水下航行器在线健康监测管理方法研究

水下航行器在线健康监测管理方法研究

刘保根

91388部队42分队

摘 要：结合水下航行器技术特点及服役使用需求，研究提出开展在线健康监测管理方法，以准确掌握水下航行器实航工作和服役期间健康水平，全面掌握装备技术状态，适应装备作战与保障需求。

关键词：航行器；健康监测；管理

引 言

近年来水下航行器具有自主性、低风险性、隐蔽性、可部署性、环境适应性等特点，实现对源头、远海、近海和近岸等重要区域水下空间的有效控制[1]，拓展了有人潜艇的新使命[2]。要满足现代信息化战争需要，充分发挥装备作战能力，精确控制导航与定位、目标探测与自主识别、通信组网和高能长效能源系统等技术对装备能力发挥起到关键性作用。水下航行器不同于潜艇等有人装备，执行任务时出现问题在线没有修复能力，只能依靠自身应急处置措施将装备安全尽可能降为最低，这对装备可靠性、环境适应性等提出很高要求。水下航行器由于航程远、水下实航时间久、任务可靠性要求高、经历海域跨度大、试验消耗大等特点，要充分考核相应能力指标，要求实航样本较大，同时随着部队实战化训练要求和设备复杂程度增加，装备保障任务也急剧增加，对装备保障部门和使用部门带来极大压力。为有效解决此类矛盾，保障水下航行器有效运行，本文研究提出在线健康监测管理技术方案，在装备全寿命周期开展健康监测管理，根据装备监控数据和先验知识，定位故障，评估性能衰退情况和预测寿命，生成故障处理和系统维护方案，全面掌握装备技术状态，实现“视情式”维修[3]，以适应装备作战与保障需求。

1在线健康监测管理基本思路

健康监测管理内涵主要包含故障监测、综合诊断和基于数据的决策，即通过分析装备工作状态和在役期间的影响因素，紧密结合使用状态监测、维修和环境等信息，对装备健康状态进行评估和预测。基于装备的健康状态预测结果，合理选择装备维修策略，周密计划维修活动，精准掌握装备完好率。预先判断水下航行器在寿命内完成规定任务的能力，评估装备当前健康状态并预测未来故障趋势，决定如何对寿命内完成规定功能的能力有所下降的部件或系统进行健康管理，在准确时间对准确部件进行准确维修。根据对装备获取状态的监测、功能性能测试以及预测模型，得出可能出现的故障及相关保障用信息。对可能出现的故障，提出“预先”维修、保养方法，将传统的事后维修转变为视情维修，从对故障的被动反应到主动预防，实现装备的自主保障模式[4]。

2健康监测时机及监测内容

装备健康监测管理包含装备研制全周期，需进行统筹规划。在装备初始设计和规划时应把健康监测和管理作为装备研制的一个分系统，实现不同阶段装备健康数据采集的标准接口和布设采集传感器。

健康监测随着装备研制不同阶段而监测内容有所不同，装备研制关键技术攻关阶段，通过对装备工作健康状态内容和项目进行科学合理的监测与管理，重点监测重要电子组部件工作状态，监测电脉冲、包络谱、时域波形、设备噪声等，评估装备运行状态与预期是否相符对装备设计者至关重要，该阶段可根据装备研制需求和技术水平不同而监测对象不同。

性能验证阶段，重点监测装备全系统实航工作状态，可以按照研制中可靠性预测、关重件、易干扰件以及电磁辐射较强的组部件等进行针对性监测，主要包含系统工作状态、电脉冲、振动、设备噪声、电磁辐射、综合环境等，通过监测数据分析装备指标和使用是否满足设计预期。

性能鉴定和服役阶段，重点监测装备全系统工作状态，评估装备任务可靠性、维修性、寿命、环境适应性、电磁兼容性、质量一致性等综合性的通用质量特性综合水平与能力。

通过全寿命不同阶段健康监测，可提高装备可靠性、安全性、维修性和在役经济性，降低装备全寿命周期费用，同时为装备能力评估提供大量最直接使用数据，降低装备使用方风险，同时可用于支撑装备作战效能指标体系评估[5]。

