民用客機PHM地面支持系統體系結構研究

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(1.上海飛機設計研究院，上海 201200；2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京 100041；4.軌道交通裝備全壽命周期狀態監測與智能管理技術與應用北京市工程實驗室，北京 100041)

0 引言

近年來，電子技術、信息技術和自動化水平等快速發展，現代民用飛機日益趨于大型化、復雜化、高速化和自動化，隨之帶來的是民用飛機系統的規模擴大，性能要求日益提高，系統各部件耦合性增強。這就導致引發飛機故障的因素眾多，故障表現形式多樣化，各故障間存在著復雜的耦合關系。這不僅增加飛機的安全隱患，影響飛機的正常運行，也為飛機的排故維修增加了難度，還給飛機的安全運營帶來了隱患。因此，各國均將飛機健康管理相關技術作為提高飛機可靠性、保障飛機運營安全，實現飛機視情維修的關鍵技術。例如，美國在《航空安全計劃》中將飛機健康管理相關技術列入未來影響航空發展的首要關鍵技術，并制定、實施了飛行器綜合健康管理(IVHM)專項預研計劃。

圖1 F-35 PHM系統架構示意圖

圖2 NASA和波音的IVHM架構示意圖

民機故障診斷與健康管理技術(Prognostics and Health Management，PHM)是一項復雜的系統工程，而PHM框架結構作為PHM技術的頂層規劃與設計，對于PHM技術的成功應用發揮著至關重要的作用。目前國外主要從基于PHM應用需求的物理框架與基于PHM功能需求的軟件框架結構出發對PHM體系結構進行研究，形成了相應的PHM架構體系，開發出具有實時監測與診斷功能的機載系統與地面支持系統，并在實際中取得了成功應用，實現了與維修性能工具箱等其他數字解決方案的無縫集成。例如，波音公司的AHM系統、空客公司的AIRMAN系統等。我國相較于國外，民用PHM技術發展起步較晚，對于民機PHM技術體系結構還停留在理論研究階段。李勇等結合當前裝甲裝備維修保障的需求，設計了一種面向服務的PHM體系結構[1]，將系統拆分成不同粒度的模塊，各模塊間互不影響。系統通過調用各模塊的服務接口，實現系統功能，提高系統的可用性與靈活性，有效地滿足當前裝甲裝備PHM系統分布式應用環境的要求。國內以航空發動機為對象，提出了具有一般普適性的航空發動機PHM系統架構[2]。文獻[3]總結了PHM系統的功能要素，基于現有標準與規范，設計出一種開放的PHM體系結構，保障PHM系統設計的模塊化、層次化、開放化以及跨平臺的特性，提高系統集成效率。文獻[4]在分析美國JSF飛機的PHM系統結構基礎上，對我國軍用飛機PHM技術的相關概念、體系結構、工程設計以及組織開發進行了初步研究。此外，也有文獻對航天器等領域的PHM地面支持系統平臺架構開展了研究[5-6]。然而，上述對于PHM系統架構的研究主要集中于航空發動機、軍機、裝甲裝備等對象，缺乏對民機PHM地面支持系統的體系結構設計的研究。

本文在分析總結國內外飛機健康管理地面系統功能的基礎上，以頂層要求、系統設計到閉環仿真驗證為主線，提出了面向服務的民用客機PHM地面支持系統體系結構設計方法，有助于實現信息資源的共享并保障系統的運營服務質量。

1 典型PHM系統體系結構分析

1.1 美國F-35戰機PHM體系

美國F-35戰機采用的是分布式的PHM體系架構，主要從軟硬件監控層、分系統管理層、平臺管理層三層結構來進行規劃與設計的，如圖1所示。軟硬件監控層主要用于收集飛機傳感器采集的原始數據，該層由飛機現有傳感器和數量盡可能少的PHM專用傳感器以及一些高級算法構成的虛擬傳感器組成。分系統管理層主要用來處理來自軟硬件監控層的數據，獲取各分系統的健康管理信息。分析管理層由多個系統級區域管理器構成，每個管理器有由軟件推理機或功能軟件模塊組成，利用神經網絡、數據融合等推理技術，完成多信源的數據融合。平臺管理層是在分系統管理層的基礎上，綜合各分系統的信息，得到飛機整體的健康評估信息。

