面向多車(chē)協(xié)同作業(yè)編組的裝備健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫長(zhǎng)軍

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

1 前言

多車(chē)協(xié)同作業(yè)編組裝備健康管理一般指通過(guò)監(jiān)測(cè)獲取編組中車(chē)輛的狀態(tài)信息，對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估，并結(jié)合任務(wù)情況提供編組最優(yōu)搭配建議。同時(shí)，通過(guò)對(duì)維修活動(dòng)中所需資源做出適當(dāng)決策或提出建議。通過(guò)車(chē)輛編組健康管理，可提高車(chē)輛的完好性、任務(wù)的成功率，根據(jù)健康評(píng)估的結(jié)果以及先驗(yàn)知識(shí)，自動(dòng)生成車(chē)輛所需維護(hù)保養(yǎng)方案以及維修保障方案。

目前，關(guān)于裝備健康管理的研究有很多，但大多數(shù)是針對(duì)單個(gè)裝備的健康管理研究，針對(duì)多類(lèi)型車(chē)輛編組的裝備健康管理研究較少。文獻(xiàn)[1]中針對(duì)導(dǎo)彈裝備設(shè)計(jì)了一款裝備健康管理系統(tǒng)，按照2 個(gè)層次構(gòu)建系統(tǒng)，并以某導(dǎo)彈為例驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性；文獻(xiàn)[2]中針對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)了一款裝備健康管理系統(tǒng)，采用“分布式數(shù)據(jù)采集-集中式分析處理”的系統(tǒng)架構(gòu)，具備自底而上的狀態(tài)綜合健康管理能力；文獻(xiàn)[3]中針對(duì)試驗(yàn)裝備設(shè)計(jì)了一款裝備管理系統(tǒng)，基于B/S 架構(gòu)，采用在線監(jiān)控和離線維護(hù)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；文獻(xiàn)[4]中針對(duì)特種車(chē)輛使用保障及維護(hù)能力需求，提出了一種車(chē)輛健康管理體系架構(gòu)，包括車(chē)載端和基地端兩級(jí)架構(gòu)；文獻(xiàn)[5]中針對(duì)地鐵車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)過(guò)度維修問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款車(chē)輛制動(dòng)組件故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，包括車(chē)載PHM 單元和地面平臺(tái)兩部分。

本文描述了為車(chē)輛編組健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的健康管理體系、健康管理評(píng)估模型以及設(shè)計(jì)方法，最后以軟件實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了該方法在車(chē)輛編組健康管理系統(tǒng)研制中的可行性與有效性。

2 編組健康管理體系

通過(guò)對(duì)車(chē)輛編組所需狀態(tài)信息分析，根據(jù)具體車(chē)輛編組特點(diǎn)，建立編組健康管理體系。編組健康管理體系從任務(wù)出發(fā)，從編組可靠性、編組可用度、編組狀態(tài)、任務(wù)情況四個(gè)方面進(jìn)行綜合構(gòu)建。

其中，編組可用性由編組維修性和編組可靠性決定。其中維修性包括維修度、維修率以及故障修復(fù)時(shí)間等因素，編組可靠性主要由可靠度、故障率、平均壽命、平均無(wú)故障時(shí)間。編組中各車(chē)輛可分為可維修車(chē)輛和不可維修車(chē)輛，對(duì)于可維修車(chē)輛的維修時(shí)長(zhǎng)以及故障率都直接影響著車(chē)輛編組的可用性。

編組可信性由車(chē)輛編組的可靠度、故障率、平均壽命決定。車(chē)輛編組的故障率與車(chē)輛編組的可靠度平均壽命直接相關(guān)，一般故障率越離，可靠度就越低；平均壽命越短，可靠度也會(huì)越低。

