PHM技术在军港防护拦阻系统中的应用

徐晟雨 刁景华

摘要：本文重点介绍了PHM技术对军港防护拦阻系统风险管理能提供的有利帮助。通过对PHM技术概念和功能的初步了解，分析了其在拦阻系统中应用的意义，并进一步研究了今后该如何将该技术运用到拦阻系统中去，面对的难点问题，最后还分析了该技术在拦阻系统应用上还存在的挑战。

Abstract： This paper focuses on the beneficial help of PHM technology to the risk management of the navy port protection and blocking system. Through the preliminary understanding of the concept and function of PHM technology， the significance of its application in the blocking system is analyzed， and further research on how to apply the technology to the obstruction system in the future， and the difficult problems faced. Finally， the challenges of the technology in the application of the blocking system are analyzed.

关键词：PHM技术;军港防护拦阻系统;风险管理

Key words： PHM technology;navy port protection and blocking system;risk management

中图分类号：TP212.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）34-0244-02

0  引言

PHM（Prognostics and Health Management）技术是通过在设备上安装各种传感器，通过在线监测、定期巡检和离线检测相结合的方法，通过传感技术获取设备的运行状态信息和故障信息，以达实时掌握设备健康状态的目的，同时，还可以通过建立数学模型的方法，结合实验数据，对设备进行实时监管监测，进一步评估设备本身的健康状态[1]，然后再根据监管监测结果制定设备抢修策略措施，最后实现其健康运行。

1  PHM技术在军港防护拦阻系统应用介绍

1.1 军港防护拦阻系统概念介绍

军港防护拦阻系统又称军港水域安全屏障系统（Navy Port Security Barrier System），是军港综合防御系统重要组成部分，特指在海军军港港界水域周围及防波堤口门处设置拦阻网、浮球、气囊、漂浮模块等不同类型的水面障碍，以阻止或延迟可疑船舶、不明快艇等危险物进入港区水域，从而保护军港设施及港内驻泊舰艇的安全。

1.2 PHM技术的基本功能

在拦阻系统中应用PHM技术，主要是利用其故障诊断、寿命预测和健康管理的功能。首先，利用预先布设好的传感器对拦阻系统各个拦阻单元、模块等部件的状态、性能参数进行实时采集;然后通过一系列信息处理方法对各个部位的反馈参数进行预处理;其次，完成对拦阻系統在时间和空间的特征数据提取工作，得到特征数据，同时将获取到的特征数据应用于预先建立好的拦阻系统风险模型，进行风险判断和寿命预测;最后，依据其风险判断和寿命预测结果，依据制定好的维修计划，对其故障部位进行抢修。

1.3 PHM技术在军港防护拦阻系统中应用的意义

PHM技术有持续对军港防护拦阻系统实时健康状态进行评估的能力，能实现在风险发生前对风险发生概率高的部位采取准确的应对策略[2]，在故障发生后对故障部位进行及时有效地维修，节约维修成本，减少风险发生概率，降低风险后果影响程度，是实现拦阻系统风险控制的重要手段。

利用PHM技术对拦阻系统进行风险控制具有以下重大意义：①对拦阻系统的故障发生时间和风险发生概率进行预测，从而采取合理的运行维修措施，降低拦阻系统风险隐患、保证其安全稳定运行;②通过对拦阻系统实时反馈数据的分析研究，预测其拦阻单元、浮筒等部件的使用寿命，提前做好报废更换准备，也为及时维修提供帮助;③降低聘请拦阻系统生产厂家到部队进行设备大修的成本开支，即确保了系统的正常运行，同时确保了其后期维修费用的缩减;④通过PHM技术得到的故障判定和寿命分析结果可直接用于拦阻系统的性能优化、拦阻效能提高和使用寿命的相对延长。

