基于MBSE的PHM開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王生龍，景 博，焦曉璇，潘晉新，崔展博

(空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，陜西 西安 710051)

0 引言

故障預(yù)測與健康管理(prognostic health management,PHM)系統(tǒng)涉及大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)交互、多系統(tǒng)交聯(lián)等多學(xué)科技術(shù)，具有復(fù)雜性、綜合性、信息化的特點(diǎn)[1]。隨著智能化時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算等技術(shù)的出現(xiàn)，PHM系統(tǒng)的理論框架與功能結(jié)構(gòu)有了新的發(fā)展[2]。然而PHM技術(shù)的集成與熟化仍然缺乏實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PHM技術(shù)的應(yīng)用推廣非常不利。應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(model based systems engineering， MBSE)以其模型化系統(tǒng)建模的優(yōu)勢，可以有效解決PHM開發(fā)平臺(tái)在設(shè)計(jì)階段面臨的瓶頸問題。MBSE方法論指導(dǎo)PHM開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，可以有效降低設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)效率。

1 PHM開發(fā)平臺(tái)研究現(xiàn)狀

PHM開發(fā)平臺(tái)將PHM關(guān)鍵技術(shù)融合在硬件平臺(tái)中，集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壽命預(yù)測等功能，針對(duì)不同設(shè)備對(duì)象、不同應(yīng)用需求給出相應(yīng)的解決方案，具有多功能、通用性的特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外在PHM開發(fā)平臺(tái)上的研究多集中于算法仿真，PHM技術(shù)熟化程度不足。其中，周長紅[3]等使用LabVIEW與Matlab軟件建立了PHM仿真驗(yàn)證平臺(tái)，可在軟件仿真層實(shí)現(xiàn)對(duì)不同民機(jī)架構(gòu)的驗(yàn)證評(píng)價(jià)；He[4]等針對(duì)醫(yī)療設(shè)備建立了PHM流程框架，在框架下以仿真的方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)備軸承故障診斷，并給出了模型置信度；KWON[5]等提出基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的PHM架構(gòu)，然而目前沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的PHM平臺(tái)提供支持。針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者搭建了相應(yīng)的PHM開發(fā)平臺(tái)。然而其在PHM開發(fā)平臺(tái)搭建上，僅聚焦局部功能，PHM平臺(tái)架構(gòu)不夠完整，具有很大局限性。郭文浩[6]等使用LabVIEW設(shè)計(jì)PHM試驗(yàn)平臺(tái)綜合控制器。該平臺(tái)功能僅局限于數(shù)據(jù)采集，沒有具備完備的PHM流程。Zhou[7]等提出一種故障診斷方法“CMFDK-MT”與相應(yīng)的PHM架構(gòu)。該研究僅針對(duì)機(jī)床設(shè)備多的故障診斷，缺乏通用性。

PHM開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用面臨許多困難阻礙，目前，PHM開發(fā)平臺(tái)的研究面臨以下問題。

①應(yīng)用對(duì)象差異大。PHM技術(shù)廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)能源等多個(gè)領(lǐng)域的多種對(duì)象設(shè)備中，如汽車、衛(wèi)星、軸承、海堤、機(jī)床、油井等。不同對(duì)象工作特性差別大，導(dǎo)致故障模型獲取難度大、模型驗(yàn)證困難。

②應(yīng)用環(huán)境變量多。不同設(shè)備的工況與應(yīng)用背景有差別，其目的功能、應(yīng)用空間、計(jì)算資源各有限制與需求，基于文檔的描述方式難以將具體需求與設(shè)備功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，邏輯梳理不夠清晰，難以建立通用性的解決方案。

③PHM開發(fā)平臺(tái)系統(tǒng)復(fù)雜。PHM開發(fā)平臺(tái)具有功能豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交互性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的多元、異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸、處理缺乏標(biāo)準(zhǔn)約束[8]。

針對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問題，本文選擇應(yīng)用MBSE方法論建立一個(gè)功能完善、通用性高、應(yīng)用性強(qiáng)的PHM開發(fā)平臺(tái)體系架構(gòu)模型[9]。與傳統(tǒng)的基于文本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，以MBSE指導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)[10]。

①M(fèi)BSE擺脫了傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法，采用集成的、清晰一致的系統(tǒng)模型描述設(shè)計(jì)開發(fā)全生命周期過程。MBSE模型之間有明確通信接口，模型內(nèi)容具有一致性，設(shè)計(jì)更改方便，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件的可讀性，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