編組狀態(tài)由編組機(jī)動(dòng)狀態(tài)、編組工作狀態(tài)、編組轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)共同決定。編組機(jī)動(dòng)狀態(tài)包含車(chē)輛底盤(pán)的性能以及狀態(tài)；編組工作狀態(tài)包含任務(wù)所需工作車(chē)輛的性能以及狀態(tài)；編組轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)主要是轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛的性能以及狀態(tài)。

車(chē)輛編組性能由單個(gè)車(chē)輛的性能狀態(tài)以及累計(jì)工作情況組成。性能狀態(tài)主要由車(chē)輛健康狀態(tài)、車(chē)輛技術(shù)指標(biāo)、車(chē)輛歷史故障情況以及車(chē)輛的維護(hù)保養(yǎng)情況共同決定。通過(guò)任務(wù)情況以及累計(jì)工作情況，共同衡量基于任務(wù)的車(chē)輛狀態(tài)。其通過(guò)任務(wù)里程與底盤(pán)行駛里程的對(duì)比，任務(wù)預(yù)計(jì)時(shí)長(zhǎng)與累計(jì)工作時(shí)間、累計(jì)工作小時(shí)數(shù)的對(duì)比共同決定，主要對(duì)其剩余使用量是否滿足任務(wù)要求，是否需要提前維護(hù)保養(yǎng)等情況。

3 編組數(shù)據(jù)采集模型

對(duì)于編組車(chē)輛的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，需要采集各車(chē)的數(shù)據(jù)以及履歷信息。通過(guò)采集設(shè)備掌握和識(shí)別編組的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)預(yù)留與編組內(nèi)其他車(chē)輛的外部接口，接收各車(chē)輛健康管理信息。

考慮到編組中車(chē)輛的產(chǎn)品組成包含機(jī)械類(lèi)、電子電氣類(lèi)、液壓類(lèi)設(shè)備、設(shè)備類(lèi)型不同監(jiān)測(cè)的參數(shù)也不相同。對(duì)于電子設(shè)備，例如，供電設(shè)備中的交流配電組合以及直流配電組合等，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)其靜態(tài)電流的變化可判斷器件和設(shè)備的狀態(tài)。對(duì)于機(jī)械類(lèi)設(shè)備，可以通過(guò)安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器、振動(dòng)加速度傳感器等方式，對(duì)機(jī)械的形變，運(yùn)行中的振動(dòng)變化進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)確定步驟如下：（1）對(duì)車(chē)輛分系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，確定可靠性指標(biāo)較低的分系統(tǒng)，確定需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的分系統(tǒng)；（2）對(duì)車(chē)輛各個(gè)設(shè)備進(jìn)行功能、性能分析，確定影響任務(wù)較大的設(shè)備；（3）對(duì)影響任務(wù)較大的設(shè)備進(jìn)行FMECA 分析，確定故障原因、故障影響、故障嚴(yán)酷度以及故障測(cè)試方法。

根據(jù)上述分析，得到關(guān)鍵設(shè)備或關(guān)重件，并對(duì)各個(gè)設(shè)備或組件進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)分析，確定設(shè)備可用來(lái)健康評(píng)估的狀態(tài)參數(shù)以及狀態(tài)參數(shù)采集方式。

4 編組健康管理評(píng)估模型

利用健康評(píng)估模型評(píng)估編組健康狀態(tài)，為編組規(guī)劃、維修維護(hù)保障方案提供支撐。針對(duì)車(chē)輛采集參數(shù)數(shù)據(jù)量少的問(wèn)題，目前較為有效的是采用定性與定量相結(jié)合的方法，接收到各車(chē)輛的健康評(píng)估相關(guān)信息后，利用DS證據(jù)理論進(jìn)行編組車(chē)輛健康評(píng)估，并通過(guò)輔助保障決策給出使用及維修維護(hù)意見(jiàn)。健康評(píng)估的過(guò)程主要分為兩個(gè)部分：健康等級(jí)劃分以及健康狀態(tài)評(píng)估。

