无人机装备使用阶段质量信息管理系统设计❋

陈 时 王海涛 沈延安

（1.73031部队 无锡 214064）（2.陆军军官学院 合肥 230031）

1 引言

目前，无人机装备管理保障工作尚处于起步阶段，尤其使用阶段质量管理手段相对有限，加之系统结构复杂，易受使用环境和人为因素的影响，武器装备的质量状态会不断发生变化，性能会逐渐衰退。为了延长无人机装备使用寿命，增加装备战备完好性，设计开发无人机装备使用阶段质量信息管理系统，对无人机装备质量信息进行系统性管理，全面推进无人机装备管理的信息化、网络化，确保充分发挥装备质量信息作用，同时也是提高装备使用效能的主要手段以及上级领导机关科学决策的重要依据［1～2］。

2 设计目标及功能需求

2.1 设计目标

系统要求实现以下目标：

1）对无人机全系统使用阶段的设备运行信息、故障检测信息、维修过程、维修人员及维修资源的调配等进行综合性管理；

2）对无人机系统进行包括发射起飞、侦察飞行及回收全过程的质量监控与信息存储；

3）通过连续跟踪记录无人机飞行过程中的遥测数据及关键设备的运行及维修数据，分析预测装备质量状况，并可对无人机进行故障分析；同时可基于历史运行和维修数据，实现对无人机寿命信息以及维修状况进行科学预测和决策。

2.2 功能需求

系统功能需求是指系统必须满足和执行的功能，用来定义系统的行为，即在某种输入条件下，软件系统要给出确定的输出，并做相应的处理或转换，使用户利用系统能够完成规定的任务，从而满足业务需求。无人机装备质量信息管理系统是在无人机装备质量管理模式及特点，结合无人机质量信息管理系统设计目标，遵循实用、合理、易用的原则而提出的。主要功能需求如下：

1）能够提供无人机装备使用阶段质量信息数据采集输入和管理。质量数据采集信息包括装备基本情况，如装备类别、装备名称、装备构造、制造商与型号、性能参数等；装备运行和维修的基本情况，如装备运行参数、停机原因、维修方式、维修周期及故障信息等。

2）能够对无人机地面调试、起飞以及飞行进行状态安全监控。即能够根据无人机在飞行过程中影响安全的数据进行分析、预警以及无人机发射过程中对大马力、爬升指令等进行预置监测；能够依据地面调试、检测过程中的质量信息对无人机性能状态进行监控和故障预警。

3）能够对无人机装备健康状况进行管理。包括对无人机健康状态进行分析、性能衰退分析及健康分级预警等。可实现对无人机各系统的部件的运行信息采集处理与健康预测评估，最后以健康状态报告等形式向使用人员或地面监控室传送相应告警或提示信息。该设计可以将故障信息提供给故障隔离与系统重构环节，以便实现对可修复性故障进行及时处理；健康评估信息则可以为装备保障人员进行视情维修策略提供依据，便于优化维修方案，甚至对无人机健康状况及其维修大纲的实施情况进行连续监视与控制，实施有效的维修管理。

4）能够支持网络化质量信息管理。基于网络化的质量信息管理是未来装备质量建设发展的必然趋势。利用计算机网络技术建立统一的无人机装备质量信息管理平台，可进一步实现无人机装备研制方、使用人员、保障人员等装备信息资源共享，必将最大限度地发挥装备潜能，有力提高无人机装备质量信息管理工作效率。

5）能够支持报表输出和打印。无人机装备质量信息报表是呈现给用户的表现方式，用户可根据需要设定输出格式，支持打印预览和打印机输出功能，并能生成Excel或PDF等多种格式文件。

