杜 寶， 祝青鈺， 曾照洋， 蔣覺義， 喬 麗

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028； 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

當(dāng)前，我國航空裝備的飛行器綜合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)工作存在以下突出問題。

(1) 故障隔離困難。

航空裝備故障隔離困難，外場通過大量的“串換件”工作來隔離故障的問題一直未得到有效解決，直接導(dǎo)致裝備維修工時(shí)增加，影響裝備的使用[1-2]。故障隔離困難的原因在于各設(shè)備或系統(tǒng)僅利用自身的BIT或傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立診斷，缺乏更高層級(jí)的故障隔離設(shè)計(jì)。

(2) 集成商開展IVHM工作的成本效益低。

對(duì)于故障診斷，系統(tǒng)或整機(jī)的故障診斷依賴于設(shè)備級(jí)的診斷模型，如果設(shè)備級(jí)僅是簡單地顯示BIT結(jié)果和傳感器參數(shù)，并不足以支撐系統(tǒng)或整機(jī)的故障診斷建模。所以對(duì)于集成商來說，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力去分析供應(yīng)商提供的原始設(shè)計(jì)材料，梳理設(shè)備級(jí)故障關(guān)聯(lián)關(guān)系并進(jìn)行集成，再梳理各系統(tǒng)的故障關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)集成。上述故障診斷模型只有不斷迭代，才能提高故障隔離的準(zhǔn)確度。對(duì)于壽命預(yù)測，需要進(jìn)行大量的壽命試驗(yàn)、數(shù)據(jù)挖掘、健康指標(biāo)和預(yù)測指標(biāo)構(gòu)建、預(yù)測建模工作，工作耗時(shí)且技術(shù)難度較大。對(duì)于維修決策，需要針對(duì)每一項(xiàng)故障模式提出相應(yīng)的維修建議、使用建議，也需要專業(yè)人員進(jìn)行大量的分析工作。這些工作的效益在裝備使用的過程中才能逐步顯現(xiàn)出來，但是在方案和研制階段的投入是巨大的。顯然，對(duì)于我國當(dāng)前航空裝備的研制體制來說，集成商沒有足夠的動(dòng)力和精力去獨(dú)立完成上述工作，技術(shù)難度大且成本效益低[3]。

(3) 供應(yīng)商參與IVHM工作存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘。

故障模型是“產(chǎn)品”物理實(shí)體的邏輯抽象，高保真、高精度的模型是準(zhǔn)確隔離故障的必要條件。要想準(zhǔn)確地梳理出“產(chǎn)品”輸入與輸出、輸入與故障、故障與征兆、故障與故障之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，供應(yīng)商需要將其產(chǎn)品的電路原理圖、功能原理圖、設(shè)計(jì)方案等文檔提供給集成商，這就涉及到知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，尤其是商用貨架產(chǎn)品，供應(yīng)商因考慮自身利益而無法直接提供這些原始材料。

為了應(yīng)對(duì)上述普遍性問題，2007年波音鬼怪工廠(Phantom Works)的Kevin Swearingen和Kirby Keller提出了健康就緒組件/系統(tǒng)(Health Ready Components/System)的概念。波音認(rèn)為，作為大型的系統(tǒng)集成商，它很難獨(dú)立完成IVHM系統(tǒng)的開發(fā)，存在技術(shù)難度大、成本高的問題，要實(shí)現(xiàn)可負(fù)擔(dān)得起、功能完善的IVHM系統(tǒng)，必須讓供應(yīng)商參與進(jìn)來。健康就緒組件就是供應(yīng)商和集成商協(xié)作完成IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的橋梁[4]。

本文重點(diǎn)對(duì)健康就緒組件的概念內(nèi)涵進(jìn)行分析，并對(duì)其設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用情況進(jìn)行研究，以期能夠達(dá)到將該概念引入到國內(nèi)IVHM工作中來，為國內(nèi)裝備IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制提供新思路、新方法的目的。

