无人水下航行器故障预测与健康管理框架研究

2020-08-29叶枫桦于宪龙

数字海洋与水下攻防 2020年4期

曹飞，叶枫桦，于宪龙

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

和陆上装备不同，无人水下航行器所处的环境因素较多且复杂，对装备内部机、电、液等零部件的服役性能和可靠性是一个重要挑战。无人水下航行器组部件所遇环境主要分为壳体、螺旋桨、舱体等直接与海水相结合的部分，以及内部组部件所遇的振动、温度、电气等舱室环境。在任务剖面期间，海洋环境复杂、温度变化大、盐度高、海流浪涌频繁、微生物种类多等特点，造成装备服役过程中受环境干扰程度大。我国现役和在研的无人水下航行器在复杂海洋环境下普遍存在可靠性、维修性、保障性差，维修、保障成本高等问题。从我国现役的水下无人装备维修情况来看，以定期维护和预防性维修为主，在维修保障方面投入了大量的人力、物力和财力。故障预测与健康管理（PHM）技术可对无人水下航行器装备关键部件的状态进行监测，通过智能算法对故障进行诊断和预测，将原来以事件为主导的维修（即事后维修）或事件相关的维修（即定时维修）转化为基于状态的维修（即视情维修）[1]。通过水下无人装备的故障预测与健康管理技术的研究，可有效地提高水下无人装备的任务可靠性、维修性和保障性。

1 无人水下航行器结构

无人水下航行器由舱体分系统、浮力自适应分系统、舱体分系统、电源分系统等7个分系统组成，是一个机、电、液耦合的复杂系统[2]。主要分系统及其功能是：

1）推进分系统。该系统主要包括推进电机、泵喷推进器、电机控制器、隔振系统、舵机、舵等关键组部件。其主要功能是实现无人水下航行器的航行动力和航行姿态控制。

2）浮力自适应分系统。该系统主要包括外部进出水口、泵、电机控制器、电磁阀、水舱进出水口、液位传感器等关键组部件。其主要功能是通过电机驱动泵对水舱进行抽水、注水操作，实现水舱浮力的调节，进而调节整个平台的航行深度。

3）舱体分系统。该系统主要包括耐压舱壳、舱门、舯段舱体等。舯段舱体、舱门、液压机构、液压驱动电机组合完成不同动作，在投掷荷载时舱门在动态流体力下实现开启、投掷荷载、关闭。

4）电源分系统。该系统主要包括电池组、电源管理器、电源分配器等，主要实现为无人水下航行器提供电力能源。

2 机载PHM框架结构

无人水下航行器故障预测与健康管理系统，在物理结构上采用层次化结构和分布式机制，分为机载和岸基2大部分，如图1所示。逻辑上采用分层智能推理结构，主要分为设备级 PHM、分系统级PHM、系统级PHM三级管理[3]，各层次之间采用独立的、标准的软/硬件接口形式。针对不同功能的分系统，设计专门的分系统管理器，各层数据融合统一在无人水下航行器管理器中进行分析，实现系统级PHM、分系统级PHM、设备级PHM 3个层次的集成。设备级PHM通过对传感器、BIT采集到的关键组部件异常状态信息的分析，进行无人水下航行器的运行状态初步评估；分系统级PHM将设备级上报信息汇总，确定故障位置，进行故障诊断，实现分系统级状态评估，降低故障虚警率；系统级 PHM 为中央控制单元的主要模块，实现对无人水下航行器的整体性状态评估，预测故障发生时间、趋势和严重程度，同时向岸基发送航行体状态评估信息，实现PHM模型库、知识库的修正更新。

图1 无人水下航行器机载PHM系统体系结构Fig. 1 Architecture of unmanned underwater vehicle onboard PHM system

无人水下航行器各级PHM主要由可扩展的三推理机单元和综合推理管理器组成[4]，如图2所示。3种分离的推理机分别是异常检测推理机（AR）、故障诊断推理机（DR）、故障预测推理机（PR）。

图2 PHM管理器结构Fig. 2 PHM manager structure

异常检测推理机主要对无人水下航行器运行过程中的异常行为进行分类。无人水下航行器结构复杂，各组部件之间的耦合程度高，同时在服役期的干扰因素较多，采集的异常状态数据可能会存在有虚警的情况。通过异常检测推理机对异常状态进行分析，降低虚警率，提高后续故障诊断的准确率。

故障诊断推理机主要用于故障定位和失效的诊断，通过记录来自无人水下航行器系统各层级的各种不同的诊断输入，依据内置的训练好的故障诊断模型，确定故障类别和故障位置。

故障预测推理机主要依靠来自无人水下航行器各层级的所有预测输入来预测分析各组部件的剩余寿命。其原理是依据各组部件的额定寿命曲线，根据分析得到的组部件在寿命曲线上的位置，推理分析继续执行任务时的剩余使用寿命。

综合推理管理器位于系统级PHM管理器中，能有效管理异常、诊断和预测信息，利用来自所有推理机的输入来最佳地表征系统的状态，确定故障发生的先后顺序，推荐必要的维修措施，并将结果通过通信系统上传给岸基数据管理系统。

