故障预测与健康管理技术在鱼雷PHM模型设计中的应用

王　昊，高　江

（中国人民解放军91388部队，广东 湛江，524022）

故障预测与健康管理技术在鱼雷PHM模型设计中的应用

王昊，高江

（中国人民解放军91388部队，广东 湛江，524022）

结合现役大型武器系统保障特点和故障预测与健康管理技术及其成功应用范例，介绍了故障预测与健康管理技术（PHM）的核心理论、关键技术和技术复杂性。从分析视情维修（CBM）开放体系结构的设计思想与应用方法入手，设计了鱼雷的PHM模型，分析了各模块职责与功能，并完善了该模型的体系架构，为实际应用提供一定的理论参考。

鱼雷； 故障预测与健康管理技术； 视情维修

0　引言

伴随着武器技术日益革新，鱼雷型号越来越多，鱼雷武器装备维护保养压力越来越重。但是，我国一段时间内对大型武器系统，包括鱼雷武器系统的维护仍然以定期维护和试后维修为主，采用“多、勤、细”的方式来保障系统可靠性及正常任务的完成［1］，这种方式不仅耗费资源，而且效率低下，无法满足现代高科技条件下的武器装备系统要求，特别是装备的可靠性、维修性等重要性能的要求。国内外早已尝试一种新的管理维护理念，即故障预测与健康管理技术（PHM）。现针对鱼雷装备实际，探索该技术在鱼雷武器装备上的运用。

1　故障预测与健康管理技术

故障预测与健康管理（prognostics and health management，PHM）技术最先是由美国军方提出并发展起来的一门技术。这门技术借助故障预测和健康管理系统，识别和管理故障发生、规划维修和决策保障，以此降低相关维护费用。PHM技术已经成功应用在美军F-35联合攻击机研制中［2］，国内在潜射导弹发射装置方面也融入了PHM技术。该项技术的可行性在尝试与实践中得到了有效验证。

1） PHM技术核心理论

PHM技术应用系统采用开放系统结构，其核心是利用先进传感器的集成，借助各种算法（如快速傅里叶变换、离散傅里叶变化）和智能模型（如专家系统、神经网络等）来预测、监控和管理武器系统的健康状态。

2） PHM的关键技术

PHM技术是融入多项关键技术的复杂综合性技术，主要包括数据采集与信息融合技术、故障预测和预决策技术等。

2　PHM系统模型设计原理

由美国海军出资组建的工业研究小组进行研究和验证的视情维修开放体系结构（open system architecture for CBM，OSA-CBM）集中体现了PHM的设计思想与应用方法，其体系结构见图1［3］。

由PHM体系结构图可知，整个体系采用对复杂系统进行数据采集并传输，经过“数据处理”、“状态监测”、“状态评估”等步骤后对系统状态做出一个综合性评估结论，与“数据库”中数据进行比较分析对系统的现在及未来一段时间状态进行预测并对需要解决的问题提出解决方案。最后通过人机接口完成全体系与输出端的信息互通，以及完成体系内的信息反馈。

3　鱼雷PHM模型

不同于实时运行的装备平台，鱼雷装备使用特点为长时间处于贮存状态，在演习或者实战中才进行使用，因此，其故障诊断和健康管理评估主要依靠历史数据、离散状态检测数据以及在此基础上建立的故障模型，如图2所示。

鱼雷装备的PHM模型设计思路参考了美海军OSA-CBM设计思想，结合鱼雷实际进行设计，在保留单线进行“数据采集—数据处理—状态监测……人机接口”基础上采用双线交换，实时将各阶段数据汇入交流通道，供“系统管理模块”进行分析处理，方便及时处置因系统体系自身带来的处理问题。

图2　鱼雷装备的PHM系统体系结构图Fig. 2　Structure diagram of PHM system for a torpedo

系统体系依靠大量传感器或其他途径收集该型装备的基础数据、发射数据、装载技术状态检测数据和装备备品备件数据，然后将相关数据进行预处理，变成系统能够识别的数据格式，将处理后的数据先后进入数据处理模块、状态检测与评估模块、诊断分析模块和分析决策模块。

数据处理模块对预处理后的数据进行数据融合、特征量提取并进行数据转化［4］。数据转化后在状态监测与评估模块中进行征兆识别，对所得结果进行状态评估。评估后的相关结论在诊断分析模块中同时进行故障诊断和趋势预测。出现故障结论后，分析决策模块进行决策应对，得出解决问题方案。人机接口主要方便检测人员和维修人员的信息录入和读取，同时建立与装备保障信息化平台的信息交流、共享。

4　模型模块功能设计

结合鱼雷实际使用特点，保障分为多种级别，以下相关处理主要根据 XX级转为XX级相关技术要求，满足实战需求。

1） 数据采集模块

齐全的数据采集手段是实施PHM的前提条件［5］，该装备在全寿命周期内的状态信息是多层次、多方面和动态的，既包含实时监测信息，也包含定期检测信息，同时还有其功能组件在研制、生产过程中的历史数据，充分利用这些数据，才能为实施PHM提供充足可靠的数据。针对鱼雷特点，面对海量数据，合理筛选数据类型，简化数据采集渠道尤为重要。针对鱼雷数据采集模块，采集方式设计为人工采集与传感器采集2种，数据采集项目如表1所示。

