IETM與CBM的系統集成應用

郭德興， 杜曉明

(1. 陸軍工程大學石家莊校區裝備模擬訓練中心， 河北 石家莊 050003; 2. 72456部隊， 山東 濰坊 261305；3. 陸軍工程大學指揮控制工程學院， 江蘇 南京 210007)

裝備交互式電子技術手冊(Interactive Electro-nic Technical Manual,IETM)具有裝備技術說明書、操作使用手冊和維修手冊等功能，其在制定裝備預防性維修計劃、組織故障隔離、指導故障維修、提高維修效率等方面發揮著重大作用[1]。目前，IETM主要應用于裝備的事后維修和定期維修。盡管裝備的維修方式已逐步向基于狀態的維修(Condition Based Maintenance,CBM)方式轉變,但開展CBM需要借助完善的故障檢測與診斷技術，通過對裝備實時監測，以評估裝備的健康狀態、預測裝備的壽命[2]，進而在裝備性能下降或故障發生前采取應對措施，變被動維修為主動維修，有效降低了裝備維護成本，并延長了裝備壽命。開展CBM主要依據采集(處理)的狀態數據、健康評估報告、現場交互式排除故障，或根據CBM給出的維修決策建議啟動基于狀態的裝備維護。其中，在交互式故障排除和裝備維護中，IETM與CBM通過共享故障數據資源，來合理優化維修活動，提高裝備維修效率，實現裝備健康管理的一體化應用。

1 需求分析

IETM與CBM均是裝備保障的重要支撐技術。其中CBM在獲取裝備狀態數據，實施健康評估和輔助維修決策等方面具有優勢，但缺乏詳細的裝備保障數據支持，而IETM不但能提供完備的裝備技術數據，還可提供診斷策略模型和故障維修措施數據，若將IETM接駁到CBM系統中，將二者在不同層面上進行集成，通過采集裝備狀態、健康診斷等數據，對裝備數據進行深度挖掘與利用，可實現裝備故障的診斷、維修方案的生成等一體化裝備維修保障，達到節約維修時間、維修經費，提高裝備運行安全性等效果。因此，在裝備故障診斷、健康管理和裝備維護等方面展開IETM與CBM的集成應用研究，可實現裝備事后維修、定期維修和基于狀態維修的綜合應用。

1.1 CBM系統

CBM系統通過收集內嵌式(Built In Test，BIT)傳感器數據或外部測試儀器檢測的參數，運用相關算法和人工智能技術對數據進行分析、處理和評估，查找裝備故障點或劣化點，評估裝備的健康狀態，并給出裝備維護建議[3]。從功能上來說，裝備診斷過程從數據采集到預診斷、診斷，一般經過多個階段來完成，且每個階段都可獨立的在不同地點執行。在《機械狀態的監測和診斷》(ISO13374)和OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance)規范中，將CBM體系結構分為6個功能層級[4]，如圖1所示。

1) 數據采集層(Data Acquisition,DA)。采集并存儲裝備相關特征參數(如油液、振動、噪聲、溫度等)，并等待上層模塊或其他系統讀取。采集的數據若超過規定閥值可進行報警。傳感器采集的數據主要是狀態檢測數據，包括數值數據、波形數據和多維數據3類，其中：數值數據是簡單的數值，如溫度、壓力、油液分析數據等；波形數據是一個時間序列，如振動信號、聲音信號等；多維數據是一個多維數據，如紅外熱成像、X射線照片等。

2) 數據處理層(Data Manipulation，DM)。通過濾波、D/A變化等技術對DA層提供的數據進行計算，提取可用于健康評估的特征參數，其輸出信號包括濾波信號、頻譜、傳感信息和其他CBM信息等，可供上層模塊或外部系統使用。處理后的數據如果超過一定標準可進行報警。

3) 狀態監測層(State Detection，SD)。將DA、DM層的數據通過閾值比較、模糊邏輯等方法進行處理，當發現狀態異常后報警，狀態監測層可用來進行初步的故障檢測。

4) 健康評估層(Health Assessment，HA)。針對不同部件，選擇合適的狀態檢測信息，結合歷史數據、操作狀態等對裝備進行健康水平評估，并定位狀態監測層報告的故障[5]。

