PHM技術在測控裝備管理中的應用

魏永峰　趙海

摘 要： 針對復雜大型測控裝備系統工程的管理，開展測控裝備故障預測與健康管理技術研究。以某型雷達抗干擾測試系統為例，闡述可應用于測控裝備故障預測與健康管理的一種科學管理方法，提出基于模型的PHM技術在抗干擾測試系統中應用，達到提高裝備技術狀態穩定性、提升維修保障效率，降低全壽命周期成本的目的。有助于加強裝備質量管理模式體系化、信息化發展。

關鍵詞： 故障預測與健康管理（PHM）； 測控裝備； 故障預測； 健康評估

中圖分類號： TN953?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0025?03

Abstract： The prognostics and health management （PHM） technology was studied for the management of complex heavy measurement and control equipments. As an example of a certain type of radar anti?jamming measurement system （AJMS）， a scientific management method applied to PHM is described in this paper. The application of PHM technology based on model in AJMS is proposed to achieve the goals of improving the stability of equipment， promoting the efficiency of maintenance， and reducing the life cycle cost. It can help to the development of systematism and informatization of quality management.

Keywords： PHM； measurement and control equipment； fault prognostic； health assessment

0 引 言

故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術作為一種新興的故障診斷與管理方法，在軍用電子產品領域已經得到廣泛重視和發展。大型測控裝備系統是裝備試驗的重要組成部分，測控系統獲取的數據是試驗結果分析的基礎，測控系統的優劣決定了試驗能力和試驗水平，并直接影響部隊武器裝備的研制和發展。PHM技術能對測控裝備重要部件進行全面的健康狀態監控、故障預測、分析判斷處理，它的實現將會使基于狀態（視情）的維修逐漸代替由事件主宰的維修（即事后維修）或時間相關的維修（即定期維修）[1?3]。本文是對新興的故障預測與健康管理（PHM）技術如何有效應用在某型雷達抗干擾測試系統（以下簡稱AJMS）中的思考。

1 針對AJMS的PHM系統建立

AJMS的PHM系統的核心部分包括狀態監控、健康評估、故障預測、維修管理四個部分[4?6]，它們形成AJMS狀態的最終報告，為AJMS是否可參加試驗、用于訓練提供決策，以及判定AJMS全年各類型保養工作和維修結果的有效程度。

（1） 狀態監控

狀態監控指采集數據同預先設定的有效數據比較，實現對AJMS的狀態監測。

AJMS可實現在線狀態監測和離線狀態監測，對實時采集的射頻、電平、數字數據進行狀態分析，若狀態參數與設定數據差值超出安全閾值則進行故障報警；離線狀態監測是事后狀態監測，是根據評估準則對歷史數據二次處理，進行狀態異常判斷的方法。

（2） 健康評估

健康評估指通過對比系統健康狀態的數據和維修的歷史數據，根據評估準則對系統的健康狀態進行評估。

AJMS分成“良好”、“亞健康”、“故障”三類健康狀態，良好狀態表征系統各項關鍵指標均處于預先設定的健康指數與技術協議規定指標的區間內，輔助參數均處于正常均線以上；亞健康狀態表征系統關鍵指標部分處于降低狀態，低于健康指數，甚至處于惡化過程中；故障狀態表征系統關鍵參數不能采集或采集數據異常，輔助參數不參與評估。

（3） 故障預測

故障預測指借助各種推理技術如數學物理模型、人工智能等，預測AJMS未來的健康狀態。故障預測技術基于模型、知識和數據。

（4） 維修管理

維修管理指接受來自狀態監測、健康評估和故障預測的數據，實現PHM系統管理的能力。其功能主要是形成對AJMS的維修管理計劃，工作包括制定維修計劃、采購維修部件、調度維修任務和分配維修資源等，它可以在AJMS故障發生前的任何適宜時機實施。

