孔凡泉 倪向東

（中國電子科技集團公司第38 研究所，安徽合肥 230088）

1 概述

機載雷達在實際作戰(zhàn)使用時由空中勤務人員操作使用，僅能靠機上在線檢測結果和系統(tǒng)實際運行情況簡單評估系統(tǒng)狀態(tài)，無法對系統(tǒng)內設備的真實狀態(tài)進行準確掌握，更無法對預期任務完成情況進行準確預測，影響作戰(zhàn)決策和作戰(zhàn)效果；然而，機載雷達維護保障是由地面勤務人員負責，系統(tǒng)狀態(tài)主要靠空勤人員口述和地面開機檢查獲得，地勤人員對任務執(zhí)行和設備運行情況不能實時跟蹤掌握，無法準確掌握雷達狀態(tài)，在出現(xiàn)問題時無法第一時間掌握故障現(xiàn)象，很多問題不能復現(xiàn)，給保障工作帶來了很大挑戰(zhàn)，同樣影響作戰(zhàn)決策和作戰(zhàn)效果。

在這種背景下，機載雷達健康管理可對機載雷達在線檢測和監(jiān)控功能的進行拓展，更全面、更系統(tǒng)地對機載雷達狀態(tài)進行綜合健康評估。機載雷達健康管理可以綜合利用雷達在作戰(zhàn)、維護以及空中、地面不同場景的歷史信息、在線檢測信息等多種信息，為地面勤務人員提供綜合信息和輔助決策，降低壽命周期成本，避免一些不可預料的潛在問題，可靠地完成系統(tǒng)預期任務。

2 機載雷達健康管理系統(tǒng)架構

本文以OSA-CBM 開放體系為指導，構建單部機載雷達裝備健康管理體系架構，如圖1 所示。

圖1 機載雷達健康管理系統(tǒng)體系架構

機載雷達健康管理系統(tǒng)體系架構通常由狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、狀態(tài)預測和綜合決策等功能模塊構成，通過對雷達系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部件各類特征信息的采集監(jiān)測，判斷與定位其故障，綜合評估雷達健康狀態(tài)，預測故障趨勢、性能和壽命長短，為裝備維修保障和作戰(zhàn)使用決策提供依據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測：該部分利用各種傳感器采集雷達系統(tǒng)的相關參數(shù)信息，主要通過雷達裝備狀態(tài)記錄設備和人工輔助進行記錄，具有狀態(tài)信息、性能參數(shù)、故障信息、點航數(shù)據(jù)、視頻回波等信息，是PHM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎。同時，還要進行數(shù)據(jù)轉換和數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)處理成后續(xù)模塊的狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和故障預測等需要的格式，即進行數(shù)據(jù)歸一化處理。

健康評估：主要是收集評估對象的健康資料，對健康特征數(shù)據(jù)進行分析處理，綜合歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，構建雷達裝備健康狀態(tài)評估指標體系，對雷達的健康狀態(tài)（含故障診斷與定位）進行評估，兼顧雷達探測能力和保障能力評估。

狀態(tài)預測：主要是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，針對系統(tǒng)關鍵子系統(tǒng)或部件建立相應的預測模型，對其運行趨勢進行預判，包括故障預測、性能預測和剩余壽命預測。這部分是PHM的難點，需要長期探索、積累和驗證。

綜合決策：在狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和狀態(tài)預測的數(shù)據(jù)和結果基礎上進行綜合研判決策。其目的是產(chǎn)生作戰(zhàn)使用和維修保障活動等建議措施，作戰(zhàn)使用和維修保障決策是相互作用的結果。作戰(zhàn)使用建議主要包括性能預測結果、受限制的功能與性能、操作使用建議等。

3 數(shù)據(jù)驅動健康評估方法

在進行裝備健康狀態(tài)評估時，需要從裝備的功能結構和影響關系出發(fā)，可綜合運用模糊理論、層次分析法和定量分析法完成。裝備的健康狀態(tài)是模糊的、不確定的，可采用以健康度為基礎的模糊綜合方法進行裝備健康評估。裝備的健康度可用0～1 歸一化數(shù)值表示，接近1 時，表示該裝備處于健康狀態(tài)；接近或達到了0，表示該裝備處于危險狀態(tài)；處于0～1 之間時，表示中間狀態(tài)。基于健康度數(shù)據(jù)驅動的裝備健康狀態(tài)評估，可用于對系統(tǒng)整機、子系統(tǒng)設備或零部件的健康狀態(tài)進行評估。根據(jù)雷達裝備組成的層次結構特點和健康狀態(tài)的模糊特性，其評估過程如圖2 所示。

圖2 機載雷達健康狀態(tài)評估過程

3.1 建立裝備健康狀態(tài)集

裝備的健康狀態(tài)由各組成子系統(tǒng)的健康狀態(tài)決定，而各組成子系統(tǒng)的健康狀態(tài)又由相應的各組成部件的健康狀態(tài)決定，因此，要進行裝備健康狀態(tài)評估，首先要進行部件健康狀態(tài)評估，然后進行子系統(tǒng)設備健康狀態(tài)評估，逐級進行，最終綜合得到裝備的健康狀態(tài)。以某機載雷達為例，其綜合評估模型如圖3 所示。

圖3 某機載雷達健康狀態(tài)評估模型

假設某機載雷達由n 個子系統(tǒng)組成，則可用U=（U1，U2，…，Ui，…，Un）表示其健康狀態(tài)集，其中，Ui（i=1，2，…，n）為第i 個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)；Ui=（Ui1，Ui2，…Uij，…，Uim）表示第i 個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)集，其中，Uij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m）為第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的健康狀態(tài)。每個部件又由一個或多個健康特征數(shù)據(jù)進行描述，即Dij=（Dij1，Dij2，…，Dijk，…，Dijp），其中Dijk=（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；k=1，2，…，p）表示第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的第可個特征參數(shù)健康特征數(shù)據(jù)。

