基于健康管理的武器裝備綜合保障設計方法 *

戚艷君 ，王玉峰 ，李睿

（1.江南機電設計研究所，貴州 貴陽 550009；2.貴州航天計量測試技術研究所，貴州 貴陽 550025）

0 引言

隨著各類高科技武器裝備力量加速發展帶來的戰場作戰樣式的改變，武器裝備的戰備完好性成為制約戰爭勝負的重要因素，裝備保障的實時性、適時性影響尤為重大。在伊拉克戰爭中，美軍在信息精確掌控的基礎上基本實現了“保障力量精確使用、保障物資精確配送”，以較低的成本獲得了巨大的軍事效益和經濟效益［1］。面對新的作戰形勢，我國軍用裝備也在積極推進“視情維修”、“精確保障”理念，在考慮保證功能完成的基礎上，提高了戰備完好性和降低維修費用［2］。通過實現裝備的精確化保障，通過實時精確地掌握武器裝備的運行狀態，并根據裝備執行任務的功能要求，適應性地統籌規劃保障任務和保障資源的調配，對單個裝備而言，可以有效監控裝備的值班狀態，評估裝備作戰完備性，并通過優化保障作業規劃降低裝備全壽命周期費用，對成體系化的多裝備協同作戰保障而言，通過掌握的裝備功能性能指標狀態，結合各裝備的作戰任務分配評估裝備的作戰能力，適時針對裝備保障任務進行整體式優化能降低縮短綜合保障時間、提高作戰效能、保障任務實施成功率［3］。

為實現精確保障，武器裝備就需要從裝備設計之初就準確把握裝備故障或失效規律，以面向任務的裝備精確保障需求為導向，形成傳統綜合保障設計與健康管理設計相互融合、綜合保障設計與仿真優化有機結合的綜合保障設計新方法，根據現代作戰的裝備精確保障要求，對保障資源進行動態優化配置，減少裝備停機和脫離戰斗時間，有效適應新的作戰形態，打贏未來攻防對抗戰爭。

1 精確保障與健康管理的關系

裝備精確保障是在繼承傳統裝備保障技術基礎上，與信息網絡技術、信息分析與融合技術、健康管理技術、決策優化技術、系統集成技術等有機結合，針對信息化戰爭保障需求發展起來的一種先進保障理念，精確保障就是注重充分運用以信息技術為核心的現代保障技術，通過實時精確地掌握武器裝備的功能狀態，及時準確地籌劃保障任務、科學高效地運用保障資源，總體保障“適時、適地、適量、快速、高效”。其實質是用最優的保障任務規劃、最小保障資源滿足最大的面向作戰任務的保障要求［4］，以最強保障信息掌控最佳的保障物資流、人員流，以最少保障時差實現最優的保障時效，以最低風險和代價達成最佳的保障效益［5-6］。其主要內涵是：通過保障信息的全程共享、保障資源的靈活重組、保障任務的協調優化，實現在準確的時間、準確的地點提供準確、高效、快速的保障服務能力，快速、準確、主動已經成為精確保障區別于傳統綜合保障的主要標志［7］。

裝備健康管理技術是指利用盡可能少的傳感器采集系統的各種數據信息，借助各種智能推理算法（如物理模型、神經網絡、數據融合、模糊邏輯、專家系統等），緊密結合狀態監測、維修、使用和環境等信息來評估系統自身的健康狀態，在系統故障發生前對其故障進行預測，并且基于裝備的健康狀態合理選擇維修策略，結合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實現系統的視情維修，周密計劃維修活動，同時通過構建管理機構，明確任務分工，控制管理過程，落實管理制度，實現裝備健康管理活動的優化。

將健康管理技術應用到防空導彈武器系統綜合保障中，對裝備系統進行健康狀態監測，評估裝備當前的健康狀態并預測其未來故障的發生［8］，制定合理的維修決策，形成智能化、快響應、主動式的防空武器系統動態精確“保障力”，確保防空武器系統實戰化、體系化、信息化戰斗力發揮，支撐我國積極防御軍事戰略實施。

2 傳統防空裝備綜合保障設計過程

裝備綜合保障源于“綜合后勤保障”，是美國在20 世紀60 年代提出的，80 年代我國開始學習吸收美軍“維修工程”的概念及相關理論，并逐漸推廣應用當前基于4A（FMECARCMAO&MTALORA）分析的序貫設計模式［9］，通過綜合考慮裝備保障的需求，制定一套與戰備完好性目標、設計及保障相互協調的保障性要求，并在裝備研制時反復迭代進行保障分析，權衡優化設計方案和保障方案，實現費用、進度、性能之間的最優化。根據型號研制要求，武器裝備設計階段的綜合保障設計工作過程如圖1所示。

圖1 傳統綜合保障設計流程圖Fig.1 Flow chart of traditional integrated support design

從圖1 可以看出，現階段我國防空裝備綜合保障設計主要是定性的分析設計，以“故障恢復”為目標，以裝備作戰任務、保障要求等為輸入，開展保障要求論證，提出保障定量、定性要求，并根據要求完成4A 分析工作，按照分析結果對保障任務和保障資源進行權衡，根據故障維修及日常維護工作的需求匯總維護和維修保障的工具、備件等保障資源作為保障系統，最終得到綜合保障方案［10］。傳統的綜合保障設計主要基于故障后維修的情況進行，基于裝備故障信息及任務需求進行靜態分析的結果，多針對靜態的保障方案進行保障決策與優化，缺少對裝備綜合保障數據的動態關聯分析與深入挖掘利用，并且由于故障發生的不確定性，帶來保障需求和保障活動的隨機性，致使保障資源“備而不用，用而不備”，與裝備保障需求不匹配不協調，無法達到精細、準確、實時、經濟的保障目的。

