的數(shù)量及規(guī)模大幅增加、使用愈加頻繁。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，使用壽命縮短、突發(fā)故障增多的風(fēng)險(xiǎn)加劇，造成發(fā)射場(chǎng)在發(fā)射任務(wù)期間維修維護(hù)任務(wù)十分繁重。傳統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)模式已難以適應(yīng)繁重的試驗(yàn)任務(wù)需要，對(duì)各類(lèi)航天任務(wù)的高質(zhì)量完成提出了挑戰(zhàn)。這對(duì)設(shè)備維護(hù)保障的體系創(chuàng)新、模式升級(jí)及新技術(shù)應(yīng)用提出了緊迫需求。

航天設(shè)備保障運(yùn)維技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：修復(fù)性維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)、預(yù)測(cè)性維護(hù)。目前我國(guó)航天發(fā)射場(chǎng)主要采用修復(fù)性維護(hù)及預(yù)防性維護(hù)結(jié)合，同時(shí)部分重點(diǎn)地面設(shè)備采用傳統(tǒng)的基于專(zhuān)家分析系統(tǒng)及物理退化模型的預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。單純選擇修復(fù)性維護(hù)策略時(shí)，設(shè)備發(fā)生故障后才實(shí)施維護(hù)行為，無(wú)法避免故障造成的損失。航天發(fā)射對(duì)系統(tǒng)設(shè)備可靠性要求較高，所以針對(duì)任務(wù)設(shè)備同時(shí)也結(jié)合預(yù)防性維護(hù)策略，這種周期性維護(hù)不考慮設(shè)備實(shí)際健康狀態(tài)，容易造成維護(hù)過(guò)度，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備保障成本增加。針對(duì)重點(diǎn)設(shè)備的基于已知物理退化模型的預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，對(duì)維護(hù)人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平要求高，實(shí)施落地難度大，只能適用于部分設(shè)備。

（二）大數(shù)據(jù)背景下的航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)

伴隨著新一代技術(shù)的發(fā)展和落地應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及人工智能技術(shù)可以采集設(shè)備實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、分析、處理以及判斷，從而使航天設(shè)備基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)應(yīng)用成為可能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)性維護(hù)的數(shù)據(jù)采集感知層技術(shù)，是預(yù)測(cè)性維護(hù)的神經(jīng)末梢。現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以通過(guò)5G/4G、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線(xiàn)傳輸手段實(shí)時(shí)獲得設(shè)備的振動(dòng)、噪聲、溫度、電流電壓、疲勞度、損傷探測(cè)等傳感器信息，隨時(shí)掌握機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行健康信息。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于航天設(shè)備中，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取地面設(shè)備部件各方面測(cè)點(diǎn)信息，為預(yù)測(cè)性維護(hù)的數(shù)據(jù)來(lái)源奠定基礎(chǔ)。

大數(shù)據(jù)指超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、處理技術(shù)操作極限的大量、實(shí)時(shí)、多樣、價(jià)值密度低的數(shù)據(jù)集合。大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)主要包含預(yù)處理、存儲(chǔ)、分析挖掘、可視化分析等技術(shù)。航天設(shè)備部件種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)龐大、不同設(shè)備的監(jiān)測(cè)維度方法不同、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，所產(chǎn)生的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模較大、數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，符合大數(shù)據(jù)的特征。大數(shù)據(jù)技術(shù)使得存儲(chǔ)、處理分析大量歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)成為可能，為航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的數(shù)據(jù)處理提供計(jì)算支撐。

以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代人工智能技術(shù)憑借其優(yōu)秀表現(xiàn)已經(jīng)成為智能預(yù)測(cè)算法的有力工具，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育等眾多領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。同樣在航天領(lǐng)域，面對(duì)航天設(shè)備所產(chǎn)生的海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)能夠無(wú)需專(zhuān)業(yè)背景的輔助，而以一種類(lèi)似黑盒模式提取數(shù)據(jù)內(nèi)部潛藏的特征，為后續(xù)的處理與分析提供解決方案。

（三）中國(guó)航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前中國(guó)航天發(fā)射設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)缺乏基于新技術(shù)的體系設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)及智能學(xué)習(xí)應(yīng)用方法。隨著人工智能及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)積累設(shè)備的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)、故障機(jī)理模型以及生命周期相關(guān)參數(shù)，從“預(yù)防性”維護(hù)轉(zhuǎn)向“預(yù)測(cè)性”維護(hù)已成為一種可行的更高效、更可靠的設(shè)備維護(hù)手段。

