裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系構建

翟梅杰， 叢 華， 馮輔周， 吳守軍， 柳東方

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2.裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部隊， 遼寧 遼陽 111200)

裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系構建

翟梅杰1， 叢 華2， 馮輔周1， 吳守軍1， 柳東方3

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2.裝甲兵工程學院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部隊， 遼寧 遼陽 111200)

針對裝甲車輛故障預測與健康管理(Prognostics Health Management，PHM)系統缺乏科學合理的性能度量指標體系的問題，通過分析和借鑒其他領域指標體系的構建思路和構建原則，并結合PHM系統性能度量指標體系的發展歷程和裝甲車輛自身特點，從裝甲車輛各組成部分的角度出發，構建了一套裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系，用于驗證和評估裝甲車輛PHM系統的性能，為裝甲車輛PHM系統的設計與研發提供指導。

裝甲車輛； PHM系統； 性能度量； 指標體系

隨著故障診斷、特征提取和信息融合等技術的快速發展，裝甲車輛關鍵系統的技術集成度和復雜度越來越高，作戰和訓練過程的在線維修保障問題日益突出[1]。故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技術的提出轉變了傳統的維修模式，使基于狀態的視情維修成為可能[2]。目前，國內外對PHM系統性能度量已展開了廣泛討論和研究。如：景博等[3]從用戶和功能的角度構建了性能度量指標體系；苗學問等[4]從基本功能和能力需求的角度對軍用飛機PHM進行了討論，提出了PHM系統性能度量方法體系，為PHM系統算法設計、改進及系統能力驗證奠定了基礎；尉詢楷等[5]根據軍方健康管理用戶的要求，從健康管理診斷和預測的技術實現角度出發，分析了軍方不同用戶的要求與診斷、預測指標體系之間的映射關系，建立了相應的診斷和預測指標體系；VACHTSEVANOS等[6]從PHM系統組成的角度進行探討，提出了一套關于診斷和預測算法的評價指標；LEAO等[7]從性能指標與PHM系統需求、設計和費效比之間的關系入手，建立了新的預測指標體系；SAXENA等[8]根據應用場合的不同，對故障預測性能評估指標進行了新的分類。

然而，在新型裝甲車輛的研制過程中，對PHM系統的研究尚處于探索階段。因此，亟需一套科學合理的裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系，為軍方設計、研制裝甲車輛PHM系統提供參考，同時為裝甲車輛PHM系統性能評估奠定基礎?；诖?，筆者通過分析和借鑒上述指標體系的構建思路，結合不同領域相關指標的構建原則和PHM系統在裝甲車輛上應用的特點，從裝甲車輛PHM系統各組成部分的角度出發，提出了一套全新的裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系。

1 PHM系統構成

圖1為裝甲車輛PHM系統示意圖，其主要由車載終端、通信設備和地面服務器3部分構成。其中：車載終端配備在裝甲車輛上，用于車輛狀態的監控并記錄關鍵部件故障信息；通信設備將采集的數據和位置信息傳送到地面服務器；地面服務器基于歷史數據和智能模型對車輛狀態進行診斷和預測，并將裝甲車隊的信息進行統計分析，得到其性能狀態、健康趨勢和壽命預測等信息，做出輔助維修保障決策，用于協調車輛管理站、維修站和器材庫開展維修保障活動[9]?？傊?，車載終端采集的數據是地面服務器進一步診斷和預測的基礎，通信設備是數據的搬運工，地面服務器則是數據處理和應用的終端。

圖1 裝甲車輛PHM系統示意圖

2 PHM系統性能度量指標

根據裝甲車輛PHM系統構成，其性能度量指標可分為總體性能度量指標、車載終端度量指標、通信設備度量指標和地面服務器度量指標4個方面。

2.1 總體性能度量指標

借鑒國內外其他領域相關指標研究成果，筆者提出了適用于裝甲車輛PHM系統的總體性能度量指標，共分為可用性和用戶需求2類度量指標，如表1所示。

表1 總體性能度量指標

2.1.1 可用性度量指標

根據GB/T3187—1994[10]對可用性的定義可知：在要求的外部資源得到保障的前提下，產品在規定條件下和規定時刻或時間區間內處于可執行規定功能狀態的能力，是產品可靠性、維修性和維修保障性的綜合反映。因此，將可用性度量指標分為可靠性、維修性和保障性3類。

1)可靠性。根據GB3187—1994[10]可知：可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。裝甲車輛PHM系統的可靠性是指在一定時間內無故障地執行預定功能的能力，其度量指標包括平均故障前時間、平均故障間隔時間和平均故障率等。

