基于故障预测的舰船电子装备综合诊断问题研究∗

郗海龙 庄佳平 逄格新

（1.92020部队 青岛 266011）（2.海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）（3.91999部队 青岛 266000）

1 引言

20世纪七八十年代，电子系统设备的维修保障出现了很多问题，例如：装备可测试性不佳、维修周期长、备品备件管理冗余和保障经费昂贵等。为了有效解决相关问题，美国提出了综合诊断这一概念，并在之后的30多年内美军方将相关技术和理论较好的在装备保障中加以推广应用，使得综合保障的体系结构得到进一步完善[1～5]。

综合诊断是指综合考量装备的可测试性、预先诊断、安全与故障预估、维修手段、装备信息、维修人员和其他保障等要素，从而促使装备保障能力达到最优化的过程[6]。综合诊断的最终目的是依据装备的需求，合理整合装备“五性”之间的关系，从装备的需求论证、定型设计、具体使用和维护保障各个环节适当融入综合诊断的要素，以期达到良好的诊断效果，实现装备的可用性良好和保障经费降低。综合诊断技术的出现及后续的逐步完善，是装备发展和技术手段进步阶段的必然产物，对于提高装备作战效能和生存能力意义重大。本文研究方向是基于故障预测的舰船电子装备综合诊断，主要是通过汇总电子装备的相关数据信息[7]，并对这些信息采取融合和估算的方法来判断电子装备的健康情况，从而实现故障的预估和后续的修理。

2 电子装备的故障预测

2.1 故障预测方案

基于故障预测的电子装备故障预测方案设计思路如下：利用多渠道的传感设备对装备系统的可用参数进行采集，采集后进行相关信号的预先处理，如滤波、降噪、设定阈值和特征提取等。预处理后的信号提供给健康分析模块进行故障分析，若分析结果达到故障阈值则进行模块级的故障诊断。诊断过程中若对时效性要求高则采用推理诊断手段；若对准确度要求高则采用松弛诊断手段，来更好的查找出可能故障的模块。然后采用数据库比对匹配等手段对于元器件级开展故障诊断，识别出故障元器件。对诊断出的故障模块或元器件进行更换或修复后，再按照诊断方案进行再次测试。

图1 基于故障预测的电子装备故障预测方案

从图1可知，基于故障预测的电子装备故障预测方案主要包括：

1）对测试的电子装备，通过测试信号的预先处理及故障分析来判断电子装备是否存在故障，从而提供给系统作为维修或不维修的判断依据。

2）在对测试信号预先处理和故障分析的基础上，如果选择不维修，则回到状态监测环节，继续监测测试电子装备的状态；监测的同时有机结合过往数据来判断系统什么时候会出现故障。

3）在对测试信号预先处理和故障分析的基础上，如果选择维修，就需要从预处理的数据中判断系统为复杂系统还是简单系统，再按照不同系统的处理流程分别采用模块级诊断或者元器件级诊断。

2.2 故障预测架构

在以往装备维修中一般采取计划修理和故障修理两种。计划修理是指按照预先计划定期开展的修理工作，例如舰船的小修或中修修理计划，这种模式存在着在计划修理期间有的装备还未故障，但因计划的开展而不得不进行维修。故障修理是指在装备明确发生故障后开展的修理工作，例如舰船的临抢修，这种模式有可能会产生因前期小隐患不注意而导致“带病工作”产生大故障的情况[8～11]。

因此我们可以设想一种新的修理模式为适时修理。这是指对通过及时获取电子装备的监测数据，然后将相关数据进行预处理并加以分析判断，来评估电子装备的良好性，通过预测结果判断出潜在的故障，以便于开展早期维修。其基本架构如图2所示。

图2 故障预测框架

从图2可知，故障预测架构的基本流程是先采集电子装备的激励信号；并将采集的信号进行特征提取；提取后通过转换处理来观察电子装备的相关性能是否出现退化现象，若出现退化现象则为触发故障指示；再将故障指示数据通过预设的时效阈值进行判断；超出阈值则需要采取适时修理，未超出阈值则可暂不采取修理手段。

3 舰船电子装备的综合诊断方案

3.1 综合诊断需求分析

目前大部分舰船电子装备都属于复杂系统，存在着系统庞大、结构复杂、功能多样的特点，所以一旦出现故障很难准确判断出具体故障情况。另外由于复杂系统中单元关联性强，当发生某一故障时很难像简单系统那样快速定位并排除故障。对于复杂系统来说发生故障时，对于故障的描述或者特征模型表述也较难实现，因此对于综合诊断的需求也就应运而生。

3.2 综合诊断架构方案

根据需求分析，设计的综合诊断的方案如图3所示。其大致流程如下。

对于故障电子装备首先通过监测采集相关数据，而后对采集数据进行预处理，预处理后的信号发送给虚警模块进行预测信号是否超容；对于超容信号则进行综合诊断推理，推理过程中有机融合多信号模型、系统虚警处理和诊断推理的相关模型、算法和方法；而后可较准确地将故障定位到相应的系统或子系统上；再通过补充诊断的辅助，实现准确定位故障的功能。

在整个综合诊断方案中，还应建立故障信息数据库。通过以往诊断数据的积累能够较好地实现新故障诊断过程中的数据比对和故障预测。除此之外与诊断系统相关的其他模型、算法、手段信息可也存放于数据库中，更加便于人员学习和使用。

图3 舰船电子装备综合诊断方案

4 结语

舰船电子装备综合诊断是在全面掌握装备状态信息的基础上，准确分析信息数据，预估相关装备可能发生故障的系统或模块，从而及时采取维修手段使故障在初发阶段就被排除。这一技术在保障装备良好的可用性的同时还能大幅降低维修经费的使用，在我未来舰船电子装备维修保障中必将发挥巨大的作用。本文以基于故障预测技术的综合保障手段入手，架构了电子装备故障预测方案和综合诊断方案，对该技术后续的深入应用和研究具有一定的指导意义。后续对于在线故障的综合诊断方法将进一步开展深入研究。