4.1 健康等級(jí)劃分

對(duì)于“正常”狀態(tài)，表示指車(chē)輛的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)都在允許的范圍內(nèi)，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)離警告值，能夠保證訓(xùn)練任務(wù)的完成或?qū)崿F(xiàn)各種規(guī)定的功能，無(wú)須做任何維護(hù)工作，大修周期可適當(dāng)延長(zhǎng)，此狀態(tài)車(chē)輛可作為執(zhí)行任務(wù)的首選。

對(duì)于“預(yù)警”狀態(tài)，表示大部分狀態(tài)參數(shù)的值均處于允許的范圍內(nèi)，但存在部分狀態(tài)參數(shù)的值偏離標(biāo)準(zhǔn)值的程度較大，但仍未達(dá)到閾值（上下限）。此時(shí)，總體性能雖有所下降，但不會(huì)影響任務(wù)的完成，對(duì)應(yīng)的策略為加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并安排預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃，此狀態(tài)車(chē)輛不影響執(zhí)行任務(wù)。

對(duì)于“降級(jí)”狀態(tài)，表示僅有少量狀態(tài)參數(shù)的值處于允許的范圍內(nèi)，但存在大部分狀態(tài)參數(shù)的值超過(guò)閾值（上下限）尚未達(dá)到劣化閾值（劣化上下限）,且此部分設(shè)備不影響任務(wù)完成。此時(shí)，車(chē)輛有劣化的趨勢(shì)，仍可完成主要的功能，對(duì)應(yīng)的策略為加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并安排維修計(jì)劃，此狀態(tài)車(chē)輛雖有故障，但對(duì)任務(wù)的影響不大。

對(duì)于“故障”狀態(tài)，表示所有狀態(tài)參數(shù)的值達(dá)到或超過(guò)劣化閾值，即劣化上下限。此時(shí)，對(duì)應(yīng)的策略可為立即進(jìn)行維修，此狀態(tài)車(chē)輛發(fā)生故障已影響到任務(wù)，需安排維修，不建議執(zhí)行任務(wù)。

4.2 評(píng)估模型

提出基于任務(wù)的編組健康評(píng)估指標(biāo)H：

式中，H 為編組的健康評(píng)估指標(biāo)；T 為編組的任務(wù)情況因素；E 為編組的工作因素；G 為編組的保障因素；A 為編組的可用性向量，使用編組在開(kāi)始任務(wù)時(shí)的待機(jī)可用狀態(tài)來(lái)度量；D 為編組的可信性矩陣，使用編組在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中所處的主要狀態(tài)來(lái)度量；S 為編組的狀態(tài)向量，使用編組用于完成任務(wù)能力與性能狀態(tài)來(lái)度量。

4.3 健康狀態(tài)評(píng)估過(guò)程

在對(duì)編組車(chē)輛進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估時(shí)，所有參數(shù)指標(biāo)都有相應(yīng)的分析和判斷標(biāo)準(zhǔn)。同一類(lèi)參數(shù)指標(biāo)一般還要進(jìn)行橫向比較，即檢驗(yàn)個(gè)體之間是否存在顯著性差異、縱向比較，即檢驗(yàn)參數(shù)的劣化趨勢(shì)，每類(lèi)參數(shù)還要同標(biāo)準(zhǔn)值比較等。

不同的參數(shù)指標(biāo)反映了編組不同方面的健康狀態(tài)，利用采集的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)健康評(píng)估模型對(duì)編組進(jìn)行健康指標(biāo)計(jì)算、健康狀態(tài)等級(jí)評(píng)估和健康狀態(tài)預(yù)警。健康評(píng)估信息可以為操作人員進(jìn)行視情維修提供依據(jù)，便于優(yōu)化維修方案。

