装甲车辆PHM系统性能度量指标体系构建

翟梅杰， 丛 华， 冯辅周， 吴守军， 柳东方

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2.装甲兵工程学院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部队， 辽宁 辽阳 111200)

装甲车辆PHM系统性能度量指标体系构建

翟梅杰1， 丛 华2， 冯辅周1， 吴守军1， 柳东方3

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072； 2.装甲兵工程学院科研部， 北京 100072； 3. 65183 部队， 辽宁 辽阳 111200)

针对装甲车辆故障预测与健康管理(Prognostics Health Management，PHM)系统缺乏科学合理的性能度量指标体系的问题，通过分析和借鉴其他领域指标体系的构建思路和构建原则，并结合PHM系统性能度量指标体系的发展历程和装甲车辆自身特点，从装甲车辆各组成部分的角度出发，构建了一套装甲车辆PHM系统性能度量指标体系，用于验证和评估装甲车辆PHM系统的性能，为装甲车辆PHM系统的设计与研发提供指导。

装甲车辆； PHM系统； 性能度量； 指标体系

随着故障诊断、特征提取和信息融合等技术的快速发展，装甲车辆关键系统的技术集成度和复杂度越来越高，作战和训练过程的在线维修保障问题日益突出[1]。故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技术的提出转变了传统的维修模式，使基于状态的视情维修成为可能[2]。目前，国内外对PHM系统性能度量已展开了广泛讨论和研究。如：景博等[3]从用户和功能的角度构建了性能度量指标体系；苗学问等[4]从基本功能和能力需求的角度对军用飞机PHM进行了讨论，提出了PHM系统性能度量方法体系，为PHM系统算法设计、改进及系统能力验证奠定了基础；尉询楷等[5]根据军方健康管理用户的要求，从健康管理诊断和预测的技术实现角度出发，分析了军方不同用户的要求与诊断、预测指标体系之间的映射关系，建立了相应的诊断和预测指标体系；VACHTSEVANOS等[6]从PHM系统组成的角度进行探讨，提出了一套关于诊断和预测算法的评价指标；LEAO等[7]从性能指标与PHM系统需求、设计和费效比之间的关系入手，建立了新的预测指标体系；SAXENA等[8]根据应用场合的不同，对故障预测性能评估指标进行了新的分类。

然而，在新型装甲车辆的研制过程中，对PHM系统的研究尚处于探索阶段。因此，亟需一套科学合理的装甲车辆PHM系统性能度量指标体系，为军方设计、研制装甲车辆PHM系统提供参考，同时为装甲车辆PHM系统性能评估奠定基础。基于此，笔者通过分析和借鉴上述指标体系的构建思路，结合不同领域相关指标的构建原则和PHM系统在装甲车辆上应用的特点，从装甲车辆PHM系统各组成部分的角度出发，提出了一套全新的装甲车辆PHM系统性能度量指标体系。

1 PHM系统构成

图1为装甲车辆PHM系统示意图，其主要由车载终端、通信设备和地面服务器3部分构成。其中：车载终端配备在装甲车辆上，用于车辆状态的监控并记录关键部件故障信息；通信设备将采集的数据和位置信息传送到地面服务器；地面服务器基于历史数据和智能模型对车辆状态进行诊断和预测，并将装甲车队的信息进行统计分析，得到其性能状态、健康趋势和寿命预测等信息，做出辅助维修保障决策，用于协调车辆管理站、维修站和器材库开展维修保障活动[9]。总之，车载终端采集的数据是地面服务器进一步诊断和预测的基础，通信设备是数据的搬运工，地面服务器则是数据处理和应用的终端。

图1 装甲车辆PHM系统示意图

2 PHM系统性能度量指标

根据装甲车辆PHM系统构成，其性能度量指标可分为总体性能度量指标、车载终端度量指标、通信设备度量指标和地面服务器度量指标4个方面。

2.1 总体性能度量指标

借鉴国内外其他领域相关指标研究成果，笔者提出了适用于装甲车辆PHM系统的总体性能度量指标，共分为可用性和用户需求2类度量指标，如表1所示。

表1 总体性能度量指标

2.1.1 可用性度量指标

根据GB/T3187—1994[10]对可用性的定义可知：在要求的外部资源得到保障的前提下，产品在规定条件下和规定时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力，是产品可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。因此，将可用性度量指标分为可靠性、维修性和保障性3类。

