民用客機健康管理系統的工程技術研究

呂鎮邦 孫倩 王娟

摘要：健康管理系統（health management system， HMS）是現代民用客機必備子系統之一。提升相關技術的系統化、規范化、模塊化水平對于實際HMS系統的研制具有至關重要的意義。本文在分析民用客機健康管理系統國內外現狀和技術特點的基礎上，梳理了其工程技術體系和基本研制流程，重點闡述了體系建模與分析、知識工程與數據建模、機載應用客戶化設計、基于模型的綜合驗證等當前較為先進的系統性關鍵工程技術，并簡要介紹了某型國產民用客機的航電設備HMS研制實踐，最后結合需求、差距及研究熱點提出了未來需要重點解決的工程問題。

關鍵詞：健康管理；機載維護；體系工程；數據建模；機載應用客戶化；基于模型

中圖分類號：V37文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.004

基金項目：工信部民機科研項目（MJ-2017-S-58）

從早期在模擬或機械式設備中采用Push-To-Test測試，到實現了對部分重要設備的數字化測試、監測和顯示，再逐步發展到中央維護計算機（CMC）和中央維護系統（ATA 45 CMS）的出現，以及ARINC 624機載維護系統（OMS）設計指南的制定，標志著民用客機機載維護系統和健康管理系統的正式形成。自20世紀90年代以來，在此基礎上發展出以波音777為代表的第二代和以波音787、空客380為代表的第三代HMS系統產品[1]。

伴隨和支撐實際HMS系統研制發展的是世界各國科研機構持續開展的為數眾多的基礎技術、前沿技術及其工程應用研究。典型的如美國國家航空航天局（NASA）提出的飛行器綜合健康管理（IVHM）計劃[2]，涵蓋了基礎技術、子系統健康管理、關鍵主題技術和系統級工程整合4個層級的研究內容，技術重點包括健康監測與管理、飛機運營能力評估、面向過程的維修、可移動維修方法和靈活的維修計劃等。該計劃后期演變為系統安全保證技術和飛行器系統安全技術（SSAT&VSST）計劃，實質上是將研究框架拓展至系統綜合健康工程與管理（ISHEM）范疇[2]。

近20年來，國內科研機構也開展了大量的相關技術研究，但大部分研究工作側重于學術性或尚處于實驗室階段[3-4]，對技術的工程化應用研究還很不充分。與此同時，國內雖先后完成了ARJ21、C919等民用客機維護系統的研制，但由于其HMS系統及大部分成員系統產品的主承包商為柯林斯公司（Collins）、通用公司（GE）等國外供應商，國內研制參與度和工程經驗都相當有限，與國外先進民用客機HMS技術差距明顯。因此亟待加強相關技術的工程化研究，大力提升系統的工程研制技術水平。

1系統概述

民用客機健康管理系統由機載HMS和地面HMS兩大部分組成，并可通過飛機通信尋址與報告系統（ACARS）數據鏈等接口實現空地通信和數據傳遞。以波音747-400 CMS為代表的第一代維護系統已實現了飛機狀態監測、故障自動診斷、交互式維護支持、數據加/卸載等重要機載健康管理功能。波音777的CMS采用霍尼韋爾公司（Honeywell）研發的溯因推理專利技術和診斷模型開發工具（DMDT），實現了從基于邏輯方程的診斷技術到基于模型的診斷技術的重大升級，顯著提高了機載數據模型庫的系統性和維修性，并實現了對跨系統故障和涉及復雜交聯關系故障的規范化建模及其機載診斷推理和交互式維護支持，飛機狀態監測的范圍和參數量也大幅增加[5]。第三代健康管理系統以空客380和波音787為代表，采用先進的IT技術，狀態監測、故障診斷等機載部分性能有了進一步提高，顯著增強了地面健康管理和維護支持能力，同時豐富了空地通信和數據管理功能，并具備了一定的視情維修支持功能。

健康管理系統作為唯一跟其他所有機載系統交聯，并具備一定智能計算能力的飛機子系統，其研制方法和流程既遵循飛機系統開發的一般要求，又具有一定的特殊性。首先，健康管理系統與成員系統必須作為一個整體統一考慮；其次，健康管理系統必須有人工智能和知識工程的有效實現。

