导弹健康状态评估技术研究和应用现状综述

刘月，刘铁林，孙宏伟，罗元元，高健

（1.陆军工程大学石家庄校区；2.中国人民解放军93786部队，河北 张家口 075000；3.中国人民解放军32683部队，辽宁 沈阳 150003）

导弹武器系统是由导弹、发射平台和技术保障设备组成的战役级武器装备，具有射程远、速度快、精度高、威力大等突出优势。随着科技的发展，导弹武器装备的技术水平得到了很大的提高，功能不断扩展，规模日益扩大。尤其在近几次局部战争中，导弹武器系统的参战数量、种类和优势呈迅速增长的态势，其在斩首行动、空中拦截、要害防御等任务的过程中发挥了重要作用，对战争行动的影响越来越大。本文的研究对象是导弹本身。健康评估是PHM(Prognostics and Health Management)的一项关键技术，它的原理是利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，从中提取武器装备的健康特征，利用算法或者模型等进行融合处理，将高维特征向量转换为单个健康指数（健康状态、健康置信度CV等），最终可以实现对装备健康状态的评价和分级。目前部队对导弹的健康状态评估仍处于“定期检测、专家打分”的阶段。未来导弹部队必须具有迅速发射大批量导弹并且精确打击的能力，对于大批量导弹的测试数据结果，工作量大，评估时间长，可靠度低，具备较高的偶然性，不利于对导弹进行精准的评估。导弹健康状态评估主要是结合导弹测试任务下采集的多型号、多产品、多批次、多单机的实际试验数据，从参数、核心单机、整弹三个层次对导弹健康状态进行多层次评估。本文在分析国内外导弹健康状态评估项目的基础上对近几年的相关研究工作进行了总结，分析了导弹健康状态评估的研究现状，并对未来发展趋势进行了探讨，以便为后续的研究提供一些参考。

1 导弹健康状态评估需求

面向未来战场复杂严酷环境，为着眼应对导弹武器系统新质作战能力及快速精确打击能力发展威胁，亟需发展绝对安全、威慑有力、反击可靠的新一代导弹平台。为了提高导弹全寿命周期武器装备故障及健康状态的精确认知与管理能力，降低保障资源的依赖，进而提升导弹全寿命使用效能，亟需在导弹设计、研制及服役使用过程中，全面开展导弹健康状态认知与管理能力建设，从而提升其在复杂战场环境中的生存能力和作战效能，确保新一代导弹武器平台具备强适应、强突破、高生存和高可靠等能力特征。导弹健康状态评估的主要影响因素有以下几点：

（1）导弹种类各异、状态参数多。根据担负的作战任务和职能，部队配发远、中、近程，地空、地地、空空等不同种类、不同型号、不同用途的导弹。导弹装备是多个单机子系统构成、包含大量质量信息的复杂系统。部队实际使用过程中，从底层技术参数至单机、分系统，直至整弹系统的众多状态参数都是导弹发射的重要依据。现有的导弹测试设备有的显示测试数据是否在正常范围内，有的只输出“合格”或者“不合格”的结果。若同批导弹都有相近的测试参数且都在正常范围内，或者都显示合格，便很难评价这批导弹的优劣。

（2）结构层次复杂，系统综合性强，导弹是一个结构高度复杂、功能高度完善、自动化性能高度集中的多层次结构武器系统，各组成部分相互联系又彼此相互影响，结构、系统的故障模式和失效机理复杂，难以构建准确的模型，且无法借鉴飞机的退化模式。导弹的设备和系统是按照递进式分布的，单机子系统构成了它的各类功能，各个单机系统是并行的，各单元、各单机子系统组成了整弹系统，它们之间又存在不同的关联性。导弹性能状态退化通常是由低层次单元产生，并逐渐引起高层次或同层次单元性能状态发生退化，最终导致整弹系统的性能状态退化，该特点为整弹评估提供了一种重要的思路。

