健康管理技術在機載光電系統中的應用研究*

齊 華 黃 玉 劉 軍

(1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)(2.武警工程學院通信工程系 西安 710086)

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健康管理技術在機載光電系統中的應用研究*

齊 華1黃 玉1劉 軍2

(1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)(2.武警工程學院通信工程系 西安 710086)

探討了機載光電系統健康管理的需求和發展,對光電系統的健康管理做了簡單的分析,介紹了光電系統健康管理的周期性任務,提出了一種適應于機載光電系統的健康管理方法,說明該方法需要提升的地方,為機載光電系統的安全運行提供了保障。

機載光電系統; 健康管理; 周期任務; 故障診斷

Class Number V249

1 引言

機載光電系統[1]是航空飛行器電子“眼睛”,是用于偵查、測量、搜索、營救以及火控系統瞄準等用途的航空光學及電子裝置。隨著科技的迅速發展,光電系統的結構越來越復雜,功能越來越完善,集成化越來越高,系統的不同部分之間緊密關聯,使得系統中一個小故障出現問題時,難以確認故障產生的原因、位置不能及時準確處理,可能導致故障程度加大,甚至系統不能正常運行需停機維修。同時因為飛機的作戰環境惡劣、作戰形式復雜,系統內部得健康運行才能為精確復雜的作戰做好基礎保障。

健康管理(Health Management,HM)[2]是根據診斷信息、可用資源和使用需求對維修活動作出適當決策的能力。系統實時對各子系統進行狀態監測、故障檢測、失效預報、壽命預測,該技術改變傳統的以日期或小時為單位的檢查維修和事后維修為按需維修,并給出合適的維修方案。目前健康管理技術廣泛應用于了解或修復飛行器(飛機、無人機、航天器)及其元部件狀態,飛行器的健康狀態描述了系統、子系統和部件執行設計功能的能力。

為提高機載光電設備執行任務時的可靠性和安全性,對其維修保障提出了更高的要求,將健康管理技術應用于光電系統中,可以大幅度提升光電系統維修的及時性、準確性。避免了診斷專家未在現場或專家與技術人員之間傳達障礙等問題,使得故障發生前或故障發生初期及時診斷維修處理,避免故障程度加大甚至停機維修。

2 健康管理技術的發展

健康管理技術[3～5]是從傳統的健康監測與故障診斷技術上發展起來的,它代表了一種反應性的通信向主動性的3Rs的轉變,即在準確的時間對準確的部位采取正確的維修活動,也代表了維修保障方法從基于故障的事后維修或定期維修向基于狀態的故障預測維修(視情維修)。健康管理一般是針對故障多發的幾個分系統進行狀態的健康管理,由于分系統自身特點不同,需要相應設計不同的健康管理方法,再集成綜合的健康管理系統。健康管理的重點是選用先進的傳感器,采集飛行器狀態的信息,通過數據信息的處理,選擇合適算法與智能模型對其狀態進行故障診斷和預測,并對其狀態進行健康評估,采取適當的維修決策,保障飛行器在軌任務的順利執行。

健康管理于20世紀五六十年代應用于美國、英國等國家的軍用飛機上,被稱作健康與使用監控系統(Health and Using Monitor System,HUMS),目前已廣泛應用在“陣風”、“鷹”等固定翼軍用飛機上。綜合飛行器健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)這個概念出現于20世紀70年代,其定義為一些行為的集合,這些行為包括了解飛行器及其分系統、子系統及元器件的狀態,當飛行器發生異常時把它恢復到正常狀態,以及在系統故障出現后,使它對系統安全和所執行的任務的危害最小?！帮w行器健康監控”于20世紀90年代在研究機構內廣泛傳播,NASA與ARINC公司合作成功研制了“飛機狀態分析與管理系統”,NASA將Qualtech公司開發的方案“綜合系統健康管理(ISHM)”應用于航天飛機,進行健康狀況的監控及故障診斷排查。PHM(“故障預測與健康管理”或叫“產品健康管理”)于20世紀90年代末在英美等國家軍方合作開發的JSF項目中提出,該項目的PHM系統將機內自檢與狀態監控進行延伸發展,轉向系統級狀態維修管理。

目前健康管理技術在美國得到了深入研究,已從方案設計階段發展到工程應用階段,已在軍事領域與民用領域得到不斷推廣,歐洲一些發達國家正在與美國飛機研究機構開展緊密合作共同推進飛行器健康監測與管理技術的發展。

我國在健康管理技術研究方面起步較晚,隨著對飛機可靠性要求的提高,研究全壽命周期內飛機的健康管理越來越重要,對國外相關技術跟蹤研究的同時,我國也開展了健康管理技術的深入研究工作。我國早期健康管理方面多用于民航,自主研發成果主要用于飛機或發動機的性能監控的軟件方面,硬件與軟件方面結合使用的應用成果較少。目前我軍的飛機裝備已經開始進行狀態監控與健康管理,因而飛機的重要載荷機載光電系統也必須進行狀態監控與健康管理設計。

3 光電系統的健康管理設計

3.1 光電系統的健康管理概述

光電系統[6]是由光電轉塔(內含電視、熱像、激光器)和光電電子箱組成,其中電子箱包含供電單元、伺服控制單元、任務管理單元和跟蹤單元。光電系統內部集成大量的光電傳感器,主要包括可見光電視、CCD相機、激光器、多光譜相機、紅外熱像儀、光斑跟蹤器等。利用健康管理技術可監測和評估機載光電系統的健康狀況,所以可在機載光電系統中設計嵌入健康管理模塊對光電系統進行實時監測和健康評估,使系統具有數據采集能力,自檢測能力,信息融合和處理能力,故障檢測和預測能力等。將光電系統的各子系統中所獲得的狀態信息集中到健康管理系統,并與數據庫中相關數據比較分析,檢測和預報子系統或部件的故障,對故障進行隔離和選擇合適的方法維修處理,因故障的致因可能多方面,維修后應繼續檢測判斷是否維修有效或者是否全面維修。

