一种电子战系统故障预测与健康管理设计与实现

张洋

中国电子科技集团公司第 29研究所 610066

摘要：为缩短电子战系统的维修时间，提高完好率，降低维修保障费用，将故障预测与健康管理技术应用到该系统中。设计了健康管理数据采集电路、采用故障词典的诊断方案、构建了健康评估体系，实现了在线监测、故障诊断、健康评估与预测。该方案具有功能完备、可实现性好的优点。

关键词：故障预测与健康管理；电子战；故障诊断；健康评估；

1 引言

随着战场时空的急剧压缩，装备先进性、复杂性大大提高，故障预测与健康管理( prognostics and healthmanagement，PHM) 技术已成为支撑装备实现高效保障、自主健康管理的关键技术^［1-3］。PHM技术能够通过即时监测来获取系统的技术状况，预测功能性故障并作必要的预防维修，从而缩短维修时间，降低飞机全寿命周期维护保障费用，提高系统的可靠性和安全性，能够为未来战机实现快速、准确的维修保障提供有力支撑^［4］。

美军的作战纲要指出：“电子战是一种无形而又现实的战斗，是战斗力诸要素之一，是一种可与活力、机动性相媲美的新型战斗力”^[5]，因此，通过采用PHM技术实时监测电子战系统的工作情况，实现对装备进行快速故障诊断、准确的故障隔离、健康状态评估与预防性维修，缩短维修时间、提高完好率，降低维修保障费用。

2 方案设计

2.1 总体技术方案

健康管理利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法（如模糊逻辑、专家系统、神经网络、数据融合、物理模型）来诊断系统自身的健康状态，对系统的工作状态进行实时监控，在系统故障发生前，结合历史工况信息、故障信息等多种信息资源对其故障进行预测，在系统故障发生时，能够准确定位故障位置，并结合各类健康信息综合分析做出故障隔离、降级使用、维修等决策。

故障预测和健康管理逻辑视图如图1　所示，电子战系统中的健康管理电路完成载机设备健康管理信息（如温度、电流、工作状态等）的采集，健康信息通过千兆以太网传输至健康管理系统，经数据预处理后送至在线监测单元进行实时监控。健康管理数据处理单元根据健康管理电路采集到的信息，结合故障模型库对故障进行诊断推理、预测推理、异常推理，综合分析后得到设备的健康状态评估结果。

1. 故障预测与健康管理逻辑视图

2.2 健康管理电路方案

在线监测和健康管理硬件设计阶段，需要关键芯片、电路的健康管理规划必要的传感器电路和数据传输通道，使得模块工作过程中的关键电压、电流、温度、核心状态等信息可以通过模块外围接口传输到数据采集平台。

经过多种传感器采集到实时健康数据后，模块内部健康数据通过高速GTP总线或对外网络接口等方式输出到诸如高速数据采集卡等设备。高速数据采集卡通过协议解析完成对各种健康数据的解析和恢复、并完成本地化存储。

健康管理电路的设计方案如图2　所示。

2. 健康管理电路方案

健康管理控制器(后续简称IPMC，即Intelligent Platform Management Controller )硬件设计方案如图2　所示，通过IPMC电路可实现单路CAN总线收发、单路I2C总线处理，具有8路ADC健康信息监控能力，片内内置温度传感器，并且通过外部看门狗实现IPMC异常状态回复控制及供电监控。IPMC电路使用PHY实现MII-SGMII-Copper接口桥接，以满足模块外设接口要求。IPMC通过一组SPI接口实现对日志记录Flash和板内器件(如FPGA)的访问。IPMC通过GPIO访问FPGA的JTAG，通过模拟JTAG时序，可以实现FPGA的调试。