1 健康就緒組件概念內(nèi)涵研究

1.1 IVHM與健康就緒組件的關(guān)系

IVHM是NASA針對(duì)運(yùn)載器飛行安全提出的一項(xiàng)計(jì)劃，是能夠獲取成員級(jí)系統(tǒng)的當(dāng)前或未來健康狀態(tài)，并集成在一個(gè)整合可用資源和運(yùn)營需求框架下的統(tǒng)一化技術(shù)[5]。IVHM發(fā)展的最初動(dòng)機(jī)是針對(duì)飛行器在太空中對(duì)維護(hù)的最高標(biāo)準(zhǔn)需求，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行器故障，采用容錯(cuò)響應(yīng)、故障緩解等方法來提升飛行安全。隨著概念和技術(shù)的不斷完善，IVHM演變?yōu)橐粋€(gè)將飛行器各個(gè)子系統(tǒng)的健康評(píng)估、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、自適應(yīng)容錯(cuò)響應(yīng)、壽命預(yù)測等功能集成為一體，以支撐基于狀態(tài)維護(hù)(Condition Based Maintenance,CBM)的飛行器健康狀態(tài)綜合管理系統(tǒng)[6-7]。SAE IVHM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(HM-1)正在創(chuàng)建一套符合系統(tǒng)工程過程的推薦實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)文件，為裝備IVHM系統(tǒng)全壽命周期各階段的開發(fā)過程提供指導(dǎo)。

本文討論的健康就緒組件涉及IVHM標(biāo)準(zhǔn)體系的JA 6268健康就緒組件設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)信息交換標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，“健康就緒組件”是IVHM的重要組成部分，是成員級(jí)IVHM向區(qū)域級(jí)和平臺(tái)級(jí)IVHM集成的關(guān)鍵[8]。

1.2 健康就緒組件的定義

“健康就緒”一詞考慮了許多因素，涉及在特定設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)或整機(jī)上定義和實(shí)施IVHM。健康就緒組件是指所有能夠提供IVHM功能，以允許它們被集成到系統(tǒng)或平臺(tái)級(jí)IVHM解決方案中的組件[9]。健康就緒組件不僅包括運(yùn)行時(shí)IVHM接口和信息，而且包括關(guān)鍵的IVHM設(shè)計(jì)信息，可通過結(jié)構(gòu)化的方式提供給集成商，來支持更高層級(jí)IVHM功能的實(shí)現(xiàn)和部署，這是該組件最為特殊的地方。

1.3 SAE JA6268 分析

為了協(xié)助供應(yīng)商開發(fā)健康就緒組件，并簡化集成商使用這些功能部署系統(tǒng)級(jí)和平臺(tái)級(jí)IVHM應(yīng)用的過程，HM-1委員會(huì)編制了JA6268《健康就緒組件設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)信息交換》，該標(biāo)準(zhǔn)是具有咨詢性質(zhì)的最佳實(shí)踐和指導(dǎo)文件。JA6268力求提供統(tǒng)一的要求、實(shí)踐和方法，來解決健康就緒組件設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)信息的共享問題，促進(jìn)平臺(tái)級(jí)實(shí)時(shí)通信和IVHM高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)[4]。該標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括：① 健康就緒組件的概念與注意事項(xiàng)；② 健康就緒組件的開發(fā)方法；③ 健康就緒組件設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)交換過程；④ 健康就緒組件運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換過程。該標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于航空航天領(lǐng)域，同樣也適用于車輛領(lǐng)域[8]。

1.4 健康就緒組件的內(nèi)涵剖析

以某型運(yùn)輸直升機(jī)為例，對(duì)比分析直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入健康就緒組件前后的差別，以便從具體應(yīng)用的角度，更加直觀地對(duì)健康就緒組件的內(nèi)涵進(jìn)行分析。

(1) 直升機(jī)健康管理的應(yīng)用現(xiàn)狀。

直升機(jī)健康管理分為機(jī)載部分和地面部分，如圖1所示，其中機(jī)載部分的直升機(jī)完好性與使用監(jiān)測系統(tǒng)(Health and Usage Monitoring System,HUMS)能夠通過采集到的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)旋翼、機(jī)體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行基于“閾值”的簡單狀態(tài)評(píng)估和異常檢測，并通過快取卡將數(shù)據(jù)傳輸回HUMS地面站或PMA，在地面進(jìn)行趨勢分析、狀態(tài)監(jiān)測和精密診斷。除HUMS外，直升機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等航空電子系統(tǒng)自身均具備BIT，能夠進(jìn)行自診斷，并在綜合顯示系統(tǒng)報(bào)出故障模式或自檢狀態(tài)；電源系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等機(jī)電系統(tǒng)也具備BIT，或者可通過傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，并將結(jié)果在機(jī)電管理系統(tǒng)進(jìn)行簡單處理和顯示。