5) 預測評估層(Prognostics Assessment，PA)。根據健康評估情況和裝備運行情況等，判斷裝備的使用壽命和未來的故障模式。

6) 建議生成層(Advisory Generation，AG)。根據預測結果，給出最佳維修時機、維修任務等維護建議或更改設備配置、任務計劃等操作建議。

上述6個層級可分2個模塊，其中前3層為狀態監測模塊，一般安裝于裝備上，每層都設有報警器功能，報警體現在數據采集、數據處理和狀態檢測的過程中，數據經過運算，發現超出可承受范圍即報警，隨即進行緊急停機搶修。數值數據在數據采集模型中即可報警，波形數據等需經過數據處理后才能報警，一些表面上不能準確定位的數據，需經過狀態監測層判斷才能報警。一般情況下，數據經過狀態檢測層后，裝備的基本狀態就很清楚了[6]。后3層為維修決策模塊，一般獨立于裝備，用于接收裝備的狀態監測數據并進行監控評估，主要包括診斷模型和預測模型2部分：診斷模型用于故障發生時，發現、隔離和定故障位；預測模型用于故障未發生時，對故障進行故障預測并生成維修決策方案[7]。

1.2 IETM外部應用集成接口

IETM是一種按照標準的數字格式編制，采用文字、圖形、表格、音頻和視頻等形式，以人機交互方式提供裝備基本原理、使用操作和維修等內容的技術出版物。IETM應用數據均以數據模塊存儲，其中維修信息存儲于維修程序數據模塊中，故障隔離信息存儲于故障數據模塊中。同時，為了增強IETM的交互性，S1000D引入了一種專門用于創建交互式內容的數據模塊—過程數據模塊。過程數據模塊主要用于表示故障隔離和故障診斷類的技術信息。在過程數據模塊中，可定義變量、表達式、對話框，以實現人機交互的功能。更為重要是，可在過程數據模塊中調用測試程序，并與測試程序交換數據，來實現集成化的IETM[8]。

為了實現與外部應用的交互，過程數據模塊設計了元素，高級的IETM應用可通過接口接收存儲外部應用發送的數據，便于邏輯引擎存取，實現智能IETM應用。在智能IETM應用中，IETM不僅可對外部應用信息進行傳輸(輸入外部數據源)、瀏覽、檢索，甚至可直接操控外部系統。

圖2為S1000D中元素的模式結構。其中既有發送參數，也有接收參數。S1000D只定義了交互數據的結構，并沒有指定IETM與外部應用程序之間的通訊協議，還需要IETM邏輯引擎與外部應用之間共同約定。

2 集成方式分析

裝備復雜程度不同，監測診斷系統的安裝層次也不同，由CBM系統的6層功能模型可知，CBM系統對故障的報告包括以下3類：1)前3層基于狀態數據的故障警報，該警報常以故障現象出現，輔以故障代碼；2)健康評估層基于監測警報數據做出的故障定位報告，該報告一般表現為故障代碼；3)后2層對未來故障模式和維護建議的報告。基于CBM提供的報告數據，IETM與CBM系統集成有4種方式，如圖3所示。

1) 基于故障警報的集成。根據前3層的故障警報現象或故障代碼，IETM從CBM中獲取數值數據、特征值、狀態數據等數字形式的數據，基于IETM故障數據模塊，以交互式故障診斷方式進行故障定位，并提供維修支持。

2) 基于故障定位的集成。根據第4層的故障定位，IETM從CBM中讀取故障代碼，基于IETM故障數據模塊中的故障數據報告，直接為CBM系統提供維修程序支持。

3) 基于維修決策的集成。根據CBM系統提供的維修決策報告，IETM通過維修過程數據模塊，直接提供計劃維修時所需的零部件、工具、人員、維修等級等卡包信息和維修程序信息。

4) 基于狀態數據的故障預測集成。在未發生故障時，通過過程數據模塊讀取狀態數據，利用日志信息和故障模塊存儲的健康信息，進行簡單的故障預測。

根據系統的復雜程度、診斷效能和系統費用，當前武器裝備上安裝的CBM系統一般分為以下3個等級[9]：

1) Ⅲ級CBM系統。屬于最簡單的CBM系統，主要依靠檢測人員采用手提式檢測儀器對裝備進行檢查，并依據裝備當時的工作狀態進行狀態評估，制定維修方案。IETM與Ⅲ級CBM的集成，一般采用基于狀態數據的故障預測集成方式。

