無人航行器故障預(yù)測與健康管理研究

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摘要:水下無人航行器是在對(duì)傳統(tǒng)潛艇設(shè)備的升級(jí)基礎(chǔ)下完成的，相較于傳統(tǒng)潛艇具備更高的安全性，并且體積小巧，在水下進(jìn)行常規(guī)作業(yè)隱蔽性極強(qiáng)，可以在海洋探索與海灣戰(zhàn)爭中占據(jù)有利地位。但水下無人航行器缺乏人員配置，在遇到故障時(shí)難以進(jìn)行自我檢修，加之維修成本高昂、水下作業(yè)難度大等問題，使得水下無人航行器的故障檢測研究刻不容緩。本文根據(jù)水下無人航行器的構(gòu)件構(gòu)成為出發(fā)點(diǎn)，論述PHM技術(shù)在水下無人航行器中的適用性問題，從而總結(jié)出能夠?qū)λ聼o人航行器進(jìn)行故障預(yù)測與管理的健康管理框架，針對(duì)應(yīng)用中的相關(guān)科技進(jìn)行PHM數(shù)據(jù)信息的優(yōu)化升級(jí)，為水下無人航行器的故障預(yù)測管理打下堅(jiān)實(shí)的理論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:水下無人航行器;PHM框架;研究結(jié)論

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)海洋的探索研究越發(fā)重視，水下無人航行器作為海洋探索中最為重要的裝置設(shè)備，對(duì)水下無人航行器的進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)就意味著離海洋深處研究更進(jìn)一步。海洋內(nèi)部環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，并且有隨時(shí)遭受外物攻擊的情況出現(xiàn)，因此對(duì)無人航行器內(nèi)部的構(gòu)件要求更為嚴(yán)格，對(duì)電流液體的穩(wěn)定性有著更高的標(biāo)準(zhǔn)，才能應(yīng)對(duì)茫茫海洋出現(xiàn)的意外情況。

一、水下無人航行器的工作環(huán)境

水下無人航行器的外部環(huán)境主要是與海水接觸的部分，以外部殼體、下端的螺旋槳及艙體外部結(jié)構(gòu)為主，內(nèi)部構(gòu)件接觸以構(gòu)件作用之間的振動(dòng)、零件之間的溫度狀況以及內(nèi)部艙室的電氣液體等為主，在進(jìn)行水下無人作業(yè)時(shí)，上述外部構(gòu)件與內(nèi)部構(gòu)件在航行器工作時(shí)遭遇的海洋環(huán)境復(fù)雜、溫差轉(zhuǎn)化快、海水鹽度腐蝕性強(qiáng)、海洋內(nèi)部海浪侵蝕以及大量微生物積聚在航行器上，因此受外界自然條件的干擾性較強(qiáng)，嚴(yán)重影響水下無人航行器任務(wù)執(zhí)行。

二、水下無人航行器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

水下無人航行器由推進(jìn)分裝置、艙體分裝置、懸浮適應(yīng)力分裝置、電源分裝置等7個(gè)分裝置設(shè)備組合而成，并且能夠?qū)C(jī)械、電流、液體相互結(jié)合的多重裝置機(jī)械［1］。其中主要分裝置設(shè)備的作用如下所示:(1)推進(jìn)分裝置。以推進(jìn)機(jī)電裝置、水泵助推裝置、電機(jī)控制裝置、減振裝置以及舵機(jī)裝置為主進(jìn)行構(gòu)件組合，能夠使得水下無人航行器進(jìn)行推進(jìn)動(dòng)力的掌控、推進(jìn)形態(tài)及方向的把控。(2)艙體分裝置。以水下無人航行器的艙殼、艙門以及層部艙體為主，在層部艙體與艙門作用下，利用氣壓機(jī)對(duì)外部液體進(jìn)行壓縮分離，從而在動(dòng)力推進(jìn)器的作用下完成艙體的相關(guān)動(dòng)作，例如:開艙、檢艙等。根據(jù)艙門在向外部傳遞荷載能量的流動(dòng)性液體完成對(duì)艙門的關(guān)閉與開啟。(3)懸浮適應(yīng)力分裝置。以艙體外部的管道，水氣泵、電流控制設(shè)備、電磁閥門以及內(nèi)部流體傳感器為主進(jìn)行組合?？梢酝ㄟ^電流控制設(shè)備進(jìn)行水氣泵開啟，完成對(duì)艙體內(nèi)部的入水、出水環(huán)節(jié)，將整體艙體重量維持在相對(duì)平穩(wěn)的水平上，從而提高水下無人航行器的海洋深度探測。(4)電源分裝置。以航行電池組、開關(guān)管理器以及電源分配器等構(gòu)件組成，能夠?yàn)樗聼o人航行器的日常工作航行提供源源不斷的能源供應(yīng)。

