呂鎮(zhèn)邦,孫 倩,王 娟,湯幼寧

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

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PHM模型的工程化驗(yàn)證方法研究

呂鎮(zhèn)邦,孫 倩,王 娟,湯幼寧

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

模型驗(yàn)證技術(shù)在故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)系統(tǒng)研制中受到高度重視，特別是如何將驗(yàn)證方法在具體的工程應(yīng)用中體現(xiàn)規(guī)范性、系統(tǒng)性、通用性和實(shí)用性，已成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題；在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)PHM模型驗(yàn)證方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，闡述了故障數(shù)據(jù)獲取方法和故障診斷和預(yù)測(cè)性能指標(biāo)體系，并以機(jī)載診斷模型為例，對(duì)PHM模型驗(yàn)證流程作了詳細(xì)介紹；最后，將此方法應(yīng)用到了PHM驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和具體實(shí)現(xiàn)中，充分體現(xiàn)了PHM模型驗(yàn)證方法的工程化特點(diǎn)。

故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)模型；故障注入；性能指標(biāo)；驗(yàn)證平臺(tái)

0 引言

故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)技術(shù)作為提高新一代武器裝備的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)承受性，實(shí)現(xiàn)自主式保障和視情維修的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)引起各國(guó)軍方和工業(yè)界廣泛關(guān)注，使得對(duì)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的研究深度和廣度不斷擴(kuò)大[1-2]。但在PHM系統(tǒng)的研制過(guò)程中，還存在諸多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，例如系統(tǒng)集成難度大、數(shù)據(jù)及知識(shí)積累不足、驗(yàn)證能力弱等。特別是由于PHM系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)為主要手段，在PHM系統(tǒng)構(gòu)建之初以及部署實(shí)施時(shí)，亟待解決的問(wèn)題就是如何針對(duì)PHM系統(tǒng)模型，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的診斷、預(yù)測(cè)算法的性能等，PHM模型驗(yàn)證由此成為健康系統(tǒng)研制中核心的技術(shù)問(wèn)題。本文在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)PHM模型驗(yàn)證方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，闡述了故障數(shù)據(jù)獲取方法和故障診斷和預(yù)測(cè)性能指標(biāo)體系，并以機(jī)載診斷模型為例，對(duì)模型驗(yàn)證流程作了詳細(xì)介紹。最后，將此方法應(yīng)用到了PHM驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和具體實(shí)現(xiàn)中，充分體現(xiàn)了PHM模型驗(yàn)證方法的工程化特點(diǎn)。

1 研究現(xiàn)狀

隨著PHM技術(shù)的不斷應(yīng)用，針對(duì)PHM系統(tǒng)的技術(shù)要求驗(yàn)證也受到重視并不斷發(fā)展。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和IEEE等許多國(guó)際組織和機(jī)構(gòu)還專(zhuān)門(mén)組建了聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)故障診斷與健康管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)和推廣，由波音等50多家公司和組織組成的機(jī)械信息管理開(kāi)放系統(tǒng)聯(lián)盟(MIMOSA)一直致力于開(kāi)放的使用與維護(hù)信息標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，這為PHM模型驗(yàn)證工作提供了基礎(chǔ)和指導(dǎo)[3-4]。文獻(xiàn)[5]給出了綜合系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)(ISHM)系統(tǒng)的綜合仿真驗(yàn)證體系，如圖1所示。該體系包括飛機(jī)或目標(biāo)系統(tǒng)仿真、機(jī)載PHM處理器、地面ISHM處理器、仿真控制模塊、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)等。

圖1 ISHM系統(tǒng)綜合仿真驗(yàn)證體系

NASA開(kāi)發(fā)的TA-5 IVHM虛擬試驗(yàn)臺(tái)(Integrated Vehicle Test Bed for IVHM, IVTB)主要應(yīng)用于位于加利福尼亞州帕薩迪納市的美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的飛行系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)(FST)，是典型的驗(yàn)證系統(tǒng)，用以演示驗(yàn)證航天器各子系統(tǒng)是否平穩(wěn)運(yùn)行[6]。IVTB的基本運(yùn)行模式包括客戶(hù)端仿真系統(tǒng)和集成診斷系統(tǒng)，分別用于產(chǎn)生所需的虛擬傳感器信號(hào)，并基于傳感器信號(hào)進(jìn)行故障診斷。美國(guó)空軍大學(xué)正在致力于整個(gè)自主保障系統(tǒng)的仿真研究(ALSim)，其關(guān)鍵技術(shù)模塊就是PHM仿真模型?？哲姶髮W(xué)將ALSim應(yīng)用于基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)推理案例并取得了階段性的成果[7]。