1)可靠性。根据GB3187—1994[10]可知：可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。装甲车辆PHM系统的可靠性是指在一定时间内无故障地执行预定功能的能力，其度量指标包括平均故障前时间、平均故障间隔时间和平均故障率等。

2)维修性。维修性是指产品在规定条件下和规定时间内，按照规定程序方法进行维修时保持或恢复规定状态的能力。维修性度量指标包括平均修复时间、最大修复时间、平均预防维修时间和平均维修时间等。维修过程中还会出现系统或单元故障不能复现和重试合格的现象，增加不必要的维修工作量和维修成本，因此故障不能复现率和重试合格率也为维修性度量指标。

3)保障性。保障性是装甲车辆的设计特性和计划保障资源能够满足平时战备完好性及战时使用要求的能力，包括维修方案的制定、训练和战时使用与保障所需人员配置、初始和补充供应保障等要素，是保持战斗力的关键[11-13]。

2.1.2 用户需求度量指标

要开发出满足军事需求的PHM系统，必须掌握各部门用户的详细需求。从总体角度考虑，PHM系统失效率、人员/设备使用效率和智能化程度等是用户共同的关注点，在实际应用中又会因用户不同而导致需求不同。装甲车辆PHM系统的用户涵盖范围比较广，包括指挥人员、使用分队、管理人员和维修保障人员等。

作战指挥部将制定的作战计划下达给装备处和使用分队；装备处根据下达的任务动用装备，这要求装甲车辆PHM系统能够提供车辆目前状态的评估结果；使用分队根据下达的任务派遣人员，其要求装甲车辆PHM系统能够提供人员的在位情况、装备使用熟练程度等相关信息。因此，装甲车辆PHM系统应具备对车辆状态进行评估的能力，并通过对评估信息、人员能力进行综合排序来帮助管理人员筛选出适合执行任务的装备和人员。

在战场或者训练场上，指挥人员要实时掌握装甲车辆的运行状态和位置信息，便于统筹全局，做出合理部署；装甲车辆乘员则要随时了解装备的使用、运行情况和故障信息，对装甲车辆PHM系统的实时性、虚警率和预警时间提出要求[9]。

维修保障人员期望最小化重复修理，明确故障位置和模式，降低周期性检查频率，减小维修工作量及缩短故障修复时间，使装备以最快的速度恢复战斗状态；同时，还希望能够了解部件的寿命、准确的更换时间，可最小化库存、降低维修过剩或避免维修不足。

2.2 车载终端度量指标

车载终端安装在装甲车辆上，设备的尺寸以及环境适应性等一般性能影响着系统的应用与推广；车载终端的主要功能是对装甲车辆的健康状态进行实时监控、检测故障并预警，因此对车载终端的测试性能提出了要求。车载终端性能度量指标划分为一般性能和测试性能2类度量指标，如表2所示。

2.2.1 一般性能度量指标

一般性能度量指标根据对象不同而存在较大差异。据不完全统计，装甲车辆的一般性能度量指标有30多种，参照其他领域的指标构建原则，选定出一般性能度量指标，具体如下：

1)重量、尺寸。由于车载终端安装在装甲车辆上，基于机动性的考虑，装甲车辆底盘总的承重有限，因此每个结构的重量要严格控制在一定范围之内；此外，车载终端的尺寸也要符合车内安装空间，便于检测和维修，在不影响性能、维修和寿命的情况下，车载终端要尽可能体积小、重量轻。

表2 车载终端度量指标

2)功耗。车载终端用功耗来表征单位时间消耗的能源量，功耗过大不但会严重消耗装甲车辆的储存能源，还会加速设备本身的损坏和老化。

3)环境适应性。装甲车辆的工作环境复杂多变，一般环境中的温/湿度、气压、辐射、振动和冲击等，以及特殊环境下的沙尘、盐雾、噪声和爆炸性大气等，都会对车载终端的结构、性能和寿命产生影响，使其设备可靠性降低、维修工作量加大。

2.2.2 测试性能度量指标

测试模块是系统及时准确地检测出装甲车辆状态并隔离其内部故障的重要工具。测试性能度量指标的种类较多[14-16]，其中应用最广泛的有故障检测率、故障隔离率和虚警率等。其他指标主要从测试的可靠性、维修性和测试费用等方面考虑，已包含在总体性能度量指标中，此处不予考虑。