該系統分為機載PHM系統和地面PHM系統兩個部分。機載PHM系統主要完成狀態數據獲取和實時性要求高的狀態監測和系統報警工作。地面PHM系統完成如狀態趨勢分析、剩余壽命預測、維修計劃優化、維修工作范圍制定、維修成本管理等需要復雜模型計算與決策工作。

1.2 飛行器綜合健康管理IVHM框架

飛行器綜合健康管理IVHM框架是由NASA和波音在內的多個組織聯合提出的[7]。該框架定義了11個機載管理功能模塊，包括結構系統、推進系統和航電系統等子系統，主要完成子系統的在線故障檢測、診斷和報警以及飛行任務的決策等，在保障飛行安全性的基礎上，提高飛行器的出勤可靠度。地面IVHM系統負責收集更為廣泛的信息和資源，完成對航空器的故障診斷、預測和維護等，并將分析結果及時傳輸至地面維護系統與后勤保障系統。地面維護系統根據診斷分析結果合理制定維修計劃，實現人員與維護資源的優化配置。

按照數據、信息、知識、決策的管理過程和信息傳遞過程，IVHM系統又可分為傳感器層、信號處理層、狀態監測層、診斷處理層、預測處理層、決策支持層、表達層。傳感器層用于采集布置在飛行器上的各種傳感器和飛行器系統的各總線數據。信號處理層是完成對各種采集數據進行相應的處理、分析、特征提取等，將信號轉變為有用數據。狀態監測層是將信號特征與期望值或操作閾值進行比較獲得相應的狀態指示或報警。診斷處理層獲取監控層數據，判斷監測系統、子系統或部件健康狀態是否下降，生成診斷記錄并以一定置信度提出可能的故障狀態。預測處理層結合未來使用包線對設備未來健康狀態進行評估，報告某時刻的健康狀態或者評估在特定使用包線下設備的剩余壽命。決策支持層根據診斷和預測數據提出建議，包括維護保障安排、調整設備操作配置以完成目標任務、調整任務的計劃等。表達層為操作人員提供人機交互界面，從而方便快捷獲取所需數據。

1.3 PHM體系結構基本特征

基于上述兩節中典型PHM體系結構分析，得出PHM系統體系基本特征，主要包括：

1)多層次的體系結構設計。通過功能分層實現與物理系統的平行組織，降低系統設計與開發復雜性，便于后續系統集成。

2)多平臺分布式。物理上，PHM系統可由多個子系統組成。系統的功能實現需要多個對象系統/平臺間的通力協作，單個對象系統奔潰又不會影響系統的運行，提高系統的可用性與擴展性。

3)標準化、模塊化設計方法。PHM系統在設計過程中，往往需要集成大量的軟/硬件組件，這些大都由不同的供應商提供。因此，需要制定標準的、開放的接口規范集成不同的功能部件，實現系統的模塊化。

4)高實時性。實時監控是PHM系統的基礎。在此基礎上，評估關鍵部件的剩余壽命，結合實時采集信息制定相應策略，即時發送至地面保障系統，因此，有較高的實時性要求。

2 民用客機PHM地面支持系統結構設計

2.1 民用客機PHM地面支持系統的功能要素

民用客機PHM地面支持系統功能主要包括數據收發與處理、實時監控、故障診斷、健康評估、預測評估五項基本功能。包括：

1)數據接收與處理。該功能是民用客機PHM地面支持系統運行的基礎與關鍵，主要包括空地實時數據處理、航后數據處理兩個部分。空地實時數據處理功能主要是對實時接收的ACARS鏈路數據進行解析和存儲的。航后數據處理功能主要是對航后QAR數據進行譯碼處理，以此獲取特征參數進行監控。

2)實時監控功能。航空公司需要實時掌握飛機的運行狀態，以便及時發現飛機故障與超限情況，提前做好維修準備。實時監控功能通過接收數據收發與處理功能傳輸的ACARS報文與譯碼數據，實時監控航班信息與航行狀態，及時反映飛機的超限事件、異常事件與故障信息，并給出相應的排故與維護建議。