2)維修性。維修性是指產品在規定條件下和規定時間內，按照規定程序方法進行維修時保持或恢復規定狀態的能力。維修性度量指標包括平均修復時間、最大修復時間、平均預防維修時間和平均維修時間等。維修過程中還會出現系統或單元故障不能復現和重試合格的現象，增加不必要的維修工作量和維修成本，因此故障不能復現率和重試合格率也為維修性度量指標。

3)保障性。保障性是裝甲車輛的設計特性和計劃保障資源能夠滿足平時戰備完好性及戰時使用要求的能力，包括維修方案的制定、訓練和戰時使用與保障所需人員配置、初始和補充供應保障等要素，是保持戰斗力的關鍵[11-13]。

2.1.2 用戶需求度量指標

要開發出滿足軍事需求的PHM系統，必須掌握各部門用戶的詳細需求。從總體角度考慮，PHM系統失效率、人員/設備使用效率和智能化程度等是用戶共同的關注點，在實際應用中又會因用戶不同而導致需求不同。裝甲車輛PHM系統的用戶涵蓋范圍比較廣，包括指揮人員、使用分隊、管理人員和維修保障人員等。

作戰指揮部將制定的作戰計劃下達給裝備處和使用分隊；裝備處根據下達的任務動用裝備，這要求裝甲車輛PHM系統能夠提供車輛目前狀態的評估結果；使用分隊根據下達的任務派遣人員，其要求裝甲車輛PHM系統能夠提供人員的在位情況、裝備使用熟練程度等相關信息。因此，裝甲車輛PHM系統應具備對車輛狀態進行評估的能力，并通過對評估信息、人員能力進行綜合排序來幫助管理人員篩選出適合執行任務的裝備和人員。

在戰場或者訓練場上，指揮人員要實時掌握裝甲車輛的運行狀態和位置信息，便于統籌全局，做出合理部署；裝甲車輛乘員則要隨時了解裝備的使用、運行情況和故障信息，對裝甲車輛PHM系統的實時性、虛警率和預警時間提出要求[9]。

維修保障人員期望最小化重復修理，明確故障位置和模式，降低周期性檢查頻率，減小維修工作量及縮短故障修復時間，使裝備以最快的速度恢復戰斗狀態；同時，還希望能夠了解部件的壽命、準確的更換時間，可最小化庫存、降低維修過?；虮苊饩S修不足。

2.2 車載終端度量指標

車載終端安裝在裝甲車輛上，設備的尺寸以及環境適應性等一般性能影響著系統的應用與推廣；車載終端的主要功能是對裝甲車輛的健康狀態進行實時監控、檢測故障并預警，因此對車載終端的測試性能提出了要求。車載終端性能度量指標劃分為一般性能和測試性能2類度量指標，如表2所示。

2.2.1 一般性能度量指標

一般性能度量指標根據對象不同而存在較大差異。據不完全統計，裝甲車輛的一般性能度量指標有30多種，參照其他領域的指標構建原則，選定出一般性能度量指標，具體如下：

1)重量、尺寸。由于車載終端安裝在裝甲車輛上，基于機動性的考慮，裝甲車輛底盤總的承重有限，因此每個結構的重量要嚴格控制在一定范圍之內；此外，車載終端的尺寸也要符合車內安裝空間，便于檢測和維修，在不影響性能、維修和壽命的情況下，車載終端要盡可能體積小、重量輕。

表2 車載終端度量指標

2)功耗。車載終端用功耗來表征單位時間消耗的能源量，功耗過大不但會嚴重消耗裝甲車輛的儲存能源，還會加速設備本身的損壞和老化。

3)環境適應性。裝甲車輛的工作環境復雜多變，一般環境中的溫/濕度、氣壓、輻射、振動和沖擊等，以及特殊環境下的沙塵、鹽霧、噪聲和爆炸性大氣等，都會對車載終端的結構、性能和壽命產生影響，使其設備可靠性降低、維修工作量加大。

2.2.2 測試性能度量指標

測試模塊是系統及時準確地檢測出裝甲車輛狀態并隔離其內部故障的重要工具。測試性能度量指標的種類較多[14-16]，其中應用最廣泛的有故障檢測率、故障隔離率和虛警率等。其他指標主要從測試的可靠性、維修性和測試費用等方面考慮，已包含在總體性能度量指標中，此處不予考慮。

1)故障檢測率(λFRD)。它是指正確檢測到的故障數ND與被測單元發生的故障總數NT之比，可表示為

(1)