2) Ⅱ級CBM系統。安裝在裝備上，通過在裝備某些組件上安裝傳感器等元器件，采集裝備狀態數據并進行預警，維護人員可根據狀態數據或警報情況進行狀態評估，并制定初級維修方案。IETM與Ⅱ級CBM系統的集成，主要采用基于故障警報的集成和基于狀態數據的故障預測集成2種方式，在只有一種確定的故障方式才能引起故障警報的特殊情況下，采用基于故障定位的集成。

3) Ⅰ級CBM系統。屬于最復雜的CBM系統，它不但在裝備的關鍵部件上安裝狀態監測系統，而且可通過計算機軟件進行多點自動故障狀態信息提取、專家診斷和預警，并具有維修決策功能，屬于集成了6層CBM功能模塊的CBM系統。IETM與Ⅰ級CBM系統的集成，可以根據各層功能需求，上述4種集成方式均采用。

3 集成接口設計

OSA-CBM以規范的形式統一了CBM系統的層次結構和通信標準，滿足了CBM系統6個層級中各模塊之間的互操作性需求。OSA-CBM規范分為接口規范和信息規范，采用統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)進行定義，可通過各種編程語言和中間件技術實現。在該通用框架下，與CBM的6類模塊類似，IETM系統通過增加1個OSA-CBM接口層，可以實現為一個符合OSA-CBM通信的標準模塊，按照4種集成方式，與相應CBM模塊實現互聯互通。

OSA-CBM中的接口規范描述了信息如何移動，接口規范定義了4種主要類型的通信類型，分別為同步、異步、服務、訂閱[10]。每個OSA-CBM模塊都定義有交互接口層，這些接口層遵循客戶端-服務端類型的功能調用。

1) 同步。通過調用來返回數據。它通過HTTP提取技術對Web XML進行建模。

2) 異步。通過單獨的回復調用來返回數據。它允許任意數量的上層模塊在需要時建立和維護雙向連接，有3種不同的通信設置模式：(1)根據請求返回數據；(2)在警報(如超過閾值)時返回數據；(3)全部推送，每次收集數據時不需要事先請求就將數據推送到更高連接的模塊。

3) 服務。客戶端只接收數據。

4) 訂閱。客戶端訂閱數據，服務器定期或處于警報狀態時發送數據。

信息規范定義了可傳輸的信息類型，主要有3種：動態結果數據(簡稱“結果數據”),配置數據和說明數據[10]。配置數據規范了CBM應用中的數據來源、數據處理算法、輸出列表和工程單元、警報閾值等輸出信息的特性；說明數據定義CBM應用中用于生成輸出的數據或對數據的引用；結果數據是由OSA-CBM各功能層生成的與狀態監測過程相關的動態數據，如測量值、操作或處理過的數據等。

結果數據與CBM數據處理功能密切相關，直接與OSA-CBM定義的6個功能層相關聯。DA結果數據是被格式化的傳感器數據，該類數據具有一致的格式；DM結果數據是由DA結果數據轉換后的一個或多個有意義的特征值；SD結果數據是將DM結果數據與期望值進行比較，得到的計算條件指標。HA、PA和AG結果數據分別是與機器當前健康狀況、預測未來故障和建議的操作步驟相關的數據。

IETM與CBM系統集成后，主要采用CBM系統內的結果數據進行故障診斷、維修。圖4為以OSA-CBM接口信息規范為標準設計的IETM與CBM集成接口。

裝備CBM系統通常由6類功能模型中的一種或多種內部數據處理軟件組件組成，軟件組件通過定義的功能算法，對數據進行處理，輸出結果數據。IETM根據CBM系統數據處理功能的特點，與其進行多種類型的集成，并通過CBM系統提供的接口訪問、接收從數據處理組件輸出的一個或多個結果數據，從而實現一體化裝備保障功能。

4 結論

IETM與CBM系統的集成具有應用需求和技術基礎。當IETM與不同層次的CBM系統模塊集成時，應規劃好信息集成需求，通過采用統一的架構標準和通信標準，發揮各自優勢，實現裝備健康管理的一體化應用。通過獲取CBM檢測到的裝備狀態數據，IETM既能夠及時提供故障診斷方案、維修程序以完成故障的排除，也可以提供維護日志情況、維修計劃方案、生成維修工作卡包等數據支持，增強了基于狀態的裝備維修工作的時效性和針對性，降低了裝備全壽命周期的費用。