曲昌琦，毛利民，周 巖，周振威，黃 云

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028; 2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局駐北京地區(qū)第四軍代室,北京 100841;3.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，廣州 510610)

0 引言

PHM是一種利用傳感器以及裝備中采集系統(tǒng)得到的各種數(shù)據(jù)信息，通過基于物理模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動或者基于可靠性模型等算法評估當前裝備的健康狀態(tài)，并在裝備發(fā)生故障之前進行預警以及對裝備使用壽命進行預測，從而優(yōu)化維修決策的一種技術(shù)[1]。PHM可以降低維護成本，提高系統(tǒng)的設計特性，優(yōu)化維修決策機制，并為產(chǎn)品設計和驗證的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和建議決策[2-3]。

從裝備的設計生產(chǎn)、調(diào)試安裝到投產(chǎn)使用以及進入維護的所有階段都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，裝備使用過程中的歷史數(shù)據(jù)信息可對裝備的使用壽命進行初步預判、對可能性故障進行預警；裝備運行過程記錄、異?；蚋婢瘸四芗皶r了解到使用方某時間段內(nèi)的裝備健康情況外，同時還能夠讓設計人員根據(jù)裝備在使用過程中的數(shù)據(jù)以及健康度數(shù)據(jù)，優(yōu)化裝備的生產(chǎn)。

數(shù)據(jù)作為PHM技術(shù)中的關(guān)鍵部分，如果在整個PHM技術(shù)的實現(xiàn)過程中，不能明確哪些數(shù)據(jù)作為輸入部分應用到PHM技術(shù)中，從而導致數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)整合程度低等問題，將會使得PHM技術(shù)的不能準確、有效地為維修保障提供指導[4]。因此需要構(gòu)建出一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，確保數(shù)據(jù)在設計過程、研制過程以及使用過程中的完整性，以及將這一類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、使用時機和產(chǎn)生時機梳理。

目前已有部分國內(nèi)外機構(gòu)針對PHM數(shù)據(jù)體系進行了研究與構(gòu)建，例如有文章針對民機DPHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)和面向民機大數(shù)據(jù)健康管理數(shù)據(jù)架構(gòu)進行深入的研究。然而大部分的數(shù)據(jù)僅僅是針對PHM數(shù)據(jù)的管理維護方面做了探討，并不能清晰地、深入地梳理出現(xiàn)役裝備的設計數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，所以構(gòu)建一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)成為當前極為重要的工作。文章以裝備PHM技術(shù)為背景，貫穿裝備生產(chǎn)制造全壽命周期時間線，基于PHM系統(tǒng)的設備級、區(qū)域級、平臺級數(shù)據(jù)的構(gòu)建、融合為主線，補全PHM數(shù)據(jù)管理維護數(shù)據(jù)，形成一套具有裝備特色的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，完善PHM不同數(shù)據(jù)要素之間的邏輯關(guān)系。

1 PHM數(shù)據(jù)類型

本小節(jié)詳細梳理PHM在數(shù)據(jù)類型，并列出獲取這些類型的數(shù)據(jù)的方式以及手段，具體圖形見圖1。

圖1 PHM數(shù)據(jù)類

1.1 數(shù)據(jù)類型

裝備中的PHM數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類多等特性，包含但不局限于設計生產(chǎn)數(shù)據(jù)、通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)以及決策數(shù)據(jù)：

1)設計數(shù)據(jù)；

2)生產(chǎn)數(shù)據(jù);

3)供應商數(shù)據(jù);

4)備件數(shù)據(jù);

5)運行狀態(tài)數(shù)據(jù);

6)控制狀態(tài)數(shù)據(jù);

7)用戶操作數(shù)據(jù);

8)異常數(shù)據(jù);

9)產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù);

10)故障模式數(shù)據(jù);

11)測試數(shù)據(jù);

12)信號參數(shù)數(shù)據(jù);

13)預測結(jié)果；

14)診斷結(jié)果；

15)狀態(tài)數(shù)據(jù);

16)任務數(shù)據(jù);

17)成本數(shù)據(jù);

18)可靠性數(shù)據(jù);

19)履歷數(shù)據(jù);