3 基于健康管理的綜合保障設計過程

基于健康管理的綜合保障設計過程，在傳統綜合保障設計流程的基礎上，從設計源頭融入健康管理、保障驗證優化的設計理念［11-14］，深入分析分系統/設備的故障機理、故障特性與故障模式之間的關系，確定開展健康狀態監控的產品，分析裝備個體狀態及故障特性表征，通過增加故障預測、健康評估、健康控制策略、保障任務規劃、保障仿真建模等關鍵設計環節，完成分系統/設備的故障預測模型開發、健康評估模型開發、健康狀態控制策略模型開發、武器系統級任務規劃模型等關鍵設計手段，生成滿足保障設計需求的多套裝備綜合保障方案，并利用多屬性決策方法進行方案優選，確定最優綜合保障方案，實現基于健康管理的“分析-設計-控制-驗證-優化”的閉環設計，使綜合保障與產品的功能組成、技術指標真正實現協同設計，為提供真實、可行、高效、精確

基于健康管理的綜合保障設計過程，在傳統綜合保障設計過程基礎上，融入健康保障設計環節，增加的設計過程與能力如下：

（1） 健康需求分析：武器系統總體以裝備作戰任務、保障要求、健康能力要求等為輸入，提出對導彈、發射、雷達、指控等分系統的故障預測指標及健康保障要求。

（2） 傳統與健康保障融合設計：各分系統在傳統關鍵設備分析基礎上，完成關鍵設備以及關鍵設備-分系統的健康影響分析；在傳統故障模式、維修任務、保障資源分析基礎上，完成故障預測模型、三級健康評估模型、健康控制策略模型開發，在故障特性分析的基礎上，規劃監測設備或者傳感器規劃，同時按照產品構型，從組件-設備-分系統-系統多個層級逐級選取故障特征因素，基于以往的裝備研制和服役過程中的試驗數據和使用數據，構建故障預測模型，并基于故障特性分析結果和故障預測模型，按照裝備的故障規律，構建設備-分系統-系統的三級健康評估模型，根據多狀態系統維修特征，以裝備可用度為目標構建裝備健康控制策略模型，形成分系統健康保障方案，與傳統設計形成的保障方案共同組成被動式、主動式相結合的新型保的防空武器系統綜合保障設計提供支撐?；诮】倒芾淼木C合保障設計主要流程如圖2 所示。障方案。

圖2 基于健康管理的綜合保障設計流程圖Fig.2 Flow chart of integrated support design based on health management

（3） 新型保障方案的決策生成：在各分系統被動式、主動式相結合的新型保障方案的基礎上，武器系統總體以可用性、任務成功性、經濟性、資源利用率為目標，完成保障方案的任務和資源決策，生成保障方案，并針對多方案的情況完成方案優選。

（4） 數據驅動下的保障模型擴展及仿真優化：建立被動式與主動式相交互的綜合保障仿真模型，進行保障能力仿真評估，以保障人員、設備、工具以及備品備件為約束條件，在作戰任務、裝備健康狀態等數據驅動下，完成保障方案優化。

對比傳統綜合保障設計流程，基于大數據健康管理的綜合保障設計主要區別包括以下方面：

（1） 傳統綜合保障設計中的FMECA 主要針對故障模式和故障現象開展分析工作，僅僅停留在故障表象及故障影響分析層面，未對故障的發生機理以及多產品耦合退化/失效導致的產品故障進行分析，基于健康管理的綜合保障設計增加故障模式表征與故障特性關聯關系分析工作，從產品的退化機理和失效模式開始，根據產品的故障機理發生的演化過程，按照故障的層次性、相關性、并發性、隨機性和記憶性，將機械、液壓、電子、電氣部件產品的故障規律及退化機理分類分析。

（2） 基于健康管理的綜合保障設計在傳統設計工作的基礎上，增加設備產品復雜故障預測模型開發環節，通過分析故障機理及故障特性關聯分析，基于設備物理模型和故障分析結果，形成復雜裝備的精確預測模型，該模型是裝備開展視情維修的核心，為視情維修時機提供有力支撐。

（3） 基于健康管理的綜合保障設計相比于傳統設計工作，具備了設備/分系統/整車整彈的三級健康評估與控制能力，按照由下向上的評估方法，依次利用故障表征-故障關系分析結果，以裝備全壽命周期設計數據、測試數據、使用數據、試驗數據以及相關的外部環境數據等大數據為支撐，分層逐級研究健康狀態評估方法，開發面向作戰任務的設備/分系統/整車整彈的三級健康評估與控制模型。

（4） 傳統的綜合保障設計優化工作主要依托于設計師的主觀權衡分析，生成的保障方案是固定式靜態方案，且保障工作及保障資源的規劃合理性不能在設計階段得到充分驗證，基于大數據健康管理的綜合保障設計具備保障方案輔助決策能力，在大數據、仿真等技術的支撐下，基于保障目標、多種約束條件下的保障原則，通過保障方案形式化建模、多評價體系下的保障效能評估、多方案的輔助決策等技術，實現數據驅動的保障方案決策優化，使靜態保障方案轉變為動態保障方案。

4 結束語

本文圍繞健康管理和精確保障的理念，按照精確保障能力要求，深入分析了裝備健康管理保障的能力需求，梳理了傳統裝備綜合保障設計流程，提出了傳統流程的缺陷，按照精確保障能力要求，構建基于健康管理的綜合保障設計工作流程，對比分析了基于健康管理的設計流程相比于傳統設計的優勢，為實現防空武器系統的精確保障設計提供有效支撐。