2)故障檢測時間。故障分為偶然故障和耗損故障2種。偶然故障檢測時間是指從故障發生到給出故障指示所經歷的時間，也可稱為故障潛伏時間；耗損故障檢測時間是指從開始檢測出故障征兆到給出故障指示所經歷的時間。

3)故障隔離率(λFIR)。它可用正確隔離到單(多)個部件或模塊的故障數NL與正確檢測到的故障數ND之比表示，即

(2)

4)虛警率(λFAR)。它可用發生的虛警次數NFA與故障報警總次數N之比表示，即

(3)

2.3 通信設備度量指標

通信設備是連接車載和地面的橋梁，安全快速的通信是PHM系統的根本保障。通信方式主要采用的是無線傳輸，單個無線傳輸模塊的通信距離有限，可根據作戰或訓練規模的大小、地形情況和任務范圍建設一定數量的固定基站，并靈活布置一些移動基站以延伸通信的有效距離。在數據傳輸過程中，數據傳輸能力、可靠性和安全性是關注的焦點，其中：數據傳輸能力主要考慮數據的傳輸速率、傳輸數量和傳輸時間，用頻帶利用率和通信時延來度量；可靠性是指數據正確完整送達的能力，用誤碼率度量；安全性是指在人為或自然因素破壞下，數據不被竊取或篡改的能力，用安全性和抗干擾性度量。無線傳輸模塊采用隨機接入的方式將數據傳送到基站，再傳送到地面服務器，基站作為中轉樞紐，需要考慮其容量[17-19]。通信設備性能度量指標如表3所示。

表3 通信設備度量指標

1)頻帶利用率(Nb)。它用來描述數據傳輸速率Rb(即每秒鐘通過信道傳輸的數據量)和信道傳輸帶寬B(即單位時間內可傳輸的數據位數)之間的關系[3]，可表示為

(4)

2)誤碼率(λECR)。它是指數據傳輸過程中出現錯誤代碼的概率，即錯誤代碼數NEC和總代碼數NC之比，用于表征數據傳輸的可靠性，可表示為

(5)

3)基站容量?；臼菙祿ㄐ诺慕粨Q中心，不僅傳送車載終端的數據，還可作為中轉站轉接其他基站的數據。每個基站允許并行接入的數據量是有限的，當傳入的數據量超過基站容量時，部分數據將無法傳送，可能會導致數據丟失或延誤，因此要盡可能保證基站有足夠大的容量。此外，當突然出現數據量過大的情況時，基站應具備根據數據的重要程度優先傳送關鍵數據的能力。

2.4 地面服務器度量指標

地面服務器是對車載終端的細化和深入。當大量數據傳回地面服務器后，地面服務器不僅要對單個車輛的故障做進一步的診斷和預測，將整個車隊的數據進行整合后統計分析車隊的狀態趨勢、故障原因，作出維修決策和緊急處理方案等；還要更新數據庫，修正診斷和預測模型。地面服務器度量指標可劃分為診斷性能、預測性能和數據庫3類度量指標，如表4所示。

表4 地面服務器度量指標

2.4.1 診斷性能度量指標

診斷模塊根據歷史數據、專家系統和故障診斷模型，不僅要確定出單個裝甲車輛的故障位置、故障原因和故障模式，縮短故障診斷隔離時間，提高維修效率，還要對整個裝甲車隊進行統計分析，尋找共性問題。

1) 準確性。在正確隔離出可更換部件或模塊的前提下，隔離到的部件或模塊數越小、位置越精確，則故障模式越準確，這樣維修人員才能根據診斷結果合理配備人員、設備，快速排除故障。

2) 正確率。認知診斷模型在進行計量學特征比較后，提出了診斷正確率指標。早期發現和診斷是故障能否得到及時維護的前提，正確的診斷是制定合理有效維修方案的依據。

3) 診斷模型種類。診斷模塊涵蓋的診斷模型種類越多，涵蓋的故障原因、故障機理以及故障模式越多，越能做出準確的判斷，診斷能力越強。

2.4.2 預測性能度量指標

預測性是裝甲車輛PHM系統的主要功能模塊，預測模型依據裝甲車輛狀態信息、診斷結果，再結合故障歷史數據和專家經驗，對部件或裝甲車輛未來發展趨勢和失效時間進行預測，提前制定出預測性維修計劃[20-21]。