20)技術(shù)資料。

這些數(shù)據(jù)類型的產(chǎn)生形式有：

1)裝備設計階段的文件；

2)維護維修等階段填寫的表格；

3)技術(shù)資料的整理；

4)人工記錄發(fā)生故障的故障履歷表；

5)裝備PHM系統(tǒng)計算產(chǎn)生；

6)裝備使用階段的裝備本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時機

1)論證階段：類似型號裝備的數(shù)據(jù)；

2)方案階段：針對需求，確認好數(shù)據(jù)的需求；

3)確認好供應商的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)等；

4)研制階段：設計數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、故障模式數(shù)據(jù)等；

5)使用階段：使用數(shù)據(jù)等。

2 PHM數(shù)據(jù)的特點

2.1 復雜裝備數(shù)據(jù)特點

2.1.1 裝備健康管理數(shù)據(jù)量大

在正向設計完成后，裝備在使用初期過程中數(shù)據(jù)量較少，且具有一定的規(guī)律性，但是隨著時間的推移，裝備的使用數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等會呈指數(shù)增加，如何利用好這些爆炸式增加的數(shù)據(jù)是健康管理的一大難題。

2.1.2 裝備健康管理數(shù)據(jù)的多樣性

裝備健康管理數(shù)據(jù)的多樣性一方面是體現(xiàn)在復雜裝備中系統(tǒng)的多樣性，主要是復雜裝備因?qū)崿F(xiàn)復雜功能而不得不增加的各類機電、液等混合形式的系統(tǒng)，且各系統(tǒng)之間的連接關(guān)系非常復雜，耦合性強。

另一方面是數(shù)據(jù)類別的多樣性：同樣的為了監(jiān)測以及管理好復雜裝備的健康狀態(tài)，健康管理的數(shù)據(jù)也要呈現(xiàn)出多樣化，不僅僅要采集功能數(shù)據(jù)用來判斷當前裝備的功能好壞，同樣要采集一些性能數(shù)據(jù)或者說是間接數(shù)據(jù)，用來體現(xiàn)裝備的健康狀態(tài)；

最后一方面是數(shù)據(jù)維度多樣性：因為數(shù)據(jù)在不同階段有不同的功能數(shù)據(jù)，同樣的也會有控制類的輸入數(shù)據(jù)，裝備本身的通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)，裝備的備品備件數(shù)據(jù)。

2.2 復雜裝備PHM數(shù)據(jù)特點

針對裝備產(chǎn)生的大量的正常使用數(shù)據(jù)，實際上在裝備工作過程中僅僅會產(chǎn)生很小部分故障數(shù)據(jù)或者某些機械、旋轉(zhuǎn)部件的衰退數(shù)據(jù)，那么就有以下兩個難點以待解決：一是如何從龐大的數(shù)據(jù)中甄別哪些是構(gòu)建裝備健康度模型所需的數(shù)據(jù)；二是如何將多樣的數(shù)據(jù)進行融合以及權(quán)重分配，用來表征當前裝備的健康狀況以及壽命曲線。

裝備健康管理數(shù)據(jù)不僅具備復雜裝備產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大、多樣性等特點，還具有如下幾個特點：

1)裝備健康管理數(shù)據(jù)的實時性：對一些實時性要求比較嚴苛的裝備如果數(shù)據(jù)的實時性差，監(jiān)測的狀態(tài)就會有誤導作用，并會在發(fā)生故障的時候不能做出相應的決策從而導致嚴重的損失。

2)裝備健康管理數(shù)據(jù)的準確性：數(shù)據(jù)的準確性非常重要，健康管理數(shù)據(jù)作為源頭如果正確性、準確性不能得到保證會影響最終輸出的決策信息，所以針對采集的數(shù)據(jù)、裝備的控制數(shù)據(jù)以及通用質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)需要確保數(shù)據(jù)準確有效。

3)裝備健康管理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性：裝備在不同階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會有一定的關(guān)聯(lián)性，如何通過不同階段將PHM的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系描述清楚是解決PHM數(shù)據(jù)需求的一項重要工作。

3 PHM的功能及實現(xiàn)

采用健康管理領域應用最為廣泛的OSA-CBM邏輯架構(gòu)。架構(gòu)中主要包含以下8個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲交互、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、預測評估、決策生成以及顯示和應用，如圖2所示。數(shù)據(jù)存儲校核、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和預測評估都是從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行綜合分析和集中顯示，滿足上層的應用需求，最終顯示出來。

圖2 OSA-CBM健康管理功能架構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

收集模擬、數(shù)字和人工錄入的數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字參數(shù)，以表征物理量及其相關(guān)信息。部分數(shù)據(jù)是通過應用系統(tǒng)接口來進行采集，部分數(shù)據(jù)通過導入的方式輸入系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中[5]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

