基于PHM技术的导弹维修保障

杨立峰，王 亮，冯佳晨

（1.海军驻北京地区舰空导弹系统军事代表室，北京 100841；2.海军航空工程学院 研究生管理大队，山东 烟台 264001）

随着导弹武器系统，特别是电子设备性能的日益提高、复杂性和集成度的急剧增加，以及军队信息化建设的不断发展与推进，传统的导弹维修保障方法越来越无法适应复杂电磁环境下的信息化、网络化战争。为了克服复杂作战环境带来的导弹保障困难，实现视情维修，减少导弹维修保障的人力、物力，解决“经济可承受性”问题，同时又可以在一定程度上促进导弹武器装备保障的信息化，加速军队信息化建设的步伐，提出了基于PHM技术的导弹维修保障方法。

故障预测与健康管理（Prognostic and Health Management，PHM），是指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（如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等）来评估系统自身的健康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修[1-3]。

PHM技术早在2000年就被列入美国国防部威胁减少局的《军用关键技术》报告中，在研的主力飞机——联合攻击战斗机（JSF）设计时，引入了PHM技术，其最初目的是为了减少由于传统定期维护采用的多、勤、细维修方式所消耗的大量人力、物力和财力，同时提高了武器装备的信息化程度。

目前，比较成熟并进行了实际工程应用的PHM或者类PHM系统主要有美军的飞机状态监控系统（ACMS，Aircraft Condition Monitoring System）、发动机监控系统（EMS，Engine Monitoring System）、综合诊断预测系统（IDPS，Integrated Diagnostics and Prognostics System）、以及美海军的综合状态评估系统（ICAS，Integrated Condition Assessment System）等[4]。

综观PHM技术的发展，该技术在持续任务系统领域（如飞机系统）得到较为广泛的应用，而在非持续任务系统领域（如导弹武器系统、运载火箭系统等）中应用较少。目前，美军已经开始进行这方面的工程技术研究。

1 维修方式与PHM技术

选择合适的维修方式不但可以使装备有较高的安全性、可靠性和可用性，更可以降低费用，减少维修成本。按照故障发生时刻和采取维修措施的时刻，维修方式大致可以分为3种[5-7]：

1）基于故障的维修方式。基于故障的维修方式，又称失效后维修、反应性维修或非计划维修，即指在故障发生后进行修复性的维修活动。基于故障的维修方式可以最大限度地利用装备的工作寿命，但是它存在一些缺点：维修活动无计划性；消耗较多维修资源；可能产生极其严重的后果等。

2）基于时间的维修方式。基于时间的维修方式，又称计划维修或预防性维修，是指无论装备是否发生故障，经过一定时间都要对装备进行检查维修。基于时间的维修有较好的计划性，而且能有效的防止严重后果的发生，但是仍存在一些不足：消耗巨大的维修资源；对一些装备的使用寿命造成很大浪费；不能保障消除所有故障等。

3）基于状态监控的维修方式。基于状态监控的维修方式，又称预测性维修或视情维修，是指通过监测、评估装备的健康状态，根据具体情况安排维修活动。基于状态健康的维修方式既能充分利用装备的使用寿命，又可以及时地计划安排维修活动，同时又克服了失效后维修和计划维修的缺点。可以说，视情维修是目前各军事强国都在积极探索研究的热门课题，视情维修的流程如图1所示。

图1 视情维修流程图

从图1可以看出，整个视情维修的流程与PHM技术的工程应用思想有颇多相似之处，都是通过检测、状态评估来判断装备的健康情况，因此PHM技术的合理应用是实现视情维修的有效途径。

2 导弹武器系统与PHM技术

作为非持续任务领域中的导弹武器系统，它与飞机等持续任务装备相比具有一些不同点，正是由于这些差异的存在，使得应用于导弹的PHM技术呈现出自己的特点。

导弹武器系统与飞机的主要不同点有：

1）使用方式不同。导弹属于一次使用的装备，而且任务持续时间较短；飞机则属于多次重复使用的装备，任务持续时间较长。

2）储存时间不同。导弹的全寿命周期中的绝大多数时间均处于贮存状态；飞机的储存时间所占比例相对导弹较少。

3）易故障部件不同。从目前资料分析，导弹故障部件大多集中于雷达、导引系统等电子部件；飞机则集中在发动机、机体结构等机械部件。

4）导弹上的空间相对较小，飞机上的空间则相对较大，在硬件尤其是传感器及数据传输方式的选择方面会受到一定的影响。

5）虽然导弹只是一次使用，但是在贮存期内一般会历经多次定期测试，在某种程度上每次加电测试对于其电子设备而言都是一次使用的过程。

6）导弹作为一次使用的非载人飞行器其单位价值相对飞机较低，因此在构建导弹保障PHM系统时必须考虑整个系统的费用，合理选择软硬件，充分优化，使效费比尽量降低。

从以上这些不同点可以看出，导弹武器系统中的PHM技术应用与飞机还是有所不同的，包括可行性分析、系统规划、设计要求，再到具体的硬件的选择、监控分系统的确定、软件的编写、传输方式的选择等都需要根据导弹武器系统的实际情况深入研究。

3 信息化保障与PHM技术

信息时代的战争形态是信息化战争，战争形态牵引装备维修保障形态的发展。装备维修保障作为战争的重要组成部分，在未来多维一体的全频谱信息化作战方式中，也必将面临许多新情况、新问题，呈现出许多新的特征，而信息化将是未来装备维修保障最主要的特征。在信息化战争条件下，装备保障理念已经发生了革命性的变化。信息化战争要求装备维修保障必须有预见性、精确性，维修保障过程要实现可视化，维修保障指挥实现网络化。简单地说，就是使维修保障实现“自主化”、“智能化”和“网络化”[8]。