（3）导弹寿命周期长，状态数据难把握。导弹装备往往批量列装，整个寿命周期中，在生产出厂、转运、储存、定期检查、维修保养等诸多监测环节中，积累了大量的历史测试数据，主要包括历史测试数据、当前测试数据、人工测试数据及传感器测试数据等，其特点是“总体数据量大、单个参数有限、变化规律各异”，无法用相同的数学模型来描述不同参数的变化趋势。最典型的控制系统，如惯组、平台，测试参数多、测试次数频繁，具有海量测试数据，而安全机构与火工品二者整体上表现为数据很少，甚至没有。

2 导弹健康状态评估的意义

着眼当前部队信息化、智能化转型建设特点，以部队现实需求为出发，通过研究导弹健康评估方法，实现对导弹及主要单机健康状态的评估，准确掌握导弹装备健康状态，对于战时作战规划科学决策、提高部队快速反应能力、充分发挥装备效能，平时装备精细化的管理、装备保障指挥决策以及新型号装备发展都具有非常重要的理论意义和军事应用价值。

（1）有利于提高导弹全寿命周期武器装备故障及健康状态的精确认知与管理能力。以高效、智能的方式利用装备测试数据，对导弹及关键单机健康状态进行评估，对任务中的使用性能进行监测和评估，准确把握导弹在测试、使用等阶段的实时健康状态，为制定相应决策提供辅助信息支撑，进而提升导弹全寿命使用效能。同时还可以为故障诊断和寿命预测提供支撑，进而优化装备维修保障决策，避免传统维修方式的维修不足或过度，提高费效比，以指导相关部队维修保障任务规划等实践活动。

（2）有利于提升导弹在复杂战场环境下的生存能力和作战效能。在导弹设计、研制及服役使用过程中，全面开展导弹健康状态认知与管理能力建设，实现基于试验鉴定数据和结果的整批导弹健康状态快速、精确的评估，从而能够应对导弹武器系统新质作战能力及快速精确打击能力发展威胁，为改进型、新型号导弹研制发展的可靠性设计与评价提供技术支撑，从而使新一代导弹武器平台具备强适应、强突破、高生存和高可靠等能力特征，发展成为绝对安全、威慑有力、反击可靠的新一代导弹平台。

3 导弹健康状态评估研究现状

目前，国内外对导弹健康状态评估问题开展了一系列的理论研究，并通过相关实验进行了验证，取得了较好的评估效果。导弹健康状态评估问题主要围绕参数、核心单机部件、整弹三个方面展开，本文将围绕以上三个方面对目前国内外的相关项目、研究现状进行分析和综述。

3.1 研究项目概况

（1）国外研究项目概况。为满足导弹快速反应和实战化要求，国外在基于导弹装备各种有效的历史和实时信息，研制开发评估导弹装备性能状态的平台。美国陆军通过建立战备完好性信息管理系统，对导弹健康状态进行及时快速的性能评估，是美陆军评估导弹全寿命健康状态的重要技术途径。在智能监测方面，北约发起了改进的海麻雀导弹(ESSM)健康监测项目，通过使用RFID系统监测导弹的温湿度、震动和撞击等数据情况，实现对导弹状态参数的监测，从而提高导弹的可靠性和武器系统的准确性。美国空军通过使用挂飞健康监测系统，对海尔法II型导弹在阿帕奇AH-64D直升机上的挂飞状态情况进行自动监测和记录，为地面检查提供更加精准科学的依据，大幅降低地勤和维修人员的检测工作量。在智能诊断系统方面，美国陆军在爱国者地空导弹（GEM和AC-3）和陶氏反坦克导弹中应用遥测战备器材预测/诊断系统（RRAPDS），通过对常态环境下的温湿度、振动和大气压力等参数进行感知和采集，测试人员以遥测的方式提取和发送有用的信息，实现对长时间贮存的导弹健康状况进行远程监测、诊断、预测和分析，从而降低导弹武器系统维修保养、运输和贮存等相关的费用。