2 針對AJMS的PHM技術分析

在AJMS中有效實現PHM技術的應用，重點考慮的因素是實際使用和適用性。以下討論三種典型的PHM技術并結合AJMS進行分析[7]。

（1） 基于模型的PHM技術

基于模型的PHM技術首先需要確定對象系統的數學模型。這些數學模型一般比較精確，AJMS重要模型參數有行波管輸出功率模型、天線增益曲線、信號基噪分布等。AJMS的故障特征一般與模型參數緊密聯系，這使得基于模型的PHM技術能夠體現對象系統的本質特征。隨著對設備故障演化機理研究的深入，還可以通過逐漸修正系統的數學模型來提高該方法的預測精度，由此，基于模型的PHM技術可以實現實時故障預測。

（2） 基于知識的PHM技術

基于知識的PHM技術不需要建立對象系統精確的數學模型，而是充分利用對象系統操作使用人員的經驗知識進行故障預測，相比基于模型的故障預測方法應用簡單。但是在實際應用中，對AJMS技術人員的經驗水平、理論知識、知識規則化表述能力以及經驗知識庫建立的完備程度都有著很高的要求。比如在經驗知識庫的不完備階段，遇到新的故障，如果沒有專家性的AJMS技術人員存在，這種方法便會失效。

（3） 基于數據的PHM技術

基于數據的PHM技術以數據采集的數據為基礎，在時間縱向和同時期硬件橫向比較中，通過各種數據分析處理方法挖掘其中的隱含信息，對系統進行故障預測。但在實際應用中，一些關鍵設備的數據往往很難獲取，即使通過傳感器采集到，也存在不確定性和不完整性。

通過以上分析，結合對AJMS試驗保障和裝備管理的適用性和使用成本需求，選取基于模型的PHM技術在AJMS中進行應用。

3 基于模型的PHM技術在AJMS中的應用

3.1 AJMS的PHM參數確定與采集

在AJMS上應用基于模型的PHM技術需要考慮系統參數的選取，通過對參數的采集、處理、分析、評估，達到狀態控制和故障預知的目的。

實現對AJMS進行故障預測和健康管理，首先要確定能夠代表系統故障或健康狀態的參數信息。AJMS在設備規模和研制經費上都屬于大型測控裝備，由射頻偵察、干擾信號產生、射頻放大、電源輔助等組成。AJMS的PHM參數選取分為關鍵參數和輔助參數，關鍵參數包含控制系統運行參數、偵察機輸出參數、干擾合成信號輸出、發射機輸出功率、供電系統參數、冷卻系統狀態等，這些參數是影響系統運行的串行數據，它們共同決定了系統是否可以使用，屬于邏輯“與”關系。輔助參數包含伺服控制參數、干擾模塊輸出參數、電視跟蹤狀態、狀態指示燈、照明、設備外殼與內部溫度等，這些參數是系統運行中輔助系統運行的并行數據，它們決定了系統的部分功能是否可以使用，屬于邏輯“或”關系。

實現關鍵參數和輔助參數的采集需要以下幾個步驟：

（1） 確立評估準則、預先選定合適的傳感器型號；

（2） 合理安放傳感器；

（3） 將采集到的數據進行分類整理、一次處理；

（4） 處理數據的傳遞。

3.2 PHM技術應用原理

在AJMS上應用PHM時，對其各項參數進行篩選和分類，其中關鍵參數部分對AJMS使用起到決定性作用，當其中任意參數發生異常故障時，都會導致設備不能正常運行；輔助參數對AJMS使用起到輔助決策作用，參數的正常與否不會對設備的運行起到決定作用。通過對AJMS的關鍵參數和輔助參數的采集、評估和預測，最終形成針對AJMS的PHM結果報告，來指導設備的故障維護和健康管理[]8?10]。PHM在AJMS的應用原理如圖1所示。

4 結 語

以某型雷達抗干擾測試系統（AJMS）為代表的測控裝設備管理是一項復雜的大型工程，在提高系統的安全性、可靠性、使用效率和減少使用與維護成本上對故障預測和維護方式提出了新的挑戰。針對復雜大型測控裝備系統工程的管理，傳統的故障診斷和維護方法已經不能滿足，而PHM技術非常適合，它能夠實現對重要部件進行全面的健康狀態監測，在必要時對系統進行自修復、任務降級或提前準備必要的維修資源，降低全壽命周期成本。因此，開展故障預測與健康管理（PHM）技術的深入研究和推廣有助于加強軍用裝備質量管理模式的體系化、信息化發展，有助于提升測控裝備試驗保障能力。

參考文獻

[1] MICHAEL G P. Prognostics and health management of electronics [M]. Hoboken， New Jersey： John Wiley & Sons， 2008.