1)故障检测率(λFRD)。它是指正确检测到的故障数ND与被测单元发生的故障总数NT之比，可表示为

(1)

2)故障检测时间。故障分为偶然故障和耗损故障2种。偶然故障检测时间是指从故障发生到给出故障指示所经历的时间，也可称为故障潜伏时间；耗损故障检测时间是指从开始检测出故障征兆到给出故障指示所经历的时间。

3)故障隔离率(λFIR)。它可用正确隔离到单(多)个部件或模块的故障数NL与正确检测到的故障数ND之比表示，即

(2)

4)虚警率(λFAR)。它可用发生的虚警次数NFA与故障报警总次数N之比表示，即

(3)

2.3 通信设备度量指标

通信设备是连接车载和地面的桥梁，安全快速的通信是PHM系统的根本保障。通信方式主要采用的是无线传输，单个无线传输模块的通信距离有限，可根据作战或训练规模的大小、地形情况和任务范围建设一定数量的固定基站，并灵活布置一些移动基站以延伸通信的有效距离。在数据传输过程中，数据传输能力、可靠性和安全性是关注的焦点，其中：数据传输能力主要考虑数据的传输速率、传输数量和传输时间，用频带利用率和通信时延来度量；可靠性是指数据正确完整送达的能力，用误码率度量；安全性是指在人为或自然因素破坏下，数据不被窃取或篡改的能力，用安全性和抗干扰性度量。无线传输模块采用随机接入的方式将数据传送到基站，再传送到地面服务器，基站作为中转枢纽，需要考虑其容量[17-19]。通信设备性能度量指标如表3所示。

表3 通信设备度量指标

1)频带利用率(Nb)。它用来描述数据传输速率Rb(即每秒钟通过信道传输的数据量)和信道传输带宽B(即单位时间内可传输的数据位数)之间的关系[3]，可表示为

(4)

2)误码率(λECR)。它是指数据传输过程中出现错误代码的概率，即错误代码数NEC和总代码数NC之比，用于表征数据传输的可靠性，可表示为

(5)

3)基站容量。基站是数据通信的交换中心，不仅传送车载终端的数据，还可作为中转站转接其他基站的数据。每个基站允许并行接入的数据量是有限的，当传入的数据量超过基站容量时，部分数据将无法传送，可能会导致数据丢失或延误，因此要尽可能保证基站有足够大的容量。此外，当突然出现数据量过大的情况时，基站应具备根据数据的重要程度优先传送关键数据的能力。

2.4 地面服务器度量指标

地面服务器是对车载终端的细化和深入。当大量数据传回地面服务器后，地面服务器不仅要对单个车辆的故障做进一步的诊断和预测，将整个车队的数据进行整合后统计分析车队的状态趋势、故障原因，作出维修决策和紧急处理方案等；还要更新数据库，修正诊断和预测模型。地面服务器度量指标可划分为诊断性能、预测性能和数据库3类度量指标，如表4所示。

表4 地面服务器度量指标

2.4.1 诊断性能度量指标

诊断模块根据历史数据、专家系统和故障诊断模型，不仅要确定出单个装甲车辆的故障位置、故障原因和故障模式，缩短故障诊断隔离时间，提高维修效率，还要对整个装甲车队进行统计分析，寻找共性问题。

1) 准确性。在正确隔离出可更换部件或模块的前提下，隔离到的部件或模块数越小、位置越精确，则故障模式越准确，这样维修人员才能根据诊断结果合理配备人员、设备，快速排除故障。

2) 正确率。认知诊断模型在进行计量学特征比较后，提出了诊断正确率指标。早期发现和诊断是故障能否得到及时维护的前提，正确的诊断是制定合理有效维修方案的依据。

3) 诊断模型种类。诊断模块涵盖的诊断模型种类越多，涵盖的故障原因、故障机理以及故障模式越多，越能做出准确的判断，诊断能力越强。

2.4.2 预测性能度量指标

预测性是装甲车辆PHM系统的主要功能模块，预测模型依据装甲车辆状态信息、诊断结果，再结合故障历史数据和专家经验，对部件或装甲车辆未来发展趋势和失效时间进行预测，提前制定出预测性维修计划[20-21]。

1) 准确性和精确性。针对部件寿命预测，准确性主要指预测失效时间与实际失效时间的接近程度，精确性则是指预测模型给出的寿命失效趋势与实际失效趋势的偏差程度。

2) 故障预测率(λFPR)和预测覆盖度(λPCR)。前者表征预测到的故障数比率，后者表征预测模式数的覆盖比率，计算公式分别为

(6)