三、水下無人航行器的故障預(yù)測與健康管理框架結(jié)構(gòu)

水下無人航行器故障預(yù)測與健康管理框架又被稱為PHM框架，如圖1所示，通過對(duì)其應(yīng)用構(gòu)件分層以及分布處理原則，將其框架分為機(jī)械載裝與岸基構(gòu)造兩個(gè)部分。首先進(jìn)行PHM框架的合理化分層，進(jìn)行裝置級(jí)PHM、分系統(tǒng)級(jí)PHM以及主系統(tǒng)級(jí)PHM進(jìn)行三層分離管制，每個(gè)分離層之間采取獨(dú)立的接入端口，使用符合制定標(biāo)準(zhǔn)的軟件與硬件進(jìn)行對(duì)合。在分布處理原則中，全面調(diào)查構(gòu)件的性能進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)分系統(tǒng)管理裝置，使得上述數(shù)據(jù)能夠第一時(shí)間進(jìn)行整合分析，并且在航行器內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)信息提取消化，從而鏈接裝置級(jí)PHM、分系統(tǒng)級(jí)PHM以及主系統(tǒng)級(jí)PHM三層裝置進(jìn)行結(jié)合。此外在框架內(nèi)部的傳感器中，應(yīng)當(dāng)采用BIT技術(shù)進(jìn)行信息構(gòu)件的數(shù)據(jù)采集，將其中與標(biāo)準(zhǔn)值差異較大的構(gòu)件進(jìn)行分離選出，能夠?qū)υ摌?gòu)件的差異進(jìn)行分析，隨時(shí)將故障信息進(jìn)行分裝置的PHM傳遞，從而在水下無人航行器中找到故障方位，及時(shí)進(jìn)行障礙程度的級(jí)數(shù)分類，減少無關(guān)緊要的預(yù)警信號(hào);最后，在裝置級(jí)PHM的艙體總控制系統(tǒng)指導(dǎo)下進(jìn)行故障方位、嚴(yán)重程度以及時(shí)間段進(jìn)行評(píng)估，調(diào)節(jié)故障并預(yù)防即將到來的故障，將上述信息進(jìn)行記錄匯總，建立PHM數(shù)據(jù)庫。在水下無人航行器的管理構(gòu)建上，以AR、DR、PR三種分層處理裝置為主，即異常檢測推理裝置、故障判斷推理裝置與故障檢測裝置推理裝置為主。如下圖2所示:

四、岸基信息管理構(gòu)建組成

水下無人航行器進(jìn)行PHM框架構(gòu)造時(shí)，岸基信息管理系統(tǒng)是所有數(shù)據(jù)信息的儲(chǔ)存地與輸出地，其中包含著航行器在水下觀測狀況、器械裝置的數(shù)據(jù)模型庫，能夠全面了解故障發(fā)生的原因、相關(guān)案例以及解決措施，其中蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)模型更是能為水下無人航行器PHM管理提供重大幫助;此外，在其中的PHM管理構(gòu)建記錄有效解決艙體發(fā)生故障的解決方式算法等，能夠與關(guān)鍵構(gòu)建部位相互連通，實(shí)現(xiàn)對(duì)PHM框架的全面掌控;再者，由于岸基信息管理系統(tǒng)中有機(jī)械接口裝置與信號(hào)接口裝置，因而能夠保障在發(fā)生故障時(shí)通過機(jī)械裝置接口向中央控制系統(tǒng)進(jìn)行維修求助，并且在信號(hào)接口裝置中能夠保持水下無人航行器的構(gòu)件通信正常，能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)交流等［3］。