3.2 機載光電系統健康管理的四個周期性任務

機載光電系統的健康管理是周期性的在進行四個任務[7],具體見圖1。

1) 健康狀態的判斷:傳感器采集到的數據信息以及工作參數經數據融合處理,與健康基線作比較判斷系統的健康狀況,若系統正常繼續采集判斷,若發生故障判斷故障程度、位置及原因,并能通過解釋信息保證用戶了解系統目前狀況。

2) 對故障進行緩解:對故障危害進行分析,調整任務方案或措施補償故障帶來的影響,或關閉某些功能以防發生更大災難,最大化任務有效性的同時對故障進行處理。

3) 對故障進行維修:因作戰環境復雜,執行任務豐富,若診斷出故障原因及故障位置,應快速準確地選擇維修方案進行維修或更換元部件,以減少不必要的損失。

4) 驗證維修的正確性:需要維修的故障有時只有單一故障有時卻有多個故障,驗證系統是否及時得到正確的維修,可根據系統是否恢復到正常的運行狀態來驗證維修效果,每一次故障都至少有一次健康管理的周期活動。

圖1 健康管理的周期任務

3.3 光電系統的健康管理系統組成

對PHM的通用體系結構進行研究[8],設計機載光電系統的健康管理由以下幾個部分組成:狀態監測、健康評估、故障預測與健康管理等模塊(見圖2)。

圖2 機載光電系統的健康管理組成示意圖

狀態監測:接受來自傳感器或采集電路采集到的數據經過去噪、濾波轉換等處理以及其它狀態監測器的數據,并將這些數據同數據庫存儲的期望的數據值或數值范圍進行比較進而判斷系統的狀態,并且根據事先預定的各種參數指標極限值(閾值)來提供故障報警能力。

健康評估:首先判斷傳感器或采集電路是否能正常工作,再接受來自不同狀態監測器或其它健康評估模塊的數據,評估被監測系統子系統部件的健康狀態是否退化,可以產生健康狀態監測記錄并確定故障發生的時間、位置與原因,健康監控應基于各種健康狀態歷史數據、工作狀態以及維修歷史數據等。

故障預測:綜合利用前述各部分的數據信息,可以評估預測被監測系統的未來健康狀態,如損傷趨勢、剩余壽命的預測、故障發生率等。

健康管理:結合各種數據庫信息及健康評估和預測模塊的數據規劃合適的維修策略或建議,可在被監測系統發生故障之前的適宜時機采取維修措施,優化備品備件等資源的管理與調度,以降低維修成本與時間。

為實現機載光電系統的健康管理[9],需在光電系統內設計相應的檢測電路進行數據的采集及上報處理,它隨光電系統的啟動而啟動。采集關鍵部位的電流、電壓等信號通過調整電路輸出為一定范圍內的電壓信號送入檢測電路,檢測電路通過與健康基線的對比判斷系統及子系統是否正常工作,出現異常上報任務管理機,并記錄光電系統的工作狀態、故障信息及維修信息等,從而對保障光電系統的安全運行。

光電系統的健康管理的重點和難點是故障的診斷[10]?？刹捎霉收蠘浞治鲈\斷系統故障,利用故障樹的定性分析求出最小割級,再利用故障樹的定量分析確定最小割級及其組成單元的診斷順序,其中最小割級的診斷順序依據故障概率大小,組成單元診斷順序依據重要性大小。兼顧了故障發生大小與模塊的重要性,一定程度上會避免概率小的故障優先診斷,對故障的快速準確診斷有一定的保障作用。另一方面,健康管理中知識庫和數據庫的建立較為困難。不僅需要出廠的一些材質、結構、功能等信息,以確定正常健康基線,剩余壽命以及維修策略及手段;還需要考慮惡劣的作戰環境對系統的影響,以及系統與系統之間的相互關聯的影響,應加大這方面的研究。

4 結語

健康管理技術是確保機載光電系統安全運行、保障作戰性能、提高系統的維修性、降低系統整個壽命周期運行成本的關鍵技術,因此世界各國都在大力研究發展健康管理技術。應用于機載光電系統的健康管理技術目前還在理論探索階段,各個方面都需要快速提升。隨著科學技術的發展,健康管理技術在未來光電系統中必將得到充分的應用,進而推進整個維修保障技術的進步。

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Application of Health Management Technology in Airborne Photoelectric System

QI Hua1HUANG Yu1LIU Jun2

(1. Electronic Information Engineering College, Xi’an Technological University, Xi’an 710021) (2. Department of Communication Engineering, Armed Police College of Engineering, Xi’an 710086)

The requirements and development of airborne photoelectric system health management are discussed, and a simple analysis on the health management of photoelectric system is made. This paper introduces the periodic tasks of photoelectric system health management, this paper proposes a health management methods suitable for airborne photoelectric system, expains the aspects that need to improve, and provides the guarantee safe operation for airborne photoelectric system.

airborne photoelectric system, health management, cycle task, fault diagnosis

2016年7月9日,

2016年8月27日

齊華,女,博士,教授,碩士生導師,研究方向:無線傳感網絡、信息傳輸、信息處理、信息編碼理論、電磁兼容技術等研究和應用工作。黃玉,女,碩士研究生,研究方向:無線傳感網絡與遠程監控。

V249

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.021