2 PHM模型驗(yàn)證方法研究

模型驗(yàn)證利用數(shù)字仿真的形式模擬模型、算法運(yùn)行時(shí)所需要的外部環(huán)境，驗(yàn)證PHM系統(tǒng)中相關(guān)模型、算法的性能，判斷模型、算法的相關(guān)性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求中所涉及的技術(shù)指標(biāo)。

2.1 故障數(shù)據(jù)獲取

故障診斷預(yù)測(cè)算法的驗(yàn)證工作都離不開(kāi)大量對(duì)象系統(tǒng)數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)來(lái)源一般概括為二類(lèi)：一是基于實(shí)物故障注入數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)可以涵蓋已知對(duì)象各種工況、負(fù)載和環(huán)境因素，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，但需要構(gòu)建數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)；二是基于仿真模型數(shù)據(jù)，此類(lèi)數(shù)據(jù)可以按照算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證要求進(jìn)行定制[8]。因?yàn)殡y以對(duì)工況、負(fù)載和環(huán)境因素等進(jìn)行仿真，因此對(duì)于利用專(zhuān)用仿真軟件仿真得到的數(shù)據(jù)真實(shí)性通常無(wú)法保證。然而，在多數(shù)情況下，被驗(yàn)證對(duì)象難以注入故障，特別是交付驗(yàn)收的定型產(chǎn)品，幾乎無(wú)法通過(guò)真實(shí)的、大量的故障注入對(duì)其測(cè)試性設(shè)計(jì)效果做出判斷和對(duì)PHM指標(biāo)進(jìn)行考核，對(duì)這樣的產(chǎn)品開(kāi)展能力驗(yàn)證試驗(yàn)，必須能模擬出故障信號(hào)的真實(shí)產(chǎn)生和傳輸過(guò)程?；诜抡婺Ｐ凸收献⑷牖玖鞒倘鐖D2所示。

圖2 基于仿真模型故障注入基本流程圖

2.2 故障診斷與預(yù)測(cè)性能指標(biāo)

在PHM模型的度量評(píng)價(jià)階段，分別從故障診斷能力及故障預(yù)測(cè)能力兩方面開(kāi)展相應(yīng)的驗(yàn)證工作，根據(jù)所選取的驗(yàn)證算法的不同分別選取相應(yīng)的度量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行PHM能力驗(yàn)證，最后將驗(yàn)證結(jié)果與規(guī)定值進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行合格判定，給出驗(yàn)證結(jié)論。故障診斷與預(yù)測(cè)能力的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 故障診斷與預(yù)測(cè)性能指標(biāo)體系

根據(jù)故障診斷與預(yù)測(cè)能力與使用保障的影響關(guān)系，進(jìn)行故障診斷與預(yù)測(cè)能力功能需求分析?？紤]及時(shí)性和準(zhǔn)確性需求，分析建立故障診斷定量要求通常利用基于故障檢測(cè)事件的決策矩陣來(lái)計(jì)算。基于該決策矩陣計(jì)算出的具體度量如下：成功檢測(cè)率(POD)、誤報(bào)率(POFA)、準(zhǔn)確度(Accuracy)、接受者操作特性曲線(xiàn)、檢測(cè)門(mén)限(Detection Threshold)、總體置信度(Overall Confidence)、穩(wěn)定性(Stability)、工況敏感度(Duty sensitivity)、噪聲敏感度(Noise Sensitivity)等。預(yù)測(cè)能力的具體度量包括準(zhǔn)確度(Accuracy)、精度(Precision)、預(yù)測(cè)至失效時(shí)間(Time To Failure, TTF)的及時(shí)性、預(yù)測(cè)置信度(Confidence)、相似度(Similarity)、靈敏度(Sensitivity)等。

2.3 模型驗(yàn)證流程

這里以機(jī)載診斷模型為例，闡述診斷模型的驗(yàn)證流程。機(jī)載診斷模型和推理機(jī)駐留在虛擬機(jī)載平臺(tái)中，由仿真工具提供故障數(shù)據(jù)注入。PHM驗(yàn)證平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)回收、顯示診斷結(jié)果，診斷結(jié)果主要包括：配置信息、已檢測(cè)故障、未檢測(cè)故障、模糊組等。最后將模型輸出結(jié)果與用戶(hù)預(yù)期故障模式進(jìn)行對(duì)比分析、計(jì)算診斷模型的檢測(cè)率、隔離率、虛警率等性能指標(biāo)，進(jìn)而完成模型的診斷能力評(píng)價(jià)。