可對裝備健康狀態(tài)等級進行劃分，如某機載雷達的健康狀態(tài)可分為四個等級，健康、良好、注意和危險，其狀態(tài)評價集可用A=（I，II，III，IV）來表示。

3.2 特征數(shù)據(jù)提取與歸一化處理

機載雷達具有“長時間地面戰(zhàn)備、間歇性空中作戰(zhàn)”的特點。由于檢修狀態(tài)和工作狀態(tài)的差異，僅靠地面維護測試數(shù)據(jù)，往往無法準確確定其健康狀態(tài)。由于環(huán)境的不同，部分數(shù)據(jù)在地面維護狀態(tài)和空中作戰(zhàn)狀態(tài)存在較大差異，因此可分為地面維護數(shù)據(jù)和空中作戰(zhàn)數(shù)據(jù)。

為了更好的描述裝備健康狀態(tài)，需要提取能夠有效反映裝備健康狀態(tài)的特征參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)的特點，進行分類處理和歸一化，通常需要充分利用可以獲得的全面數(shù)據(jù)信息。

按照數(shù)據(jù)類型區(qū)分，可分為數(shù)值型數(shù)據(jù)、邏輯型數(shù)據(jù)和文本型數(shù)據(jù)，數(shù)值型數(shù)據(jù)是在一定范圍內變化的具有特殊物理含義的數(shù)據(jù)，邏輯型數(shù)據(jù)主要用來表示真假，一般用0、1 表示，文本型數(shù)據(jù)主要是對某種狀態(tài)或功能的定性描述，如威力基本正常，小目標探測情況不好等。如表1 所示，某雷達發(fā)射組件參數(shù)，同時具有兩種類型數(shù)據(jù)。

表1 某雷達發(fā)射組件特征數(shù)據(jù)分類表

基于空中作戰(zhàn)記錄數(shù)據(jù)和地面維護測試數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅動機載雷達健康狀態(tài)評估，一項重要工作是數(shù)據(jù)的歸一化處理。由于裝備健康狀態(tài)影響因素的量綱不一致，為了能夠進行定量分析，需要對影響因素進行歸一化處理，即將其壓縮到[0,1]之間，歸一化方法根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)分類確定，歸一化后的數(shù)據(jù)可以直觀反映出該健康特征數(shù)據(jù)的好壞。

3.3 各層次重要度確定

不同的特殊數(shù)據(jù)和不同的部件對系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響是有差異的，確定子系統(tǒng)和部件的重要度是裝備健康狀態(tài)評估的關鍵，可采用層次分析法結合FMECA 分析結果確定子系統(tǒng)的重要度權重向量W={W1，W2，…，Wi，…，Wn}、部件的重要度向量Wi={Wi1，Wi2，…，Wij，…，Wim}和健康度數(shù)據(jù)的重要度向量Wij={Wij1，Wij2，…，Wijk，…，Wijp}。FMECA 數(shù)據(jù)一般在裝備研制階段就會給出，對裝備每一約定層次的故障模式、原因及影響進行了全面分析，同時建立了各約定層次之間的迭代關系，可得到裝備由健康狀態(tài)發(fā)展為故障狀態(tài)的各系統(tǒng)、各層次的影響因素，在確定各層次重要度時可結合使用維護階段的數(shù)據(jù)對其進行修正。

3.4 建立部件級健康度模糊判斷矩陣

部件級健康狀態(tài)等級隸屬度可根據(jù)部件的健康度數(shù)據(jù)得出，求解隸屬度的函數(shù)有很多，不同函數(shù)具有不同特點，可根據(jù)部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)特點進行選取，本文采用采用嶺形分布隸屬度函數(shù)來求解部件級健康狀態(tài)等級隸屬度，如公式（1）-（5）所示，該函數(shù)具有主值區(qū)間寬、過渡帶平緩的特點。

由此可得到第i 個子系統(tǒng)第j 個部件以健康度數(shù)據(jù)為評價標準的模糊評判矩陣為

3.5 各層次健康狀態(tài)隸屬度評估

在以上基礎上，綜合部件的健康度數(shù)據(jù)隸屬度和重要度，可得到第i 個子系統(tǒng)第j 個部件的健康狀態(tài)隸屬度評估向量為

3.6 確定裝備整體健康狀態(tài)

按照最大隸屬度原則，可確定雷達裝備的健康狀態(tài)。

4 應用與驗證

根據(jù)上述方法，以某機載雷達為樣本，選取3 個子系統(tǒng)共6個部件進行分析評估，根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)進行特征提取確定了9 種特征數(shù)據(jù)，并對其進行了重要度分析，結果如所表2 所示。

表2 某機載雷達部分子系統(tǒng)及部件重要度分析表

對該機載雷達一定時間內的健康狀態(tài)進行了跟蹤分析，結果如表3 所示。

表3 某機載雷達健康狀態(tài)評估

5 結論

數(shù)據(jù)驅動PHM 技術在復雜系統(tǒng)健康管理應用中受到了廣發(fā)關注，尤其是在現(xiàn)役裝備中的應用具有獨特優(yōu)勢，但是在實際應用中仍面臨許多現(xiàn)實的挑戰(zhàn)。本文針對現(xiàn)役機載雷達的維修保障和作戰(zhàn)使用特點，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅動的機載雷達PHM 設計結構和健康評估方法，可以離線分析、處理和評估雷達健康狀態(tài)，具有一定的工程應用價值。