圖1 直升機(jī)健康管理功能現(xiàn)狀

當(dāng)前，直升機(jī)健康管理應(yīng)用現(xiàn)狀的主要問題如下：① 外場故障隔離困難，飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等系統(tǒng)利用自身BIT和傳感器進(jìn)行獨(dú)立診斷，缺乏系統(tǒng)之間甚至是各系統(tǒng)內(nèi)部LRU之間的故障隔離設(shè)計(jì)；② 預(yù)測、維修決策等功能缺失，傳動(dòng)系統(tǒng)各軸承、齒輪等有壽件未能實(shí)現(xiàn)預(yù)測的功能，且各故障模式?jīng)]有給出相應(yīng)的維修決策建議。

(2) 未引入健康就緒組件時(shí)的直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。

IVHM根據(jù)裝備的組成，將健康管理分為成員級(jí)、區(qū)域級(jí)、平臺(tái)級(jí)和企業(yè)級(jí)，本文僅涉及前三者。下面分析在未引入健康就緒組件的情況下，直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的困難。開展直升機(jī)的IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要最大化利用直升機(jī)現(xiàn)有功能，圖2給出了直升機(jī)IVHM系統(tǒng)的一個(gè)示例。

圖2 未引入健康就緒組件時(shí)的直升機(jī)IVHM設(shè)計(jì)示例

整機(jī)集成商負(fù)責(zé)向供應(yīng)商提出區(qū)域級(jí)和成員級(jí)的健康管理功能要求，進(jìn)行直升機(jī)平臺(tái)級(jí)的診斷推理、狀態(tài)監(jiān)測、壽命預(yù)測和維修決策等功能的設(shè)計(jì)，并集成至機(jī)載IVHM系統(tǒng)和地面站。

區(qū)域級(jí)集成商按照整機(jī)集成商的要求，負(fù)責(zé)區(qū)域級(jí)的診斷推理功能的設(shè)計(jì)，并針對(duì)不同的系統(tǒng)，集成至相應(yīng)的區(qū)域管理器中。例如，在機(jī)電管理系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等系統(tǒng)的區(qū)域級(jí)診斷設(shè)計(jì)和集成；在HUMS進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和旋翼系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估和診斷推理；針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，根據(jù)整機(jī)集成商要求，新增區(qū)域級(jí)診斷推理功能。

設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商按照集成商的要求負(fù)責(zé)其產(chǎn)品的健康管理功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，包括BIT設(shè)計(jì)、系統(tǒng)內(nèi)的診斷設(shè)計(jì)、狀態(tài)評(píng)估等，并提供接口供集成商應(yīng)用。

在上述直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，會(huì)存在如下問題。

① 集成商在設(shè)計(jì)區(qū)域級(jí)和平臺(tái)級(jí)診斷推理功能時(shí)，仍需要梳理供應(yīng)商的設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)之間的故障交聯(lián)關(guān)系，工作量和技術(shù)難度都非常大。例如，在機(jī)電管理系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域級(jí)診斷設(shè)計(jì)，需要建立電源系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、防除冰系統(tǒng)等10余個(gè)系統(tǒng)之間的故障關(guān)聯(lián)模型，難度非常大。為了保證故障隔離的準(zhǔn)確性，區(qū)域級(jí)診斷設(shè)計(jì)需要供應(yīng)商提供其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理資料，供應(yīng)商考慮知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自身利益的問題，不會(huì)提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)材料給集成商，這就是IVHM集成中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘問題。