機(jī)載故障診斷模型驗(yàn)證流程如圖4所示。

圖4 機(jī)載故障診斷模型驗(yàn)證流程

1)將xml格式的模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)；

2)將與模型配套的仿真配置文件、仿真腳本文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)；

3)通過(guò)模型驗(yàn)證配置界面，選擇待驗(yàn)證模型、仿真配置文件、仿真腳本，并填寫(xiě)模型預(yù)期輸出結(jié)果；

4)對(duì)已配置的模型驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行完整性檢查，如果檢查通過(guò)，進(jìn)行模型驗(yàn)證，否則用戶(hù)根據(jù)平臺(tái)反饋的錯(cuò)誤信息進(jìn)行修改；

5)模型驗(yàn)證過(guò)程中，通過(guò)仿真工具實(shí)時(shí)注入模型驗(yàn)證所需的仿真數(shù)據(jù)，并通過(guò)進(jìn)度條或狀態(tài)指示燈顯示模型驗(yàn)證狀態(tài)；

6)驗(yàn)證結(jié)束后，顯示模型輸出結(jié)果及各項(xiàng)性能指標(biāo)；

對(duì)于第三方商用軟件(如Matlab、LabVIEW 等)的模型、算法驗(yàn)證，則將其統(tǒng)一封裝為可執(zhí)行程序exe形式，模型、算法的加載統(tǒng)一在PHM驗(yàn)證平臺(tái)中完成，并以圖形化方式提供對(duì)模型輸入、輸出接口的統(tǒng)一定義描述。故障注入支持仿真工具、歷史文件數(shù)據(jù)兩種仿真數(shù)據(jù)注入方式。針對(duì)診斷模型，提供對(duì)模型的檢測(cè)率、隔離率、虛警率等性能指標(biāo)的計(jì)算；針對(duì)趨勢(shì)分析模型，提供對(duì)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和預(yù)測(cè)成功率等指標(biāo)的計(jì)算；針對(duì)健康評(píng)估模型，提供對(duì)評(píng)估模型的余壽置信度、健康狀態(tài)準(zhǔn)確度指標(biāo)的計(jì)算。

3 PHM驗(yàn)證平臺(tái)

PHM驗(yàn)證平臺(tái)是體現(xiàn)模型驗(yàn)證工程化的典型應(yīng)用。PHM模型驗(yàn)證的工程化主要體現(xiàn)在規(guī)范性、系統(tǒng)性、通用性、實(shí)用性4個(gè)方面。

1)規(guī)范性：嚴(yán)格按照OSA-CBM、IEEE1232等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義數(shù)據(jù)接口；

2)系統(tǒng)性：驗(yàn)證流程貫通數(shù)據(jù)流和工作流，整合集成相關(guān)工具；

3)通用性：驗(yàn)證方法盡可能覆蓋不同的系統(tǒng)和設(shè)備，具有普遍適用性；

4)實(shí)用性：所采用驗(yàn)證方法已具備一定的技術(shù)成熟度，并通過(guò)提供圖形化引導(dǎo)方式，便于模型驗(yàn)證者使用。

PHM驗(yàn)證平臺(tái)為模型的驗(yàn)證提供圖形化的引導(dǎo)式操作支持，允許用戶(hù)選擇、組合執(zhí)行被驗(yàn)證模型、算法，以及驗(yàn)證所需的仿真配置或歷史文件，通過(guò)表格、雷達(dá)圖、扇形圖、曲線(xiàn)圖等圖形方式顯示驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果。支持對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的報(bào)告導(dǎo)出功能,并為驗(yàn)證過(guò)程提供過(guò)程控制和配置管理，方便用戶(hù)查看歷史驗(yàn)證結(jié)果。

PHM驗(yàn)證平臺(tái)用于支持航電系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等非航電系統(tǒng)的PHM模型仿真驗(yàn)證工作。

3.1 平臺(tái)功能介紹

PHM驗(yàn)證平臺(tái)主要提供數(shù)據(jù)管理和仿真驗(yàn)證兩方面功能。對(duì)各功能要求如下。

1)數(shù)據(jù)管理功能：數(shù)據(jù)管理功能是為仿真驗(yàn)證功能提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)管理功能通過(guò)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理和特征提取，使其具有統(tǒng)一的格式和完整屬性；對(duì)驗(yàn)證過(guò)程及相關(guān)數(shù)據(jù)、以及模型和算法的統(tǒng)一管理；根據(jù)接口定義文檔實(shí)現(xiàn)對(duì)ICD信息數(shù)據(jù)、“四性”數(shù)據(jù)、產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)的處理，為模型的驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

