劉健他　邵威

摘要：故障預測和健康管理（pHM）是一種全面的故障檢測、隔離和預測及狀態(tài)管理控制技術(shù)，將它用于機載雷達監(jiān)視及故障診斷的一體化控制系統(tǒng)，可有效提高機載雷達工作的任務可靠性。根據(jù)機載雷達的電氣特性和故障模式，首先給出了PHM系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的工作和實現(xiàn)方法進行了詳細的描述，同時，還介紹了智能控制技術(shù)在故障預測中的應用，最后對PHM技術(shù)進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：機載雷達；預測與健康狀態(tài)管理；機內(nèi)測試；智能控制

1概述

隨著武器裝備系統(tǒng)性能的不斷提高以及復雜性的不斷增加，各種信息采集技術(shù)和智能控制技術(shù)的廣泛應用，尤其是綜合了電子、微波等綜合技術(shù)的雷達設備，其可靠性越來越被大家重視。20世紀末，美國提出一種先進的測試、維修和管理技術(shù)，即故障預測與健康狀態(tài)管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)，并將應用于JSF（Joint Strike Fighter，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機）項目中，利用系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)實時采集到的各種信息，通過智能算法對整個電子設備當前的狀態(tài)進行評估，就像對人體進行體檢一樣，通過對各種指標的監(jiān)測，可以有效地對系統(tǒng)故障進行預測。

機載雷達不受地球曲率、遮蔽物和地面氣流影響，能夠在更大的范圍內(nèi)進行探測，尤其是針對“低慢小”目標的探測能力更突出。目前，機載雷達已經(jīng)成為各國防空預警系統(tǒng)中的重要組成部分。由于修理和維護成本較高，世界上大多機載雷達采用故障后維修和定時保養(yǎng)、定期維修為主，最典型的方法就是采用系統(tǒng)的機內(nèi)測試（Build In Test，BIT）技術(shù)。但困擾BIT技術(shù)的一個關(guān)鍵問題就是系統(tǒng)虛警率較高，除了BIT系統(tǒng)自身的問題外，主要表現(xiàn)為不可復現(xiàn)和重測合格等狀態(tài)。

本文主要介紹了故障預測和健康管理技術(shù)在機載雷達上的應用，既可以針對雷達內(nèi)部各個部件的故障初兆或者元器件的失效狀態(tài)，對雷達內(nèi)部的故障進行故障判斷和故障隔離，甚至是故障預警，也可以對雷達長時間的故障信息進行統(tǒng)計，形成雷達狀態(tài)的“履歷本”，對雷達整機的健康狀態(tài)進行管理，根據(jù)故障預判、雷達使用需要等信息，對雷達的維修時機做出適當決策。最終可以減少由于故障造成的費用和戰(zhàn)術(shù)風險，提高雷達的作戰(zhàn)能力。

2機載雷達PHM系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機載雷達是一個復雜的系統(tǒng)，它包括天饋分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)和信號處理分系統(tǒng)等等。機載雷達的PHM系統(tǒng)由機上PHM系統(tǒng)地面PHM系統(tǒng)所組成，如圖l所示。

機上PHM系統(tǒng)包括為3層：

1）模塊PHM管理器：模塊級的PHM管理器主要負責從傳感器接收數(shù)據(jù)，可以以最快的速度響應某一個LRU的故障，對故障信息進行故障確認和故障隔離，同時，向分系統(tǒng)級的PHM管理器進行匯報；

2）分系統(tǒng)PHM管理器：分系統(tǒng)級的PHM管理器主要對本分系統(tǒng)下屬所有的故障信息進行故障綜合和故障相關(guān)，排除虛假故障信息，并最終將分系統(tǒng)的實際狀態(tài)向整機管理器進行上報；

3）整機PHM管理器：整機級的PHM管理器一般在雷達的顯示控制計算機中實現(xiàn)，它會綜合雷達所有分系統(tǒng)的故障信息，與計算機中的故障樹進行比對，給出最終的故障點預測。一般通過維護接口，將這些信息發(fā)送給操作員或者通過遠程接口直接送入雷達大修廠。同時，將信息通過數(shù)據(jù)記錄儀或者大容量存儲器上報到地面的PHM系統(tǒng)中。

機上部分的分系統(tǒng)和整機級PHM管理器都具有智能推理功能，可以根據(jù)分系統(tǒng)內(nèi)部的故障關(guān)系或者整機的故障關(guān)系，進行診斷推理、預測推理和差異推理，對分系統(tǒng)或者整機的狀態(tài)進行預測和管理。

地面PHM系統(tǒng)包括和離線故障預測系統(tǒng)。故障處理系統(tǒng)用于對故障維修進行決策支持，對故障處理的方法進行系統(tǒng)規(guī)劃，提供基于故障狀態(tài)的維修建議。而離線故障預測則可以根據(jù)雷達調(diào)試人員輸入的調(diào)試報告進行離線故障查找，通過數(shù)據(jù)庫積累，生成故障趨勢跟蹤表以及MTBF管理報告等。

3PHM系統(tǒng)工作與實現(xiàn)

在PHM系統(tǒng)中，各層管理器主要工作包括三個部分：傳感器檢測與數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與信息處理、故障診斷與故障預測。