② 集成商在平臺(tái)級(jí)實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測功能時(shí)，例如進(jìn)行直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的壽命預(yù)測，需要進(jìn)行大量的特征挖掘、性能退化、故障注入試驗(yàn)，從成本效益角度來看，這些試驗(yàn)由供應(yīng)商在其產(chǎn)品進(jìn)行可靠性、耐久性等試驗(yàn)時(shí)開展更加合適；集成商在平臺(tái)級(jí)實(shí)現(xiàn)維修決策功能時(shí)，需要針對(duì)每一種故障模式，給出維修建議，這需要開展大量的分析工作，而且也需要供應(yīng)商的參與。

③ 供應(yīng)商已在其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)部分健康管理功能，且假如供應(yīng)商有積極的意愿協(xié)助集成商實(shí)現(xiàn)更加豐富的IVHM功能，存在的問題是目前沒有一致的、可操作的方法來支撐供應(yīng)商向集成商提供數(shù)據(jù)、信息或材料，而健康就緒組件為解決上述問題提供了新思路。

(3) 基于健康就緒組件的直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。

將健康就緒組件引入直升機(jī)IVHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具體示例如圖3所示。

圖3 基于健康就緒組件的直升機(jī)IVHM設(shè)計(jì)示例

健康就緒組件由集成商提出要求，由設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商負(fù)責(zé)功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，包括運(yùn)行時(shí)的接口開發(fā)，以及提供能夠支撐集成商部署和實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的IVHM功能的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。與未引入健康就緒組件時(shí)的差異在于，健康就緒組件包括了結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，例如集成參考模型和語義數(shù)據(jù)(后文有詳細(xì)說明)，這些語義數(shù)據(jù)能夠有力地支撐集成商集成和部署各設(shè)備或系統(tǒng)健康就緒組件的運(yùn)行時(shí)接口提供的BIT等健康管理功能，而集成參考模型則能夠支撐集成商進(jìn)行區(qū)域級(jí)或平臺(tái)級(jí)診斷推理、壽命預(yù)測、維修決策等功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，集成參考模型并未直接將供應(yīng)商產(chǎn)品的原始設(shè)計(jì)材料直接提供給集成商，而是進(jìn)行了抽象和簡化，在一定程度上保障了供應(yīng)商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)利益。

區(qū)域級(jí)或平臺(tái)級(jí)集成商對(duì)各設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商產(chǎn)品提出健康就緒組件的要求，作為其產(chǎn)品的組成部分進(jìn)行交付。集成商能夠通過健康就緒組件獲取各設(shè)備或系統(tǒng)的故障關(guān)聯(lián)模型，通過健康就緒組件的語義數(shù)據(jù)，可較容易地對(duì)各設(shè)備或系統(tǒng)的故障關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域級(jí)或平臺(tái)級(jí)的故障診斷，能夠更加精確地隔離關(guān)聯(lián)故障。健康就緒組件規(guī)范了供應(yīng)商對(duì)其產(chǎn)品的故障診斷設(shè)計(jì)，從而降低了集成商進(jìn)行區(qū)域級(jí)或平臺(tái)級(jí)故障診斷的難度。

平臺(tái)級(jí)集成商通過健康就緒組件的集成參考模型獲取關(guān)鍵部件的退化特征參數(shù)、壽命預(yù)測算法等，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)級(jí)的壽命預(yù)測功能。健康就緒組件中的壽命預(yù)測相關(guān)的參數(shù)、算法由供應(yīng)商進(jìn)行開發(fā)，供應(yīng)商在對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行可靠性、壽命試驗(yàn)的過程中，挖掘產(chǎn)品的性能退化參數(shù)和預(yù)測算法。平臺(tái)級(jí)集成商獲取各設(shè)備或系統(tǒng)故障模式的維修建議，進(jìn)行平臺(tái)級(jí)的維修決策建模。健康就緒組件中的維修建議也由供應(yīng)商分析得出。

健康就緒組件為供應(yīng)商提供了一致的、可操作的方法，支撐供應(yīng)商向集成商提供數(shù)據(jù)、信息或材料，以最具成本效益的方法實(shí)現(xiàn)豐富的區(qū)域級(jí)、平臺(tái)級(jí)IVHM功能。

2 健康就緒組件的開發(fā)方法

2.1 開發(fā)流程

JA6268給出健康就緒組件開發(fā)過程，如圖4所示。

圖4 健康就緒組件開發(fā)的4個(gè)過程[8]

