基于健康管理的武器装备综合保障设计方法 *

戚艳君 ，王玉峰 ，李睿

（1.江南机电设计研究所，贵州 贵阳 550009；2.贵州航天计量测试技术研究所，贵州 贵阳 550025）

0 引言

随着各类高科技武器装备力量加速发展带来的战场作战样式的改变，武器装备的战备完好性成为制约战争胜负的重要因素，装备保障的实时性、适时性影响尤为重大。在伊拉克战争中，美军在信息精确掌控的基础上基本实现了“保障力量精确使用、保障物资精确配送”，以较低的成本获得了巨大的军事效益和经济效益［1］。面对新的作战形势，我国军用装备也在积极推进“视情维修”、“精确保障”理念，在考虑保证功能完成的基础上，提高了战备完好性和降低维修费用［2］。通过实现装备的精确化保障，通过实时精确地掌握武器装备的运行状态，并根据装备执行任务的功能要求，适应性地统筹规划保障任务和保障资源的调配，对单个装备而言，可以有效监控装备的值班状态，评估装备作战完备性，并通过优化保障作业规划降低装备全寿命周期费用，对成体系化的多装备协同作战保障而言，通过掌握的装备功能性能指标状态，结合各装备的作战任务分配评估装备的作战能力，适时针对装备保障任务进行整体式优化能降低缩短综合保障时间、提高作战效能、保障任务实施成功率［3］。

为实现精确保障，武器装备就需要从装备设计之初就准确把握装备故障或失效规律，以面向任务的装备精确保障需求为导向，形成传统综合保障设计与健康管理设计相互融合、综合保障设计与仿真优化有机结合的综合保障设计新方法，根据现代作战的装备精确保障要求，对保障资源进行动态优化配置，减少装备停机和脱离战斗时间，有效适应新的作战形态，打赢未来攻防对抗战争。

1 精确保障与健康管理的关系

装备精确保障是在继承传统装备保障技术基础上，与信息网络技术、信息分析与融合技术、健康管理技术、决策优化技术、系统集成技术等有机结合，针对信息化战争保障需求发展起来的一种先进保障理念，精确保障就是注重充分运用以信息技术为核心的现代保障技术，通过实时精确地掌握武器装备的功能状态，及时准确地筹划保障任务、科学高效地运用保障资源，总体保障“适时、适地、适量、快速、高效”。其实质是用最优的保障任务规划、最小保障资源满足最大的面向作战任务的保障要求［4］，以最强保障信息掌控最佳的保障物资流、人员流，以最少保障时差实现最优的保障时效，以最低风险和代价达成最佳的保障效益［5-6］。其主要内涵是：通过保障信息的全程共享、保障资源的灵活重组、保障任务的协调优化，实现在准确的时间、准确的地点提供准确、高效、快速的保障服务能力，快速、准确、主动已经成为精确保障区别于传统综合保障的主要标志［7］。

装备健康管理技术是指利用尽可能少的传感器采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法（如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等），紧密结合状态监测、维修、使用和环境等信息来评估系统自身的健康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并且基于装备的健康状态合理选择维修策略，结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修，周密计划维修活动，同时通过构建管理机构，明确任务分工，控制管理过程，落实管理制度，实现装备健康管理活动的优化。

将健康管理技术应用到防空导弹武器系统综合保障中，对装备系统进行健康状态监测，评估装备当前的健康状态并预测其未来故障的发生［8］，制定合理的维修决策，形成智能化、快响应、主动式的防空武器系统动态精确“保障力”，确保防空武器系统实战化、体系化、信息化战斗力发挥，支撑我国积极防御军事战略实施。

2 传统防空装备综合保障设计过程

装备综合保障源于“综合后勤保障”，是美国在20 世纪60 年代提出的，80 年代我国开始学习吸收美军“维修工程”的概念及相关理论，并逐渐推广应用当前基于4A（FMECARCMAO&MTALORA）分析的序贯设计模式［9］，通过综合考虑装备保障的需求，制定一套与战备完好性目标、设计及保障相互协调的保障性要求，并在装备研制时反复迭代进行保障分析，权衡优化设计方案和保障方案，实现费用、进度、性能之间的最优化。根据型号研制要求，武器装备设计阶段的综合保障设计工作过程如图1所示。

图1 传统综合保障设计流程图Fig.1 Flow chart of traditional integrated support design

从图1 可以看出，现阶段我国防空装备综合保障设计主要是定性的分析设计，以“故障恢复”为目标，以装备作战任务、保障要求等为输入，开展保障要求论证，提出保障定量、定性要求，并根据要求完成4A 分析工作，按照分析结果对保障任务和保障资源进行权衡，根据故障维修及日常维护工作的需求汇总维护和维修保障的工具、备件等保障资源作为保障系统，最终得到综合保障方案［10］。传统的综合保障设计主要基于故障后维修的情况进行，基于装备故障信息及任务需求进行静态分析的结果，多针对静态的保障方案进行保障决策与优化，缺少对装备综合保障数据的动态关联分析与深入挖掘利用，并且由于故障发生的不确定性，带来保障需求和保障活动的随机性，致使保障资源“备而不用，用而不备”，与装备保障需求不匹配不协调，无法达到精细、准确、实时、经济的保障目的。