通過濾波、降噪、降低維度等不同方式方法將采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理[6]，將錯誤的數(shù)據(jù)以及冗余的數(shù)據(jù)治理成能適用于狀態(tài)監(jiān)測以及健康評估所需要的數(shù)據(jù)流。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測包括：識別有無故障、判斷狀態(tài)(良好、注意、警告)。該層的任務是依據(jù)數(shù)據(jù)處理層提供的特征參數(shù)采用一定的處理方法如神經(jīng)網(wǎng)絡、模式識別、損傷成像等創(chuàng)建或維護正常狀態(tài)的基線特征，制定各系統(tǒng)不同類型、不同測試狀態(tài)的數(shù)據(jù)判斷閾值和判斷方法，當有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時搜尋異常，確定異常區(qū)域和異常狀態(tài)，判斷和處理測試數(shù)據(jù)，給出數(shù)據(jù)正常與否的結(jié)論，針對異常數(shù)據(jù)給出報警信息。

3.4 健康評估

健康評估是指通過專家系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)學習模型、推理方法等手段評估當前裝備的健康狀態(tài)。通過采集到當前的參數(shù)經(jīng)過縱向比對歷史故障數(shù)據(jù)，對裝備平臺級的性能衰退進行評估，描述一些可能發(fā)生的故障和故障跡象。

3.5 預測評估

預測評估根據(jù)對象目前的健康狀況結(jié)合其使用包線并橫向參照裝備群中其余裝備的狀態(tài)信息以及裝備群體的歷史故障數(shù)據(jù)，采用智能算法模型的方法來對其未來的健康狀態(tài)和失效模式進行評估，展現(xiàn)系統(tǒng)或者裝備本身為了壽命情況，評估系統(tǒng)剩余使用壽命。

3.6 決策生成

在決策功能里，主要是對應急預案、處置經(jīng)驗以及設備預防性維護進行管理，同時通過應急響應進行數(shù)據(jù)聯(lián)動。為使用和維修等決策提供可操作的信息，使裝備的全壽命周期效能最大化。對系統(tǒng)中各種狀態(tài)的監(jiān)測、對設備健康狀態(tài)的預警、各種處置的預案、事后的經(jīng)驗反饋等應用將能明顯提高指揮人員的應急處置能力和應急處置的合理性、及時性、準確性。

3.7 數(shù)據(jù)存儲

采集后的數(shù)據(jù)存儲在服務器的數(shù)據(jù)庫中，使用各個接口機將數(shù)據(jù)傳輸入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以后，需要將所有過程數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，同時為顯示模塊提供Web服務，顯示內(nèi)容可以通過Web服務器來取得數(shù)據(jù)，也可以通過客戶端從實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)，向用戶顯示相關(guān)的圖形或者趨勢以及其它信息。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)通過專用通訊接口的方式接入實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用安全的方式長期保存數(shù)據(jù)，高速處理大容量的過程數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)進行濾波處理、ETL抽取，并進行可視化處理；支持上層的應用軟件進行智能運算。

3.8 顯示和應用

數(shù)據(jù)集中現(xiàn)實平臺數(shù)據(jù)各個功能分系統(tǒng)的最頂層數(shù)據(jù)顯示窗口，為所有軟件系統(tǒng)設計統(tǒng)計、集中的界面展示界面和風格，具體包括：

1)系統(tǒng)集中顯示：對信息進行分類整理，對數(shù)據(jù)界面進行定制；

2)地面設備系統(tǒng)集中顯示：對地面設備系統(tǒng)信息進行分類整理，對數(shù)據(jù)界面進行定制；

3)安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對安防系統(tǒng)的信息進行分類整理，對顯示界面進行定制；

4)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的信息進行分類整理，對顯示界面進行定制；

5)人員系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對人員系統(tǒng)的信息進行分類整理，對顯示界面進行定制。