PHM技术的应用将加快“三化”的实现，普通的PHM系统实际已经初步实现了维修保障的“自主化”和“智能化”，要完善及实现“网络化”需要进一步结合通信技术、计算机网络技术、现代管理理论等，将初级的导弹PHM系统完善成为基于PHM技术的导弹维修保障管理信息系统，形成导弹维修保障综合模块，将其作为一个分系统接入作战指挥系统、后勤保障系统，从而实现维修保障的“网络化”。

4 基于PHM技术的导弹维修保障管理信息

4.1 现役导弹的PHM技术应用

对于已经服役的导弹来说，由于在引进或研制时，对导弹的维修保障考虑得并不十分全面，而且在应用PHM技术时不可能重新在导弹内安装嵌入式传感器，为达到及时监控导弹健康状态的目的，应研制导弹PHM系统，通过在外部及导弹贮运发射箱安装传感器来收集导弹的环境信息以及性能信息，利用这些状态数据，通过不同的算法、模型进行故障诊断、预测等，判定导弹的健康状态。同时，在对现役型号导弹PHM系统的研究过程中还要规范相应软硬件标准，为未来型号导弹提出合理的研制建议。

导弹武器系统PHM系统基本技术框架如图2所示。

图2 现役导弹PHM系统技术框架

在实际工程应用时，有几点需要注意的问题：

1）要选择好监测部件，确定监测参数，并非监测部件越细、监测参数越多检测评估效果越好，因为越多的监测部件和监测参数就意味更多的传感器，更大的数据量，这些问题对传感器的安装、供电技术、数据传输、数据存储设备都是很大的挑战；

2）在故障诊断、预测时，可以将基于数据（参数）的方法与基于失效物理（PoF）的方法结合起来，以提高健康评估的准确度；

3）上述框图可以进一步开发为基于PHM技术的导弹维修保障决策支持系统。

4.2 预研型号导弹PHM技术应用

对于预研型号的导弹，为了满足未来复杂保障环境的需求，方便以后导弹的维修保障，应该在导弹设计初期就考虑导弹的健康状态监控问题。

监测导弹贮存环境数据时，可将温度、湿度、振动、加速度等传感器固化安装在导弹贮运发射箱中，通过无线组网或有线传输的方式监控导弹贮运发射箱、库房等导弹寿命周期内经历的使用环境信息。导弹环境固化监控单元如图3所示。

图3 导弹环境固化监控单元

4.3 导弹维修保障信息管理系统

无论是对于现役导弹还是预研导弹，利用PHM技术进行导弹维修保障的最终目标是建立包括横向（军队、地方厂商）和纵向（军队内部）的导弹维修保障信息管理系统，通过计算机技术、通信技术、网络技术以及现代管理理论，使导弹维修保障实现信息化、可视化，同时降低维修消耗，到达经济可承受性的目的[9]。

导弹维修保障信息管理系统是指军械保障管理部门根据导弹全系统、全寿命周期维修保障的需要建立的由人机等组成的导弹武器系统维修保障信息的收集、传递、存储、加工、维护、和使用的系统。

整个导弹保障信息管理系统信息流框图如图4所示，图中内部网络实际上是PHM技术在导弹保障方面的应用扩展。

图4 导弹武器系统维修保障信息管理系统信息流框图

5 结论

随着无线传感器网络技术[10]、信息融合技术等新技术迅速发展，以及故障诊断，状态评估等算法、模型的改进，基于PHM技术的导弹维修保障展现出了越来越好的应用前景，但还有以下问题需解决：

1）可行性分析。从技术可行性、操作可行性、社会可行性、经济可行性这4 方面进行，PHM技术应用于导弹维修保障主要应进行经济可行性分析。

2）长期供电技术。无论是传感器、处理器还是存储设备都需要电力支持，如何实现长时间供电及便捷充电是亟待解决的问题。

3）海量信息存储技术。数据量主要取决于监测参数的多少及采样频率的选择。

4）标准化问题。“技术体制统一、指挥体制统一、接口标准统一”，“系列化、通用化、标准化、模块化”是我军军事建设的要求，所以在将PHM技术应用于导弹维修保障时同样要注意标准化问题。

[1]孙博,康锐,谢劲松.故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述[J].系统工程与电子技术,2007,29(10):1762-1767.

[2]MALLY M E.Methodology for simulating the joint strike fighter’s (JSF) prognostics and health management system[D].Ohio State USA:Air Force Institute of Technology,2001.

[3]HESS A,FILA L.The joint strike fighter (JSF) PHM concept potential impact on aging aircraft problems[C]//Aerospace Conference Proceedings.2002:3021-3026.

[4]张叔农,谢劲松,康锐.电子产品健康监控和故障预测技术框架[J].测控技术,2007,26(2):12-16.

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[6]宋太亮.装备保障性系统工程[M].北京:国防工业出版社,2008:73-84.

[7]冯廷敏.基于状态监测的以可靠性为中心的智能维修系统[D].北京:北京化工大学,2008.

[8]吕瑞强,陈军,赵刚.信息化条件下装备技术保障探析[J].国防科技,2006(1):74-75.

[9]郭健生.航空装备信息管理系统[M].北京:国防工业出版社,2007:10-16.

[10]于宏毅,李鸥,张效义,等.无线传感器网络理论、技术与实现[M].北京:国防工业出版社,2007:1-17.