(1) 確定產(chǎn)品固有的IVHM功能。

其一，依據(jù)ISO13374給出的6層功能參考模型，確定供應(yīng)商產(chǎn)品，需要實(shí)現(xiàn)的IVHM功能程度(無功能、數(shù)據(jù)采集(DA)、數(shù)據(jù)處理(DM)、狀態(tài)檢測(SD)、健康評(píng)估(HA)、預(yù)測評(píng)估(PA)和決策生成(AG))，并且關(guān)注所要實(shí)現(xiàn)功能的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)時(shí)部分主要集中在DA、DM和SD這3個(gè)部分，非實(shí)時(shí)部分主要集中在HA、PA和AG。

其二，確定供應(yīng)商希望實(shí)現(xiàn)IVHM功能的可支配的程度(或稱為IVHM的透明度)，或者提供設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以允許這些功能由集成商實(shí)現(xiàn)的程度。透明度等級(jí)包括未提供(供應(yīng)商不會(huì)提供額外數(shù)據(jù))、手動(dòng)格式(供應(yīng)商將提供附加的語義數(shù)據(jù)，但不支持自動(dòng)推理)、自動(dòng)化格式(供應(yīng)商將以支持自動(dòng)推理的格式提供附加的語義數(shù)據(jù))。透明度評(píng)價(jià)從外部模式和內(nèi)部模式兩方面開展，外部模式主要是將外部接口的語義定義清楚，供應(yīng)商一般都會(huì)提供該項(xiàng)內(nèi)容；內(nèi)部模式涉及產(chǎn)品內(nèi)部的故障模式、影響、測試等因素之間的關(guān)系，供應(yīng)商一般不會(huì)主動(dòng)提供該項(xiàng)內(nèi)容，需要集成商主動(dòng)進(jìn)行獲取。

這一步的目的是確定供應(yīng)商需要在其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的IVHM功能，實(shí)時(shí)的功能通過健康就緒組件的運(yùn)行接口來體現(xiàn)，非實(shí)時(shí)功能通過健康就緒組件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來體現(xiàn)，并確定這些功能對(duì)集成商的開放程度。

(2) 定義消息語義。

確定產(chǎn)品的固有IVHM功能后，需要對(duì)消息語義進(jìn)行定義。定義健康就緒組件運(yùn)行時(shí)需要交互的健康管理消息接口，包括運(yùn)行時(shí)上報(bào)的參數(shù)、運(yùn)行模式、狀態(tài)指標(biāo)、健康指標(biāo)等，以支持IVHM接口開發(fā)；實(shí)現(xiàn)不同的功能程度，提供的運(yùn)行時(shí)消息接口也不同，具體如表1所示。定義健康就緒組件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提供的語義，以支持設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)據(jù)、模型集成，設(shè)計(jì)時(shí)語義由供應(yīng)商通過15項(xiàng)表格來提供，包括糾正措施表(包括維修決策)、接口表、參數(shù)表、故障模式表、狀態(tài)指標(biāo)表等，如表2所示[4]。

表1 運(yùn)行時(shí)消息接口

表2 設(shè)計(jì)時(shí)語義

這一步的目的是定義好運(yùn)行時(shí)的接口和設(shè)計(jì)時(shí)的語義，支撐集成商集成成員級(jí)IVHM功能，以及設(shè)計(jì)和部署區(qū)域級(jí)或平臺(tái)級(jí)IVHM功能。

(3) 開發(fā)運(yùn)行時(shí)接口。

遵循相關(guān)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)運(yùn)行時(shí)接口進(jìn)行開發(fā)，可參考規(guī)范有：OSA-CBM(基于狀態(tài)維護(hù)的開放系統(tǒng)架構(gòu))、OSA-EAI(用于企業(yè)應(yīng)用集成的開放系統(tǒng)架構(gòu))、ARINC429/604/624/629(數(shù)字信息傳輸系統(tǒng))、機(jī)內(nèi)測試設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用指南、機(jī)載維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南、MIL-STD-1553等。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都提供了如何對(duì)每種類型的消息進(jìn)行編碼，以及與較高和低級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行交互的指導(dǎo)。