二、航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)總體流程

（一）預(yù)測(cè)性維護(hù)流程

完整的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)流程包括數(shù)據(jù)感知獲取與處理、狀態(tài)分析識(shí)別、故障診斷與定位、健康值評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)、維護(hù)管理、維護(hù)執(zhí)行與有效性評(píng)審、保障決策、管理優(yōu)化、狀態(tài)可視化等過(guò)程。預(yù)測(cè)性維護(hù)借助先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集設(shè)備采集所需要預(yù)置在設(shè)備中的傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)預(yù)處理的數(shù)據(jù)結(jié)合設(shè)備模型，分析和挖掘反映設(shè)備健康狀態(tài)、壽命及性能退化的特征。用獲得的特征及處理后的數(shù)據(jù)，借助機(jī)器學(xué)習(xí)等算法模型對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)健康狀態(tài)評(píng)估以及失效分類(lèi)判別、剩余壽命預(yù)測(cè)等。最終，基于智能化模型分析的結(jié)果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)規(guī)劃，結(jié)合維護(hù)資源，提供指導(dǎo)性的維護(hù)策略，合理安排維護(hù)周期及措施。

（二）航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)流程

航天發(fā)射設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于構(gòu)建打通設(shè)備數(shù)據(jù)采集、集成、存儲(chǔ)、管理、故障預(yù)測(cè)模型、壽命預(yù)測(cè)分析和維護(hù)決策應(yīng)用的整體技術(shù)鏈路，故需要建立基于新技術(shù)的預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)體系。

航天發(fā)射設(shè)備與一般性質(zhì)的工業(yè)設(shè)備相比，具有地面設(shè)備種類(lèi)組成復(fù)雜、設(shè)備服役時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境嚴(yán)酷、可靠性安全性要求較高的特點(diǎn)，基于以上特點(diǎn)可對(duì)航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)主要包括對(duì)典型航天設(shè)備如擺桿設(shè)備的失效原理進(jìn)行分析建模，對(duì)復(fù)雜多樣的航天設(shè)備進(jìn)行多層級(jí)劃分，并進(jìn)行不同層級(jí)的健康及壽命預(yù)測(cè)性維護(hù)；根據(jù)預(yù)測(cè)的健康評(píng)級(jí)評(píng)分、壽命預(yù)測(cè)和故障預(yù)警結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)決策優(yōu)化。其中，航天設(shè)備多層級(jí)健康及壽命預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)及模型、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)維護(hù)決策優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)是預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的基石。

三、航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

航天發(fā)射塔架擺桿系統(tǒng)是發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)備中的重要設(shè)施之一，主要用于懸掛、支持和固定在擺桿上各種加注、供氣、電纜、空調(diào)等管線(xiàn)路和連接器，火箭起飛前帶動(dòng)脫落的連接器、管路、接頭等擺開(kāi)到火箭飛行區(qū)外的安全位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，多年來(lái)擺桿設(shè)備出現(xiàn)過(guò)各類(lèi)故障狀況。為保證發(fā)射塔的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、健康狀況評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)等分析，以便科學(xué)決策，消除事故隱患。

（一）對(duì)典型航天設(shè)備如擺桿設(shè)備的失效原理進(jìn)行分析建模

首先，分析常見(jiàn)航天設(shè)施設(shè)備失效故障的類(lèi)型及現(xiàn)有對(duì)策，確立預(yù)測(cè)性維護(hù)的優(yōu)化策略目標(biāo)。航天發(fā)射典型設(shè)備失效類(lèi)型主要分為機(jī)械類(lèi)故障、狀態(tài)異常和性能衰退，具體表現(xiàn)為部件老化、斷裂、銹蝕、電氣元件失效、短路斷路等。針對(duì)這些故障，現(xiàn)有對(duì)策通常為檢測(cè)檢修、定期維護(hù)、定期更新等。數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)性維護(hù)的優(yōu)化策略為基于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)故障發(fā)生、判斷健康狀態(tài)，根據(jù)預(yù)判結(jié)果提前適期安排更新、維護(hù)等。其次，分析設(shè)備機(jī)構(gòu)原理，包括系統(tǒng)整體的功能、運(yùn)行機(jī)理，各組分結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行參數(shù)等。擺桿系統(tǒng)根據(jù)組分模式，從機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個(gè)部分進(jìn)行分析。再者，明確設(shè)備測(cè)點(diǎn)布置需求，核實(shí)現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)，確定新測(cè)點(diǎn)建設(shè)需求和建設(shè)方案，包括傳感器的選型和安裝、物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議。以航天發(fā)射擺桿系統(tǒng)為例，當(dāng)前可獲取的數(shù)據(jù)包括常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修維護(hù)數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)。需要新建測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括沖擊壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。最后，對(duì)設(shè)備故障分析建模。應(yīng)從擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程出發(fā)，分析擺桿運(yùn)行過(guò)程和動(dòng)作機(jī)理，研究擺桿的鋼結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)泵閥的承載力學(xué)分析情況，構(gòu)建擺桿系統(tǒng)啟停失效、連續(xù)運(yùn)行失效、運(yùn)行限位失效、擺開(kāi)速度波動(dòng)等故障的分析模型。根據(jù)擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行故障數(shù)據(jù)挖掘，建立擺桿系統(tǒng)運(yùn)行可靠性模型和解析方程。

