無人機裝備使用階段質量信息管理系統設計?

陳 時 王海濤 沈延安

（1.73031部隊 無錫 214064）（2.陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

目前，無人機裝備管理保障工作尚處于起步階段，尤其使用階段質量管理手段相對有限，加之系統結構復雜，易受使用環境和人為因素的影響，武器裝備的質量狀態會不斷發生變化，性能會逐漸衰退。為了延長無人機裝備使用壽命，增加裝備戰備完好性，設計開發無人機裝備使用階段質量信息管理系統，對無人機裝備質量信息進行系統性管理，全面推進無人機裝備管理的信息化、網絡化，確保充分發揮裝備質量信息作用，同時也是提高裝備使用效能的主要手段以及上級領導機關科學決策的重要依據［1～2］。

2 設計目標及功能需求

2.1 設計目標

系統要求實現以下目標：

1）對無人機全系統使用階段的設備運行信息、故障檢測信息、維修過程、維修人員及維修資源的調配等進行綜合性管理；

2）對無人機系統進行包括發射起飛、偵察飛行及回收全過程的質量監控與信息存儲；

3）通過連續跟蹤記錄無人機飛行過程中的遙測數據及關鍵設備的運行及維修數據，分析預測裝備質量狀況，并可對無人機進行故障分析；同時可基于歷史運行和維修數據，實現對無人機壽命信息以及維修狀況進行科學預測和決策。

2.2 功能需求

系統功能需求是指系統必須滿足和執行的功能，用來定義系統的行為，即在某種輸入條件下，軟件系統要給出確定的輸出，并做相應的處理或轉換，使用戶利用系統能夠完成規定的任務，從而滿足業務需求。無人機裝備質量信息管理系統是在無人機裝備質量管理模式及特點，結合無人機質量信息管理系統設計目標，遵循實用、合理、易用的原則而提出的。主要功能需求如下：

1）能夠提供無人機裝備使用階段質量信息數據采集輸入和管理。質量數據采集信息包括裝備基本情況，如裝備類別、裝備名稱、裝備構造、制造商與型號、性能參數等；裝備運行和維修的基本情況，如裝備運行參數、停機原因、維修方式、維修周期及故障信息等。

2）能夠對無人機地面調試、起飛以及飛行進行狀態安全監控。即能夠根據無人機在飛行過程中影響安全的數據進行分析、預警以及無人機發射過程中對大馬力、爬升指令等進行預置監測；能夠依據地面調試、檢測過程中的質量信息對無人機性能狀態進行監控和故障預警。

3）能夠對無人機裝備健康狀況進行管理。包括對無人機健康狀態進行分析、性能衰退分析及健康分級預警等。可實現對無人機各系統的部件的運行信息采集處理與健康預測評估，最后以健康狀態報告等形式向使用人員或地面監控室傳送相應告警或提示信息。該設計可以將故障信息提供給故障隔離與系統重構環節，以便實現對可修復性故障進行及時處理；健康評估信息則可以為裝備保障人員進行視情維修策略提供依據，便于優化維修方案，甚至對無人機健康狀況及其維修大綱的實施情況進行連續監視與控制，實施有效的維修管理。

4）能夠支持網絡化質量信息管理。基于網絡化的質量信息管理是未來裝備質量建設發展的必然趨勢。利用計算機網絡技術建立統一的無人機裝備質量信息管理平臺，可進一步實現無人機裝備研制方、使用人員、保障人員等裝備信息資源共享，必將最大限度地發揮裝備潛能，有力提高無人機裝備質量信息管理工作效率。

5）能夠支持報表輸出和打印。無人機裝備質量信息報表是呈現給用戶的表現方式，用戶可根據需要設定輸出格式，支持打印預覽和打印機輸出功能，并能生成Excel或PDF等多種格式文件。

