防空导弹武器装备PHM系统架构研究

防空导弹武器装备PHM系统架构研究

张振

（江南机电设计研究所 贵阳 550009）

摘要针对当前防空导弹武器装备由于组成结构复杂、可用度要求高带来的对综合保障依赖程度高等问题，开展了防空导弹武器装备PHM系统架构研究。本研究从当前主流的PHM系统体系结构类型出发，结合装备的功能和组成特性制定了装备PHM体系结构，为防空导弹武器装备PHM系统的架构设计与系统开发提供了参考依据。

主题词PHM系统；综合保障；视情维修；健康管理

1 引言

防空导弹装备是我国地面防空的主力装备，在地面防空作战中发挥着重要的作用。随着电子技术、光电对抗技术和指挥控制技术等的发展及其在防空导弹装备中的应用，使得装备结构更加复杂，对综合保障的依赖程度日益增加，传统的维修保障模式难以满足防空导弹装备维修保障的需要，系统的可靠性、故障诊断、故障预测以及维修保障等问题越来越受到人们的重视，装备故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）作为装备综合保障的一项最新技术，得到了迅速发展和广泛应用[1]。

随着防空导弹装备的发展和新型防空导弹装备的大量列装，极大地提高了防空导弹部队的作战能力，时刻保持防空导弹装备处于良好的工作状态，是防空导弹装备完成防空作战任务的根本保证。如何及时掌握防空导弹装备的故障状态信息、进行科学准确的故障预测、恢复和保持防空导弹装备的正常状态，是充分发挥防空导弹装备作战效能的前提[2]。目前防空导弹装备采用的维修方式依然是事后维修、预防性维修等，在防空导弹装备的维修保障活动中暴露出诸多弊端：

（1）随着高新技术在防空导弹装备中的应用，装备的诊断能力明显不足。装备系统内部和外部及后方维修保障基地之间的诊断信息和资源得不到共享，诊断过程的交互作用不强；

（2）测试结果无法对防空导弹装备未来的技术状况进行准确的预测，也就是说无法实现对防空导弹装备的总体质量和作战效能实现评估和预测。对于防空导弹装备投入战斗以后所具备的作战效能，如剩余使用寿命、技术状态的衰减情况及设备的可靠性等缺乏有效的预测，装备执行任务的安全性难以保证；

（3）维修保障设备繁多、备件储备数量大、保障费用急剧增加。以往以预防性维修为主的保障方式往往导致了许多不必要的维修，费用高、人力投入大且资源利用率低。后方基地的维修保障为被动式供应保障，保障效率低[3]。

因此，将PHM技术应用于防空导弹装备的维修保障，提高装备后勤综合保障能力，实现状态维修是防空导弹装备发展的迫切要求和必然趋势。开展防空导弹装备全生命周期故障预测和健康管理研究，不仅能够提高防空导弹装备的维修保障效率，还能大大降低维修保障费用，同时对防空导弹装备保障信息化建设具有重要意义。

2 防空导弹武器装备PHM系统体系结构

防空导弹武器装备的故障特征和应用实践表明，不同的故障部位和故障原因引发的故障征兆不同，也就是说故障征兆和故障原因、故障部位之间存在某种线性或非线性的映射关系[4]。因此，通过对故障征兆的采集、分析，并利用它们之间的映射关系，就能在故障发生前对可能发生的故障原因和部位进行预测。防空导弹武器装备PHM系统就是基于这一思想：首先利用各类传感器实时监测防空导弹武器装备运行的各种状态参数及特征信号，提取征兆；然后借助各种算法和智能模型（如专家系统、神经网络、模糊逻辑等）进行推理，找到这种映射关系，对可能发生的故障进行预测，推导出故障的原因及部位，指出故障发展趋势和后果以及部件的剩余寿命；最后通过维修决策分析形成诊断预测结果、部件剩余寿命估计和最佳维修保障方案[5]。