IPMC电路使用3种电源，其中IPMC和外围电路(时钟、看门狗电路、CAN收发器等)使用数字3.3V单电源供电，PHY芯片另需1.0V和2.5V。环境温度85度时IPMC的最大功耗小于500mW。IPMC电路包含了25MHz时钟电路，IPMC和PHY芯片均使用此时钟，无需外部提供。IPMC的调试口连同FPGA的JTAG均从单板调试接口接出。IPMC的外部复位来自看门狗电路，可以实现对3.3V供电的监控，并提供保护性复位，当外部供电正常时，需要通过IPMC编程实现定时喂狗。控制器的8位片上AD，可采集0~3.3V的模拟信号。一组UART(不含收发器)，用于程序调试或对外通信；两位GPIO，用于与FPGA通信，6位物理地址，连接到背板连接器上的物理地址位，其中低4位机载和地面综合需求相同，另有GA4和GAP是地面综合专用管脚；MAC对外为MII接口，连接到PHY芯片上实现MII->SGMII的转换。

2.3 在线监测设计与实现

在线监测的主要功能是通过各类传感器对各模块/分机内部的信息进行实时采集、检测，通过维护总线将传感器数据实时上报显示，并对异常情况进行预警提醒。在传感器类型选择、测试点设置上，选择对重点功能模块、重点芯片进行监控，具备对从温度、电压、电流等不同纬度进行实时监测，在发生故障时能够尽量保存当时的环境情况，为模块、器件的应用失效模式和激励分析提供数据支撑。

在线监测的方案如图3　所示，电子对抗系统各分机、模块中设计了各类传感器，可对关键芯片、关键电路的温度、电流、电压等信息进行实施采集，通过以太网传至在线监测单元，首先对数据进行预处理，统一健康数据接口，对不同模块、分机接口报文自适应适配，对健康数据分类预处理功能，可按数据载体分类，如分机、模块，按数据属性分类，如设备基本信息、电源、温度、通道信息、总线状态信息、程序加载信息等；数据预处理后，送入数据分析模块，根据合格判据对健康数据统计分析后送入异常判断模块，提取奇异数据，送图形化显示。

3. 在线监测方案

2.4 故障诊断

故障诊断设计经历了从基于经验的设计、结构化的设计到基于模型的设计这样一个发展历程。基于故障字典的诊断设计是目前诊断设计的主流发展方向，本文选用基于故障字典的诊断。

故障字典其实就是一个数据库，该数据库将被用来对待检测的系统(或设备)进行故障诊断。故障字典法诊断故障的基本思想是:首先提取系统或设备在各种故障状态下的系统特征，如系统内各部件的工作状态、测试点的状态信息等，然后将特征与故障一一对应关系列成一个字典。在实际诊断时，只要获得系统或设备的实际特征，就可从故障字典中查出此时对应的故障。本文中，从系统通信网络、软件版本、分机、过程数据等几个维度建立故障字典。

2.4.1 通信网络故障字典

通信网络在线情况检查主要进行系统内各通信总线的检查工作，各通信总线包括Rapidio通信网络、TCP通信网络，不同总线负责系统内部的各项通信，应依据通信网络的在线情况能快速定位至某分机/模块不在线而导致可能存在的各项异常。

1. 通信网络故障词典

2.4.2 系统软件版本故障字典

软件版本检查的目的便于系统根据软件基线进行软件管理，从而实现软件的系统控制与管理，软件版本检查应包括模块或分机内部所有需要维护的软件，根据软件基线表，进行MCU版本与FPGA软件的版本比对，当实际版本与基线版本不符时，应产出相应的异常信息，在维护模式下使用此功能时，应能产出所有分机/模块的版本表，包括基线版本信息、实际版本信息、比对结果等信息。

2. 系统软件版本故障词典

2.4.3 系统所属分机故障字典

根据各模块分机BITE电路的实时信息（主要为电压、电流、温度等信息），进行模块分机的工作状态判断。定义检查项目及故障信息表如下，应考虑以模块/分机编号编写对应的MFL，如01项代表温度异常；02项代表过压：03代表过流；04代表欠压；05代表电流过低等统一制定PFL与MFL。