3 系統設計

3.1 系統結構組成

根據系統設計目標和系統功能需求，無人機裝備使用階段質量信息管理系統主要包括三大部分：數據采集系統、質量信息管理系統以及數據庫管理。如圖1所示。

圖1 系統結構組成

數據采集系統主要通過傳感器技術、遙測技術等實現采集無人機運行等狀態質量信息；質量信息管理系統為系統核心組成部分，主要包括狀態檢測、安全監控、健康評估、故障預警、維修決策以及輸出等六個子模塊，用于實現無人機的狀態監控，健康狀況評估以及無人機故障識別與預警等功能；數據庫管理主要用于存儲與無人機裝備質量信息的相關數據庫，包括故障預警知識庫、維修知識庫以及質量信息管庫。

3.2 系統構架設計

構架代表了系統公共的高層次的抽象，是一個軟件系統中的核心元素，也是構建軟件系統中其他部分所依賴的基礎。.NET技術是一種構建高交互性、高擴縮性系統的旗艦技術，一般可分為三層體系構架，即表示層、業務邏輯層和數據層，可有效實現系統中各功能模塊的相對獨立，減少了各模塊間的耦合性，使系統更具靈活性、可擴展性和可維護性［3～4］。另外，采用三層體系構架，還可方便地實現無人機裝備質量信息網絡化管理模式，極大地提高了無人機裝備質量信息管理工作效率。系統構架如圖2所示。

4 系統關鍵技術

4.1 健康評估技術

在對無人機系統進行整體健康評估時，首先對每個子系統的健康狀況進行分析，最后再根據子系統評估結果給出最終的系統健康狀態。在此過程中，需要對每個子系統的故障模式及影響程度進行分析［5］。

圖2 系統構架設計

無人機各系統的健康指數可由式（1）得出。式中，H 表示系統的健康指數，H∈［0，1］，0表示系統完全損壞，不能繼續執行任務，1表示系統完全健康，沒有出現任何故障；Ei表示分系統i的健康狀態，Ei∈［0，1］；ωi表示分系統i的權重系數；n表示分系統個數。

其中Ei健康指數由式（2）計算：

Cmj為故障模式j的危害度，一般根據嚴酷度級別進行確定。定義懲罰函數α，當關鍵分系統出現災難性故障（嚴酷度級別為1）時，對無人機系統的健康指數進行修正，α由式（3）計算：

此時，式（1）可變為

各子系統在總系統中的權值可依據相關權重確定算法計算得出。具體健康評估流程如圖3所示。

4.2 故障預警技術

故障預警主要是根據無人機狀態監控信息，并基于專家知識庫對系統和部件的歷史故障數據進行分析預警，為系統維修提供準確、豐富的故障信息，便于快速排除故障，避免事故發生。無人機故障預警主要基于無人機故障模型以及使用階段所采集的狀態數據，來綜合分析判斷出故障點或潛在的故障，從而進行故障預警、報警及相關處理，進而有效避免無人機安全隱患的發生。

本系統中，無人機故障預警主要采用兩種方法：一是依據專家知識庫中存放的相關故障歷史閾值信息進行分析。即根據獲取的各類狀態信息，首先進行分類，然后根據各類對應的閾值直接與獲取的狀態數據進行比對，以此來確定是否進行預警。這種方法較為直接，也比較易操作，但缺陷在于預警成功率與專家歷史經驗直接相關，主觀影響因素較高。為解決上述問題，更好依賴于無人機使用階段狀態數據，系統還引入了另外一種方法即基于離散傅里葉變換子序列匹配的故障預警方法。該方法主要包括數據預處理、特征提取、建立索引和搜索相似子序列等步驟。

由于無人機使用階段的狀態數據類型較多，一般都屬于高維時間序列數據，所以在數據預處理過程，較為復雜和繁瑣。因此在進行故障預警前，必須要先進行降維處理提取特征。而降維處理方法采用基于離散傅里葉變換的方法，變換公式如下：

圖3 無人機系統健康評估流程

其中K＝0，1，…，N－1，X（k）為頻域空間，即傅里葉變換將無人機時間序列數據轉換成了頻域空間數據，提取變換后頻域序列前幾個系數作為特征值，就可以實現降維處理。然后，根據故障預警方法第三個階段建立索引：取經過上述變換后頻域序列的前三個系數作為特征值，即在三維特征空間上建立索引，并利用故障模型對每一個最小邊界矩形（MBR）進行相似度搜索，來最終實現故障預警。

