国际空间站健康管理系统对我国空间站建设的启示

国际空间站健康管理系统对我国空间站建设的启示

刘笛  ,张欢

中国航天系统科学与工程研究院  100037

摘要：航天器本身具备一定健康管理能力，但在长期运行过程中会发生各种各样的故障，产生一些器械失效的问题。因此，本文从分析影响系统可靠性的主要因素出发，提出了基于模糊理论和神经网络的故障诊断方法，并通过仿真试验验证了该模型的有效性，以满足实际应用需求，以期为同行研究提供一定的借鉴和参考。

关键词：集成式系统健康管理；国际空间站

随着航天技术发展，越来越多国家将目光投向太空领域。其中，空间碎片是威胁人类安全最严重的灾害之一。目前，世界各国已研制出多种型号航天器用于载人飞行或深空探测等活动。然而，由于这些航天器均采用传统方式对自身开展维护保养，导致航天器部件老化速度快，故障率高，从而造成资源浪费及维护费用增加，同时也给航天员带来巨大危害。为了解决这一问题，一些发达国家开始研发一种新型的航天器——集成航天器，即利用不同类型的航天器来完成相同功能，以减少单个航天器的维修工作量。因此，研究集成航天器具有重要意义。但是，从目前来看，航天器的健康管理技术落后，无法保障航天任务顺利进行。而作为集成航天器关键部件之一的传感器则直接关系着整个系统能否安全可靠地运作。要注意突发性故障，必须及时检测和定位到相应的损伤位置并采取相应措施加以修复，这就要求设计人员能够快速准确地识别与处理各类信息。为此，需要构建一个面向集成化的航天器健康管理系统（EMS），用以监测和控制航天器及其内部组件的健康状况。操控人员必须具备丰富知识经验，并且熟悉相关专业理论知识和工程实践技能，才能更好地为航天器提供服务，提高航天器的安全性和可用性。

1发展内涵和历程

航天器集成式健康管理的发展历程，最早可追溯到20世纪50年代，最初是美国在1957年首次成功发射“阿波罗”登月舱后，为了确保宇航员免受辐射伤害，采取了一系列防护措施。但当时并未引起足够重视。直到70年代后期，随着微电子技术，计算机技术，通信网络技术的迅猛发展以及人们对环境破坏认识的深入,ESC才逐渐成为一门新学科，并得到迅速发展。它综合运用先进传感技术，信息处理技术和控制技术，通过对系统中各子系统间信息交互进行监控和分析，实现系统可靠性评估和故障诊断，进而为操作者提供必要的技术支持。其核心思想在于将人从复杂的操作状态下解脱出来，使其能专注于更本质的工作过程之中。

航天集成系统健康管理，主要包括以下几个方面：一是建立一套完整有效的风险管理体系；二是实施基于性能的维修策略；三是制定科学可靠的诊断方法；四是优化系统运行效率等。首先要提供相关数据去确定故障位置，其次根据所获得的结果来评价故障程度，然后采用适当的维修方案以恢复系统功能，最后给出合理建议或改进措施。没有对预测工具介绍是目前为止还没有专门的故障预测工具。

2状态监测工具

航天器状态监测，主要通过归纳式监测系统，即利用传感器采集各种物理量信号，经过信号处理和计算得出反映被测系统当前状况的特征量，再把这些特征量输入计算机内存储起来形成数据库，以便用户随时调用。由于设备种类繁多，且不同设备之间存在差异，因此需要开发一个通用的监测软件，可以完成所有类型的监测数据的处理与统计，从而方便用户使用。

2.1基本思想

IMS使用基于距离的聚类算法，对空间目标进行聚类分析，提取出可能出现在该区域上的多个点（称为簇）作为研究对象，每个簇中包含一定数量的观测值，这样就能很好地体现出某一特定事件发生时整个系统的动态特性，同时也可用于其他类似问题的解决。

其在进行健康状态监测时，一般都会涉及到两个方面:（1）如何选择合适的检测参数;（2）如何设计相应的滤波算法。与系统健康状态模型的显著差异还可以用来提供警报，为系统维护人员及时做出正确判断提供依据。还应该注意提供整体数据监测偏差，这对于提高监测精度有很大帮助，因为一旦监测偏差过大，就不能准确描述系统真实运行状况，而如果偏差太大的话则容易引起误判，进而影响后续分析和决策。

2.2优点

IMS采用数据驱动思想，并将它运用于故障诊断领域。这种方式不仅使传统的数据分析技术从静态向动态化发展了一步，而且更重要的一点是能够适应复杂环境下的需求。另外,IMS还具有以下优势：①自学习功能，当遇到新情况或不确定因素后，可以根据已有知识自动调整策略，以保证诊断结果的可靠性；②支持分布式结构，便于实现大规模数据处理；③支持智能推理等高级人工智能方法，有利于进一步完善专家系统。不需要过多的计算机资源，需要快速计算来监测检验异常行为，适合计算机资源在有限环境内使用。

IMS具备很多优点，如易于扩展、功能强大、扩展性强以及运行稳定等，但是在实际应用中还是面临一些挑战。首先是实时性问题，即要考虑时间分辨率和内存利用率，其次是数据量问题，即要有足够多的样本集，才能达到较高的准确率，再次就是故障模式识别能力。