3 岸基数据管理系统结构

岸基数据管理系统是水下无人航行器故障预测与健康管理系统的数据综合分析层，主要有数据和知识管理单元、PHM单元、接口单元这3个单元[5-6]。其中数据和知识管理单元主要包含知识库、数据库、模型库3个方面的内容，主要有各类故障、故障字典、诊断案例、设计数据、故障库等内容，完成对水下无人航行器的数据、模型、资源和维修保障等信息的有效管理；PHM 单元主要包含故障分析推理算法、数据挖掘、维修决策等算法内容，实现关键组部件的故障预测、全寿命周期管理；接口单元分为人机接口和通信接口2部分，人机接口为提供人机交互的可视化终端和指导维修保障的便携式维修辅助终端，通信接口提供机载、岸基系统数据通信的接口，下载、接收所有在役航行器的状态数据、诊断数据，如图3所示。

图3 岸基数据管理系统结构Fig. 3 Architecture of shore-based PHM system

4 无人水下航行器PHM关键技术研究

无人水下航行器工作条件恶劣，各分系统之间的耦合程度高，航行器的故障会呈现出多层次性，而无人水下航行器PHM技术的核心在于算法的高效性与准确性。进行无人水下航行器PHM关键技术研究，可降低故障检测的虚警率，提高故障诊断与故障预测的准确率[7]。无人水下航行器关键技术主要有以下5点：

1）失效模式与故障机理分析。根据水下无人航行器运行状态与工作环境的特点，从组部件级进行故障模式和故障机理分析，并根据分析结果进行传感器布局的分析与改进，提高状态监测数据利用率。

2）特征提取技术。选用适合于无人水下航行器状态信号处理与特征提取的方法，是进行故障诊断与故障预测的基础，直接关系到故障诊断的准确性和故障预测的可靠性。通过时域、频域、小波变换等分析方法，提取航行器实时运行状态的特征向量。

3）异常检测技术。无人水下航行器服役期的任务剖面内受到干扰因素较多，导致状态监测的虚警率偏高。通过异常检测技术，对状态数据进行分析，剔除虚警情况，是提高故障诊断准确率的有效手段。

4）故障诊断技术。航行器的各分系统之间出现故障耦合频发状况，故障定位难度大。选用合适的故障诊断算法技术是提高故障诊断与故障定位准确率的有效手段。

5）故障预测技术。无人水下航行器关键组部件的使用寿命直接关系到设备本身的使用寿命和任务完成情况。通过对组部件进行故障预测，分析零部件未来出现故障的时间和先后顺序，可减少装备的突发性故障，延长装备的使用寿命，提高任务完成的可靠性。

5 无人水下航行器PHM数据流结构设计

无人水下航行器PHM系统，是一种软件密集型系统。机载PHM单元结构依次分为3层，即设备级PHM管理器、分系统级PHM管理器、系统级PHM管理器，如图4所示。每层PHM管理器由异常检测推理机、故障诊断推理机、故障预测推理机、推理管理系统组成，各推理机主要由支持向量机（SVM）、支持向量数据描述（SVDD）、神经网络等算法模型组成。由于系统级PHM管理器需要对无人水下航行器运行状态评估分析，内部装载有数据库，存储故障模型、历史数据等[8-10]。设备级PHM管理器安装从监测组部件状态的传感器获取设备状态信息并进行处理，第一时间检测和诊断关键组部件的状态，确认、定位故障，实现故障预警。分系统PHM管理器对设备级PHM管理器上报的数据进行故障诊断推理分析，并在信息综合处理后，将结论向系统级PHM管理器上报。系统级PHM 管理器对所有分系统级 PHM 管理器上报的数据进行推理分析，形成决策和维护信息，通过数据接口传输给岸基PHM单元，经过岸基数据管理系统分析处理后，制定并向维护人员提供相应的运行计划、维修策略，实现无人水下航行器的预防性维修。

图4 无人水下航行器PHM系统数据流向Fig. 4 Data flow of unmanned underwater vehicle PHM system

6 无人水下航行器PHM总体集成技术

无人水下航行器PHM总体集成技术主要论述了PHM在无人水下航行器中的实施方案。通过模块化设计，将3级PHM智能算法分别固化到嵌入式电路板上，减少对空间的占用和能源的损耗[11]。在设备级PHM、分系统级PHM模块主要采用支持向量机（SVM）、灰色关联分析算法，对异常数据检测分析，实现典型组部件的异常检测、故障诊断、故障预测，降低故障检测虚警率。故障综合推理管理模块中包含系统级PHM算法单元、数据库以及与岸基通信的接口单元。系统级PHM算法单元采用神经网络算法，对各分系统上报的数据进行处理分析，同时通过和数据库中的故障诊断模型进行对比分析，进行故障诊断、故障预测，定位将会发生故障的位置，并在故障前及时向岸基工作人员预警，实现无人水下航行器的预防性维修保障。

岸基数据管理系统主要实现对执行不同任务的多类无人水下航行器进行整体性状态评估和全寿命周期的管理功能，包含数据接口单元、数据和知识管理单元、人机接口单元。岸基数据管理系统通过数据接口单元接收无人水下航行器上报的信息，传递给数据和知识管理单元进行分析处理，最后在人机接口单元完成人机交互，工程人员依据岸基数据管理系统提供的维修保障策略对设备进行精准维修。