4.3 安全監控技術

安全監控由狀態數據采集、無人機起飛安全監控、飛行狀態安全監控、無人機回收安全監控和查看誤操作記錄五個功能模塊組成。發射和回收是無人機操作過程中最易出現安全風險的兩個過程，通過發射前狀態確認可以清晰地判斷出無人機發射前的系統狀態以及還沒有完成的發射前準備，縮短發射前準備時間、提高無人機的安全；飛行過程中無人機狀態監控可實時地評估無人機系統狀態，提高無人機作戰效能；誤操作記錄能夠記錄無人機運行過程中操作手的誤操作，可為無人機日常訓練提供依據。

狀態信息采集需在不影響無人機正常工作狀態的前提條件下，通過地面控制站信號端口在線或通過無人機載測試接口離線采集反映飛機技術狀態的數據或信息，在線方式主要考慮采集點的優化選取、采集信號的格式轉換、采集電路的設計、采集數據的分析與預處理等。系統安全監控硬件系統結構如圖4所示。其中數據采集部分包括遙測、遙控信號解調模塊、幀、字、位同步模塊、信號調理模塊。為了隔離電路對無人機系統的影響，增加了隔離和緩存電路，避免異常情況對無人機的影響。采集電路采用信號三通結構從主站測控終端處截取四路信號：幀同步、字同步、位同步和數據流信號，以字同步信號為基準，對發送信息流和接收信息流進行處理，提取遙測、遙控信息，其他數據采集可通過振動、溫度等傳感器實現。系統安全監控部分實現界面如圖5所示。

圖4 飛行狀態采集電路工作原理圖

4.4 系統構架技術

表示層主要采用.NET提供的相關控件以及界面元素進行設計，其中包括無人機裝備質量信息管理系統所有界面，如用戶登錄界面、質量信息管理界面、健康監控界面、故障預警界面以及質量信息錄入界面等等。

圖5 無人機系統飛行過程安全監控

業務邏輯層包含了系統業務功能的實現，是系統中最復雜也是最重要的部分。無人機裝備質量信息管理系統采用了當前較為先進的Domain Model模式，采用該模式的主要原因在于該模式體現了面向對象設計思想，充分考慮了業務邏輯的復雜多變性，實現了模式的可擴展性。通過分析，無人機裝備質量信息管理系統包含的領域對象眾多，有武器裝備、研制方、使用方等等，它們所包含的屬性和行為各不相同，因此為每一種對象都要定義不同的類屬性。

數據層主要定義各類相關數據表的結構，以存儲所需的數據。無人機裝備質量信息管理系統涉及的數據表較多，如用于存儲無人機裝備基本信息的UAV＿BasicInfoTable、用于存儲無人機運行和維修情況的UAV＿OperMainTable、用于存儲無人機質量信息表UAV＿QualityInfoTalbe等。

5 結語

目前，該系統既可實現無人機飛行數據和維修數據的采集與分析功能，也可實現裝備故障預警、維護和維修的信息管理業務，對實時掌握無人機系統的狀態及性能趨勢，實現維修保障的提前準備與處理，具有重要的輔助決策作用。系統既可安裝于單獨的軍用便攜筆記本上，也可與主控計算機相連，與其共用同一數據庫，通過解讀遙測數據、傳感器數據來完成狀態監測和健康管理。實際應用表明，該系統能夠滿足無人機裝備使用階段質量信息管理需求，可作為無人機裝備質量信息管理平臺進行進一步推廣。

［1］總裝備部電子信息基礎部技術基礎局總裝備部技術基礎管理中心.GLB1686A《裝備質量信息管理通用要求》實施指南［M］.2008.

［2］王森，孫德翔，常浩，等.軍用飛機維修安全質量綜合評估［J］.火力與指揮控制，2011，36（9）.

［3］崔鵬亮.基于QFD的質量信息管理系統研究［D］.南京：南京理工大學，2008.

［4］楊承山，姚旺生，王晶.基于.NET和Ajax框架的維修管理信息系統設計與實現［J］.艦船電子工程，2008，11：151－154.

［5］李儼，陳海，張清江，等.無人機系統健康狀態評估方法研究［J］.系統工程與電子技術，2011，03：562－567，626.