表1　数据采集Table 1　Data acquisition

XX1箱相关参数，包括XX1箱温度、XX1箱湿度、XX1箱气压值； AX段XX部件电压起伏状态主要检测XX调试时XX部件XX V电压与XX V电压变化趋势，根据相应数据采集时间不统一。

2） 数据处理模块

由数据采集模块获得的装备状态数据，通常是不同的特征和格式，需要经过处理，达到统一的数据格式，满足系统要求。针对该型装备，数据处理模块根据设计分别提取处理输入数值。

3） 状态检测与评估模块

利用不同采集方式及经过处理过后的数据，可以较为全面的掌握全雷状态信息。其状态监测与评估，主要依据人工设定参数标准值以及历史相关数据进行，如表2所示。

4） 诊断分析模块

表2　状态检测Table 2　State detection

诊断分析模块得到状态监测与评估模块结果后，可以调取数据库模块数据，参照相关参数故障将历史出现的所有情况按概率高低依次罗列并形成诊断报告。此外统计一段时间某条某型鱼雷采集数据分析结果，考虑利用各种预测方法对某一方面特性，包括XX部件元器件电流导通性、XX1箱密封性等进行预测。

5）分析决策模块

针对某型鱼雷的状态诊断与未来状态预测结果，分析决策模块出具综合性保障维护报告，直接指导人员对目标位置进行排查处理。

6）数据库模块

数据库模块在整个系统中承担着智囊的作用，由各种类型的子数据库组成，包括历史数据库、故障信息库、维修知识库和算法模型库。子数据库内容可以再进行划分，包括装备数据项、火工品数据项、检测设备数据项、保障设备数据项和备品配件数据项等［6］。表3为某型鱼雷检测设备建档数据项。

7） 系统管理模块

系统管理模块执行整个系统的运行，同时进行整个健康管理系统的模块升级、系统维护更新等操作。

8） 人机接口

故障物理模型是进行装备故障预测、健康状态评估的基础，需要根据历史和当前数据进行不断修正与完善，提高模型的精确性，此部分操作可能需要人机交互操作。

表3　检测设备建档数据项Table 3　Archiving data item of detection device

5　结束语

从国内装备现实需求出发，借鉴国外PHM系统设计思想，讨论适合我国装备保障发展的故障预测与健康管理模型，为未来复杂化信息化作战条件下的装备保障提供相应参考。目前，关于故障预测与健康管理的一些设计理念尚不成熟，还有待完善，日后应着力进行这方面的研究。

［1］木志高，胡海峰，胡莺庆. 武器装备故障预测与健康管理系统设计［J］. 兵工自动化，2006，25（3）: 20-21.

Mu Zhi-gao，Hu Hai-feng，Hu Ying-qing. Design of Prognostic and Health Management System for Weapon Equipment［J］. Armament Automation，2006，25（3）: 20-21.

［2］张嘉钟，张利国 . 航空设备故障预测与健康管理设备［J］. 航空制造技术，2008（2）: 38-43.

［3］谢勇，苑秉承，崔维开. 基于战术性能参数退化的鱼雷贮存可靠性仿真［J］. 四川兵工学报，2012，33（10）: 49-51.

［4］胡冬，谢劲松，吕卫民. 故障预测与健康管理技术在导弹武器系统中的应用［J］. 导弹与航天运载技术，2010（4）: 24-30.

Hu dong，Xie Jin-song，Lü Wei-min. Applications of PHM Technology in Missile Weapon Systems［J］. Missiles and Space Vehicles，2010（4）: 24-30.

［5］陈玉波，于永利，成龙，等. 复杂作战任务弹药配备模型［J］. 火力与指挥控制，2006，31（10）: 22-25.

Chen Yu-bo，Yu Yong-li，Cheng Long，et al. Research on Ammo Supply Model for Complex Mission［J］. Fire Control and Command Control，2006，31（10）: 22-25.

［6］孙博，康锐，谢劲松. 故障预测与健康管理研究和应用现状综述［J］. 系统工程与电子技术，2007，29（10）: 1762-1767.

Sun Bo，Kang Rui，Xie Jin-song. Research and Application of the Prognostic and Health Management System［J］. Systems Engineering and Electronics，2007，29（10）: 1762-1767.

（责任编辑: 许妍）

Application of Prognostics and Health Management Technology to Design of Torpedo PHM Model

WANG Hao，GAO Jiang
（91388thUnit，The People′s Liberation Army of China，Zhangjiang 524022，China）

Taking the successful application of the prognostics and health management （PHM） technology for example and considering the maintenance features of large weapon systems in service，the key theory and techniques，as well as the complexity of PHM technology，are discussed. And a torpedo PHM model is designed by analyzing the design idea and application approach of the condition based maintenance （CBM） opening system frame. The duty and function of each module in the model are analyzed，and the model′s structure is improved.

torpedo； prognostics and health management（PHM）； condition based repair（CBM）

TJ630.7

A

1673-1948（2015）02-0157-04

2014-11-06；

2015-01-31.

王昊（1988-），男，助理工程师，主要从事鱼雷技术方面的研究.