民用客機健康管理系統的主要技術特征和研制難點[1，6]包括：（1）健康管理系統需要借助大量的數據模型和高效的智能算法實現其核心功能；（2）成員系統數量眾多、通信和操作接口復雜、需要記錄和處理的數據量巨大、技術難度較高；（3）良好的故障模式、影響及危害性分析（FMECA），測試性、安全性設計和分析等質量特性工程是開展健康管理系統研制的基本前提；（4）相當數量的歷史數據積累和挖掘分析、建模試驗等工作是開展HMS工程化數據建模的重要基礎；（5）健康管理系統的研制應與飛機其他系統研制同步開展，并需要全局性的統籌規劃和系統性的管控；（6）健康管理系統的研制需要多領域專家的廣泛參與和飛機各系統專業人員的深度協作；（7）健康管理系統數據模型的開發、集成、試驗和驗證，以及系統的熟化需要大量的人、財、物成本，并貫穿系統的全生命周期。

2工程技術體系及研制流程

2.1工程技術體系

民用客機健康管理系統是基于復雜系統工程思想，多種先進IT等技術的多層級、多方位、系統化綜合運用。其技術體系可自頂向下大致分為系統頂層工程、系統功能實現和基礎性支持三個層級的內容，如圖1所示。

民用客機健康管理系統技術體系的第一層級為系統頂層工程技術，包括體系與系統需求分析、體系結構與接口設計、系統綜合驗證等不同階段的關鍵技術。第二層級為系統功能實現技術，包括飛機狀態監測、機載故障診斷、交互式維護、機載數據與接口管理、地面實時監控、綜合診斷、健康評估、余壽預測、維修決策等機載健康管理和地面運維支持等功能的具體實現技術。第三層級為基礎性支持技術，包括成員系統、數據建模和通用IT三方面的基礎性支持技術，涵蓋系統健康表征參數定義、BIT規范化設計、FMECA、質量特性工程、系統試驗與仿真、數據模型開發與驗證、傳感器與數據采集、信號處理、網絡通信、人工智能、大數據等。

2.2基本研制流程

從開發者的角度，民用客機健康管理系統可分為在線應用、離線支持兩大部分[1，6]。其中在線分系統是直接面向用戶的應用系統，包括機載、地面兩部分子系統，可采用傳統的軟/硬件系統工程開發模式。離線分系統則主要面向工程開發人員，它為應用系統提供各種智能推理算法或模型，其開發模式更適合采用知識工程的流程和技術方法。民用客機健康管理系統的基本開發流程如圖2所示。

民用客機健康管理系統開發總體上遵循一般的系統開發流程，主要開發過程包括頂層需求分析、體系化設計、HMS概要設計、軟/硬件詳細設計、軟/硬件開發和實現、軟件和配置的數據綜合以及硬件試驗、系統集成、驗證與確認、熟化管理等工程階段。這些階段構成軟/硬件在線應用系統的開發流程主線。相關活動一般遵循ARP4754A、DO-178B/C、DO-254、ARINC615A-3、ARINC661等民機和系統的研制工程標準，以及ARP6275、ARP6803、ARP6883、ARP6290、ARP6407、ARP6887、ARINC624、OSA-CBM等健康管理系統相關技術規范。

同時以成員系統規范、模型設計、模型開發、模型集成、模型試驗驗證、模型性能評估、模型修正等數據模型的開發活動構成了離線支持系統的開發流程副線。相關活動一般還應遵循或參考JA6268、ARP4761、IEEE1232、IEEE1522、IEEE1636等相關技術標準和規范。

3系統性關鍵技術

3.1體系建模與分析

民用客機健康管理系統與民用客機所有機載設備和系統相關聯，具有牽涉面廣、功能復雜，分系統相對獨立，但交互模式復雜等特點。健康管理系統和飛機其他成員系統作為一個整體又具備松耦合協作性、演化性、涌現性等典型的復雜系統或體系（system of system）特征[7-8]，其頂層需求分析和總體設計更適合采用體系工程方法。

