基于状态评估的相控阵雷达T/R组件维修策略研究论文

基于状态评估的相控阵雷达T /R组件维修策略研究

蒋伟, 王挺, 盛文, 鲁力

(空军预警学院 防空预警装备系, 湖北 武汉 430019)

摘要 :针对大型相控阵雷达T/R组件数量庞大、故障频发,且故障类型与多种检测参数有关的特点,提出了一种基于状态评估的T/R组件维修策略。根据T/R组件各测试数据之间的关联规则,构建了T/R组件的综合状态量和单项状态量集;针对常权重系数不能准确反映T/R组件真实工作状态的问题,引入均衡函数,并计算出了各综合状态量的变权重系数,建立了一种较为准确、客观的大型相控阵雷达T/R组件状态评估方法;根据相控阵雷达的参数指标确定了T/R组件的维修阈值,最终对机内自检检测的故障T/R组件进行状态评估,并对评分低于60分的T/R组件进行换件维修。实例计算结果表明,该评估方法和维修策略具有较高的可行性,能够充分发挥T/R组件的剩余寿命价值,对提高装备的保障效能具有重要意义。

关键词 : T/R组件; 状态评估; 维修策略; 关联规则; 变权重系数; 综合状态量; 单项状态量

0 引言

大型相控阵雷达与传统机械扫描雷达相比,最显著的特点是其波束具有无惯性快速扫描能力,此特点缓解了目标容量与数据率之间的矛盾,为远程、高速高机动目标的搜索跟踪提供了有效的技术途径[1-6]。作为实现快速扫描能力的重要元器件,T/R组件数量庞大、价格昂贵,故障发生与多种因素相关,因此选取合适的维修策略更换故障单元,对充分发挥T/R组件的剩余寿命价值、提高装备的保障效能具有重要的意义。

由于大型相控阵雷达天线阵面T/R组件数量庞大,少数T/R组件失效并不影响装备的性能,只有当失效数量达到一定阈值时,才对装备的性能产生影响,且T/R组件失效数量阈值m 与所需满足的参数指标要求密切相关,因此可以将该系统视为典型的冗余(k /N )系统进行维修策略选取,k /N 系统是使总数量为N 、正常工作部件数量至少为k 时才能正常运行的系统。当前针对k /N 系统的研究文献很多,按其维修的方式主要可以分为周期性维修策略、故障件立即更换维修策略、m 维修策略以及周期性和m 维修组合策略,按维修后装备的维修程度又可分为不完全维修、最小维修以及完全维修。例如文献[7]以装备的使用可用度和维修费用率为优化目标,建立了一种任意寿命分布的k /N 系统定时维修模型;文献[8]以备件费用和备件满足率为优化目标,建立了元器件坏一件就换一件的k /N 系统维修模型;文献[9]根据故障历史数据建立了一种两级维修体制下的定数k /N 系统维修模型;文献[10]建立了一种以换件维修周期和故障数量为求解变量的组合k /N 系统维修模型。上述文献有一个共同特点是以设备内部的机内自检 (BIT)数据为主要依据,若幅度值超过门限值就认定元器件损坏,并未考虑到幅度值在临界边界或者BIT自检时产生误差数据这一情况。因此本文首先根据BIT自检数据,当T/R组件故障数量达到阈值时,装备停机利用自动测试系统对BIT自检时的故障T/R组件的各项参数进行测试,并利用各测试数据之间的关联规则以及变权重思想对BIT自检时的故障T/R组件进行状态评估,对分值低于60分的故障T/R组件进行换件维修。

1 相控阵雷达T/R组件状态量的构建

大型相控阵雷达装备的T/R组件价格昂贵、结构复杂,受自身故障率参数、外界环境等多重因素影响,且每天的故障数量较易出现波动,要对T/R组件的状态进行全面准确的评估就需要选取具有代表性且能够及时反映T/R组件工作状况的状态变量。根据传统经验以及装备实际运行时T/R组件主要的故障类型,将T/R组件的故障综合状态量表达为集合S ,S ={发射通道故障、接收通道故障、收/发公用部分故障}。

由于在装备实际运行中,通常以常规地面自动测试试验来初步判断T/R组件的运行状态,本文选用与常规地面自动测试试验密切相关的状态量进行客观评估。同时为了防止相似类型故障之间的混淆,利用装备地面联测的一套自动测试系统对T/R组件进行检测,并进行整理归纳,得到如表1所示的T/R组件各综合状态量和单项状态量之间的对应关系。