2  PHM技术在军港防护拦阻系统中的应用思路

2.1 研究思路

无论复杂程度多高的系统，都可以基于PHM技术的具体功能够实现不同级别、不同层次的状态诊断、预测和健康评价[3]。在军港防护拦阻系统中，根据军港水域安全防护监测的信息，结合《军港安全管理规定》要求，建立拦阻系统风险预测与健康管理系统框架。根据PHM技术设计流程和拦阻系统的功能要求，建立基于PHM技术的军港防护拦阻系统维修保障体系，包含传感器监测模块、数据采集与处理模块、风险预测模块、健康评估模块、决策维修模块。

2.2 工作流程

PHM技术在军港防护拦阻系统中的应用工作流程主要如下：数据采集、数据预处理、状态监测、故障诊断、故障预测和保障支持[4]。

第一，数据采集：通过预先布设在系统各个拦阻单元、模块等部件上的传感器和数据采设备，经过数据线的传输完成对拦阻系统数据的采集和转换，为PHM技术的实施提供数据支持。第二，数据预处理：将接收到的拦阻系统所传递的信号和数据以及其它数据处理模块的信号汇总之后进行数据的预处理，过滤和筛查掉一些无用数据信息，提前简化压缩了传感器数据以及其特征数据，并形成输出结果。第三，状态监测：对来自拦阻系统传感器、数据预处理以及其它状态监测器的数据进行监测，并将其与拦阻系统健康模式下的数据值进行比较，进一步判断其是否处在一个风险故障环境之中，并根据拦阻系统自身特点，事先确定各个环节参数指标的阈值来进行风险评估。第四，故障诊断：在对数据的处理完成之后，接下来就要对被监测的拦阻单元、模块等部件的健康状态进行评估，并记录其健康状态数据，从而评估可能发生的风险。拦阻系统健康状态监测应基于各类拦阻系统的历史数据、系统运行状态、维修数据以及实验数据等。第五，故障预测：在完成先前步骤的基础上，还要对被监测的拦阻单元、模块等部件的健康寿命进行评估预测，如拦阻单元最容易老化的位置、系统各个部件的预期使用寿命等。第六，保障支持：经过数据的接受、处理、监测、分析等步骤，确定了拦阻系统各个单元、模块等部件是否产生更换、是否进行维修活动等措施建议，确保在某部分拦阻单元风险发生之前的适宜时机采取补救措施。

2.3 实现难点

军港防护拦阻系统在我军内部还没有大批量、大范围投入使用，对于其应用本身来讲就存在一定难度，在加上国内对PHM技术在这种水域系统上的研究较少，因此，存在的实现难点也比较突出，主要表现在以下几个方面：第一，由于PHM技术对设备的监测一般是重点关键部位，而拦阻系统的各个拦阻单元、重要性较为接近，难以识别最重要拦阻单元，若是大范围安装检测装置，需要消耗较大的人财物力;第二，在拦阻系统部件上安装信号接收、信号发射、数据传输等等设备的技术还不成熟，尤其是防水技术还不能达到预期效果;第三，在恶劣气候等环境下，信号的抗干扰程度也是难以解决的重点问题。

3  軍港防护拦阻系统PHM技术研究方法

除建立模糊数学模型外，PHM技术在拦阻系统的应用还涉及到多个如人工智能等方面的科学知识，包含PHM技术所用功能以及维修决策等多项关键技[5]。

3.1 故障诊断算法

故障判断是通过建立拦阻系统风险分析数学模型，对被监测拦阻单元的实时数据、实验数据进行综合分析，从而确定拦阻系统故障位置，及时抢修，其目的是有效避免拦阻系统风险事故的发生。故障诊断技术的意义在于能够帮助操作员完成故障排除，提高故障修复效率，降低风险发生概率，减少风险发生影响效果，进一步降低个别拦阻部位的故障对整体拦阻系统的影响。

拦阻系统PHM技术的故障诊断算法模型的构建要结合其每一个组成部分的特点，要以其连接方式和工作原理为基础。根据拦阻系统在投入使用前所做的实验数据建立数据库，通过对实时数据的分析处理，及时对数据库中的数据进行更新，一旦发现某个拦阻单元或部件有数据异常，即可做出快速处理。