3 系统设计

3.1 系统结构组成

根据系统设计目标和系统功能需求，无人机装备使用阶段质量信息管理系统主要包括三大部分：数据采集系统、质量信息管理系统以及数据库管理。如图1所示。

图1 系统结构组成

数据采集系统主要通过传感器技术、遥测技术等实现采集无人机运行等状态质量信息；质量信息管理系统为系统核心组成部分，主要包括状态检测、安全监控、健康评估、故障预警、维修决策以及输出等六个子模块，用于实现无人机的状态监控，健康状况评估以及无人机故障识别与预警等功能；数据库管理主要用于存储与无人机装备质量信息的相关数据库，包括故障预警知识库、维修知识库以及质量信息管库。

3.2 系统构架设计

构架代表了系统公共的高层次的抽象，是一个软件系统中的核心元素，也是构建软件系统中其他部分所依赖的基础。.NET技术是一种构建高交互性、高扩缩性系统的旗舰技术，一般可分为三层体系构架，即表示层、业务逻辑层和数据层，可有效实现系统中各功能模块的相对独立，减少了各模块间的耦合性，使系统更具灵活性、可扩展性和可维护性［3～4］。另外，采用三层体系构架，还可方便地实现无人机装备质量信息网络化管理模式，极大地提高了无人机装备质量信息管理工作效率。系统构架如图2所示。

4 系统关键技术

4.1 健康评估技术

在对无人机系统进行整体健康评估时，首先对每个子系统的健康状况进行分析，最后再根据子系统评估结果给出最终的系统健康状态。在此过程中，需要对每个子系统的故障模式及影响程度进行分析［5］。

图2 系统构架设计

无人机各系统的健康指数可由式（1）得出。式中，H 表示系统的健康指数，H∈［0，1］，0表示系统完全损坏，不能继续执行任务，1表示系统完全健康，没有出现任何故障；Ei表示分系统i的健康状态，Ei∈［0，1］；ωi表示分系统i的权重系数；n表示分系统个数。

其中Ei健康指数由式（2）计算：

Cmj为故障模式j的危害度，一般根据严酷度级别进行确定。定义惩罚函数α，当关键分系统出现灾难性故障（严酷度级别为1）时，对无人机系统的健康指数进行修正，α由式（3）计算：

此时，式（1）可变为

各子系统在总系统中的权值可依据相关权重确定算法计算得出。具体健康评估流程如图3所示。

4.2 故障预警技术

故障预警主要是根据无人机状态监控信息，并基于专家知识库对系统和部件的历史故障数据进行分析预警，为系统维修提供准确、丰富的故障信息，便于快速排除故障，避免事故发生。无人机故障预警主要基于无人机故障模型以及使用阶段所采集的状态数据，来综合分析判断出故障点或潜在的故障，从而进行故障预警、报警及相关处理，进而有效避免无人机安全隐患的发生。

本系统中，无人机故障预警主要采用两种方法：一是依据专家知识库中存放的相关故障历史阈值信息进行分析。即根据获取的各类状态信息，首先进行分类，然后根据各类对应的阈值直接与获取的状态数据进行比对，以此来确定是否进行预警。这种方法较为直接，也比较易操作，但缺陷在于预警成功率与专家历史经验直接相关，主观影响因素较高。为解决上述问题，更好依赖于无人机使用阶段状态数据，系统还引入了另外一种方法即基于离散傅里叶变换子序列匹配的故障预警方法。该方法主要包括数据预处理、特征提取、建立索引和搜索相似子序列等步骤。

由于无人机使用阶段的状态数据类型较多，一般都属于高维时间序列数据，所以在数据预处理过程，较为复杂和繁琐。因此在进行故障预警前，必须要先进行降维处理提取特征。而降维处理方法采用基于离散傅里叶变换的方法，变换公式如下：

图3 无人机系统健康评估流程

其中K＝0，1，…，N－1，X（k）为频域空间，即傅里叶变换将无人机时间序列数据转换成了频域空间数据，提取变换后频域序列前几个系数作为特征值，就可以实现降维处理。然后，根据故障预警方法第三个阶段建立索引：取经过上述变换后频域序列的前三个系数作为特征值，即在三维特征空间上建立索引，并利用故障模型对每一个最小边界矩形（MBR）进行相似度搜索，来最终实现故障预警。