表1 T/R组件各综合状态量和单项状态量对应表

Tab.1 Mapping table of independent and synthetic status parameters of T/R module

2 基于关联规则的常权重系数模型

大型相控阵雷达T/R组件各状态量权重系数的确定一直是一个难点、热点问题,目前在权重系数确定领域主要有基于粗糙集的权重确定方法[11-12]、利用信息熵的权重确定方法[13-14]、利用相似系数的权重确定方法[15-16]、利用灰色关联分析的权重确定方法以及层次分析方法。粗糙集理论的最大特点是在数据处理过程中不需要任何先验知识,受外界影响因素较小,但最大的缺点是精度不高;信息熵权重确定方法的特点是将许多离散事件用出现概率表示,但该方法中出现概率难以确定。层次分析法和相似系数法同为主观赋权法,层次分析法是将多因素按隶属关系进行分层,然后通过两两比较确定各个因素的重要性,最后综合专家的意见确定各因素的权重;相似系数法主要通过总结相似规律并对专家的意见进行整理,使专家的意见更具客观性,这两种方法的缺点是当评价指标因素较多时,专家容易产生模糊判断。为能够以大量历史故障数据为基础,避免专家因评价指标较多而出现模糊判断,本文提出了一种基于关联规则的多指标权重确定方法。

关联规则是在同一事件中寻找各要素之间的关联性,即找出该事件中经常出现项的所有子集以及项与项之间的关联性。假设D ={d 1,d 2,d 3,…,d M }表示M 个不同项的集合,而集合I ={i 1,i 2,i 3,…,i O }是针对集合D 中的所有事务的集合,且当中每一个事务i O 都是D 的子集,通常将含有多个项的集合称为项集,如果一个项集中有K 个项,则称为K -项集。假设项集X 和Y 是集合D 的子集,即X ⊂D 、Y ⊂D ,并且X ∩Y =∅,则可用符号X →Y 表示项集X 和Y 之间的关联规则,其中可以用支持度和置信度这两个参量来表示关联规则的关联强度。在关联规则X →Y 中,支持度是在数据库D 中X 和Y 出现的频率,即支持度

在财务管理过程中的预算执行力度上,主要存在两个方面问题,一是较为随意的中学预算执行,在预算编制被批准的基础上,各个部门就要配合财务部门进行预算执行,但往往在预算执行的过程中,由于前期的预算编制中存在一定问题,导致预算在执行过程中遇到阻碍,这时,一些相关的财务执行人员就会依靠自己的意愿,去对资金进行分配使用,导致预算执行力度出现比较随意的现象,影响了预算的执行力度;二是较为缓慢的中学预算执行。财务部门在预算编制完成的基础上,还需要上级部门的层层审批才可以进行预算执行,较为缓慢地执行影响了财务工作的有效进展。

3)基于关联规则并利用足够量的历史经验数据,计算出各综合状态量对应的单项状态量常权重系数λ ij .

S (X →Y )=P (X ∪Y ).

(1)

置信度是在数据库D 中,在包含X 的前提下Y 出现的频率,即置信度

需要强调的是,这里所指的是合理控制成本,而非一味地追求低廉成本。合理控制成本就是在满足用户功能需求的前提下,要找到产品最佳的性价比。高技术全智能小型专项农具是理想化的解决方案,但其高昂的价格是很难被使用者接受的。另外,在设计伊始就要全面考虑产品寿命周期费用,产品的使用费用、维修保养费用都将直接影响用户的接受程度。所以,结实耐用和易于维修保养是小型专项农具设计的又一目标。

(2)

支持度越接近1,表明条件X 和结果Y 的关联程度越高,置信度越高表明关联规则的可信度越高。

应用关联规则求解大型相控阵雷达T/R组件各参数的权重时,首先要对其支持度进行计算,可记为:1)数据库D i ={第i 个综合状态量超标};2)X ij ={第i 个综合状态量中第j 个单项状态量超标};3)Y i ={第i 类型故障发生}=D i .