3)故障診斷功能。根據系統獲取的故障信息，通過一定的算法邏輯，綜合應用維修手冊與維修歷史案例，快速對飛機故障進行診斷，并給出相應的維修排故方案[8]。

4)健康評估功能。通過實時監控、故障診斷功能以及歷史監測與維護數據，給出飛機的綜合健康評估結果，指出可能出現的失效情況與發生概率，為維護人員的工作提供輔助決策支持[9]。

5)預測評估功能。利用飛機的海量歷史數據與實時飛行數據等信息，加載預測模型，對飛機性能、典型系統、關鍵部件未來的健康狀態和失效模式進行評估，給出飛機典型系統及其關鍵部件未來的健康狀態發展趨勢，估計系統的剩余使用壽命，以便工作人員提前做好維修準備[10]。

2.2 面向服務的民用客機PHM地面支持系統體系結構

面向服務的體系結構(SOA，Service-Oriented Architecture)是一種建立在現有中間件技術和分布式計算概念的基礎上構建分布式系統的軟件工程方法。結合上一章分析結論，從民用客機地面支持系統的功能需求出發，以實時性、擴展性、安全性、可靠性、兼容性、實用性、靈活性為準則，基于SOA雙總線架構設計民用客機PHM地面支持系統的體系結構，如圖3所示。

圖3 民機PHM地面支持系統架構

SOA雙總線架構是以服務總線作為信息傳輸樞紐，以數據總線作為主數據共享平臺的軟件架構。通過二者之間的協同作用，完成數據與服務的集成，實現系統的“高內聚低耦合”，提高軟件的服務生命力。

企業數據總線是系統數據采集處理平臺的核心。企業數據總線上運行實時監控、監控管理等標準數據服務，為上層應用提供統一的數據視圖。一方面，可以將系統數據采集、處理功能劃分為一個松散耦合的服務，實現系統功能間的松耦合，使得系統在穩定運行的同時，具備足夠的可重用性；另一方面，可以很好的擴展系統功能，而不會對原有功能產生影響，提高了系統的可擴展性和良好的可維護性。同時，通過企業數據總線，很好滿足系統分布式應用要求。

企業服務總線系統主要完成系統應用服務的整合以及數據整合，并采用硬件集群及軟件集群相配合的方式實現高可用及均衡負載，保證了系統的水平、垂直擴展能力，為其提供高性能處理能力。此外，服務總線還為上層用戶和其它業務應用系統提供細粒度、可編排流程的業務服務。通過對對服務的組合裝配可快速響應復雜多變的用戶需求。

基于SOA雙總線的民用客機PHM地面支持系統體系結構又包括應用層、業務服務平臺(企業服務總線ESB)、數據層、數據采集處理平臺(企業數據總線)、安全體系、運維體系。應用層主要為企業統一訪問門戶、系統消息統一管理平臺的各類最終用戶服務，并作為數據統一的發布平臺為各類航空業務應用系統提供業務數據服務。業務服務平臺主要負責對系統各類應用服務進行統一管理，為上層應用提供服務響應。數據層主要負責管理、維護、備份和歸檔系統各類業務數據、系統用戶數據、系統配置數據等。數據采集處理平臺(企業數據總線EDB)主要負責對各數據源業務數據的收集、梳理、清洗、整合、處理、發布等過程，形成業務數據的統一信息視圖。同時，也能根據上層應用要求，將報文通過ACARS數據鏈拍發給飛機。主要實現數據服務、文件服務和應用聚合等服務。安全體系主要是保證系統運行的合規性，保障系統運行的安全、可靠。運維體系為系統提供穩定、持續、可監控的服務管控功能，保證SOA雙總線系統安全可靠運行。

圖4 民機PHM地面支持系統界面圖

3 系統實現

基于SOA雙總線架構，采用Java編程語言設計民用客機PHM地面支持原型系統，系統主界面如下圖所示[11]。目前該系統已成功應用于某型號民用客機，為數百架客機提供實時監控與故障診斷功能，有效地保障了飛機的運行安全。

4 結論

本文通過分析典型PHM系統體系結構，總結得出PHM體系結構的基本特征。結合民機PHM地面系統的功能需求，提出了一種基于SOA架構，雙總線技術的民用客機PHM地面支持系統架構設計方法。在保障系統穩定性、可擴展性、可維護性以及高性能處理能力的基礎上，很好地滿足系統分布式的應用需求與靈活的業務需求變化，為后續系統的開發和運行管理打下了堅實的基礎。