基于體系建模的分析與設計采用自頂向下的方式，統籌規劃健康管理系統和相關成員系統的研制，形成配套體系如圖3所示。要求成員系統從設計、研制開始就考慮健康管理需求。體系建模分析與設計還包括對健康管理系統、駐留平臺，以及成員系統質量特性要求等方面的統一考慮和研制規劃。

3.2知識工程與數據建模

健康管理應用系統中的“智能”來自于由離線支持系統所產生的規格化的推理性和表述性“知識”。知識工程使人工智能的研究從理論轉向應用，主要包括工程規劃、知識獲取、知識表示、知識管理、知識驗證、知識運用和熟化等環節。健康管理系統中的離線支持屬于典型的知識工程[9]。主要內容包括：

（1）能力需求的獲取、建模和分析

通過對與健康管理系統利益相關者進行分析，確定健康管理系統的工作范圍，識別業務事件，確定用例場景，構建需求能力模型并完成需求分析。

（2）體系架構設計和功能分配

將頂層需求根據體系模型逐級分配、傳遞給健康管理系統、成員系統、輔助工具鏈等分系統，并進行設計優化。

（3）體系模型的驗證和接口規范的制定

建立體系模型與能力需求之間的映射關系，確認體系設計與原始需求的符合性，并在此基礎上制定體系接口規范。

HMS知識工程與飛機系統的研制同步開展，并貫徹設計、實現/生產、使用、維護等全生命周期，其技術核心為數據建模。主要有兩種模式，一是以系統分析為基礎的顯性知識（如診斷規則、排故引導）建模，另一種是數據驅動的隱性知識（如神經網絡、支持向量機）建模。其中機載健康管理系統數據模型的開發以第一種模式為主[10]。圖4為基于系統分析的診斷模型開發流程。

知識獲取是當前數據建模工程化中的一個薄弱環節。由于缺乏統一的規劃和需求分析工作不到位，在質量特性工程和HMS建模實踐之間存在著信息和技術斷層。對于隱形知識的挖掘，除了需求不盡明確、歷史和試驗數據積累不足外，還存在訓練模型的置信度和復雜度評估，以及異構模型和算法的部署設計等工程問題。

實現數據建模工程化的主要技術途徑包括：體系化分析與設計、成員系統建模規范，以及相關輔助工具鏈等。

3.3機載應用客戶化設計

由于不同航空公司飛機運行環境及維護方式的差異，即使相同型號的飛機出現的問題也不盡相同，主制造商難以將用戶的多樣化需求完全固化到機載健康管理系統的軟件設計中，同時由于安全性考慮和適航要求，嚴格限制機載軟件交付使用后進行修改或升級。因此需要借助機載軟件應用的客戶化設計為用戶提供客戶化配置功能，更好地滿足用戶的個性化需求。

現代民用客機機載健康管理系統普遍采用通用的推理算法軟件和可加載數據模型庫相分離的設計技術，使得工程開發人員能夠在不改動軟件的條件下，利用模型開發和配置工具完成對機載數據模型的修改、擴展和完善，并生成可加載數據文件。

航空公司的工程人員能夠使用類似的地面輔助配置工具完成諸如監測參數范圍擴展或裁剪、信息內容的記錄或顯示格式，以及報文發送模式等個性化定制的需求。目前在國內外應用比較多的是針對飛機狀態監測系統（ACMS）應用的客戶化[11]，如圖5所示。

3.4基于模型的綜合驗證

基于模型的綜合驗證，如圖6所示，是將健康管理系統中的成員系統、健康管理系統應用軟件及其數據模型和算斷、預測推理等模型的開發工具，成員系統仿真工具、驗證腳本開發工具、仿真驗證平臺及其主控工具、驗證結果分析評估工具、數據綜合管理工具等。借助于統一的模型接口定義和輔助工具鏈，可以有效支持系統軟件、模型和算法的迭代驗證，提高系統研制效率。