[2] HESS A， FILA L. The joint strike fighter （JSF） PHM concept： potential impact on aging aircraft problems [C]// Proceedings of IEEE Aerospace Conference. Big Sky， Montana， USA： IEEE， 2002， 6： 3021?3026.

[3] NISHAD P， DIGANTA D， GOEBEL K， et al. Identification of failure precursor parameters for insulated gate bipolar transistors （IGBTs） [C]// Proceedings of 2008 International Conference on Prognostics and Health Management （PHM）. USA： Denver Co.， 2008： 1?5.

[4] 韓國泰.航空電子的故障預測與健康管理技術[J].航空電子技術，2009，40（1）：30?38.

[5] 張寶珍.預測與健康管理技術的發展及應用[J].測控技術，2008，27（2）：5?7.

[6] 徐萍，康銳.預測與狀態管理系統（PHM）技術研究[J].測控技術，2004，23（12）：58?60.

[7] 潘全文，李天，李行善.預測與健康管理系統體系結構研究[J].電子測量與儀器學報，2007（z1）：32?37.

[8] 楊榜林，岳全發.軍事裝備試驗學[M].北京：國防工業出版社，2002.

[9] 蕭海林，王祎.軍事靶場學[M].北京：國防工業出版社，2012.

[10] 安樹林，董印權.海軍武器裝備試驗仿真技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

（3） 基于數據的PHM技術

基于數據的PHM技術以數據采集的數據為基礎，在時間縱向和同時期硬件橫向比較中，通過各種數據分析處理方法挖掘其中的隱含信息，對系統進行故障預測。但在實際應用中，一些關鍵設備的數據往往很難獲取，即使通過傳感器采集到，也存在不確定性和不完整性。

通過以上分析，結合對AJMS試驗保障和裝備管理的適用性和使用成本需求，選取基于模型的PHM技術在AJMS中進行應用。

3 基于模型的PHM技術在AJMS中的應用

3.1 AJMS的PHM參數確定與采集

在AJMS上應用基于模型的PHM技術需要考慮系統參數的選取，通過對參數的采集、處理、分析、評估，達到狀態控制和故障預知的目的。

實現對AJMS進行故障預測和健康管理，首先要確定能夠代表系統故障或健康狀態的參數信息。AJMS在設備規模和研制經費上都屬于大型測控裝備，由射頻偵察、干擾信號產生、射頻放大、電源輔助等組成。AJMS的PHM參數選取分為關鍵參數和輔助參數，關鍵參數包含控制系統運行參數、偵察機輸出參數、干擾合成信號輸出、發射機輸出功率、供電系統參數、冷卻系統狀態等，這些參數是影響系統運行的串行數據，它們共同決定了系統是否可以使用，屬于邏輯“與”關系。輔助參數包含伺服控制參數、干擾模塊輸出參數、電視跟蹤狀態、狀態指示燈、照明、設備外殼與內部溫度等，這些參數是系統運行中輔助系統運行的并行數據，它們決定了系統的部分功能是否可以使用，屬于邏輯“或”關系。

實現關鍵參數和輔助參數的采集需要以下幾個步驟：

（1） 確立評估準則、預先選定合適的傳感器型號；

（2） 合理安放傳感器；

（3） 將采集到的數據進行分類整理、一次處理；

（4） 處理數據的傳遞。

3.2 PHM技術應用原理

在AJMS上應用PHM時，對其各項參數進行篩選和分類，其中關鍵參數部分對AJMS使用起到決定性作用，當其中任意參數發生異常故障時，都會導致設備不能正常運行；輔助參數對AJMS使用起到輔助決策作用，參數的正常與否不會對設備的運行起到決定作用。通過對AJMS的關鍵參數和輔助參數的采集、評估和預測，最終形成針對AJMS的PHM結果報告，來指導設備的故障維護和健康管理[]8?10]。PHM在AJMS的應用原理如圖1所示。