（二）航天設(shè)備多層級(jí)健康及壽命預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù)及模型

航天設(shè)備系統(tǒng)通常包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、部件等多個(gè)層級(jí)。對(duì)此類(lèi)復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建預(yù)測(cè)性維護(hù)管理模型，需要完成對(duì)系統(tǒng)多個(gè)層級(jí)的健康狀態(tài)、壽命值等的量化評(píng)估。基于所研究系統(tǒng)的各部分組成與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立層級(jí)分析結(jié)構(gòu)樹(shù)，采用層次分析的方法，將定性的評(píng)估定量化，逐級(jí)計(jì)算各級(jí)設(shè)備量化健康信息，為維護(hù)者提供決策數(shù)據(jù)支持。

作為航天地面設(shè)備系統(tǒng)層析分析結(jié)構(gòu)樹(shù)的部件結(jié)點(diǎn)，將擺桿設(shè)備部件的測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)作為輸入，對(duì)擺桿設(shè)備的健康、壽命發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行擬合預(yù)測(cè)，給出基于多維數(shù)據(jù)的擺桿部件健康狀態(tài)及部件壽命預(yù)測(cè)模型。

1.航天設(shè)備數(shù)據(jù)感知采集與處理

在預(yù)測(cè)性維護(hù)模型中，數(shù)據(jù)是關(guān)鍵。充足、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸入，才能保證挖掘到有效的目標(biāo)特征，訓(xùn)練合適的機(jī)器模型，收獲期望的維護(hù)決策信息支持。

在航天設(shè)備數(shù)據(jù)感知采集階段，航天設(shè)備測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)傳感器和終端設(shè)備種類(lèi)多，存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散、傳輸方式多樣、數(shù)據(jù)異構(gòu)、信息量綱不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)規(guī)模大等特點(diǎn)，直接采樣的狀態(tài)參數(shù)信息往往不能直接表征部件的健康相關(guān)屬性。因此，在獲得測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)（運(yùn)行狀態(tài)信息數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修維護(hù)數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)）后，需要對(duì)狀態(tài)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便支持后續(xù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、健康評(píng)估等的分析需要。通常，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗（異常值處理、缺失值處理、去噪等）、數(shù)據(jù)集成（統(tǒng)一量綱、數(shù)據(jù)模式集成等）、數(shù)據(jù)變換（如數(shù)據(jù)歸一化）、數(shù)據(jù)歸約（壓縮數(shù)據(jù)集）等操作。擺桿系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要包括：對(duì)不同失效或故障狀態(tài)下的擺桿運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)施規(guī)范化處理，統(tǒng)一量綱，擬合離散信息，構(gòu)建模型訓(xùn)練和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)獲取后，如何有效提取數(shù)據(jù)中的特征是預(yù)測(cè)性維護(hù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)分析預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。在擺桿系統(tǒng)案例中，通過(guò)以下方式獲取數(shù)據(jù)特征：時(shí)域特征、頻域特征等。

2.基于深度學(xué)習(xí)的航天設(shè)備健康狀況評(píng)估

健康狀況評(píng)估就是對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的性能失效退化過(guò)程建模，將高維監(jiān)測(cè)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換為二維的健康趨勢(shì)曲線(xiàn)，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備系統(tǒng)性能的退化狀態(tài)或者退化程度。在實(shí)際中，受自身復(fù)雜機(jī)理和工作環(huán)境限制，大部分航天設(shè)施設(shè)備的退化失效情況無(wú)法通過(guò)直接監(jiān)測(cè)獲得。基于數(shù)據(jù)挖掘的機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)健康狀況評(píng)估模型，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和模型計(jì)算分析，監(jiān)視系統(tǒng)退化過(guò)程，確定系統(tǒng)健康狀態(tài)。具體到航天發(fā)射場(chǎng)擺桿系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有長(zhǎng)短期時(shí)間序列特征，利用擺桿可靠性模型，對(duì)擺桿設(shè)備突發(fā)失效和退化失效兩種情況構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)的LSTM-VAE網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)模型，并通過(guò)各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)對(duì)故障失效趨勢(shì)多層級(jí)健康狀態(tài)進(jìn)行擬合，從而建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的擺桿失效預(yù)測(cè)性維護(hù)健康狀態(tài)模型。