3 基于健康管理的综合保障设计过程

基于健康管理的综合保障设计过程，在传统综合保障设计流程的基础上，从设计源头融入健康管理、保障验证优化的设计理念［11-14］，深入分析分系统/设备的故障机理、故障特性与故障模式之间的关系，确定开展健康状态监控的产品，分析装备个体状态及故障特性表征，通过增加故障预测、健康评估、健康控制策略、保障任务规划、保障仿真建模等关键设计环节，完成分系统/设备的故障预测模型开发、健康评估模型开发、健康状态控制策略模型开发、武器系统级任务规划模型等关键设计手段，生成满足保障设计需求的多套装备综合保障方案，并利用多属性决策方法进行方案优选，确定最优综合保障方案，实现基于健康管理的“分析-设计-控制-验证-优化”的闭环设计，使综合保障与产品的功能组成、技术指标真正实现协同设计，为提供真实、可行、高效、精确

基于健康管理的综合保障设计过程，在传统综合保障设计过程基础上，融入健康保障设计环节，增加的设计过程与能力如下：

（1） 健康需求分析：武器系统总体以装备作战任务、保障要求、健康能力要求等为输入，提出对导弹、发射、雷达、指控等分系统的故障预测指标及健康保障要求。

（2） 传统与健康保障融合设计：各分系统在传统关键设备分析基础上，完成关键设备以及关键设备-分系统的健康影响分析；在传统故障模式、维修任务、保障资源分析基础上，完成故障预测模型、三级健康评估模型、健康控制策略模型开发，在故障特性分析的基础上，规划监测设备或者传感器规划，同时按照产品构型，从组件-设备-分系统-系统多个层级逐级选取故障特征因素，基于以往的装备研制和服役过程中的试验数据和使用数据，构建故障预测模型，并基于故障特性分析结果和故障预测模型，按照装备的故障规律，构建设备-分系统-系统的三级健康评估模型，根据多状态系统维修特征，以装备可用度为目标构建装备健康控制策略模型，形成分系统健康保障方案，与传统设计形成的保障方案共同组成被动式、主动式相结合的新型保的防空武器系统综合保障设计提供支撑。基于健康管理的综合保障设计主要流程如图2 所示。障方案。

图2 基于健康管理的综合保障设计流程图Fig.2 Flow chart of integrated support design based on health management

（3） 新型保障方案的决策生成：在各分系统被动式、主动式相结合的新型保障方案的基础上，武器系统总体以可用性、任务成功性、经济性、资源利用率为目标，完成保障方案的任务和资源决策，生成保障方案，并针对多方案的情况完成方案优选。

（4） 数据驱动下的保障模型扩展及仿真优化：建立被动式与主动式相交互的综合保障仿真模型，进行保障能力仿真评估，以保障人员、设备、工具以及备品备件为约束条件，在作战任务、装备健康状态等数据驱动下，完成保障方案优化。

对比传统综合保障设计流程，基于大数据健康管理的综合保障设计主要区别包括以下方面：

（1） 传统综合保障设计中的FMECA 主要针对故障模式和故障现象开展分析工作，仅仅停留在故障表象及故障影响分析层面，未对故障的发生机理以及多产品耦合退化/失效导致的产品故障进行分析，基于健康管理的综合保障设计增加故障模式表征与故障特性关联关系分析工作，从产品的退化机理和失效模式开始，根据产品的故障机理发生的演化过程，按照故障的层次性、相关性、并发性、随机性和记忆性，将机械、液压、电子、电气部件产品的故障规律及退化机理分类分析。

（2） 基于健康管理的综合保障设计在传统设计工作的基础上，增加设备产品复杂故障预测模型开发环节，通过分析故障机理及故障特性关联分析，基于设备物理模型和故障分析结果，形成复杂装备的精确预测模型，该模型是装备开展视情维修的核心，为视情维修时机提供有力支撑。

（3） 基于健康管理的综合保障设计相比于传统设计工作，具备了设备/分系统/整车整弹的三级健康评估与控制能力，按照由下向上的评估方法，依次利用故障表征-故障关系分析结果，以装备全寿命周期设计数据、测试数据、使用数据、试验数据以及相关的外部环境数据等大数据为支撑，分层逐级研究健康状态评估方法，开发面向作战任务的设备/分系统/整车整弹的三级健康评估与控制模型。

（4） 传统的综合保障设计优化工作主要依托于设计师的主观权衡分析，生成的保障方案是固定式静态方案，且保障工作及保障资源的规划合理性不能在设计阶段得到充分验证，基于大数据健康管理的综合保障设计具备保障方案辅助决策能力，在大数据、仿真等技术的支撑下，基于保障目标、多种约束条件下的保障原则，通过保障方案形式化建模、多评价体系下的保障效能评估、多方案的辅助决策等技术，实现数据驱动的保障方案决策优化，使静态保障方案转变为动态保障方案。

4 结束语

本文围绕健康管理和精确保障的理念，按照精确保障能力要求，深入分析了装备健康管理保障的能力需求，梳理了传统装备综合保障设计流程，提出了传统流程的缺陷，按照精确保障能力要求，构建基于健康管理的综合保障设计工作流程，对比分析了基于健康管理的设计流程相比于传统设计的优势，为实现防空武器系统的精确保障设计提供有效支撑。