4 結 語

以某型雷達抗干擾測試系統（AJMS）為代表的測控裝設備管理是一項復雜的大型工程，在提高系統的安全性、可靠性、使用效率和減少使用與維護成本上對故障預測和維護方式提出了新的挑戰。針對復雜大型測控裝備系統工程的管理，傳統的故障診斷和維護方法已經不能滿足，而PHM技術非常適合，它能夠實現對重要部件進行全面的健康狀態監測，在必要時對系統進行自修復、任務降級或提前準備必要的維修資源，降低全壽命周期成本。因此，開展故障預測與健康管理（PHM）技術的深入研究和推廣有助于加強軍用裝備質量管理模式的體系化、信息化發展，有助于提升測控裝備試驗保障能力。

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[10] 安樹林，董印權.海軍武器裝備試驗仿真技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

（3） 基于數據的PHM技術

基于數據的PHM技術以數據采集的數據為基礎，在時間縱向和同時期硬件橫向比較中，通過各種數據分析處理方法挖掘其中的隱含信息，對系統進行故障預測。但在實際應用中，一些關鍵設備的數據往往很難獲取，即使通過傳感器采集到，也存在不確定性和不完整性。

通過以上分析，結合對AJMS試驗保障和裝備管理的適用性和使用成本需求，選取基于模型的PHM技術在AJMS中進行應用。

3 基于模型的PHM技術在AJMS中的應用

3.1 AJMS的PHM參數確定與采集

在AJMS上應用基于模型的PHM技術需要考慮系統參數的選取，通過對參數的采集、處理、分析、評估，達到狀態控制和故障預知的目的。

實現對AJMS進行故障預測和健康管理，首先要確定能夠代表系統故障或健康狀態的參數信息。AJMS在設備規模和研制經費上都屬于大型測控裝備，由射頻偵察、干擾信號產生、射頻放大、電源輔助等組成。AJMS的PHM參數選取分為關鍵參數和輔助參數，關鍵參數包含控制系統運行參數、偵察機輸出參數、干擾合成信號輸出、發射機輸出功率、供電系統參數、冷卻系統狀態等，這些參數是影響系統運行的串行數據，它們共同決定了系統是否可以使用，屬于邏輯“與”關系。輔助參數包含伺服控制參數、干擾模塊輸出參數、電視跟蹤狀態、狀態指示燈、照明、設備外殼與內部溫度等，這些參數是系統運行中輔助系統運行的并行數據，它們決定了系統的部分功能是否可以使用，屬于邏輯“或”關系。

實現關鍵參數和輔助參數的采集需要以下幾個步驟：

（1） 確立評估準則、預先選定合適的傳感器型號；

（2） 合理安放傳感器；

（3） 將采集到的數據進行分類整理、一次處理；

（4） 處理數據的傳遞。

3.2 PHM技術應用原理

在AJMS上應用PHM時，對其各項參數進行篩選和分類，其中關鍵參數部分對AJMS使用起到決定性作用，當其中任意參數發生異常故障時，都會導致設備不能正常運行；輔助參數對AJMS使用起到輔助決策作用，參數的正常與否不會對設備的運行起到決定作用。通過對AJMS的關鍵參數和輔助參數的采集、評估和預測，最終形成針對AJMS的PHM結果報告，來指導設備的故障維護和健康管理[]8?10]。PHM在AJMS的應用原理如圖1所示。

4 結 語

以某型雷達抗干擾測試系統（AJMS）為代表的測控裝設備管理是一項復雜的大型工程，在提高系統的安全性、可靠性、使用效率和減少使用與維護成本上對故障預測和維護方式提出了新的挑戰。針對復雜大型測控裝備系統工程的管理，傳統的故障診斷和維護方法已經不能滿足，而PHM技術非常適合，它能夠實現對重要部件進行全面的健康狀態監測，在必要時對系統進行自修復、任務降級或提前準備必要的維修資源，降低全壽命周期成本。因此，開展故障預測與健康管理（PHM）技術的深入研究和推廣有助于加強軍用裝備質量管理模式的體系化、信息化發展，有助于提升測控裝備試驗保障能力。

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