基于PHM技術的導彈維修保障

楊立峰，王 亮，馮佳晨

（1.海軍駐北京地區艦空導彈系統軍事代表室，北京 100841；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001）

隨著導彈武器系統，特別是電子設備性能的日益提高、復雜性和集成度的急劇增加，以及軍隊信息化建設的不斷發展與推進，傳統的導彈維修保障方法越來越無法適應復雜電磁環境下的信息化、網絡化戰爭。為了克服復雜作戰環境帶來的導彈保障困難，實現視情維修，減少導彈維修保障的人力、物力，解決“經濟可承受性”問題，同時又可以在一定程度上促進導彈武器裝備保障的信息化，加速軍隊信息化建設的步伐，提出了基于PHM技術的導彈維修保障方法。

故障預測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM），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）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[1-3]。

PHM技術早在2000年就被列入美國國防部威脅減少局的《軍用關鍵技術》報告中，在研的主力飛機——聯合攻擊戰斗機（JSF）設計時，引入了PHM技術，其最初目的是為了減少由于傳統定期維護采用的多、勤、細維修方式所消耗的大量人力、物力和財力，同時提高了武器裝備的信息化程度。

目前，比較成熟并進行了實際工程應用的PHM或者類PHM系統主要有美軍的飛機狀態監控系統（ACMS，Aircraft Condition Monitoring System）、發動機監控系統（EMS，Engine Monitoring System）、綜合診斷預測系統（IDPS，Integrated Diagnostics and Prognostics System）、以及美海軍的綜合狀態評估系統（ICAS，Integrated Condition Assessment System）等[4]。

綜觀PHM技術的發展，該技術在持續任務系統領域（如飛機系統）得到較為廣泛的應用，而在非持續任務系統領域（如導彈武器系統、運載火箭系統等）中應用較少。目前，美軍已經開始進行這方面的工程技術研究。

1 維修方式與PHM技術

選擇合適的維修方式不但可以使裝備有較高的安全性、可靠性和可用性，更可以降低費用，減少維修成本。按照故障發生時刻和采取維修措施的時刻，維修方式大致可以分為3種[5-7]：

1）基于故障的維修方式。基于故障的維修方式，又稱失效后維修、反應性維修或非計劃維修，即指在故障發生后進行修復性的維修活動。基于故障的維修方式可以最大限度地利用裝備的工作壽命，但是它存在一些缺點：維修活動無計劃性；消耗較多維修資源；可能產生極其嚴重的后果等。

2）基于時間的維修方式。基于時間的維修方式，又稱計劃維修或預防性維修，是指無論裝備是否發生故障，經過一定時間都要對裝備進行檢查維修。基于時間的維修有較好的計劃性，而且能有效的防止嚴重后果的發生，但是仍存在一些不足：消耗巨大的維修資源；對一些裝備的使用壽命造成很大浪費；不能保障消除所有故障等。

3）基于狀態監控的維修方式。基于狀態監控的維修方式，又稱預測性維修或視情維修，是指通過監測、評估裝備的健康狀態，根據具體情況安排維修活動。基于狀態健康的維修方式既能充分利用裝備的使用壽命，又可以及時地計劃安排維修活動，同時又克服了失效后維修和計劃維修的缺點。可以說，視情維修是目前各軍事強國都在積極探索研究的熱門課題，視情維修的流程如圖1所示。

圖1 視情維修流程圖

從圖1可以看出，整個視情維修的流程與PHM技術的工程應用思想有頗多相似之處，都是通過檢測、狀態評估來判斷裝備的健康情況，因此PHM技術的合理應用是實現視情維修的有效途徑。

2 導彈武器系統與PHM技術

作為非持續任務領域中的導彈武器系統，它與飛機等持續任務裝備相比具有一些不同點，正是由于這些差異的存在，使得應用于導彈的PHM技術呈現出自己的特點。

導彈武器系統與飛機的主要不同點有：

1）使用方式不同。導彈屬于一次使用的裝備，而且任務持續時間較短；飛機則屬于多次重復使用的裝備，任務持續時間較長。

2）儲存時間不同。導彈的全壽命周期中的絕大多數時間均處于貯存狀態；飛機的儲存時間所占比例相對導彈較少。

3）易故障部件不同。從目前資料分析，導彈故障部件大多集中于雷達、導引系統等電子部件；飛機則集中在發動機、機體結構等機械部件。

4）導彈上的空間相對較小，飛機上的空間則相對較大，在硬件尤其是傳感器及數據傳輸方式的選擇方面會受到一定的影響。

5）雖然導彈只是一次使用，但是在貯存期內一般會歷經多次定期測試，在某種程度上每次加電測試對于其電子設備而言都是一次使用的過程。

6）導彈作為一次使用的非載人飛行器其單位價值相對飛機較低，因此在構建導彈保障PHM系統時必須考慮整個系統的費用，合理選擇軟硬件，充分優化，使效費比盡量降低。

從以上這些不同點可以看出，導彈武器系統中的PHM技術應用與飛機還是有所不同的，包括可行性分析、系統規劃、設計要求，再到具體的硬件的選擇、監控分系統的確定、軟件的編寫、傳輸方式的選擇等都需要根據導彈武器系統的實際情況深入研究。