3.1傳感器檢測與數(shù)據(jù)采集

傳感器檢測是PHM的基本，傳感器送出的參數(shù)，是雷達工作情況的原始數(shù)據(jù)，只有保證原始數(shù)據(jù)的正確性和實時性，對雷達整機的狀態(tài)進行預測和管理才成為可能。同樣，數(shù)據(jù)采集也包括在線和離線兩種方式。在線數(shù)據(jù)采集是通過雷達的監(jiān)控分系統(tǒng)對機載雷達整機的各個LRU的狀態(tài)進行實時的采集；而離線數(shù)據(jù)采集是主要是通過調(diào)試人員在每一次雷達開機工作后，對雷達整機戰(zhàn)技術(shù)指標變化進行記錄，涉及雷達原始回波以及雷達點、航跡的處理結(jié)果，并將這些信息保存在雷達的整機PHM管理器中。

機載雷達系統(tǒng)十分復雜，不僅包含大量的電子設備，還包含很多微波器件，能夠表示雷達狀態(tài)的基本參數(shù)很多，比如電壓、電流、功率、阻抗、相位、頻率、駐波等。傳感器作為系統(tǒng)特性和工作環(huán)境應力測量的執(zhí)行者，將直接影響機載雷達PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的精確性和及時性。各層傳感器選用時應注意小、輕、容易與其他設備聯(lián)網(wǎng)等特性。

3.2數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)傳輸包括設備之間的有線傳輸以及設備與控制站之間的無線傳輸，有線傳輸多采用現(xiàn)場總線，如RS485，CAN等，在機載環(huán)境下一般使用航空通用總線，如ARINC-429總線和MIL-STD-1553B總線等，實現(xiàn)高可靠、大數(shù)據(jù)量通訊。而無線傳輸一般采用專用電臺，將數(shù)據(jù)打包加密后，發(fā)送出去。

PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要以嵌入式處理器加FPGA為主體，以嵌入式處理器為主控制器，F(xiàn)PGA為協(xié)處理器。一般模擬傳感器送出的信號都是毛刺較多的，需要經(jīng)過信號隔離后進入前置放大和采樣/保持，而數(shù)字傳感器輸出的信號較好，可直接通過信號接口電路進入FPGA，所有傳感器的數(shù)據(jù)由FPGA進行數(shù)據(jù)綜合和打包，送人主控制器中，完成數(shù)據(jù)的特征提取。數(shù)據(jù)傳輸與處理流程如圖2所示。

3.3故障診斷與故障預測

PHM系統(tǒng)最主要的功能進行故障診斷與故障預測。首先就要建立雷達的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，這需要長時間的對該雷達的工作情況進行記錄才可能生成。

目前，常規(guī)的機載雷達各分系統(tǒng)都擁有較為完善的BIT功能，監(jiān)控分系統(tǒng)會實時監(jiān)測雷達各分系統(tǒng)的狀態(tài)，當雷達出現(xiàn)明顯故障時，監(jiān)控系統(tǒng)會自動報警，提示操作員，進行故障排查，一般可通過更換備件的方式，確定某LRU的實際故障與否。在PHM系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以根據(jù)長期的雷達故障記錄，通過對當前故障狀態(tài)信息的綜合以及與歷史故障數(shù)據(jù)的對比，自動給出故障診斷結(jié)果。在沒有發(fā)生明顯故障時，通過對某些模擬信號的變化趨勢與雷達健康數(shù)據(jù)庫中的值進行對比，進行中期或長期的故障預測，給出下次維修的時間，指導設備保障規(guī)劃，故障診斷與故障預測流程如圖3所示。

4智能控制在故障預測中的應用

在機載雷達系統(tǒng)中，通過對單個敏感參數(shù)的準確檢測來預測系統(tǒng)的故障發(fā)生時間，但是，由于很多不同信號引發(fā)的歷史故障數(shù)據(jù)或者統(tǒng)計數(shù)據(jù)集，很難確認何種參數(shù)的組合適合于當前的預測，而建立較為清晰、明了的故障庫模型則更為困難。所以，目前，在PHM技術(shù)中，廣泛地采用智能控制技術(shù)對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)綜合以及特征提取進行處理，特別是進行特征提取時，主要使用了專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法等。

其實PHM各層管理器，尤其是分系統(tǒng)級和整機級。其結(jié)構(gòu)就是類似一個小型的專家系統(tǒng)，包括知識庫、數(shù)據(jù)庫和推理機三個部分。各分系統(tǒng)根據(jù)雷達領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗建立多個知識庫模型，推理機根據(jù)雷達當前的工作狀態(tài)來選擇一種經(jīng)確認的模型去診斷和預測故障。

和專家系統(tǒng)的確定性模型不同，采用神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊邏輯等控制技術(shù)是通過不斷的自學習，逐漸完善整個PHM系統(tǒng)的預測準確性，它不需要對研究對象進行深入的了解，而是從長期的雷達歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)中學習異常和正常值，從而得到算法內(nèi)輸人與輸出值的映射關(guān)系，從而建立的非線性模型，可通過這個模型可以得出一條雷達故障趨勢圖，從而進行故障預測。

5結(jié)束語

PHM技術(shù)已經(jīng)成為為國外新一代武器裝備研制和實現(xiàn)自主式裝備保障的一項核心技術(shù)。它在機載雷達上的應用，對于提高雷達設備的維修性和保障性水平、降低雷達全壽命周期費用都有極其重要的意義。

目前，雷達的故障預測與健康管理正處于起步階段，在某些產(chǎn)品上已經(jīng)進行了初步的研究和試用，對于雷達狀態(tài)數(shù)據(jù)已經(jīng)開始進行積累和管理，可對某些常規(guī)故障進行正確的自動診斷和故障發(fā)生概率預測。但是，由于雷達設備的復雜度不斷提高，而電子器件的可靠性不斷增大，很難提取出可用的故障信息預測規(guī)則，另外，很多故障發(fā)生時間極為短暫，也無法在離線情況下進行故障完全復現(xiàn)，也為后期的故障預測增加了不少的難度。