由(1)式可知,X ij →Y i 的支持度可以表示为

S (X ij →Y i )=P (X ij ∪Y i )=

(3)

式中:δ (X ij ∪Y i )为在数据库D i 中X ij 和Y i 出现的频数。

由(3)式可知项集Y i 和数据库D i 等同,这是因为某项故障发生和某项综合状态量超标存在对应关系,虽然是不同的事件,但在概率学上等同。

1.治疗药物常用氟苯尼考,其口服量为每天20~30 mg/kg体重,分2~3次内服;肌注量为每天10 ~30 mg/kg体重,分2~3次注射,连用4~5 d,如果病情较重的,可多用2~3 d。

由于受使用条件、燃油质量、零部件寿命和隐性故障的限制,单靠喷油器来控制燃油喷射量很难满足尾气排放要求。为了减少污染,必须加入空燃比的反馈,以形成闭环控制,让燃油喷射量更加精准。

(4)

式中:为第i 个综合状态量的变权重系数;λ i 为第i 个综合状态量的常权重系数;x i 为第i 个综合状态量的评分值;n 为综合状态量的总个数;α 为均衡函数因子,0≤α ≤1.0,其具体取值取决于各综合状态量的权重大小,当对各综合状态量的权重大小程度要求不高时,通常取α ≥0.5,当某一综合状态量严重超出指标范围,且严重影响T/R组件的性能时取α <0.5,当α =1.0时,等同于常权重函数模型。变权重函数模型的突出优点为,用多个综合状态量表征T/R组件的工作性能时,若其中一个综合状态量严重超出正常范围,则能够根据(6)式自动对权重进行调节,通过其具体评分能够进行判断,评分值越低,其权重系数上升越多,从而T/R组件的整体评分越低,能够较准确地表征T/R组件的实际运行状况。

张家界旅游演艺在发展的过程中,宣传渠道单一,调研力度不够,创新水平不够。如《梦幻张家界》未对演艺场所的选址做好调研,并未对发生的情况进行及时的调整,在经营不到一年的时间里就停止演出。

(5)

式中:λ ij 为第i 项综合状态量中第j 项单项状态量的常权重系数;C ij 为第i 项综合状态量中第j 项单项状态量的置信度;N i 为第i 项综合状态量中单项状态量的个数。

以表1中“发射通道故障”这个综合状态量为例,对其下属6个单项状态量的常权重系数进行计算,其中6个单项状态量:发射通道输出功率、输出功率带内平坦度、发射通道增益、发射通道驻波、发射通道杂散、发射通道谐波分别记为X 11、X 12、X 13、X 14、X 15、X 16. 发射通道故障记为Y 1,假设发射通道状态数据库D 1中有225组故障数据,在这225组故障数据中,发射通道输出功率、输出功率带内平坦度、发射通道增益、发射通道驻波、发射通道杂散、发射通道谐波超标或未达指标次数分别为221、202、215、198、192、170,而发射通道输出功率、输出功率带内平坦度、发射通道增益、发射通道驻波、发射通道杂散、发射通道谐波的总超标或未达指标次数分别为238、295、305、300、252、306,则用符号可以表示为:|Y 1|=225;δ (X 11)=238;δ (X 12)=295;δ (X 13)=305;δ (X 14)=300;δ (X 15)=252;δ (X 16)=306;δ (X 11∪Y 1)=221;δ (X 12∪Y 1)=202;δ (X 13∪Y 1)=215;δ (X 14∪Y 1)=198;δ (X 15∪Y 1)=192;δ (X 16∪Y 1)=170.

根据(4)式可以计算出发射通道输出功率的置信度为同样按照此方法可以求出输出功率带内平坦度、发射通道增益、发射通道驻波、发射通道杂散、发射通道谐波的置信度分别为:C 12=68.47%,C 13=70.49%,C 14=66%,C 15=76.19%,C 16=55.55%.

然后根据(5)式可以求出发射通道输出功率、输出功率带内平坦度、发射通道增益、发射通道驻波、发射通道杂散、发射通道谐波的常权重系数为:λ 11=21.62%,λ 12=15.94%,λ 13=16.41%,λ 14=15.36%,λ 15=17.74%,λ 16=12.93%.

3 变权重系数模型

3.1 传统常权重系数模型存在的缺陷

运用关联规则求解常权重系数在一定程度上能够避免其他主观评价法中专家因评价指标较多而出现模糊判断的情况,但求解的常权重系数不会随着相控阵雷达T/R组件的状态变化而随之改变,即当T/R组件的某一状态量数值严重超出正常范围时,如果仅仅根据常权重系数来评价T/R组件的状态,则可能会因为该状态量所占比例并不高,T/R组件的最终评价结果仍处于正常水平,因此常权重模型有其缺陷,并不能准确评估T/R组件的状态。

3.2 变权重方法模型

为了能够准确评估T/R组件的工作状态,本文引入文献[17]所采用的均衡函数,得到变权公式为

(6)