五、水下無人航行器PHM重要技術(shù)研究

水下無人航行器的工作環(huán)境決定了PHM所采用的技術(shù)必須時(shí)最為先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，才能保障在復(fù)雜的海洋環(huán)境中完成數(shù)據(jù)信息的采集工，同時(shí)所運(yùn)用的相關(guān)PHM技術(shù)必須具備時(shí)效性及質(zhì)量性。在針對(duì)水下無人航行器PHM重要技術(shù)的相關(guān)科研中發(fā)現(xiàn)，能夠降低異常故障預(yù)警的虛假性，減少水下無人航行器的運(yùn)行維修成本，提高故障預(yù)測的精度與準(zhǔn)度。其重要技術(shù)如下:(1)故障時(shí)效機(jī)制處理技術(shù)。將水下無人航行器的附近海域的情況與設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行綜合看待，首先從構(gòu)件進(jìn)行故障檢測，引發(fā)對(duì)應(yīng)的故障處理信號(hào)，從故障發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行故障位置及程度的確定，利用傳感器進(jìn)行故障的預(yù)警處理，能夠時(shí)效性的針對(duì)故障狀況。(2)性質(zhì)采集技術(shù)。針對(duì)不同構(gòu)件的反應(yīng)程度不同，選擇較為先進(jìn)的構(gòu)件信號(hào)采集技術(shù)，能夠在不同海域、航行時(shí)段及航行狀況，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及故障預(yù)警檢測。(3)異常監(jiān)察技術(shù)。由于在海域檢測收到的外界干擾較強(qiáng)，造成相關(guān)信息數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤收集，針對(duì)上述情況采取對(duì)異常信號(hào)的篩選處理，將其中的虛假信息進(jìn)行清理，從而能夠極大程度提高故障預(yù)警檢測的精確度。(4)故障精確技術(shù)。由于水下無人航行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且構(gòu)件之間存在江湖較差的情況出現(xiàn)，因此在故障信息發(fā)出后難以進(jìn)行位置的精準(zhǔn)定位，因此采用故障精確技術(shù)進(jìn)行故障定位，提高水下無人航行器的使用周期。(5)故障預(yù)測機(jī)制。在水下無人航行器的使用周期觀察，一個(gè)構(gòu)件的故障損壞會(huì)引起相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)的故障運(yùn)行，從而導(dǎo)致整體航行器系統(tǒng)的崩潰，因此針對(duì)構(gòu)件之間的作用關(guān)系進(jìn)行主件故障預(yù)測，隨后進(jìn)行范圍輻射，減少機(jī)械故障出現(xiàn)的頻率，提高裝置設(shè)備的使用周期。

六、水下無人航行器PHM的數(shù)據(jù)構(gòu)件規(guī)劃

在水下無人航行器PHM構(gòu)建裝置蘊(yùn)含的構(gòu)件與軟件較為密集，從構(gòu)建結(jié)構(gòu)內(nèi)而外可以分為設(shè)級(jí)PHM管理器、分系統(tǒng)PHM管理器以及系統(tǒng)級(jí)PHM管理器，在層次中以異常檢測推理裝置、故障判斷推理裝置與故障檢測裝置推理裝置為主，并且由SVM裝置、SVDD裝置與神經(jīng)關(guān)節(jié)設(shè)備組成，在PHM裝置中對(duì)水下無人航行器進(jìn)行艙體狀態(tài)估計(jì)，通過系統(tǒng)內(nèi)部的岸基數(shù)據(jù)信息庫進(jìn)行篩查、儲(chǔ)存及發(fā)出。在裝置級(jí)別PHM檢測系統(tǒng)將從構(gòu)件信息運(yùn)行狀況進(jìn)行傳感處理，從而能夠在故障發(fā)生時(shí)作出精確的預(yù)警，并且成功根據(jù)構(gòu)件信息源的不同確定故障方位，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下無人航行器的故障預(yù)測。此外，在分級(jí)PHM裝置對(duì)設(shè)備級(jí)PHM進(jìn)行故障排查，能夠?qū)⑵渲械奶摷傩畔⑦M(jìn)行剔除。再者，在主系統(tǒng)PHM的檢測器中，將下屬所有管理器進(jìn)行分類信息上傳，及時(shí)將數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行更新，具有極強(qiáng)的時(shí)效性。最后，在軟件硬件的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行故障準(zhǔn)確信息的傳遞，在岸基PHM單元管理中將上傳數(shù)據(jù)收集整理得出相關(guān)故障處理對(duì)策，并且安排相關(guān)技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行故障修復(fù)與定點(diǎn)監(jiān)察故障。

七、結(jié)語

水下無人航行器作為新時(shí)期國家實(shí)力的重要象征，通過對(duì)水下無人航行器的故障預(yù)測與健康管理進(jìn)行技術(shù)探究，從而形成適用于當(dāng)前時(shí)期的水下無人航行器PHM構(gòu)建框架及故障防治措施，能夠?qū)λ聼o人航行器的性能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度提升，快速檢測航行過程中的故障問題，提高水下無人航行器的使用周期，為我國的水下無人航行器的海洋安全運(yùn)行奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

［1］凌宏杰，張學(xué)豐，孫玉山，王志東，張貝．大翼展混合驅(qū)動(dòng)水下無人航行器總體設(shè)計(jì)及性能分析［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42:34-40．

［2］曹飛，葉楓樺，于憲龍．水下無人航行器故障預(yù)測與健康管理框架研究［J］．?dāng)?shù)字海洋與水下攻防，2020，3(12):73-77．

［3］李海波．基于故障樹的AUV可靠性分析與評(píng)估方法研究［C］．哈爾濱工程大學(xué)，2016．

作者:郭小溪 單位:92941部隊(duì)