3故障诊断工具

NASA已经开发了一些较为成熟的故障建模，其中包括基于经验模态分解（EMD）的信号特征提取、人工神经网络（ANN）及贝叶斯网络（Bayesian Network）等多种方法。这些工具主要用于小波变换、分形维数提取、小波去噪处理等信号处理手段，但这些方法存在着不足：一是没有很好地利用原始振动信号本身固有的特性；二是它们所建立的分类器对噪声比较敏感。

3.1TEAMS-RT

这是美国公司开发的实时诊断和在线健康监测工具，其最大特点在于能及时检测出设备是否发生故障及其程度，从而进行维修。该系统通过采集振动信号并经过预处理之后，再由专家诊断模型对故障做出预测和判断，最后给出相应的建议措施。其具备高效实时处理和响应系统模式变化的特点。

3.2Livingstone

是NASA所属研究中心开发的一个用于分析飞机飞行状态的综合平台，在这个平台上，可以用来进行深空领域的探测以及观察地球卫星，有着广阔的发展前景和发现未来。而它的设计思路主要是通过采用模块化设计思想，将各种传感器数据与数据库结合起来，形成完整的机载仪器信息集合。这样的信息集合不仅能够实现数据的全面提供，而且还能够为用户提供从数据分析到决策指导的全面服务。

它作为基于定性模型的故障诊断系统，有着很强的应用特点，最大的特点就是具有很强的通用性，这种通用性主要体现在它可以针对不同类型的系统实施针对性的解决方案。而且，如果航天器的运行是正常的状态，那么它就可以保持原有状态不进行操作和干预，但是，如果一旦出现了问题，它就会自动地启动它现有的故障诊断系统，通过一些系列系统的操作，从而让整个航天器恢复到正常状态，能够保障其安全性。如果通过故障诊断系统并进行修复，修复失败之后，它也会将航天器恢复到一个相对稳定的状态，来等待地上工作人员的检修和操作。

但是，这个系统也存在着一定的缺陷，就是它对定性地模型起作用，只支持这一种，而且它在诊断故障方面也有一定的限制性，它不能够诊断，例如：渐变以及缓慢等因素导致的故障。综合总体而言，这个系统对于保障航天器的安全性能发挥着非常重要的作用，适合推广和使用。

4集成式故障管理工具

NASA在2010年的时候，开发了下一代载入航天故障管理系统，以为相关研究和发展助力于。虽然它目前还没有应用于现有的载人航天机械之上，但是却已经进行了三次的系统性评估。最终的评估结果显示的是，该工具是积极的、有效果的。它的出现对于工作人员操作航天器有着较大的帮助。与此同时，它能够在工作人员面对突发情况的时候提供一定的帮助，并且能够有效的去面对这些突发的异常的现象和情况。由此可见，该集成式的故障管理工具的出现对于航空航天器系统的相关管理工作有着非常重要的作用。

并且，该系统包含多个模块组成：1.智能评估模块。上文中已经提到过该系统当前已经进行了三次的系统评估。具体包括项目的研究以及相关技术的研究、或者是自主任务飞行的研究以及任务相关运行测试的研究。这三次系统性的评估为该系统的稳定性提供了可靠的依据，能够有助于工作人员对于航空器的掌握。2.故障预警模块。这个模块其实就是为了监测航空飞行时的状态，一旦出现了异常的行为和状态，就会及时地通知到操作员，操作员接受到指令之后，可以让操作员使用一定的安全系统来进行操作，以防止飞行事故的发生。3.故障管理模块。故障管理会针对飞行过程中常见的一些故障类型以及容易发生故障的一些零部件进行管理。它可以提前针对哪些容易在飞行过程中发生故障的组件进行预测，从而在飞行的过程中，可以快速地确定出哪些零部件受到了哪种影响，从而发生的故障，这样可以让操作员在短时间内快速的做出反应，以保障飞行的安全性。4.远程诊断模块。顾名思义，就是在很远的地方就可以诊断出发生故障的类型和类别，可以在远程计算机端进行操作和诊断，有了这个模块，就可以在很大的程度上减少由于操作人员心里慌张或者其他的技术问题所导致的飞行故障，从而能够更加的确保飞行的安全，减少一些由于其他外因而导致的飞行障碍，5.可视化界面。就是可以在整个系统应用的过程中呈现出可视化的状态，操作员可以看到整个操作的页面，更加清晰、流畅、一目了然。6.故障报告生成模块。这个模块主要是针对的是一旦发生了一些故障，可能在当时操作人员并没有能够迅速的总结，并且认识到当时发生故障的原因、情况以及类别等多种因素，而这个故障报告生成模块，就可以在发生故障之后，在系统内部生成这个报告，从而能够为之后奠定一定的基础，提供一定的素材，让之后减少类似飞行故障的发生。与此同时，根据这个报告，也可以将其归纳总结，定期的查看、分析飞行过程中经常容易出现的一些故障，并且进行总结和预防，以保障飞行安全。

总结

总而言之，该系统集合了航天器动态和交互图形的优点呈现出来，它成功的实现了人机交互的功能，相信在不久的将来的应用中，不仅可以有助于飞行过程中飞行障碍地诊断和定位，并且能够快速地针对所出现的飞行障碍提供一定的建议和对策，以减少飞行事故的发生，保障飞行的安全性。