健康管理采用分層的方法進(jìn)行編組健康評(píng)估。編組中，每級(jí)車(chē)輛可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自我評(píng)估，同時(shí)還可以充分考慮編組車(chē)輛之間的健康耦合關(guān)系，通過(guò)編組健康信息的不斷完善，利用信息融合的方法提高評(píng)估精度和可信度。將AHP 和DS 證據(jù)理論合成的方法進(jìn)行編組的健康管理評(píng)估。

5 基于任務(wù)的編組規(guī)劃模型

任務(wù)信息包含需要編組車(chē)輛數(shù)、預(yù)計(jì)長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)行駛里程，預(yù)計(jì)短距離行駛里程、任務(wù)時(shí)間點(diǎn)、任務(wù)地點(diǎn)、任務(wù)環(huán)境、任務(wù)持續(xù)時(shí)間、待機(jī)時(shí)間，共計(jì)包含n 波次任務(wù)集為對(duì)于任務(wù)T 包含預(yù)計(jì)長(zhǎng)距離機(jī)動(dòng)里程,短距離行駛里程，任務(wù)開(kāi)始時(shí)間，待機(jī)時(shí)間，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，任務(wù)要求時(shí)間，任務(wù)過(guò)程中保障所需時(shí)間，任務(wù)能力需求，即成功執(zhí)行任務(wù)的所需能力，若為0，則表示執(zhí)行任務(wù)不需要此能力，各任務(wù)間的時(shí)序約束關(guān)系，即是否存在前置任務(wù)。

編組規(guī)劃是已知任務(wù)需求的作業(yè)車(chē)輛數(shù)量，擇優(yōu)靈活動(dòng)態(tài)分配性能最佳的工程車(chē)輛，轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)輛，保障車(chē)輛等的問(wèn)題，其分配方式為。此問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為在滿足在任務(wù)完成度，時(shí)間等條件約束下，求解編組面向任務(wù)最優(yōu)健康狀態(tài)的編組組成問(wèn)題。

3.4.2 直流電源自身具有完善的蓄電池管理功能，可對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，能有效延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，減少站點(diǎn)蓄電池投資和維護(hù)費(fèi)用。

5.1 編組健康狀態(tài)更新模型

任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程會(huì)造成編組健康狀態(tài)的變化，因此，在編組執(zhí)行完成某項(xiàng)任務(wù)后，其任務(wù)健康狀態(tài)變化更新如下：

某階段任務(wù)完成后，對(duì)編組健康狀態(tài)進(jìn)行更新，更新后的編組健康狀態(tài)值為

5.2 約束分析

編組規(guī)劃問(wèn)題的約束條件包括時(shí)間約束、健康狀態(tài)約束。

（1）時(shí)間約束。編組按計(jì)劃完成各任務(wù)時(shí)，其中包含任務(wù)持續(xù)時(shí)間、路程所需時(shí)間，保障時(shí)間。所有任務(wù)的累積時(shí)間為

考慮到任務(wù)的實(shí)效性，此任務(wù)累積時(shí)間不應(yīng)大于所要求的時(shí)間，即

5.3 數(shù)學(xué)模型

6 編組健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

考慮編組車(chē)輛健康管理軟件到未來(lái)的擴(kuò)展性，數(shù)據(jù)庫(kù)可移植性，軟件架構(gòu)分層設(shè)計(jì)，分為3 層：表示層和邏輯層、實(shí)體以及數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。

實(shí)體層用來(lái)描述對(duì)象的信息，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)庫(kù)中表信息，是數(shù)據(jù)訪問(wèn)層與業(yè)務(wù)邏輯層共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是兩者交換數(shù)據(jù)的載體；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層用來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的相互對(duì)立性，使得業(yè)務(wù)邏輯層不因數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介或方式的變化而變化，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層通過(guò)向上提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與業(yè)務(wù)邏輯的隔離；表示層和邏輯層是與用戶交互的界面，并管理業(yè)務(wù)邏輯。

編組車(chē)輛健康管理軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 軟件體系結(jié)構(gòu)圖