4.3 安全监控技术

安全监控由状态数据采集、无人机起飞安全监控、飞行状态安全监控、无人机回收安全监控和查看误操作记录五个功能模块组成。发射和回收是无人机操作过程中最易出现安全风险的两个过程，通过发射前状态确认可以清晰地判断出无人机发射前的系统状态以及还没有完成的发射前准备，缩短发射前准备时间、提高无人机的安全；飞行过程中无人机状态监控可实时地评估无人机系统状态，提高无人机作战效能；误操作记录能够记录无人机运行过程中操作手的误操作，可为无人机日常训练提供依据。

状态信息采集需在不影响无人机正常工作状态的前提条件下，通过地面控制站信号端口在线或通过无人机载测试接口离线采集反映飞机技术状态的数据或信息，在线方式主要考虑采集点的优化选取、采集信号的格式转换、采集电路的设计、采集数据的分析与预处理等。系统安全监控硬件系统结构如图4所示。其中数据采集部分包括遥测、遥控信号解调模块、帧、字、位同步模块、信号调理模块。为了隔离电路对无人机系统的影响，增加了隔离和缓存电路，避免异常情况对无人机的影响。采集电路采用信号三通结构从主站测控终端处截取四路信号：帧同步、字同步、位同步和数据流信号，以字同步信号为基准，对发送信息流和接收信息流进行处理，提取遥测、遥控信息，其他数据采集可通过振动、温度等传感器实现。系统安全监控部分实现界面如图5所示。

图4 飞行状态采集电路工作原理图

4.4 系统构架技术

表示层主要采用.NET提供的相关控件以及界面元素进行设计，其中包括无人机装备质量信息管理系统所有界面，如用户登录界面、质量信息管理界面、健康监控界面、故障预警界面以及质量信息录入界面等等。

图5 无人机系统飞行过程安全监控

业务逻辑层包含了系统业务功能的实现，是系统中最复杂也是最重要的部分。无人机装备质量信息管理系统采用了当前较为先进的Domain Model模式，采用该模式的主要原因在于该模式体现了面向对象设计思想，充分考虑了业务逻辑的复杂多变性，实现了模式的可扩展性。通过分析，无人机装备质量信息管理系统包含的领域对象众多，有武器装备、研制方、使用方等等，它们所包含的属性和行为各不相同，因此为每一种对象都要定义不同的类属性。

数据层主要定义各类相关数据表的结构，以存储所需的数据。无人机装备质量信息管理系统涉及的数据表较多，如用于存储无人机装备基本信息的UAV＿BasicInfoTable、用于存储无人机运行和维修情况的UAV＿OperMainTable、用于存储无人机质量信息表UAV＿QualityInfoTalbe等。

5 结语

目前，该系统既可实现无人机飞行数据和维修数据的采集与分析功能，也可实现装备故障预警、维护和维修的信息管理业务，对实时掌握无人机系统的状态及性能趋势，实现维修保障的提前准备与处理，具有重要的辅助决策作用。系统既可安装于单独的军用便携笔记本上，也可与主控计算机相连，与其共用同一数据库，通过解读遥测数据、传感器数据来完成状态监测和健康管理。实际应用表明，该系统能够满足无人机装备使用阶段质量信息管理需求，可作为无人机装备质量信息管理平台进行进一步推广。

［1］总装备部电子信息基础部技术基础局总装备部技术基础管理中心.GLB1686A《装备质量信息管理通用要求》实施指南［M］.2008.

［2］王森，孙德翔，常浩，等.军用飞机维修安全质量综合评估［J］.火力与指挥控制，2011，36（9）.

［3］崔鹏亮.基于QFD的质量信息管理系统研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［4］杨承山，姚旺生，王晶.基于.NET和Ajax框架的维修管理信息系统设计与实现［J］.舰船电子工程，2008，11：151－154.

［5］李俨，陈海，张清江，等.无人机系统健康状态评估方法研究［J］.系统工程与电子技术，2011，03：562－567，626.