3传感器网络构建及健康监测管理系统建立

针对水下航行器关重件、敏感器件、常见且集中反馈的使用和保障问题，结合故障预测与健康管理技术理论、健康监测管理系统的技术架构、诊断与预测方法等，设计基于水下航行器健康监测管理体系架构，为装备全寿命周期健康状态分析提供理论指导和创新研究作技术支撑。

3.1 传感器网络构建

水下航行器传感器网络构建分为外部网络和内部网络。

为评估各任务海域中平台总体及设备的工作状态，分析总体结构、动力设备、电气设备、特装设备等外部设备影响作战使用效能因素，通过基于有限元模型等仿真手段开展力学分析，构建外部监测传感器网格，采集电冲击、航行振动和噪声等基础监测信息。

系统内设备抗外部环境干扰是设计的基本要求，在设计时应充分考虑设备抗外部综合环境干扰，主要包括电磁干扰和外部输入的电脉冲干扰等。针对干端设备，包括装备自振动和关键设备工作时外部环境干扰和自身工作稳定性；振动、航行噪声影响平台的隐蔽性，危及平台生存；供电系统、能源控制器、速度等的输出数据是动力是否充沛的直接体现；同时还需考虑电应力对元器件寿命的影响，基于上述分析并辅助实验室模拟试验等确定振动、温度、电脉冲、内部环境、能源供电稳定性、噪声等实现传感器网络构建。

3.2 健康监测管理系统建立

水下航行器健康监测管理系统实现数据采集、状态监控、信息处理、预测和自动生成评估报告。该系统应独立于水下航行器，其供电、接口、布设、采集记录、数据传输、辐射电磁等均不影响航行器工作状态、不影响装备综合环境水平。

3.2.1 健康监测管理系统架构

健康监测管理系统具有结构一体化、功能集成化和技术综合化的特点，采用分从融合方法设计，将其分为监测数据层、数据库和应用层3个层级，根据水下航行器特点，进行分层级管理，同时又考虑到系统与子系统之间故障相互耦合关系，预先判断水下航行器在寿命内完成规定任务的能力，进行综合数据融合处理，实现基于状态的维修决策。其基本架构如下图所示：

1）层级关联

设备级主要负责采集设备性能数据并进行滤波、降噪等预处理，有效提取故障特征，精细凸显故障信息和偏离设计值信息，形成装备监测数据库，应用于装备健康管理。

2）智能推理

应用层的中心是智能推理，将来自设备级的故障诊断和预测数据进行融合集成，获得全面可靠的系统故障诊断和预测信息，预先判断系统完成规定功能的能力，为其他应用提供技术支撑。智能推理主要为异常检测推理机制、故障诊断推理机制和故障预测推理机制等，推理机制通过集成设备级故障诊断和预测结果进行系统级故障诊断和预测。异常检测推理机制对慢变连续监测信号，设计固定阈值，若超过预设阈值，则判断为异常，并输出；否则为正常。故障诊断推理机制对快变连续监测信号，设计智能故障诊断算法，判断系统故障，并快速定位到可更换部件或单元。故障预测推理机制确定性能退化规律，判断系统健康状态并预测未来故障趋势，定位故障部位确定故障类型，将维修请求输出到维修决策。

通过监测基础数据和智能推理，决定如何对寿命内完成规定功能的能力有所下降的部件或系统进行健康管理，动态调整维修资源，做出维修决策，在准确时间对准确部位进行准确维修，有效防止故障蔓延，促进装备可靠性提升。