3. 系统所属分机故障词典

2.4.4 过程数据故障字典

过程数据主要是系统初始化或运行过程中产生的数据，一般而言是基于信号流或基于控制流产生的中间数据，包括校正数据、噪底数据、耦合自检数据等。

4. 过程数据故障词典

2.5 健康评估

健康管理指标体系是健康状态评估的基础，也是健康监测参数的数据根源，健康指标体系主要涵盖影响使用性能、任务性能和系统完整性等多方面因素，健康指标体系中主要从系统的故障状态和性能状态两个方面进行健康状态评估，其中故障状态按照对系统影响分为警报故障、次要故障、临界故障和致命故障；性能状态主要包含系统的灵敏度、动态范围等指标。通过建立健康指标体系可以确定电子战健康等级，对电子战系统健康度进行有效评估。电子战健康体系按照电子战的服役时间、保障能力和性能状态三个方面。

电子战服役时间：电子战在全寿命周期内的服役时间进行计时统计说明，按照服役开机时间进行折算，服役时间分为3个等级，服役早期40%，服役中期40%，服役晚期20%。

电子战保障能力：电子战保障能力主要包含电子战保障资源数量等，按照电子战在全寿命周期的备件数量进行统计说明，分为充足、不足和紧缺三个部分，当在备件合理的周期内数量大于规定值时为充足、当在备件合理的周期内数量小于规定值时为不足、当在备件合理的周期内数量为0时为紧缺。

电子战系统性能状态：电子战性能状态说明主要代表电子战的直接使用能力，分为五个级别按照千分制进行打分，以不同颜色进行区分标识，其定义为：健康/绿色（900分～1000分）、预警/黄色（800分～900分）、注意/桔色（700分～800分）、恶化/粉色（600分～700分）和停机/红色（600分以下）。

2.6 状态预测

目前工程师集中所采用的PHM基本方法大体上可以分分为三类，即：基于数据驱动对故障征兆进行监测和趋势预测；基于系统应用环境和寿命周期载荷开展寿命损耗累积预测；综合应用两种方法的混合预测方法。

由于缺少器件的寿命模型，同时也缺少历史数据，本文选取典型器件、模块使用基于寿命损耗监测方法的故障预测，故障预测利用建立的时间序列模型进行系统典型数据指标故障趋势预测，主要预测产品的监测数值部分随时间变化的下一个阶段的变化结果，其结果主要表明监测量值的故障时间和故障发生概率的信息内容。

3 测试验证

根据健康管理功能，设计了三类测试场景。1、系统无故障；2、减少JAU功能单元的供液流量，故障诊断是否能检出因温度超温导致的工作故障；3、系统功能正常，上报的电压中叠加错误值，检查健康评估结果，系统的健康评估是否能够给出正确的指示。测试结果如图4　、图5　、图6　所示，JAU功能单元供液流量异常引起温度超高，功能异常，故障隔离至GaN芯片超温；CSM/ESM功能单元功能模块电压异常，系统健康评估结果为注意（黄色）。

4. 系统正常

5. 温度超标相控阵异常

6. 电压超标健康状态评估为注意

4 结束语

本文设计了通用健康管理电路，基于故障词典的故障隔离，建立了健康评估指标体系，实现了电子战系统的健康数据采集，具备在线监测、故障诊断、健康评估功能，测试结果表明方案具有功能齐备，可实现性好的优点。

参考文献：

［1 ］ TSUI K L，CHEN N，ZHOU Q，et al． Prognostics andhealth management: A review on data drivenapproaches［J］． Mathematical Problems in Engineering，2015，DOI: 10． 1155 /2015 /793161．

［2 ］ ESTEVES M A M，NUNES E P． Prognostics healthmanagement: Perspectives in engineering systemsreliability prognostics ［C］． Safety and Ｒeliability ofComplex Engineered Systems，2015: 2423-2431．

［3］景博，徐光跃，黄以锋，焦晓璇，梁威 军用飞机PHM技术进展分析及问题研究 [J] 电子测量与仪器学报，2017，31（2）：161~169.

［4］ YANG L，WANG J，ZHANG G． Aviation PHM systemresearch framework based on PHM big data center［C］．International Conference on Prognostics and HealthManagement ( ICPHM) ，IEEE，2016: 1-5．

［5］姚腾钢 美伊战争中电子战的运用及海军电子战装备发展的启示 [J] 舰船工程研究，2004，106（3）：45~48.