預(yù)測(cè)與健康管理在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：為保證慣導(dǎo)系統(tǒng)高性能、低保障費(fèi)用、安全可靠地完成導(dǎo)航任務(wù)，在對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能影響因素分析的基礎(chǔ)上，提出一種基于性能的慣導(dǎo)系統(tǒng)健康管理（INS-PHM）體系架構(gòu)。它采用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)的智能模型與算法對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，為實(shí)現(xiàn)基于PHM技術(shù)的慣導(dǎo)系統(tǒng)健康管理提供了一種有效的解決途徑，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：慣導(dǎo)系統(tǒng)；預(yù)測(cè)與健康管理；性能影響因素；多層次模糊綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）02-0049-05

0、引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）以其全天候、全球性、連續(xù)性、自主性強(qiáng)的導(dǎo)航特點(diǎn)，在航空飛行器和航天運(yùn)載器等各導(dǎo)航設(shè)備中占有核心地位。因其為技術(shù)密集和高度復(fù)雜的系統(tǒng)，常發(fā)生系統(tǒng)故障，直接影響導(dǎo)航性能。如何減少故障發(fā)生頻率、減少維修人力和保障費(fèi)用、提高系統(tǒng)可靠性迫在眉睫。預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）作為新一代武器裝備的關(guān)鍵技術(shù)，在提高安全l生、可靠性、完成任務(wù)成功性及降低保障費(fèi)用等方面有重要作用。PHM技術(shù)核心是利用先進(jìn)的傳感器（微機(jī)電系統(tǒng)MEMS等），借助各種算法（快速傅里葉變換、小波變換等）和智能模型（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、遺傳算法）對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行診斷、預(yù)測(cè)、監(jiān)控和健康管理。PHM技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)內(nèi)測(cè)試（BIT）、狀態(tài)（健康）監(jiān)控和故障診斷技術(shù)的進(jìn)一步拓展，從對(duì)部件或系統(tǒng)故障的被動(dòng)反應(yīng)（事后處理）轉(zhuǎn)向主動(dòng)監(jiān)測(cè)（CBM），引入故障預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，借助這種提前預(yù)知能力，提前識(shí)別可能發(fā)生的故障，提高對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)工作狀態(tài)的了解，并綜合管理規(guī)劃，最大程度降低故障帶來(lái)的損失，提高復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和安全性。一個(gè)完整的PHM系統(tǒng)通常要完成以下功能：①故障檢測(cè)與隔離（FDI）；②故障檢測(cè)與恢復(fù)隔離（FDR）；③故障預(yù)測(cè)（FP）；④剩余使用壽命預(yù)計(jì)；⑤部件壽命跟蹤；⑥性能降低趨勢(shì)跟蹤；⑦決策支持和資源管理；③信息融合與容錯(cuò)；⑨信息管理。近年來(lái)PHM技術(shù)在大型飛機(jī)、航空電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到很好的研究和應(yīng)用。

本文在慣導(dǎo)系統(tǒng)性能影響因素分析的基礎(chǔ)上，提出了一種慣導(dǎo)系統(tǒng)健康管理（INs-PHM）體系架構(gòu)，借助多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)健康狀況預(yù)測(cè)和管理提供一種有效的解決途徑。

1、INS性能影響因素分析

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量單元（InertialMeasurement Unit，IMU）和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成。IMU通常包括3個(gè)相互正交的加速度計(jì)和陀螺儀：導(dǎo)航計(jì)算機(jī)利用IMU在外界復(fù)雜環(huán)境干擾下的實(shí)際輸出值，在給定的初始條件下，解算出載體的瞬時(shí)位置、速度以及姿態(tài)信息，如圖1所示。

慣導(dǎo)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地完成導(dǎo)航任務(wù)并且給出高精度的定位結(jié)果，不僅與系統(tǒng)復(fù)雜的硬件條件及導(dǎo)航算法有關(guān)，而且還受外界環(huán)境因素影響。慣性傳感器表現(xiàn)出的大誤差除硬件故障（傳感器無(wú)輸出、無(wú)讀數(shù)、超指標(biāo)）和裝配故障外，還可能表明系統(tǒng)可能處在一個(gè)比設(shè)計(jì)指標(biāo)大得多的震動(dòng)環(huán)境。