3.2.2 健康监测管理系统实现方法

健康监测管理功能通过软件实现。该软件功能主要由故障预测与健康管理、试验数据融合处理技术等模块实现，其实现方法如下图所示：

3.2.3 试验数据融合处理模块

试验数据处理技术主要包括数据清洗、数据挖掘和数据融合三个方面，基本流程见下图所示：

a.数据清洗

数据清洗目的是将试验数据按照失效模式进行预处理，转化为对应每个失效模式的标准化试验数据。假设某类电子产品包含3种失效模式，分别用X、Y、Z表示，试验中出现问题后对失效部件进行了原位替换，同一个失效数据对于不同失效模式具有不同的物理意义，必须将此记录数据按照失效模式进行清洗预处理，得到分别对应于X、Y、Z的具体失效模式的标准化失效数据。

在预处理的基础上进一步对突发型失效的试验数据进行清洗，进一步区分关联故障和非关联故障、责任故障和非责任故障，排除非关联故障和非责任故障，将责任故障用于后续的试验建模分析。对退化型失效的试验数据进行清洗，可能因环境干扰等产生明显超出正常测量误差范围的退化数据野点，在数据清洗时将该野点退化数据剔除，提高试验建模中对参数估计结果准确度。

b.数据挖掘

数据挖掘目的是对航行器在研制、使用、维修过程中的相关数据进行综合利用，主要包括研制阶段可靠性试验数据、使用阶段的组部件或功能置换件和健康监测系统记录的性能退化数据、维修记录的失效数据等。通过深度挖掘数据资源，将历史失效数据随机分成训练集和验证集，训练集用于模型修正，验证集用于模型一致性检验，并利用多源数据融合获取更准确的评价结论。

c.数据处理

在数据清洗和数据挖掘基础上，利用验证数据集与试验数据集开展试验一致性分析，研究试验与实际使用数据的一致性，并据此进行进一步数据一致性校准。在试验数据量不充裕的情况下，进一步对试验数据和多源可靠性信息（训练集）进行融合评估，通过扩大信息量来进一步提高最终的评估准确性。

4健康监测数据管理系统评估方法

水下航行器服役阶段主要监测电磁兼容性、任务可靠性、维修适应性、保障适应性和环境适应性等使用数据，结合各阶段试验数据融合处理对相应能力状态进行分析评估。

4.1 电磁兼容性评估

水下航行器电磁兼容性定期检测和全系统工作状态监测，主要数据包括接地电阻、典型部位的绝缘电阻、电磁辐射强的设备屏蔽效应、动力电源提供的电网品质数据、大功率发射源发射特征、敏感设备敏感特性、系统内全系统工作时的综合干扰等基础数据。利用测试数据按照GJB151A-1997和GJB152A-1997开展符合性评估、历史比较评估，为有针对性地确定装备维修保养及周期等提供数据支撑。

符合性评估指根据测试数据，按照设计要求进行符合性评估，判断装备执行任务阶段或中/大修后满足设计要求的程度和范围，掌握其电磁兼容性特点和存在的问题；历史比较评估指与历次测试数据特别是验收时的电磁兼容情况进行比较，评估装备电磁兼容性的保持、下降程度及其特点和规律。

4.2

任务可靠性评估

任务可靠性重点监测装备在执行任务期间发生故障的频繁程度，发现经常出现故障或性能下降的部件或部位，分析其影响装备执行任务的程度等。从作战任务角度出发，识别对任务成败、生存力有重大影响的关重系统、设备，建立装备可靠性模型，统计系统设备层面的工作时间、故障现象、故障次数、故障维修处置、备件消耗情况，评估装备完好率、任务/基本可靠性水平、故障修复时间水平、备品备件满足/利用率水平。

通过长周期、大规模在线健康监测关重系统、设备的基础数据，综合装备平均故障间隔时间和平均致命性故障间隔时间，按照可靠性点估计方法，依据GB/T 4087-2009，开展与装备验收时的可靠性水平符合性评估；针对易损件和寿命件，在基于应力法可靠性预计和加速试验基础上，通过加速试验模型实现装备服役阶段各组部件的剩余寿命评估。

4.3 维修适应性评估

维修适应性重点评估在役装备维修保障体系己建立的情况下，装备A级维修人员顺利恢复装备技术状态的能力。一般采用平均故障修复时间、基层级修复率、维修人员满意度作为评估指标。

