水下無人航行器故障預測與健康管理框架研究

郭小溪

摘要：水下無人航行器是在對傳統潛艇設備的升級基礎下完成的，相較于傳統潛艇具備更高的安全性，并且體積小巧，在水下進行常規作業隱蔽性極強，可以在海洋探索與海灣戰爭中占據有利地位。但水下無人航行器缺乏人員配置，在遇到故障時難以進行自我檢修，加之維修成本高昂，水下作業難度大等問題，使得水下無人航行器的故障檢測研究刻不容緩。本文根據水下無人航行器的構件構成為出發點，論述PHM技術在水下無人航行器中的適用性問題，從而總結出能夠對水下無人航行器進行故障預測與管理的健康管理框架，針對應用中的相關科技進行PHM數據信息的優化升級，為水下無人航行器的故障預測管理打下堅實的理論實驗基礎。

關鍵詞：水下無人航行器;PHM框架;研究結論

隨著我國科學技術水平的不斷提高，對海洋的探索研究越發重視，水下無人航行器作為海洋探索中最為重要的裝置設備，對水下無人航行器的進一步優化升級就意味著離海洋深處研究更進一步。海洋內部環境錯綜復雜，并且有隨時遭受外物攻擊的情況出現，因此對無人航行器內部的構件要求更為嚴格，對電流液體的穩定性有著更高的標準，才能應對茫茫海洋出現的意外情況。

一、水下無人航行器的工作環境

水下無人航行器的外部環境主要是與海水接觸的部分，以外部殼體、下端的螺旋槳及艙體外部結構為主，內部構件接觸以構件作用之間的振動、零件之間的溫度狀況以及內部艙室的電氣液體等為主，在進行水下無人作業時，上述外部構件與內部構件在航行器工作時遭遇的海洋環境復雜、溫差轉化快、海水鹽度腐蝕性強、海洋內部海浪侵蝕以及大量微生物積聚在航行器上，因此收到外界自然條件的干擾性較強，嚴重影響水下無人航行器任務執行。

水下無人航行器的結構構成

水下無人航行器由推進分裝置、艙體分裝置、懸浮適應力分裝置、電源分裝置等7個分裝置設備組合而成，并且能夠將機械、電流、液體相互結合的多重裝置機械[]。其中主要分裝置設備的作用如下所示：

（一）推進分裝置

以推進機電裝置、水泵助推裝置、電機控制裝置、減振裝置以及舵機裝置為主進行構件組合，能夠使得水下無人航行器進行推進動力的掌控、推進形態及方向的把控。

（二）艙體分裝置

以水下無人航行器的艙殼、艙門以及層部艙體為主，在層部艙體與艙門作用下，利用氣壓機對外部液體進行壓縮分離，從而在動力推進器的作用下完成艙體的相關動作，例如：開艙、檢艙等。根據艙門在向外部傳遞荷載能量的流動性液體完成對艙門的關閉與開啟。

（三）懸浮適應力分裝置

以艙體外部的管道，水氣泵、電流控制設備、電磁閥門以及內部流體傳感器為主進行組合。可以通過電流控制設備進行水氣泵開啟，完成對艙體內部的入水、出水環節，將整體艙體重量維持在相對平穩的水平上，從而提高水下無人航行器的海洋深度探測。

（四）電源分裝置

以航行電池組、開關管理器以及電源分配器等構件組成，能夠為水下無人航行器的日常工作航行提供源源不斷的能源供應。

水下無人航行器的故障預測與健康管理框架結構

水下無人航行器故障預測與健康管理框架又被稱為PHM框架，如圖1所示，通過對其應用構件分層以及分布處理原則，將其框架分為機械載裝與岸基構造兩個部分。首先進行PHM框架的合理化分層，進行裝置級PHM、分系統級PHM以及主系統級PHM進行三層分離管制，每個分離層之間采取獨立的接入端口，使用符合制定標準的軟件與硬件進行對合。在分布處理原則中，全面調查構件的性能進行合理的設計分系統管理裝置，使得上述數據能夠第一時間進行整合分析，并且在航行器內部進行數據信息提取消化，從而鏈接裝置級PHM、分系統級PHM以及主系統級PHM三層裝置進行結合。此外在框架內部的傳感器中，應當采用BIT技術進行信息構件的數據采集，將其中與標準值差異較大的構件進行分離選出，能夠對該構件的差異進行分析，隨時將故障信息進行分裝置的PHM傳遞，從而在水下無人航行器中找到故障方位，及時進行障礙程度的級數分類，減少無關緊要的預警信號;最后，在裝置級PHM的艙體總控制系統指導下進行故障方位、嚴重程度以及時間段進行評估，調節故障并預防即將到來的故障，將上述信息進行記錄匯總，建立PHM數據庫[2]。

在水下無人航行器的管理構建上，以AR、DR、PR三種分層處理裝置為主，即異常檢測推理裝置、故障判斷推理裝置與故障檢測裝置推理裝置為主。

岸基信息管理構建組成

水下無人航行器進行PHM框架構造時，岸基信息管理系統是所有數據信息的儲存地與輸出地，其中包含著航行器在水下觀測狀況、器械裝置的數據模型庫，能夠全面了解故障發生的原因、相關案例以及解決措施，其中蘊含的數據模型更是能為水下無人航行器PHM管理提供重大幫助;此外，在其中的PHM管理構建記錄有效解決艙體發生故障的解決方式算法等，能夠與關鍵構建部位相互連通，實現對PHM框架的全面掌控;再者，由于岸基信息管理系統中有機械接口裝置與信號接口裝置，因而能夠保障在發生故障時通過機械裝置接口向中央控制系統進行維修求助，并且在信號接口裝置中能夠保持水下無人航行器的構件通信正常，能夠實現正常運轉、數據交流等[3]。

水下無人航行器PHM重要技術研究

水下無人航行器的工作環境決定了PHM所采用的的技術必須時最為先進的科學技術，才能保障在復雜的海洋環境中完成數據信息的采集工，同時所運用的相關PHM技術必須具備時效性及質量性。在針對水下無人航行器PHM重要技術的相關科研中發現，能夠降低異常故障預警的虛假性，減少水下無人航行器的運行維修成本，提高故障預測的精度與準度。

其重要技術如下：

（一）故障時效機制處理技術

將水下無人航行器的附近海域的情況與設備運轉情況進行綜合看待，首先從構件進行故障檢測，引發對應的故障處理信號，從故障發出的信號進行故障位置及程度的確定，利用傳感器進行故障的預警處理，能夠時效性的針對故障狀況。