因此，有必要對(duì)可能影響導(dǎo)航精度和綜合性能的因素進(jìn)行分析：①導(dǎo)航精度：由于導(dǎo)航位置信息是由加速度計(jì)敏感的加速度值經(jīng)二次積分得到，致使其誤差隨時(shí)間積累而發(fā)散，導(dǎo)致定位精度降低；②綜合因素：傳感器的各種誤差（固有零偏、隨機(jī)漂移、安裝誤差等）、所處環(huán)境因素（溫度、震動(dòng)、濕度、壓力、沖擊等）。圖2列出了對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)性能有較大影響的相關(guān)性能制約因素。

2、INS-PHM體系架構(gòu)

現(xiàn)代先進(jìn)武器對(duì)導(dǎo)航精度和系統(tǒng)“五性”（可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和安全性）提出了更高的要求，慣導(dǎo)系統(tǒng)本質(zhì)相當(dāng)于多傳感器的綜合處理系統(tǒng)，傳統(tǒng)方法提高性能主要是通過(guò)冗余技術(shù)，即以硬件冗余為主，軟件冗余為輔的手段，實(shí)時(shí)對(duì)部件及系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)、隔離，但不能提前預(yù)知可能的隱患。通過(guò)對(duì)國(guó)外視情維修的開放體系結(jié)構(gòu)的研究，在此給出INS-PHM體系架構(gòu)，如圖3所示。由圖知，將慣導(dǎo)系統(tǒng)PHM體系分成三層。底層主要負(fù)責(zé)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸。中間層則是軟件管理層，負(fù)責(zé)PHM功能的算法實(shí)現(xiàn)。頂層則為用戶管理層。將三層細(xì)分為以下六層，各層功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸層：由慣導(dǎo)系統(tǒng)中的各傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)傳輸卡等組成，利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，再利用數(shù)據(jù)傳輸卡將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串行接口傳送給上位機(jī)，以便對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理。

（2）數(shù)據(jù)處理層：接收來(lái)自各傳感器的輸出信號(hào)及其他部分信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、濾波處理、特征數(shù)據(jù)提取等。

（3）狀態(tài)監(jiān)控層：首先建立系統(tǒng)健康狀態(tài)知識(shí)庫(kù)，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)同知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判斷系統(tǒng)的健康狀況，同時(shí)判斷所提取的特征信息量是否在閾值及安全范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控。

（4）健康狀態(tài)綜合評(píng)估層：該層次算法實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性直接影響PHM在慣導(dǎo)系統(tǒng)中是否成功應(yīng)用。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的檢測(cè)與診斷，若判斷有故障，向用戶警告，借助冗余的硬件實(shí)現(xiàn)FDI或FDR；若無(wú)故障，則對(duì)元件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，預(yù)判可能發(fā)生故障的原因和時(shí)間，進(jìn)而提前進(jìn)行維護(hù)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新到知識(shí)庫(kù)中。

（5）決策層：對(duì)上層各類監(jiān)測(cè)狀況視情處理。

（6）表達(dá)層：主要包括機(jī)一機(jī)接口和人一機(jī)接口。其中機(jī)一機(jī)接口主要實(shí)現(xiàn)各模塊間的數(shù)據(jù)通信，人一機(jī)接口主要對(duì)上述幾部分的數(shù)據(jù)及結(jié)果信息給予顯示，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。

3、多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法

系統(tǒng)安全性綜合評(píng)價(jià)時(shí)的評(píng)語(yǔ)通常帶有模糊性，所以宜采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，此方法關(guān)鍵之處在于對(duì)指標(biāo)權(quán)重的選取，而模糊綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重通常由專家組給出，由此帶來(lái)的主觀性可由層次分析法（AHP）彌補(bǔ)，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度。主要步驟如下：

5、結(jié)束語(yǔ)

本文提出的INS-PHM體系，在傳統(tǒng)FDIR基礎(chǔ)上，引入故障預(yù)測(cè)和健康管理，基于智能推理機(jī)軟件來(lái)模擬物理系統(tǒng)真實(shí)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)未來(lái)健康狀況的預(yù)測(cè)和管理，采用多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法作為預(yù)測(cè)方法，對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)綜合性能做出評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)1的評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，說(shuō)明此慣導(dǎo)系統(tǒng)健康狀況雖不是最佳，但各項(xiàng)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)，在低精度條件下仍可使用，要繼續(xù)監(jiān)控其健康狀況以便進(jìn)行管理決策：實(shí)驗(yàn)2的結(jié)果為不健康，說(shuō)明某項(xiàng)或某幾項(xiàng)指標(biāo)超出正常范圍，系統(tǒng)應(yīng)立即停用并進(jìn)行故障定位，與仿真條件吻合。實(shí)驗(yàn)證明該方法可簡(jiǎn)易合理地對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行預(yù)判。