2)仿真驗(yàn)證功能：驗(yàn)證模型和算法的正確性，以及進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與性能評(píng)價(jià)，判斷其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求中所涉及的技術(shù)指標(biāo)。

PHM驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 PHM驗(yàn)證平臺(tái)的組成結(jié)構(gòu)

3.2 操作視圖設(shè)計(jì)

航電系統(tǒng)主要針對(duì)故障方程和故障數(shù)據(jù)字典兩種形式的診斷模型進(jìn)行驗(yàn)證。

航電系統(tǒng)的診斷模型驗(yàn)證配置過(guò)程主要包括對(duì)以下數(shù)據(jù)的配置：

1)設(shè)備名稱(chēng)；2)模型類(lèi)型選擇；3)模型選擇；4)仿真配置文件選擇；5)仿真腳本選擇；6)預(yù)期觸發(fā)故障模式設(shè)置。航電系統(tǒng)的PHM模型。仿真驗(yàn)證結(jié)果以扇形圖和表格的形式對(duì)故障結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，驗(yàn)證結(jié)果主要包括以下數(shù)據(jù)：

1)故障診斷配置項(xiàng)；2)已檢測(cè)故障列表；3)未檢測(cè)故障列表；4)模糊組；5)檢測(cè)率、隔離率、虛警率。

地面PHM模型驗(yàn)證系統(tǒng)主要針對(duì)Matlab、LabVIEW 等形式的模型、算法進(jìn)行驗(yàn)證。

地面PHM系統(tǒng)的模型驗(yàn)證配置過(guò)程主要包括對(duì)以下數(shù)據(jù)的配置：

1)設(shè)備名稱(chēng)；2)模型選擇；3)模型輸入、輸出接口配置；4)模型預(yù)期值設(shè)置；5)驗(yàn)證指標(biāo)選擇；6)模型輸出文件解析規(guī)則定義。

地面PHM模型。仿真驗(yàn)證結(jié)果以梯形圖、曲線(xiàn)圖和表格的形式對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，驗(yàn)證結(jié)果主要包括以下數(shù)據(jù)：

1)模型驗(yàn)證配置項(xiàng)；2)模型輸出結(jié)果；3)診斷模型的檢測(cè)率、隔離率、虛警率；4)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和預(yù)測(cè)成功率；5)健康評(píng)估模型的余壽置信度、健康狀態(tài)準(zhǔn)確度。

4 總結(jié)

本文對(duì)PHM模型驗(yàn)證方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并將其應(yīng)用到PHM驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和具體實(shí)現(xiàn)中，該驗(yàn)證平臺(tái)充分體現(xiàn)規(guī)范性、系統(tǒng)性、通用性和實(shí)用性等工程化特點(diǎn)。但上述方法目前主要應(yīng)用在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷方面，對(duì)于實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估、維修規(guī)劃支持等方面功能的模型驗(yàn)證方法還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究工作。

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[2] 朱 斌,陳 龍,強(qiáng) 弢,等. 美軍F-35戰(zhàn)斗機(jī)PHM體系結(jié)構(gòu)分析[J], 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015,23(1):1-3.

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Research on Prognostic and Health Management (PHM) Model Verification Engineering Process

Lü Zhenbang, Sun Qian, Wang Juan, Tang Youning

(Aeronautic Computing Technique Research Institute, Aviation Industry Corporation of China (AVIC ACTRI), Xi’an 710068,China)

Model validation technology in fault prediction and health management (PHM) system is being developed in high priority, especially how to realize normative, systematic, generality and practicability in engineering applications, has become a technical problem that need to be solved. Based on the analysis of the state of the art at home and aboard, this paper did a systematic research on the PHM model verification process, including the fault data election method, and the diagnostic and prognostic performance metrics. Setting the on-board diagnostic model as an example, the model verification flow is described in detail, which has been used for the design, development, and implementation of the PHM verification platform with engineering characteristics.

prognostic and health management (PHM) model; fault injection; performance metrics; verification platform

2015-11-28；

2016-05-05。

呂鎮(zhèn)邦(1976-)，男，甘肅景泰人，博士，高級(jí)工程師，主要從事故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0281-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.079

V37

A