1) 準確性和精確性。針對部件壽命預測，準確性主要指預測失效時間與實際失效時間的接近程度，精確性則是指預測模型給出的壽命失效趨勢與實際失效趨勢的偏差程度。

2) 故障預測率(λFPR)和預測覆蓋度(λPCR)。前者表征預測到的故障數比率，后者表征預測模式數的覆蓋比率，計算公式分別為

(6)

(7)

式中：NP為正確預測到的故障數；NAP為可能預測到的故障總數；NPM為正確預測到的故障模式數；NM為可能預測到的故障模式總數。

3) 預測模型種類。故障發展的過程中既存在確定性趨勢，也存在隨機性趨勢，準確可靠地預測機械故障需要多種預測模型或多種模型結合的綜合模型。這樣，模塊包含的模型種類越多，越能充分利用信息，因地制宜，獲得高精度的預測結果。

2.4.3 數據庫度量指標

數據庫記錄著整個裝甲車隊的狀態、故障和維修信息等，還包括專家經驗組成的專家系統，以及根據歷史數據建立的診斷模型、預測模型、評估模型和維修決策模型等[22]。地面服務器要處理大量傳入的數據，這就要求數據庫具有強大的數據吞吐能力和數據處理能力；對數據進行存儲的同時還要避免數據庫無限增長，這就要求數據庫具備自我更新、自我完善的能力；要防止數據信息泄露和信息孤島現象等問題的出現，在資源共享的同時還要求數據庫具備安全保密的能力。

1)錯誤數據捕獲率(λCER)。錯誤數據可能來源于從傳感器到地面服務器的任意一個位置，如：通信誤碼、人工手動輸入錯誤和數據下載錯誤等。地面服務器在把數據存入數據庫之前應當對數據進行驗證，并將檢測到的錯誤數據反饋給用戶，使用時也應當包含適當的告警信息。λCER用捕獲的錯誤數據數量NCE占錯誤數據總量NE的比率來表征，即

(8)

2) 自我更新能力。數據庫系統首先應具有記憶和思維能力，能夠對傳入的信息進行存儲、分析、計算、比較和判斷，從而修復完善自身模型、更新數據庫。但隨著新數據的錄入，數據總量增加，存儲便成為首要問題。而舊數據的參考價值也會隨著新數據的傳入而降低，在不影響數據價值的情況下，需要選擇性舍棄舊數據，常見的方法有稀疏法。

2.5 PHM系統性能度量指標體系

通過上述分析，筆者構建出裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系，如圖2所示。指標之間的關系可通過以下過程體現：裝甲車輛某個部件產生故障征兆時，PHM系統應當以較低的虛警率、較高的故障檢測率和故障隔離率迅速診斷出故障，以縮短故障檢測時間和故障隔離時間，并將檢測的狀態信息經通信設備及時傳回地面服務器。傳輸過程要求通信設備應具有低誤碼率、強抗干擾性和高安全性，避免信息傳輸過程中出錯或被竊；地面服務器應具備較高的診斷準確性和預測準確性，以縮短故障識別時間，避免二次損傷，合理調配維修資源，并提高維修效率和延長周期性檢查周期。

圖2 裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系

3 結論

借鑒不同領域的相關指標以及PHM系統性能度量指標的發展歷程，從裝甲車輛PHM系統組成的角度對PHM系統的性能度量進行了探討，提出了總體性能度量指標、車載終端度量指標、通信設備度量指標以及地面服務器度量指標共55個度量指標，并構建出裝甲車輛PHM系統性能度量指標體系，根據該體系設計、研制裝甲車輛PHM系統可滿足軍方的設計總要求，同時也為下一步的指標篩選和系統性能評估奠定了基礎。

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(責任編輯: 尚菲菲)

Construction of Performance Measurement Index System for Armored Vehicle PHM System

ZHAI Mei-jie1， CONG Hua2， FENG Fu-zhou1， WU Shou-jun1, LIU Dong-fang3

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 3. Troop No.65183 of PLA, Liaoyang 111200, China)

Aiming at the lack of scientific and reasonable performance measurement index system for armored vehicle Prognostics and Health Management (PHM) system, by analyzing and drawing on the idea and principles of construction in other areas of the index system, and combined with the development process of PHM system performance measurement system and its own characteristics, a performance measurement index system of armored vehicle PHM system is constructed from the perspective of the components of armored vehicles. It can be used to verify and evaluate the performance of armored vehicle PHM system, which is instructive for the design and development of armored vehicle PHM system.

armored vehicle; PHM system; performance measurement; index system

1672-1497(2017)02-0053-07

2017-01-04

軍隊科研計劃項目

翟梅杰(1993-)，女，碩士研究生。

TP277； TJ811

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.012