4系統研制實例

圖7為某型國產民用客機的航電設備機載健康管理系統，主要實現狀態監測、故障診斷、維護自檢、構型管理、故障歷史管理、加電管理等功能。其機載應用駐留于通用信息處理平臺，通過航電安全接口實現與飛機OMS及機組告警系統（CAS）等的通信，并利用側顯和便攜式維護終端法，均通過規范化的模型來定義，以保證開發和驗證活動中數據格式、接口等的一致性，以及數據模型和應用模塊的復用性[12]。其中的成員系統可以是實物設備也可以是仿真軟件[13]；健康管理系統應用可以是系統快速原型，也可以是正式的HMS應用軟件。

按照體系化設計，成員系統的仿真模型、監測診斷等模型，以及HMS應用軟件模型，均需要符合統一制定的功能、性能需求和數據接口規范，并通過開發相關的輔助工具鏈（或一體化的輔助平臺）確保一致性和復用性。輔助工具鏈主要包括監測、診斷、維護等機載模型的開發工具，地面診（PMAT）為航線維護人員提供Web人機界面。

系統機載應用軟件的研制嚴格遵循ARP4754A、DO-178C等民機技術體系規范和基于模型的系統工程（MBSE）開發流程，應用了圖1中的主要機載健康管理功能實現。通過成員系統需求規范和ARINC604等落實航電設備的健康管理支持需求和接口技術要求。參照ARP4761、IEEE1232等技術規范，借助輔助工具鏈完成狀態監測模型、機載診斷模型、交互式維護模型等可加載模型庫的開發與集成，并利用基于模型的綜合驗證平臺完成健康管理系統的實驗室驗證。通過該系統的研制，不僅有效實現了航電設備的健康管理和航線維護支持，并顯著提高了其質量特性工程技術水平。

5結束語

由于國內民用客機健康管理系統的研制工作起步較晚，在研制模式、關鍵技術，以及工程經驗和數據積累等方面與國際先進水平存在著不小的差距。建議在未來的研制中重點解決以下幾個層面的工程問題：

（1）在頂層規劃和管理層面：采用系統工程方法，制定研制體系規劃和工程技術規范，研究HMS與成員系統的并行研制工程模式、數據模型的協同開發和集成技術，以及系統驗證與熟化的協調管理方法等。

（2）在系統及接口設計層面：針對具體需求和約束條件開展正向設計，重點加強針對新增功能、擴展范圍和提升性能等需求的設計技術研究，例如，針對不同類型成員系統健康管理的差異化功能分配、通用/專用模型接口與算法設計研究等。

（3）在應用具體實現技術層面：首先要提升質量特性工程、基于系統分析的數據建模、仿真與試驗驗證等基礎技術的系統化、規范化水平；同時順應綜合化、智能化的發展趨勢，積極開展微型和智能傳感器、空地一體化、信息物理、大數據和深度學習等新技術的應用研究和工程化實踐，重點解決疑難故障診斷、健康評估、余壽預測等技術難題，逐步實現視情維修。

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作者簡介

呂鎮邦（1976-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：健康管理與軟件工程。

Tel：029-88151072

E-mail：lzbang@avic.com

孫倩（1987-）女，碩士，工程師。主要研究方向：健康管理。Tel：029-88151309

E-mail：sunqiansmile@163.com

王娟（1982-）女，碩士，工程師。主要研究方向：健康管理。Tel：029-88151309

E-mail：wj_8286@163.com

Research on Engineering Techniques of Civil Aircraft Health Management System

Lyu Zhenbang*，Sun Qian，Wang Juan

AVIC Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710068，China

Abstract： Health management system （HMS） is one of the necessary subsystems of modern civil aircraft. It is of great significance to improve the systematization， standardization and modularization of related techniques for the development of HMS. Based on an analysis on the HMS state of art and technical characteristics， the engineering technology system and basic development process of civil aircraft HMS were summarized. Several advanced key system techniques， such as system of system modeling and analysis， knowledge engineering and data modeling， customization design of onboard applications， and model-based integrated verification， were stated emphatically. An avionics health management system development practice for a domestic civil aircraft is introduced briefly. Considering the requirements， gap and research hotspots， several engineering problems to be solved in the future were concluded.

Key Words：health management；onboard maintenance；system of system engineering；data modeling； customization of onboard applications； model based