6.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)采集設(shè)備實(shí)時(shí)或者離線采集車(chē)輛工作時(shí)的性能參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄幗M車(chē)輛健康管理軟件中。編組車(chē)輛健康管理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)判別、數(shù)據(jù)處理、特征提取等，將采集的數(shù)據(jù)處理為編組車(chē)輛健康管理軟件所要求的規(guī)定格式。

6.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)于編組車(chē)輛的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是通過(guò)采集各車(chē)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及履歷信息，隨著車(chē)輛運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)逐漸積累，可以對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比、故障前特征數(shù)據(jù)的提取與比對(duì)、故障后接口檢測(cè)與隔離。

6.3 健康評(píng)估

利用健康管理評(píng)估模型劃分編組車(chē)輛的健康管理等級(jí)。對(duì)編組健康狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估時(shí)，根據(jù)編組健康管理體系，結(jié)合車(chē)輛的FMECA 分析通過(guò)編組健康管理，進(jìn)行編組健康評(píng)估。考慮到存在動(dòng)態(tài)編組的情況，即存在根據(jù)任務(wù)需要，編組內(nèi)車(chē)輛的種類(lèi)和數(shù)量會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整，編組健康評(píng)估模型根據(jù)編組動(dòng)態(tài)調(diào)整自行適應(yīng)，并通過(guò)信息融合的方法提高評(píng)估精度和可信度。

6.4 輔助決策

通過(guò)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)和當(dāng)前外部數(shù)據(jù)的變化情況，針對(duì)可能出現(xiàn)的車(chē)輛保障需求進(jìn)行總體籌劃和設(shè)計(jì)，采用智能算法充分分析靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)保障方案的智能產(chǎn)生，并依據(jù)任務(wù)階段變化以及工作情況優(yōu)化※※保障方案，實(shí)現(xiàn)信息化引導(dǎo)維修人員完成各類(lèi)保障任務(wù)。主要包括編組規(guī)劃方案、維護(hù)保養(yǎng)方案和故障維修方案。

（1）編組規(guī)劃方案。編組車(chē)輛健康管理軟件接收任務(wù)信息以及編組內(nèi)各車(chē)輛的信息，對(duì)編組進(jìn)行基于任務(wù)的健康狀態(tài)評(píng)估。結(jié)合任務(wù)類(lèi)型，編組狀態(tài)，形成基于任務(wù)的編組車(chē)輛出動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)靈活、動(dòng)態(tài)、合理分配，提供編組規(guī)劃的輔助決策（圖2）。

圖2 編組規(guī)劃界面圖

（2）維護(hù)保養(yǎng)方案。編組車(chē)輛健康管理軟件依據(jù)車(chē)輛實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)需求以及歷史維護(hù)保養(yǎng)記錄，生成車(chē)輛維護(hù)保養(yǎng)方案。包括維護(hù)對(duì)象名稱(chēng)、維護(hù)項(xiàng)目名稱(chēng)、維護(hù)級(jí)別、維護(hù)所需的保障資源（人員要求、備件、耗材、設(shè)備工具）、維護(hù)保養(yǎng)過(guò)程指導(dǎo)等（圖3）。

圖3 維護(hù)保養(yǎng)方案界面圖

（3）故障維修方案。當(dāng)編組內(nèi)車(chē)輛出現(xiàn)故障時(shí)，依據(jù)車(chē)輛狀態(tài)信息對(duì)車(chē)輛進(jìn)行故障診斷，顯示故障診斷結(jié)果，根據(jù)故障情況提供故障維修方案（圖4）。

圖4 故障維修方案界面圖

7 結(jié)語(yǔ)

本文多車(chē)協(xié)同作業(yè)環(huán)境下，車(chē)輛裝備精準(zhǔn)編配與保障問(wèn)題，提出了基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的車(chē)輛編組健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并以某編組為例，進(jìn)行了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，由此驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法在健康管理系統(tǒng)研制中的可行性與有效性。