3.2 剩余寿命预测技术

拦阻系统的状态监测数据产生是从投入使用运行开始就持续进行的，其组成结构相对于舰艇、飞机等复杂的机械设备构成相对简单，可以从基于数据预测技术着手，通过分析拦阻系统各个拦阻单元、模块等部件的特征，对其健康状态建立数学模型，进而对拦阻系统各个拦阻单元的剩余寿命进行预测分析，进一步判断拦阻系统发生风险事件的可能性和发生风险事件后的影响程度。

3.3 维修决策

最终实现拦阻系统的健康管理是PHM技术应用于其的核心功能，目的是有效降低其在全寿命周期内的风险发生概率，减少风险发生的影响程度，即在故障诊断、预测和健康评估的基础上，综合利用各类保障资源，针对各个环节、不同部位采取针对性的维修措施，修复已发生的故障，排除可能发生的故障，真正做到拦阻系统的风险控制。要实现上述目的，必须建立相应拦阻系统维修保障策略，梳理故障排除措施，采取科学地保养方法，制定有效地维修保障规定，合理利用民码码头现有资源，协调民码各管理部门配合完成。拦阻系统维修决策的形成必须进行相关技术研究，主要解决维修任务描述不清、维修决策模型选择不当、维修方法与目标不匹配、制度建立不明确等问题。

4  PHM技术在军港防护拦阻系统的应用面临的挑战

由于军港防护拦阻系统在我军还未推广使用，对于具体的传感器布设，点位确定，以及需要一个什么样的数据都还处于未知状态，例如怎样将传感器和数据传输线等装置稳固的布设于拦阻系统内部，并且如何实现在海水环境的干扰下进行有效数据传递的功能等。随着军港防护拦阻系统在我军的逐步推广，其故障预测、健康状态以及对硬件设施的要求还存在着不小的挑战。

4.1 无线电子传感器的研制及部署

为了能够对拦阻系统进行实时、实时故障风险诊断，为其健康状态预测提供支撑，研究的重点应是在拦阻系统上部署新型集成化传感器的问题，例如拦阻单元连接处、浮筒上等最佳观测点上，尽可能少的利用有线传播数据，最终要实现无线故障信息数据传播。获取反映拦阻系统状态的参数信息一定要及时有效，其内容包括：抗冲击性、温度、湿度等参数，为实时故障诊断、状态预测提供重要的数据支持。

4.2 加强数据传递信号处理

拦阻系统布置地点大多在海域环境比较复杂、天气气候环境恶劣的军港码头，受环境因素影响会产生较大的传感误差，导致采集到实时监管监测数据失真，不能准确反映拦阻系统现实状况，给后续工作带来阻碍。因此，加强信号接收设备的抗干扰性，提高信号从发出到接收的处理技术十分必要。

4.3 监测方法的更新

目前大多军港安全设备实时故障监管监测方法还不成熟，对于新兴的军港防护拦阻系统而言，如何真正实现拦阻系统的故障实时监测，建立适合的数学模型是PHM技术在拦阻系统风险管理中应用的重难点问题。

参考文献：

[1]李文强.PHM技术在无人机中应用[C].//2014（第五届）中国无人机大会论文集.2014.

[2]李雪昆.故障预测与健康管理技术在地铁列车上的应用[J].城市轨道交通研究，2018.

[3]胡端，祝剑，杨杰.潜艇故障预测与健康管理体系结构及关键技术研究[J].武汉大学学报（工学版），2018（11）.

[4]刘志，李磊.美国故障预测和健康管理技术的军品应用与发展研究[J].飞航导弹，2016（9）：90-94.

[5]戴恒毅，刘智勇，戴小文.PHM系统对美军航母舰载机装备技术保障的影响[J].//2018（6）：6-8.

[6]赵鉴，梁志君.从F-35项目来看PHM的应用与效益[J].价值工程，2012，31（06）：298.