4 PHM數(shù)據(jù)體系的構(gòu)建

4.1 民機PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

文獻[7]提供了一種面向民機健康管理應用的大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)，該架構(gòu)如圖3所示。底層主要由數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲構(gòu)成，數(shù)據(jù)層體現(xiàn)了飛機的健康數(shù)據(jù)，業(yè)務邏輯層通過對健康數(shù)據(jù)分析研究，運用各種智能算法對飛機的狀態(tài)進行評估，決策輸出層形成健康分析報告與維修派遣決策。該數(shù)據(jù)架構(gòu)展現(xiàn)的是一種傳統(tǒng)的OSA-CBM的架構(gòu)模式，即將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為航空公司可直接識別與應用的維修保障工作指令，與運行控制、維修控制、機務維修等主要業(yè)務流程高度融合，提高航空公司運營效率，節(jié)省經(jīng)濟成本。但是該數(shù)據(jù)架構(gòu)未能完全地體現(xiàn)出不同研制階段數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，以及沒有明確地梳理出不同的設備、區(qū)域以及平臺之間的數(shù)據(jù)導向，僅僅從PHM的功能這一維度進行了描述，不能全面以及全方位地展現(xiàn)出裝備PHM的數(shù)據(jù)體系以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.2 本文數(shù)據(jù)體系研究

本文的PHM數(shù)據(jù)體系分別從3個維度對數(shù)據(jù)需求、數(shù)據(jù)要求、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行了描述：

4.2.1 基于壽命周期維度

從方案階段，以需求為牽引，收集本型號裝備的設計文件、收集對本裝備的具體要求，從論證階段開始就應該對類似型號的健康管理覆蓋情況進行調(diào)研，從而根據(jù)本型號的需求以及以往型號或者其他裝備的健康管理數(shù)據(jù)需求進行綜合，充分論證數(shù)據(jù)需求的必要性。在方案階段應明確哪些設備需要BIT信息，哪些系統(tǒng)應加裝傳感器，并且明確傳感器的安裝位置，制定好安裝實施方案。在研制階段應對數(shù)據(jù)做好限定條件，對數(shù)據(jù)的采集方式、存儲形式、傳輸路徑以及數(shù)學模型搭建選取進行設計實施。在使用階段要做到所有的健康管理數(shù)據(jù)可追溯，在使用過程中對裝備健康管理的數(shù)據(jù)準確性、正確性以及適用性進行外場驗證，對狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果、故障診斷的結(jié)果以及壽命預測的結(jié)果進行驗證。

圖3 面向民機大數(shù)據(jù)健康管理數(shù)據(jù)架構(gòu)

4.2.2 基于物理架構(gòu)維度

從成員級、區(qū)域級和平臺級的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建這一物理架構(gòu)的維度進行研究分析，首先應確定好成員級(關(guān)鍵設備)所需的數(shù)據(jù)，然后確認好傳感器(或者是設備內(nèi)部BIT)的位置，將成員級的數(shù)據(jù)進行映射到區(qū)域級來判定區(qū)域級此時的健康狀態(tài)是否能滿足當前區(qū)域級功能正常工作以及壽命評估，最后通過明確頂層的數(shù)據(jù)關(guān)系，將成員級、區(qū)域級的數(shù)據(jù)信息最終映射到能表達平臺級的健康度指標。

4.2.3 基于不同功能維度

最后一個維度以PHM不同功能進行研究，對不同功能(監(jiān)測、診斷、預測以及決策)的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)特征的提取、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)降維、模型構(gòu)建)，最終達到設備級的監(jiān)測、LRU/系統(tǒng)級的故障診斷以及整個平臺的健康度評估，對關(guān)鍵部件、關(guān)鍵系統(tǒng)以及整個裝備的壽命進行評估。通過實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲分系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)裝備健康狀態(tài)評估，為維修保障人員完成相關(guān)工作提供支持，具體包括以下幾個方面：

1)實時進行設備狀態(tài)評估；

2)綜合利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對設備的健康狀態(tài)變化趨勢進行預測；

3)當裝備狀態(tài)發(fā)生異常時，進行自動報警；

4)在裝備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，能夠進行故障診斷；

5)定期對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進行挖掘處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，完善知識庫。

5 結(jié)束語

PHM非常適合應用于復雜裝備系統(tǒng)當中，它能夠很好地提高裝備綜合保障能力。數(shù)據(jù)在PHM中占據(jù)重要的角色，這篇文章針對裝備PHM數(shù)據(jù)在壽命周期、物理架構(gòu)以及不同功能的維度上進行了深入研究，提出了一種裝備PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，旨在解決不同時期以及不同物理層級之間的數(shù)據(jù)之間關(guān)系不明確的缺點，針對目前裝備PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨立分散，缺乏有效集成的現(xiàn)象，建立一個統(tǒng)一的，涵蓋裝備論證、方案階段、研制階段以及使用階段等全壽命過程的裝備PHM數(shù)據(jù)體系。