(4) 開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)的主要用途是允許集成商實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商產(chǎn)品本身不提供的IVHM功能。如產(chǎn)品本身不具備預(yù)測功能，則應(yīng)向集成商提供可靠性鑒定試驗(yàn)過程中全壽命周期的性能退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能需要在可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上新增測試參數(shù)，以支持特征提取、狀態(tài)指標(biāo)、健康指標(biāo)和預(yù)測算法開發(fā)。設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)通過集成參考模型來體現(xiàn)，這也是健康就緒組件最核心的內(nèi)容。

2.2 基于集成參考模型的設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)交換

健康就緒組件的設(shè)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)用于支撐集成參考模型(Integrated Reference Model,IRM)的構(gòu)建，該模型由故障模型、處理模型和決策建議模型組成，下面以“油泵”為例進(jìn)行說明。

(1) 故障模型。

故障模型是建立故障診斷模型的基礎(chǔ)，是故障隔離準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。故障模型主要用于構(gòu)建產(chǎn)品輸入、故障模式、征兆參數(shù)、產(chǎn)品輸出之間的影響關(guān)系。圖5給出了油泵故障模型的簡要示例，左側(cè)影響源頭，頂部是影響對(duì)象，S表示次要關(guān)系，P表示主要關(guān)系。油泵的故障模型解釋如下。

圖5 油泵故障模型示例[8]

輸入：由于油泵存在供油回油循環(huán)回路，輸入的驅(qū)動(dòng)力矩異常會(huì)對(duì)自身以及供油產(chǎn)生次要影響，會(huì)對(duì)輸出的高壓油產(chǎn)生主要影響；供油異常會(huì)對(duì)自身產(chǎn)生次要影響，供油不足或過量會(huì)對(duì)振動(dòng)超差產(chǎn)生主要影響，并且也會(huì)對(duì)輸出的高壓油產(chǎn)生主要影響。

故障模式：“油泵卡滯”會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩和供油產(chǎn)生次要影響，主要會(huì)影響油泵的發(fā)熱、噪聲、振動(dòng)以及輸出的高壓油；油中“帶入空氣”會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩產(chǎn)生較小的影響，主要是影響噪聲、振動(dòng)以及輸出的高壓油；“軸承抱死”和“油泵卡滯”的影響是一致的。

輸出：輸出的高壓油會(huì)對(duì)自身、輸入驅(qū)動(dòng)力矩、振動(dòng)產(chǎn)生次要影響。

故障模型的參數(shù)應(yīng)按照語義數(shù)據(jù)進(jìn)行，方便集成商進(jìn)行集成和應(yīng)用部署。

(2) 處理模型。

處理模型是與數(shù)據(jù)處理、算法相關(guān)的模型，包括“油泵”的動(dòng)態(tài)數(shù)值、記錄的參數(shù)、算法、趨勢和預(yù)測等相關(guān)的模型。動(dòng)態(tài)數(shù)值模型包括“油泵”供油的流速和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系、流速和壓力等的數(shù)值關(guān)系；記錄的參數(shù)包括油泵的就緒情況、參數(shù)的偏離(超溫、超壓等)、啟停記錄等；算法包括起始時(shí)間、壓力變化、效率、泄露等相關(guān)的參數(shù)計(jì)算模型；趨勢模型包括壓力變化與效率和泄露之間在時(shí)間上的趨勢關(guān)系；預(yù)測包括運(yùn)行到性能下降、功能失效的模型。

處理模型涉及的預(yù)測等IVHM功能，可由供應(yīng)商在其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，如果產(chǎn)品本身無計(jì)算能力或存在其他原因，也可以通過健康就緒組件提供給集成商。

(3) 決策建議模型。

決策建議模型包括與用戶交互所需的信息，以及根據(jù)需要對(duì)任何檢測到的故障進(jìn)行隔離和糾正所需的系統(tǒng)功能和命令。該模型的內(nèi)容包括修復(fù)程序、手動(dòng)測試程序、啟動(dòng)時(shí)的測試程序和選項(xiàng)代碼的鏈接。

集成參考模型并不完全與ISO13374 或OSA-CBM的6層功能直接對(duì)應(yīng)。處理模型主要對(duì)應(yīng)于DA、DM、SD和PA，故障模型對(duì)應(yīng)于HA，而決策建議模型對(duì)應(yīng)于AG。

