水下无人航行器故障预测与健康管理框架研究

郭小溪

摘要：水下无人航行器是在对传统潜艇设备的升级基础下完成的，相较于传统潜艇具备更高的安全性，并且体积小巧，在水下进行常规作业隐蔽性极强，可以在海洋探索与海湾战争中占据有利地位。但水下无人航行器缺乏人员配置，在遇到故障时难以进行自我检修，加之维修成本高昂，水下作业难度大等问题，使得水下无人航行器的故障检测研究刻不容缓。本文根据水下无人航行器的构件构成为出发点，论述PHM技术在水下无人航行器中的适用性问题，从而总结出能够对水下无人航行器进行故障预测与管理的健康管理框架，针对应用中的相关科技进行PHM数据信息的优化升级，为水下无人航行器的故障预测管理打下坚实的理论实验基础。

关键词：水下无人航行器;PHM框架;研究结论

随着我国科学技术水平的不断提高，对海洋的探索研究越发重视，水下无人航行器作为海洋探索中最为重要的装置设备，对水下无人航行器的进一步优化升级就意味着离海洋深处研究更进一步。海洋内部环境错综复杂，并且有随时遭受外物攻击的情况出现，因此对无人航行器内部的构件要求更为严格，对电流液体的稳定性有着更高的标准，才能应对茫茫海洋出现的意外情况。

一、水下无人航行器的工作环境

水下无人航行器的外部环境主要是与海水接触的部分，以外部壳体、下端的螺旋桨及舱体外部结构为主，内部构件接触以构件作用之间的振动、零件之间的温度状况以及内部舱室的电气液体等为主，在进行水下无人作业时，上述外部构件与内部构件在航行器工作时遭遇的海洋环境复杂、温差转化快、海水盐度腐蚀性强、海洋内部海浪侵蚀以及大量微生物积聚在航行器上，因此收到外界自然条件的干扰性较强，严重影响水下无人航行器任务执行。

水下无人航行器的结构构成

水下无人航行器由推进分装置、舱体分装置、悬浮适应力分装置、电源分装置等7个分装置设备组合而成，并且能够将机械、电流、液体相互结合的多重装置机械[]。其中主要分装置设备的作用如下所示：

（一）推进分装置

以推进机电装置、水泵助推装置、电机控制装置、减振装置以及舵机装置为主进行构件组合，能够使得水下无人航行器进行推进动力的掌控、推进形态及方向的把控。

（二）舱体分装置

以水下无人航行器的舱壳、舱门以及层部舱体为主，在层部舱体与舱门作用下，利用气压机对外部液体进行压缩分离，从而在动力推进器的作用下完成舱体的相关动作，例如：开舱、检舱等。根据舱门在向外部传递荷载能量的流动性液体完成对舱门的关闭与开启。

（三）悬浮适应力分装置

以舱体外部的管道，水气泵、电流控制设备、电磁阀门以及内部流体传感器为主进行组合。可以通过电流控制设备进行水气泵开启，完成对舱体内部的入水、出水环节，将整体舱体重量维持在相对平稳的水平上，从而提高水下无人航行器的海洋深度探测。

（四）电源分装置

以航行电池组、开关管理器以及电源分配器等构件组成，能够为水下无人航行器的日常工作航行提供源源不断的能源供应。

水下无人航行器的故障预测与健康管理框架结构

水下无人航行器故障预测与健康管理框架又被称为PHM框架，如图1所示，通过对其应用构件分层以及分布处理原则，将其框架分为机械载装与岸基构造两个部分。首先进行PHM框架的合理化分层，进行装置级PHM、分系统级PHM以及主系统级PHM进行三层分离管制，每个分离层之间采取独立的接入端口，使用符合制定标准的软件与硬件进行对合。在分布处理原则中，全面调查构件的性能进行合理的设计分系统管理装置，使得上述数据能够第一时间进行整合分析，并且在航行器内部进行数据信息提取消化，从而链接装置级PHM、分系统级PHM以及主系统级PHM三层装置进行结合。此外在框架内部的传感器中，应当采用BIT技术进行信息构件的数据采集，将其中与标准值差异较大的构件进行分离选出，能够对该构件的差异进行分析，随时将故障信息进行分装置的PHM传递，从而在水下无人航行器中找到故障方位，及时进行障碍程度的级数分类，减少无关紧要的预警信号;最后，在装置级PHM的舱体总控制系统指导下进行故障方位、严重程度以及时间段进行评估，调节故障并预防即将到来的故障，将上述信息进行记录汇总，建立PHM数据库[2]。

在水下无人航行器的管理构建上，以AR、DR、PR三种分层处理装置为主，即异常检测推理装置、故障判断推理装置与故障检测装置推理装置为主。

岸基信息管理构建组成

水下无人航行器进行PHM框架构造时，岸基信息管理系统是所有数据信息的储存地与输出地，其中包含着航行器在水下观测状况、器械装置的数据模型库，能够全面了解故障发生的原因、相关案例以及解决措施，其中蕴含的数据模型更是能为水下无人航行器PHM管理提供重大帮助;此外，在其中的PHM管理构建记录有效解决舱体发生故障的解决方式算法等，能够与关键构建部位相互连通，实现对PHM框架的全面掌控;再者，由于岸基信息管理系统中有机械接口装置与信号接口装置，因而能够保障在发生故障时通过机械装置接口向中央控制系统进行维修求助，并且在信号接口装置中能够保持水下无人航行器的构件通信正常，能够实现正常运转、数据交流等[3]。

水下无人航行器PHM重要技术研究

水下无人航行器的工作环境决定了PHM所采用的的技术必须时最为先进的科学技术，才能保障在复杂的海洋环境中完成数据信息的采集工，同时所运用的相关PHM技术必须具备时效性及质量性。在针对水下无人航行器PHM重要技术的相关科研中发现，能够降低异常故障预警的虚假性，减少水下无人航行器的运行维修成本，提高故障预测的精度与准度。

其重要技术如下：

（一）故障时效机制处理技术

将水下无人航行器的附近海域的情况与设备运转情况进行综合看待，首先从构件进行故障检测，引发对应的故障处理信号，从故障发出的信号进行故障位置及程度的确定，利用传感器进行故障的預警处理，能够时效性的针对故障状况。