（2）国内研究项目概况。当前，我国在导弹领域的健康状态评估项目研究尚处于起步阶段，但其重要性已成为国家和相关领域专家的共识。国内多家院校和研究机构先后针对不同的应用方向对导弹健康评估的理论方法和应用技术开展了大量研究工作。北京航空航天大学针对飞行器应用领域的相关算法、模型和管理方式进行了探索性研究，比如，基于故障物理的电子系统加速试验和健康监控；海军航空工程学院丛林虎将导弹状态分为优、良、中、差、故障五个等级，通过分析研究过程中证据理论存在的不足加以改进，构建了导弹健康状态评估模型；火箭军工程大学姜云耀等以导弹控制系统为研究对象，从发射精度、飞行稳定性和系统可靠性三个方面综合分析控制系统的健康状态。火箭军装备研究院以某型导弹为研究对象，根据导弹的测试数据和专家经验，主要针对惯性组合装备，建立了评估指标，开展了评估与排序的工作；火箭军多级机构针对导弹关键单机子系统（如惯性组合、发射平台、发动机等）开展了相关健康评估研究工作，并且开发了功能各异的健康评估软件；火箭军工程大学还针对某型号的导弹开发了导弹评估指标体系及整弹系统健康评估与预测的软件，并应用于实弹演习任务中。

3.2 研究现状

现有的健康状态评估方法比较常见的有：基于知识经验的方法、基于模型驱动的方法和基于数据驱动的方法。

基于知识经验的方法是在没有足够的传感器进行感知，或缺少模型进行模拟仿真的情况下，仅通过专家经验对设备健康状态进行判断的评估方法，包括专家系统、故障树法、层次分析法、模糊评判法等。基于模型驱动的方法是在对设备的运行状态和故障机理充分掌握的基础上,通过分析设备特定的机械动力学行为，依据设备运行状态数据，构建物理模型，或者利用数学模型描述设备的性能退化过程，以实现对设备健康状态评估的方法，包括机理建模、状态估计法、参数估计法等。基于数据驱动的方法是在设备状态参数选定的基础上,通过分析处理监测数据挖掘隐含的设备运行状态信息，进而实现健康状态评估的目的。常用数据驱动的评估方法是基于统计学和人工智能的方法，如灰色系统理论、支持向量机（SVM）、隐马尔可夫（HMM）、高斯混合模型（GMM）、贝叶斯、神经网络等。三种评估方法的优缺点对比如表1所示。

表1 不同健康状态评估方法的对比

通过对三种评估方法的对比分析，可以针对不同的导弹的参数、核心单机子系统、整弹三个不同层次，寻求适合其各层特点的健康状态评估方法，提高评估的准确性、客观性、高效性。下面围绕这三个方面对目前国内外导弹健康状态评估研究方法现状进行分析和综述。

（1）参数。M.Mohammadi引入核向量机算法对在线电压进行评估，并结合神经网络进行训练，该方法比单一方法效率更高。杜恩祥等从设备的FMECA结果中提取影响健康状况的因素，采用模糊综合和灰色关联分析相结合的方法，进行定量分析和评估，得出装备在处于测试参数异常下的健康状态等级。马海英等引入劣化度概念，以装备特征参数劣化度为评估指标，运用变权模糊理论，建立了基于劣化度的装备健康状态变权模糊综合评估模型。

（2）核心单机子系统。黄睿等采用灰色理论和模糊综合评价方法对各个子系统的性能质量状态进行评价，最后，在对实弹射击结果信息进行深入研究的基础上，采用模糊神经网络对整弹的性能状态进行状态预测。罗珩娟等通过观察导弹测试数据变化规律并对比测试数据的正常范围，分别计算测试部件的基本健康度、健康变化率和健康变化幅度，得到了装备动态变化过程中的健康度数学模型，并建立了串联、并联系统的导弹健康状态评估方法。吴克雄等结合某型导弹惯导平台系统的特点，采取专家系统和数据驱动相融合的方式,建立健康评估模型，完成惯导平台系统的健康评估。为实现液压系统的在线监测与状态评估，陈伟等通过信号特征提取EMD能量特征分析、主成分分析和SOM健康评估方法的研究。