平均修复时间点估计计算方法见公式（1）。

样本方差计算方法见公式(2)。

式中：

——修复性维修作业样本量；

——第i个样本的维修时间。

以A级维修人员为调查对象，对装备的维修可达性、零部件的标准化和互换性、防差错措施与识别标记、维修安全性、维修难易程度等进行定性评估，针对易损件，基于监测基础数据给出预防性维修策略。

4.4 保障适应性评估

保障适应性重点评估装备在实际保障体系下，其自身保障特性和现有保障资源满足作战使用要求的程度。一般采用使用保障适用性和保障资源适用性作为评估指标。

使用保障适用性是指装备在现有保障体系下完成洞库贮存维护、技术准备、运输/转运、维修、战备值班和海上执行任务全剖面使用保障活动的适用程度，该指标采用装备实际操作和调查问卷相结合方式进行定性/定量评估。保障资源适用性是指装备配套的保障资源满足作战使用实际要求的程度，重点从备品备件满足率与利用率、保障设备与设施的满足度、技术资料的可用性、训练操作装备配套率与满足度、运输方式类别与便于获取的程度、计算机保障资源便于获取的程度和计量保障等方面，采用装备实际操作与调查问卷方式进行定性评估。

4.5 环境适应性评估

综合通用质量特性设计输入、结合历史数据和服役阶段各类使用数据，基于作战任务海域环境与任务强度，开展预防性维修等工作，保证有效完成作战任务。主要实施步骤如下：

1）分析作战任务海域环境，主要包括海流、海况、水深、密度等环境因素；

2）监测任务剖面内各监测组部件、设备工作状态，分析相应组部件、设备健康工作水平；

3）利用多应力失效耦合方法，结合历史故障数据与失效分析结论，判定主要机理、失效模式与敏感应力；

4）结合通用质量特性设计输入，综合给出面向特定作战任务环境适应性评估结论。

5维修决策

通过对装备在线工作数据监测与相应指标的评估，作出健康状态等级、状态量化评估和健康趋势分析与故障预测。

装备健康状态等级一般划分为健康、亚健康、合格和故障4个等级，根据装备不同健康状态，确定需要开展针对性视情维修工作，确保装备始终处于健康状态。监测装备由若干个分系统组成，其健康状态取决于各分系统或设备，它们可以使用具体参数进行描述，实质是利用对各分系统或设备参数进行量化实现装备健康评估。健康趋势分析与故障预测采用基于故障特征时故障预测方法，通过物理模型，结合历史数据的特征预测装备未来的变化，实现故障预测。

6 结束语

在线健康监测管理是水下航行器全寿命研制的一个重要环节，可有效解决无人装备在线健康状态未知，弥补装备验收时数据不足等问题，可极大降低使用者风险，提高装备任务可靠性等。本文从在线健康监测时机及内容、监测传感器构建和监测管理系统设计等方面提出了装备在线健康监测管理方法，利用监测基础数据，通过评估，解决航行器在线健康监测管理问题，提高装备通用质量特性健康水平，实现以“修”为主的思路转变为以“管”为主的“精细化”保障模式[6]。

参考文献：

[1] 吴超，刘大庆.水下无人航行器作战运用方法探讨[J].潜艇与水下作战，2022（1）：15-17.

[2] 万克，吴懿鸣，冯晓硕.美国海军应对未来水下战的装备发展分析[J].数字海洋与水下攻防，2020（1）：71-75.

[3] 谷宁昌.新体制下战区海军装备保障问题研究[J].海军装备维修，2017（4）：4-7.

[4] 王索建.基于健康管理的有源相控雷达威力性能评估方法[J].计算机测量与控制，2019（2）第27卷：265-268.

[5] 刘保根，游修东.水下航行器作战效能指标体系构建[J].海军学术研究，2018（4）：44-47.

[6] 兰程，王怀刚，赵金超.深入开展舰艇等级修理涂装保障改革工作的思考[J].海军装备，2019（6）：37-40.

1