3.基于深度學(xué)習(xí)的航天設(shè)備壽命預(yù)測(cè)評(píng)估

剩余壽命（RUL）是指設(shè)備從當(dāng)前狀態(tài)到最后可用時(shí)刻的時(shí)間度量。剩余壽命屬性可提供設(shè)備部件等的最晚維護(hù)時(shí)間信息，作為維護(hù)策略制定者的決策依據(jù)。傳統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)方法大多在依賴(lài)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和直覺(jué)的人工提取數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)，且無(wú)法解讀傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列特性。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)需借助專(zhuān)業(yè)知識(shí)，而是利用概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)完成壽命評(píng)估等功能。擺桿系統(tǒng)可結(jié)合LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)理論，利用直接預(yù)測(cè)策略，即順序滑動(dòng)預(yù)設(shè)時(shí)間窗口、從測(cè)點(diǎn)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中窗選生成序列數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入，建立剩余壽命預(yù)測(cè)模型。

（三）設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)維護(hù)決策優(yōu)化方法

降低航天地面設(shè)備故障頻率、提高發(fā)射設(shè)施設(shè)備運(yùn)行效率是高密度航天發(fā)射成功的關(guān)鍵。在預(yù)測(cè)性維護(hù)過(guò)程中，基于設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)，判斷需要做何種維護(hù)、預(yù)估最晚必要停機(jī)維護(hù)時(shí)間、針對(duì)不同維護(hù)目標(biāo)和維護(hù)環(huán)境制定能最大限度保障系統(tǒng)性能高效和降低維護(hù)成本的維護(hù)活動(dòng)計(jì)劃，是維護(hù)決策考慮的問(wèn)題。

以擺桿設(shè)備系統(tǒng)為例，研究設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)維護(hù)決策優(yōu)化方法。首先，剖析航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)決策優(yōu)化問(wèn)題的特點(diǎn)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)維護(hù)決策優(yōu)化模型。分析擺桿設(shè)備故障和維護(hù)活動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移取決于當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和維護(hù)決策，歷史的系統(tǒng)狀態(tài)與維護(hù)決策綜合成當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的初始狀態(tài)。擺桿設(shè)備故障與維護(hù)活動(dòng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的作用機(jī)理，以及對(duì)維護(hù)過(guò)程的影響，可利用這種序列決策特點(diǎn)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的步進(jìn)記憶性特征，構(gòu)建基于馬爾科夫鏈設(shè)備瞬態(tài)性能評(píng)估模型，進(jìn)而獲取擺桿系統(tǒng)性能變化規(guī)律。綜合考慮停機(jī)成本、失效懲罰值和預(yù)測(cè)性維護(hù)成本，以最小化系統(tǒng)總成本值為目標(biāo)，基于馬爾科夫決策過(guò)程建立擺桿設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)決策優(yōu)化模型。然后，針對(duì)建立的預(yù)測(cè)性維護(hù)決策優(yōu)化模型，尋找合適的求解策略。對(duì)于決策優(yōu)化中大規(guī)模動(dòng)態(tài)決策問(wèn)題，在馬爾科夫決策求解過(guò)程中將遇到典型的“維數(shù)災(zāi)難”，利用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法難以得到最優(yōu)策略。因此，對(duì)建立的馬爾科夫決策過(guò)程，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)這一近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，從而獲得最優(yōu)解，即所需要的擺桿系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。最后，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上，利用算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行近似求解，獲得設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)策略。具體地，為生成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)，基于瞬態(tài)性能評(píng)估模型依次迭代模擬擺桿設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程，產(chǎn)生當(dāng)前時(shí)刻設(shè)備的系統(tǒng)狀態(tài)、維護(hù)決策及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)收益等訓(xùn)練數(shù)據(jù)；為獲取有效的擺桿設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲取問(wèn)題的最優(yōu)近似求解，最終獲得預(yù)測(cè)性維護(hù)決策的優(yōu)化方案。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，面對(duì)航天領(lǐng)域設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的研究，對(duì)保證航天設(shè)備系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低經(jīng)濟(jì)成本、確保航天任務(wù)順利完成具有重要意義。當(dāng)前我國(guó)航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)還缺乏系統(tǒng)的理論和應(yīng)用架構(gòu)。本文基于航天發(fā)射場(chǎng)維護(hù)策略現(xiàn)狀，分析了大數(shù)據(jù)背景下航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)策略的必要性和可行性，結(jié)合航天設(shè)備特點(diǎn)給出了預(yù)測(cè)性維護(hù)的具體流程，闡述了航天設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)模型的一些關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例。

作者單位：李孟源 63926部隊(duì)

李丹敏 中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

張?bào)努| 63926部隊(duì)

陳湘龍 中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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李孟源（1962.12-），女，漢族，北京，大學(xué)本科，正高級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)控制；

李丹敏（1998.05-），女，漢族，山西呂梁，研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；

張?bào)努|（1979.05-），男，漢族，北京，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程；

陳湘隴（1979.12-），男，漢族，湖南，學(xué)士學(xué)歷，研究員，研究方向：航天設(shè)備系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、應(yīng)用物理電子技術(shù)。