（3）整弹。为了提高评估和预测的准确性，王浩伟等在引入状态空间模型评估整弹退化程度的基础上，采用Gamma过程建立退化失效模型。在突发失效概率与整体弹性性能退化程度有关的前提下，采用Weibull分布建立突发失效模型；然后，建立退化失效与突发失效竞争模式下的导弹可靠性模型。王茜等建立贝叶斯网络拓扑结构模型，根据根节点输入和条件概率值进行推理，利用GeNIe2.0对试验参数进行仿真，确定导弹处于各个健康等级的可能性。

4 导弹健康状态评估发展趋势

从国内外研究现状来看，现阶段导弹健康状态评估研究应用虽然取得了一定的成果，但是还存在一些急需解决的问题。在应用范围方面，针对关键零部件、单机系统评估研究较多，整弹系统研究较少，对当前导弹的作战行动决策和装备保障维修决策优化的支撑力度不够；在使用标准方面，已开发的健康状态评估软件尚未根据不同型号导弹的差异性和共性需求，制定的指标及权重不统一，重复开发导致人力和物力的浪费，从而使用效益不高；在资源利用方面，现有的信息数据利用率不够，测试数据分散导致无法交流整合，造成大量数据的浪费，影响评估模型的构建和评估的准确性；在体系发展方面，健康状态评估的研究工作太零散，没有形成系统性的跟踪管理和自动化评估的平台，研究成果和结论虽然多，但是，难以有效指导部队的作战使用和装备管理工作。

考虑到当前导弹的全寿命周期使用流程特点，以及在试验鉴定、测发等过程中，通过不同数据传输链路采集到导弹大量运行状态监测数据条件，如何以高效、智能的方式利用这些数据，对导弹及主要单机工作性能进行评估和预示，对测发任务中的使用性能进行监测和评估，以解决高可信性试验鉴定、辅助产品优化改进设计、提升导弹的综合作战效能，亟待进一步研究和解决。综合对比国内外研究现状可知，导弹武器的设计改进与综合效能提升促使当前导弹武器的健康状态评估向以下几个方向发展：

（1）快速评估方向。适应作战的快节奏，强对抗，必须对导弹健康状态进行快速评估。针对导弹系统的层级化，可扩展健康评估模型的构建工具，以及配套的指标管理工具，为基于试验鉴定数据和结果的导弹性能快速评估提供基础支撑。

（2）智能化评估方向。随着导弹试验数据采集、存储、管理等能力的持续成熟与发展，可在当前试验鉴定支持软件体系下，进一步结合统计阈值自适应生成、性能健康基线模型、时序深度模型等先进算法技术，实现更加自适应的指标体系管理，改变传统的定期检测、射前检测和人工评估的模式，实现精确、自主、智能的导弹健康状态评估。

（3）全局性评估方向。针对监测参数、关键单机子系统、典型场景以及整弹等不同层级开展健康状态评估，从不同维度准确把握导弹在测试、使用等阶段的实时健康状态，充分整合利用各种分散的测试数据，提高评估模型的构建和评估的准确性，从而为制定相应决策提供辅助信息支撑。

（4）体系性评估方向。由于导弹武器系统具有复杂性、关联性、任务环境多样性等特点，必须从体系发展的角度开展导弹健康状态评估，对多场景、多型号、多批次试验鉴定及其评估结果进行评估，在固化继承现有研究成果的基础上，构建与开发能够服务于不同型号的导弹装备全寿命健康状态评估的柔性平台。

5 结语

导弹健康状态评估问题是目前研究的热点问题，准确掌握导弹的健康状态有利于导弹的精细化管理和保障指挥决策，一方面，可以为故障诊断和寿命预测提供决策支持，进而实现导弹的视情维修，降低对保障资源的依赖，提升维修保障的资源配置率；另一方面，能够进行精准的分级排序，从而针对不同的任务要求进行决策指挥，最大程度的发挥同一型号不同健康状态的导弹的效能，提高任务完成率。研究导弹健康状态评估对装备作战运用、采购、管理、新型号研制有较大的理论和现实意义。