3 信息化保障與PHM技術

信息時代的戰爭形態是信息化戰爭，戰爭形態牽引裝備維修保障形態的發展。裝備維修保障作為戰爭的重要組成部分，在未來多維一體的全頻譜信息化作戰方式中，也必將面臨許多新情況、新問題，呈現出許多新的特征，而信息化將是未來裝備維修保障最主要的特征。在信息化戰爭條件下，裝備保障理念已經發生了革命性的變化。信息化戰爭要求裝備維修保障必須有預見性、精確性，維修保障過程要實現可視化，維修保障指揮實現網絡化。簡單地說，就是使維修保障實現“自主化”、“智能化”和“網絡化”[8]。

PHM技術的應用將加快“三化”的實現，普通的PHM系統實際已經初步實現了維修保障的“自主化”和“智能化”，要完善及實現“網絡化”需要進一步結合通信技術、計算機網絡技術、現代管理理論等，將初級的導彈PHM系統完善成為基于PHM技術的導彈維修保障管理信息系統，形成導彈維修保障綜合模塊，將其作為一個分系統接入作戰指揮系統、后勤保障系統，從而實現維修保障的“網絡化”。

4 基于PHM技術的導彈維修保障管理信息

4.1 現役導彈的PHM技術應用

對于已經服役的導彈來說，由于在引進或研制時，對導彈的維修保障考慮得并不十分全面，而且在應用PHM技術時不可能重新在導彈內安裝嵌入式傳感器，為達到及時監控導彈健康狀態的目的，應研制導彈PHM系統，通過在外部及導彈貯運發射箱安裝傳感器來收集導彈的環境信息以及性能信息，利用這些狀態數據，通過不同的算法、模型進行故障診斷、預測等，判定導彈的健康狀態。同時，在對現役型號導彈PHM系統的研究過程中還要規范相應軟硬件標準，為未來型號導彈提出合理的研制建議。

導彈武器系統PHM系統基本技術框架如圖2所示。

圖2 現役導彈PHM系統技術框架

在實際工程應用時，有幾點需要注意的問題：

1）要選擇好監測部件，確定監測參數，并非監測部件越細、監測參數越多檢測評估效果越好，因為越多的監測部件和監測參數就意味更多的傳感器，更大的數據量，這些問題對傳感器的安裝、供電技術、數據傳輸、數據存儲設備都是很大的挑戰；

2）在故障診斷、預測時，可以將基于數據（參數）的方法與基于失效物理（PoF）的方法結合起來，以提高健康評估的準確度；

3）上述框圖可以進一步開發為基于PHM技術的導彈維修保障決策支持系統。

4.2 預研型號導彈PHM技術應用

對于預研型號的導彈，為了滿足未來復雜保障環境的需求，方便以后導彈的維修保障，應該在導彈設計初期就考慮導彈的健康狀態監控問題。

監測導彈貯存環境數據時，可將溫度、濕度、振動、加速度等傳感器固化安裝在導彈貯運發射箱中，通過無線組網或有線傳輸的方式監控導彈貯運發射箱、庫房等導彈壽命周期內經歷的使用環境信息。導彈環境固化監控單元如圖3所示。

圖3 導彈環境固化監控單元

4.3 導彈維修保障信息管理系統

無論是對于現役導彈還是預研導彈，利用PHM技術進行導彈維修保障的最終目標是建立包括橫向（軍隊、地方廠商）和縱向（軍隊內部）的導彈維修保障信息管理系統，通過計算機技術、通信技術、網絡技術以及現代管理理論，使導彈維修保障實現信息化、可視化，同時降低維修消耗，到達經濟可承受性的目的[9]。

導彈維修保障信息管理系統是指軍械保障管理部門根據導彈全系統、全壽命周期維修保障的需要建立的由人機等組成的導彈武器系統維修保障信息的收集、傳遞、存儲、加工、維護、和使用的系統。

整個導彈保障信息管理系統信息流框圖如圖4所示，圖中內部網絡實際上是PHM技術在導彈保障方面的應用擴展。

圖4 導彈武器系統維修保障信息管理系統信息流框圖

5 結論

隨著無線傳感器網絡技術[10]、信息融合技術等新技術迅速發展，以及故障診斷，狀態評估等算法、模型的改進，基于PHM技術的導彈維修保障展現出了越來越好的應用前景，但還有以下問題需解決：

1）可行性分析。從技術可行性、操作可行性、社會可行性、經濟可行性這4 方面進行，PHM技術應用于導彈維修保障主要應進行經濟可行性分析。

2）長期供電技術。無論是傳感器、處理器還是存儲設備都需要電力支持，如何實現長時間供電及便捷充電是亟待解決的問題。

3）海量信息存儲技術。數據量主要取決于監測參數的多少及采樣頻率的選擇。

4）標準化問題。“技術體制統一、指揮體制統一、接口標準統一”，“系列化、通用化、標準化、模塊化”是我軍軍事建設的要求，所以在將PHM技術應用于導彈維修保障時同樣要注意標準化問題。

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