根据(4)式可以计算出各综合状态量中单项状态量的置信度,对综合状态量中单项状态量的置信度进行比较,就可以得出各单项状态量的常权重系数,即

4T /R 组件状态评估及维修流程

根据第3节基于关联规则的变权重系数模型,可以建立一套完整的T/R组件状态评估方法及维修流程,如图1所示。

同样,根据(2)式可知,X ij →Y i 的置信度可以表示为

图1T /R 组件状态评估方法及维修流程
Fig .1Assessment method and maintenance process of T /R module

具体的流程为:

1)对T/R组件的试验数据进行采集,获取表1中对应的各单项状态量数据。

在完成了以上两个步骤后,目标图像的质量已经可以满足分析和识别的要求,开始进入了电力设备原件的识别阶段。在识别电力设备时,如果采用模版匹配模型的识别方法无疑是极为低效的,不利于电力设备检测能力的提升,因此,可以通过序贯相似性检测算法来进行电力设备识别工作。

2)采集足够量的历史经验数据,要求该数据与实际T/R组件工作环境类似,且故障类型可定位到综合状态量。

阿箬笑盈盈靠近青樱,极力压抑着喜悦之情,一脸隐秘:“自小主入了潜邸,皇上最宠爱的就是您,哪怕是福晋主子也比不上。高小主虽然也是侧福晋,但她起先不过是个格格,后来才被封的侧福晋,如何比得上您尊贵荣耀?”

可是他们已经来到了万花谷,总有一天,大家会重新相聚在一起,不是吗?吴耕你在聋哑村好好练功夫,我们得空会去看望你的!

式中:x ij 为第i 项综合状态量中第j 项单项状态量的评分值,当x ij <0时取x ij =0,当x ij >100时取x ij =100;z 1为单项状态量的临界警告值,若没给出警告值而给出注意值z 2,则z 1=1.3z 2(测试值越大越严重)或者z 1=z 2/1.3(测试值越小越严重);z ij 为本次待评价单项状态量的实际测试值;z 0为单项状态量的初始值。

5)分别计算各综合状态量中单项状态量的评分值,可用(7)式[18]进行表示:

(2)金融支持城镇化建设的组织体系有待完善。国家为保障城镇化建设的顺利开展,通过相关的金融机构利用金融工具进行系列的金融服务。金融体系的常态化发展能够表现出城镇化发展过程中正常的金融需求。当前,我国有政策性银行、商业银行、农村合作金融三类性质的金融机构体系,依次在提供保障性购销贷款、信贷业务、零售、农村金融等领域提供金融服务。

(7)

4)本文考虑到综合状态量能够较准确地表征T/R组件的工作状态,因此综合状态量的常权重系数取其平均值,即λ i =1/n ,即各综合状态量的常权重系数为1/3.

6)根据各综合状态量中单项状态量的评分值和常权重系数,可得各综合状态量的评分值:

(8)

7)根据各综合状态量的评分值以及(6)式,可以计算出T/R组件各综合状态量的变权重系数。

8)根据各综合状态量的评分以及变权重系数,可以求得各T/R组件的最终评分值:

(9)

9)根据T/R组件的最终评分来判断其运行情况,并确定相应的维修策略。本文考虑到为了能够充分发挥T/R组件的剩余寿命,决定在BIT自检时的m 个故障T/R组件中对评分值低于60分的T/R组件进行换件维修,根据专家经验可以将T/R组件的运行状况用0~100分的数值进行分段表示,具体的T/R组件运行情况与分值对应如表2所示。

表2 T/R组件运行状况与分值对应表

Tab.2 Mapping table of score and operating state of T/R module

5 实例仿真分析

为了验证本文基于T/R组件状态评估所建立维修模型的可行性和有效性,以某型相控阵雷达为例进行分析,已知该相控阵雷达T/R组件总数量为1 600个,为满足参数指标要求,该相控阵天线系统可以视为一个1 390/1 600的k /N 系统,即当天线阵面上BIT检测失效T/R组件数量m =210时,装备开始停机维修。

某次装备停机时,利用T/R组件自动测试系统对BIT显示的故障T/R组件进行在线测试,得到如表3所示的单项状态量测试数据,其中接收通道增益控制范围这一项需要取平均后再按(7)式进行计算。

表3 单项状态量测试数据

Tab.3 Test data of independent status parameters

常权重系数表征的是各单项状态量在综合状态量中的重要性程度,其值与故障样本数据密切相关,故障数据越充足,常权重系数的可信度越高。本文以与T/R组件运行环境类似的600组故障数据为样本,基于关联规则分别计算出了各单项状态量的支持度和常权重系数,具体结果如表4所示。