2.3 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換過程的主要范圍取決于IVHM系統(tǒng)的目標(biāo)，以及其自身能夠提供的IVHM的功能。IVHM系統(tǒng)目標(biāo)一般包括：① 適航認(rèn)證要求，通過監(jiān)測和報(bào)告飛機(jī)的狀態(tài)，可能會(huì)對(duì)飛行員的操作和行動(dòng)造成影響，這些要求涵蓋在標(biāo)準(zhǔn)的安全評(píng)估程序中；② 安全要求，對(duì)乘員和飛機(jī)的安全實(shí)施監(jiān)測和報(bào)告；③ MSG-3變更，基于IVHM評(píng)估結(jié)果，在維修計(jì)劃分析時(shí)，將該結(jié)果納入分析內(nèi)容范圍中，避免常規(guī)的維護(hù)任務(wù)；④ 飛機(jī)調(diào)度評(píng)估，基于IVHM評(píng)估和預(yù)測結(jié)果對(duì)飛機(jī)的任務(wù)、調(diào)度等使用計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換范圍，確定組件健康就緒功能的哪些特定內(nèi)容將在IVHM解決方案的運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)；并且，識(shí)別負(fù)責(zé)警報(bào)、故障識(shí)別、狀態(tài)監(jiān)測和記錄的系統(tǒng)和應(yīng)用程序，以及組件如何連接到適用于運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通信接口，指定特定的組件監(jiān)測方法、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告來傳遞健康就緒組件的狀態(tài)。

通常，這些任務(wù)由系統(tǒng)集成商在健康就緒組件供應(yīng)商的支持下進(jìn)行。系統(tǒng)集成商應(yīng)該指定運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)交換過程(需求)和健康就緒的組件集成策略，包括指定監(jiān)測系統(tǒng)的特性、與遠(yuǎn)程支持和應(yīng)用的連接方式、集中式維護(hù)的特性，以及將集中式健康監(jiān)測采集或結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)到地面支持系統(tǒng)的地面鏈路能力。

3 健康就緒組件應(yīng)用分析與建議

3.1 應(yīng)用情況分析

健康就緒組件是由IVHM技術(shù)發(fā)展應(yīng)用催生的產(chǎn)物，主要面向IVHM的實(shí)際應(yīng)用，解決IVHM集成問題。2008年，通用汽車全球研發(fā)部汽車健康管理首席專家Steven Holland將健康就緒組件的概念引入到汽車領(lǐng)域中，認(rèn)為健康就緒組件是解鎖IVHM潛能的關(guān)鍵，并持續(xù)致力于健康就緒組件標(biāo)準(zhǔn)JA6268的開發(fā)和應(yīng)用推廣[9-10]。

在健康就緒組件或JA6268的相關(guān)研討中，波音787首席工程師Keith Sellers認(rèn)為，787上應(yīng)用健康就緒組件正在持續(xù)提高機(jī)隊(duì)性能，并提高客戶支持效率，JA6268標(biāo)準(zhǔn)具有巨大的潛力?？湛图夹g(shù)專家Frank Kramer認(rèn)為，確實(shí)需要類似于JA6268這樣更好的機(jī)制來吸引供應(yīng)商，使IVHM成為主流健康管理解決方案。APTIV全球可靠性工程負(fù)責(zé)人Andre Kleyner認(rèn)為，作為汽車電子產(chǎn)品的供應(yīng)商，相信IVHM技術(shù)對(duì)于無人駕駛汽車最終能否成功起著至關(guān)重要的作用，期待與OEM進(jìn)一步合作以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。汽車增壓器供應(yīng)商Garrett將健康就緒組件作為未來產(chǎn)品重要的競爭力和核心賣點(diǎn)之一，積極開發(fā)健康就緒組件的應(yīng)用實(shí)例，協(xié)助IVHM標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，推廣JA6268[10]。