(7)

式中：NP为正确预测到的故障数；NAP为可能预测到的故障总数；NPM为正确预测到的故障模式数；NM为可能预测到的故障模式总数。

3) 预测模型种类。故障发展的过程中既存在确定性趋势，也存在随机性趋势，准确可靠地预测机械故障需要多种预测模型或多种模型结合的综合模型。这样，模块包含的模型种类越多，越能充分利用信息，因地制宜，获得高精度的预测结果。

2.4.3 数据库度量指标

数据库记录着整个装甲车队的状态、故障和维修信息等，还包括专家经验组成的专家系统，以及根据历史数据建立的诊断模型、预测模型、评估模型和维修决策模型等[22]。地面服务器要处理大量传入的数据，这就要求数据库具有强大的数据吞吐能力和数据处理能力；对数据进行存储的同时还要避免数据库无限增长，这就要求数据库具备自我更新、自我完善的能力；要防止数据信息泄露和信息孤岛现象等问题的出现，在资源共享的同时还要求数据库具备安全保密的能力。

1)错误数据捕获率(λCER)。错误数据可能来源于从传感器到地面服务器的任意一个位置，如：通信误码、人工手动输入错误和数据下载错误等。地面服务器在把数据存入数据库之前应当对数据进行验证，并将检测到的错误数据反馈给用户，使用时也应当包含适当的告警信息。λCER用捕获的错误数据数量NCE占错误数据总量NE的比率来表征，即

(8)

2) 自我更新能力。数据库系统首先应具有记忆和思维能力，能够对传入的信息进行存储、分析、计算、比较和判断，从而修复完善自身模型、更新数据库。但随着新数据的录入，数据总量增加，存储便成为首要问题。而旧数据的参考价值也会随着新数据的传入而降低，在不影响数据价值的情况下，需要选择性舍弃旧数据，常见的方法有稀疏法。

2.5 PHM系统性能度量指标体系

通过上述分析，笔者构建出装甲车辆PHM系统性能度量指标体系，如图2所示。指标之间的关系可通过以下过程体现：装甲车辆某个部件产生故障征兆时，PHM系统应当以较低的虚警率、较高的故障检测率和故障隔离率迅速诊断出故障，以缩短故障检测时间和故障隔离时间，并将检测的状态信息经通信设备及时传回地面服务器。传输过程要求通信设备应具有低误码率、强抗干扰性和高安全性，避免信息传输过程中出错或被窃；地面服务器应具备较高的诊断准确性和预测准确性，以缩短故障识别时间，避免二次损伤，合理调配维修资源，并提高维修效率和延长周期性检查周期。

图2 装甲车辆PHM系统性能度量指标体系

3 结论

借鉴不同领域的相关指标以及PHM系统性能度量指标的发展历程，从装甲车辆PHM系统组成的角度对PHM系统的性能度量进行了探讨，提出了总体性能度量指标、车载终端度量指标、通信设备度量指标以及地面服务器度量指标共55个度量指标，并构建出装甲车辆PHM系统性能度量指标体系，根据该体系设计、研制装甲车辆PHM系统可满足军方的设计总要求，同时也为下一步的指标筛选和系统性能评估奠定了基础。

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(责任编辑: 尚菲菲)

Construction of Performance Measurement Index System for Armored Vehicle PHM System

ZHAI Mei-jie1， CONG Hua2， FENG Fu-zhou1， WU Shou-jun1, LIU Dong-fang3

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2. Department of Science Research, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China； 3. Troop No.65183 of PLA, Liaoyang 111200, China)

Aiming at the lack of scientific and reasonable performance measurement index system for armored vehicle Prognostics and Health Management (PHM) system, by analyzing and drawing on the idea and principles of construction in other areas of the index system, and combined with the development process of PHM system performance measurement system and its own characteristics, a performance measurement index system of armored vehicle PHM system is constructed from the perspective of the components of armored vehicles. It can be used to verify and evaluate the performance of armored vehicle PHM system, which is instructive for the design and development of armored vehicle PHM system.

armored vehicle; PHM system; performance measurement; index system

1672-1497(2017)02-0053-07

2017-01-04

军队科研计划项目

翟梅杰(1993-)，女，硕士研究生。

TP277； TJ811

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.02.012