从表4可以看出,各单项状态量的支持度都在0.75以上,且部分数据非常接近1.00,表明本文所建立的方法具有一定的科学性。然后按照步骤5~步骤9最终可计算出各综合状态量的评分值和变权重系数,具体结果如表5所示。

(1)研究区含矿层位罗安群RSF和RSC中发育的硅质岩SiO2平均含量为82.12×10-2,Fe-Mn-Al和SiO2/Al2O3 - Al2O3判别图解表明硅质岩为非纯热水沉积成因,沉积时有陆源碎屑沉积物混入。

最后将表5中的数据代入(9)式,可得该T/R组件的最终评分值为41.513,查看表2可知,该T/R组件的工作状态为异常。根据本文提出的维修策略,当BIT设备检测到天线阵面有故障T/R组件为210个时,装备开始停机维修,由于数量较大,不一一列出每个T/R组件的状态量评分值,只列出210个T/R组件中运行状况和数量的对应关系,具体如表6所示。

表4 各单项状态量的支持度和常权重系数

Tab.4 Support degrees and constant weight coefficients of independent status parameters

表5 综合状态量的评分值与变权重系数

Tab.5 Scores and variable weight coefficients of synthetic status parameters

表6 210组数据样本的运行状况

Tab.6 Operating states of 210 data samples

分析表6的结果可知,210组数据中,有60组数据的状态评分为严重,146组数据的状态为异常,14组数据的状态为注意。因此根据维修策略,将206组状态为严重和异常的T/R组件进行更换,对14组注意状态的T/R组件先不更换继续让其运行,充分发挥T/R组件的剩余寿命价值。

6 结论

本文以大型相控阵雷达T/R组件为研究对象,提出了一种基于状态评估的T/R组件维修策略。本文所做工作及结论如下:

1)根据T/R组件各测试数据之间的关联规则,构建了T/R组件的综合状态量和单项状态量集。

2)以综合状态量和单项状态量集为基础,建立了一种较为准确、客观的大型相控阵雷达T/R组件状态评估方法。

妈坐在医院走廊上哭得快要虚脱,爸咆哮着:“你就是妇人之心!丫头的命比啥都重要!能活着就行!她没人要我们养她!”我在病床上哭成了泪人。

3)以210个T/R组件状态数据为例,对其中评分值低于60分的T/R组件进行换件维修,实例结果表明该评估方法和维修策略合理可行,提高了T/R组件的使用效率,对进一步提高装备的保障效能具有重要的意义。由于本文在分析时主要用失效阈值对天线性能进行评估,未分析T/R组件故障构型对天线性能的影响,下一步将对T/R组件的故障构型这一因素进行深入分析研究。

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Research on Condition -assessment -based Maintenance Strategy for T /R Module of Phased Array Radar

JIANG Wei, WANG Ting, SHENG Wen, LU Li

(Department of Air-Defense Early Warning Equipment, Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019, Hubei, China)

Abstract : A condition-assessment-based maintenance strategy of T/R module is presented for the large number and frequent malfunctions of phased array radar T/R module and the fault type related to a variety of detection parameters. The synthetic and independent status parameters are established according to the association rule of each test data. In view of the fact that the constant weight coefficient can’t reflect the actual working status of T/R module accurately, a balanced function is introduced to calculate the variable weight coefficient of synthetic status parameters, an objective and accurate status assessment method of phased array radar T/R module is established, and the maintenance threshold of T/R module is determined by the tactical index of phased array radar. The proposed method is used to evaluate the fault T/R modules which are detected by built in test(BIT),and the fault T/R modules which score is less than 60 points are replaced with the new T/R modules. The calculated results show that the assessment method and maintenance strategy have high feasibility, and make full use of the surplus value of T/R module, which are of great importance to improve the support effectiveness of equipment.

Keywords : T/R module; condition assessment; maintenance strategy ;association rule; variable weight coefficient; synthetic status parameter; independent status parameter

中图分类号 : TN958.92; E92

文献标志码: A

文章编号: 1000-1093(2019)01-0182-07

DOI :10.3969/j.issn.1000-1093.2019.01.021

收稿日期 :2018-05-14

基金项目 :武器装备预先研究项目(KJ2012225)

作者简介 :蒋伟(1989—),男,博士研究生。E-mail:514293712@qq.com

通信作者 :盛文(1966—),男,教授,博士生导师。E-mail:sheng_wen@263.net

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基于状态评估的相控阵雷达T/R组件维修策略研究论文
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