3 PHM系统的体系结构类型

一般来讲，PHM系统的体系结构有三种类型：集中式体系结构、分布式体系结构和分层融合式体系结构。

（1）集中式体系结构

集中式体系结构是广泛应用于小型、简单系统的PHM系统的典型结构。PHM信息处理核心是一个中央故障管理控制器或处理器，它收集、解释用于系统状态评估的所有信号。而对于大型、复杂系统的PHM系统，集中式体系结构设计的复杂性将十分突出：一方面随着系统检测部件数与信号量的急剧增加，系统信号的收集、分类和解释将变得十分复杂；二是随着系统复杂性的增加，PHM系统的执行效率快速下降。因此说，集中式体系结构只适用于系统规模较小、子系统较少的情况。

（2）分布式体系结构

在分布式体系结构中，各子系统独立完成状态监测、故障检测和隔离等任务，并将子系统级的健康状态信息直接传递给综合显示控制系统。其突出的优点是：在子系统级上实现健康状态信息的获取、处理、再生与决策，没有高级别的健康状态信息处理，因此可有效降低系统级别的测试费用；其缺点是：各子系统的测试结果难以集成，从而无法有效利用健康状态信息之间的冗余信息，提高诊断/预测的可信度。

（3）分层融合式体系结构

分层融合式体系结构兼有集中式和分布式体系结构的优点，在设计时对每个子系统在可能的较低级别考虑PHM能力和集成融合问题，即在较低的层次上，各个子系统收集、解释用于本子系统状态评估的所有信号，然后在较高的层次上将诊断/预测结果集中交由中央故障管理控制器进行记录和决策。它可在子系统级、分系统和系统级多个层次进行融合，更加全面地利用了冗余状态信息，从而能更加有效地降低系统的虚警概率。

4 防空导弹武器装备PHM系统的体系架构

由于防空导弹武器装备是复杂的武器系统，通常由各主战装备分系统构成，各个分系统又由一系列子系统构成，各个子系统又包含一系列功能模块。因此，在进行防空导弹武器装备状态监测与健康评估时，应从功能模块出发，采用自底而上的顺序逐级综合来得到整个防空导弹武器系统的健康状态，即根据对各功能模块的状态监测和健康评估，通过综合依次得到各个子系统、分系统和系统的健康状态。由此可知，防空导弹武器装备PHM系统的体系结构应是一个分布式的、多层次的，故应采用分层融合式体系结构。

依据防空导弹武器装备的构成特点和分层融合式体系结构的设计思想，可构建防空导弹武器装备的PHM系统的体系结构如图1所示。主要由模块级PHM、子系统级PHM、分系统级PHM和系统级PHM等4个层次的PHM系统构成，各个层次PHM分别完成相应层的健康状态评估，各层次间通过独立的、标准的软/硬件接口进行连接。

图1  防空导弹武器装备的PHM系统的体系架构

（AR-异常检测推理机，DR-故障诊断推理机，PR-故障预测推理机）

5 结束语

针对装备功能及组成日益复杂、对健康管理需求急剧提升的装备研制背景，采用分层融合式体系结构制定了防空导弹武器装备PHM系统体系架构，为在役装备的视情维修改制工作以及新研装备的PHM系统设计提供参考依据。

参考文献

[1] 胡茑庆, 胡雷, 陈凌, 等. 装备健康管理的现状、未来与挑战[J]. 国防科技，2015(01).

[2] 段飞飞, 李红才. 武器装备故障预测与健康管理视情维修系统设计[J]. 质量与可靠性, 2019(06).

[3] 张栋善. 航空装备领域中故障预测与健康管理技术的应用分析[J]. 山东工业技术, 2016(10).

[4] 冯玉光, 徐望, 顾钧元, 等. 导弹装备健康管理及其关键技术研究[J]. 兵器装备工程学报, 2017(01).

[5] 孟祥辉, 熊尚.. 基于状态监测的装备保障特性评估系统研究[J]. 计算机测量与控制, 2018(12).

1