2020年2月，SAE ITC、Bell、Garrett Motion、Global Strategic Solutions和VHM Innovations宣布成立健康就緒組件和系統(tǒng)聯(lián)盟(Health-Ready Components and Systems,HRCS)，通用汽車公司和沃爾沃集團(tuán)卡車技術(shù)公司共同加入了HRCS。HRCS通過整合行業(yè)最佳實(shí)踐范例相關(guān)的重點(diǎn)流程和標(biāo)準(zhǔn)，在IVHM系統(tǒng)實(shí)施過程中增加供應(yīng)商、集成商之間的信任并加強(qiáng)協(xié)作；鼓勵(lì)以更低的成本引入更多的IVHM功能；通過提供建議的IVHM設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)規(guī)范，以及信息交換方案，解決合法的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題；通過注冊認(rèn)證的方式，促進(jìn)共享“健康就緒組件”信息，從而簡化集成商采購和IVHM實(shí)施決策[11]。

健康就緒組件在國外的應(yīng)用雖然才剛剛起步，但是波音、空客、通用汽車等大型系統(tǒng)集成商已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到健康就緒組件在IVHM中的重要性，而且JA6268標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將會(huì)促進(jìn)供應(yīng)商的參與程度，進(jìn)而促進(jìn)IVHM系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

3.2 國內(nèi)研究建議

目前，國內(nèi)已對(duì)IVHM系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究[12-14]，并且逐步將SAE IVHM標(biāo)準(zhǔn)體系作為國內(nèi)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建的重要參考依據(jù)，但是，尚無與“健康就緒組件”相關(guān)的公開研究報(bào)道。針對(duì)上述現(xiàn)狀，提出以下建議。

(1) 繼續(xù)加強(qiáng)健康就緒組件的研究，注重相關(guān)范例的開發(fā)。

健康就緒組件的概念引入，需要更多學(xué)者的參與和討論，促進(jìn)相關(guān)理念在國內(nèi)的推廣，從而與相關(guān)的IVHM技術(shù)同步開展。另外，健康就緒組件范例的開發(fā)能夠提供更加直觀的示范對(duì)象，可選擇典型產(chǎn)品來開展此項(xiàng)工作。

(2) 推進(jìn)健康就緒組件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

在國內(nèi)健康管理標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建的過程中，建議在頂層標(biāo)準(zhǔn)中引入健康就緒組件，并且標(biāo)準(zhǔn)體系中明確對(duì)健康就緒組件設(shè)計(jì)指南類標(biāo)準(zhǔn)的需求。

(3) 健康就緒組件的設(shè)計(jì)研制中，應(yīng)充分利用現(xiàn)有技術(shù)和資源。

近年來，測試性建模技術(shù)在航空裝備中的應(yīng)用越來越廣泛[15]。測試性模型建立了故障模式和測試的相關(guān)性映射，一方面，測試性模型可用于測試性指標(biāo)的仿真評(píng)估和測試方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面，測試性模型也可用于設(shè)備、系統(tǒng)、整機(jī)的嵌入式診斷設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)故障隔離能力。基于測試性模型的故障診斷因缺乏規(guī)范的建模方法，設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間模型集成困難，而健康就緒組件中剛好可以克服上述缺陷。所以，在健康就緒組件的開發(fā)中，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的測試性建模、FMEA等技術(shù)。

(4) 可考慮在國內(nèi)成立相關(guān)的專業(yè)組織、協(xié)會(huì)或論壇，促進(jìn)健康就緒組件以及IVHM技術(shù)的交流和發(fā)展。

國內(nèi)裝備健康管理行業(yè)缺乏IVHM技術(shù)交流的專門途徑，可考慮成立相關(guān)的健康就緒組件、IVHM技術(shù)協(xié)會(huì)，舉辦專業(yè)論壇，為技術(shù)交流提供適當(dāng)?shù)膱龊?，從而促進(jìn)該技術(shù)在國內(nèi)的持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

健康就緒組件作為IVHM系統(tǒng)的重要組成部分，是供應(yīng)商和集成商進(jìn)行IVHM功能集成部署的橋梁，是解鎖IVHM潛能的“鑰匙”。通過對(duì)健康就緒組件的概念內(nèi)涵、開發(fā)方法以及應(yīng)用發(fā)展情況進(jìn)行分析，可為后續(xù)國內(nèi)進(jìn)行健康就緒組件研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。