②MBSE在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中建立了標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范，提高了設(shè)計(jì)描述的準(zhǔn)確性，打通不同設(shè)備、交叉學(xué)科之間的聯(lián)系，提高了復(fù)雜系統(tǒng)集成性，有效解決部件級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)的功能、結(jié)構(gòu)交聯(lián)描述不清晰的問題。

③MBSE采用一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，統(tǒng)一的方法、參數(shù)、事件定義提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的可重用性，在不同應(yīng)用場景下可靈活配置，提升了方案的通用性。

應(yīng)用MBSE建模流程搭建的PHM開發(fā)平臺(tái)模型能夠從需求端出發(fā)，充分考慮不同應(yīng)用場景需求，使利益相關(guān)者需求具有較強(qiáng)的追溯性。從不同角度對(duì)平臺(tái)具體細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)建模，對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，避免了基于文本的系統(tǒng)工程方法帶來的定義模糊化缺陷。

2 基于模型的系統(tǒng)工程理論

基于模型的系統(tǒng)工程是一種應(yīng)用建摸方法的方式，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、檢驗(yàn)和驗(yàn)證活動(dòng)。這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，以模型為技術(shù)基線的一個(gè)組成部分，貫穿整個(gè)開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段[11]。MBSE在工程實(shí)踐中包含三大支柱:建模語言、建模方法以及建模工具[12]。

2.1 建模語言

建模語言是在建模過程中用于定義模型、表述模型關(guān)系的一種描述方法。SysML是一種標(biāo)準(zhǔn)化的圖形建模語言，由對(duì)象管理組織OMG 在統(tǒng)一建模語言UML2.0 的基礎(chǔ)上提出.SysML是UML的子集，并對(duì)UML2.0進(jìn)行相關(guān)重構(gòu)。

SysML圖[13]分類如圖1所示。

圖1 SysML圖分類

包圖(pkg):以包含模型元素的包的形式描述模型的組織結(jié)構(gòu)與包含關(guān)系。

需求圖(req):描述基于文本的需求與其他需求、設(shè)計(jì)元素、測試用例之間的邏輯關(guān)系。

活動(dòng)圖(act):基于行為模塊的輸入、輸出、控制信號(hào)描述工作流。

序列圖(sd):基于系統(tǒng)、分系統(tǒng)間信息交換順序建立描述特定行為的工作流。

狀態(tài)機(jī)圖(stm):描述事件觸發(fā)的一系列實(shí)例狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

用例圖(uc):通過描述外部用例對(duì)系統(tǒng)的操作行為展示系統(tǒng)功能。

模塊定義圖(bdd):描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的組成與分類。

內(nèi)部塊圖(ibd):描述模塊之間的接口和交聯(lián)關(guān)系。

參數(shù)圖(par):通過等式與不等式定義屬性值的約束。

在系統(tǒng)工程實(shí)踐中，SysML旨在以圖形化的語言詳細(xì)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，采用MBSE方法建立一致性強(qiáng)、耦合度高的系統(tǒng)模型。

2.2 建模方法

建模方法是指導(dǎo)MBSE整體建模過程的理論與方法。定義了一套覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)全生命周期的建模流程。目前主要的MBSE建模方法論如下。

①HarmonySE。

HarmonySE是嵌入式軟件開發(fā)公司I-Logix提出的，用于大型綜合系統(tǒng)開發(fā)的建模方法。Harmony采用“服務(wù)請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)”的建模方法[14]，強(qiáng)調(diào)對(duì)功能和基于狀態(tài)的行為的確定和分配，而不強(qiáng)調(diào)功能的行為細(xì)節(jié)。(基于模型的系統(tǒng)工程最佳實(shí)踐)Harmony建模過程主要分為需求分析、功能分析、設(shè)計(jì)綜合三個(gè)步驟[15]。

②VItech。

VItech MBSE建模方法由四個(gè)并行的活動(dòng)組成，分別為需求分析、屬性分析、架構(gòu)綜合以及系統(tǒng)驗(yàn)證。四個(gè)活動(dòng)與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)庫連接，為總體設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)模型，并維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)庫的運(yùn)行[16]。VItech方法強(qiáng)調(diào)模型的一致性與可執(zhí)行性，對(duì)建模流程進(jìn)行分層處理，在完成每一層的模型分析設(shè)計(jì)后垂直進(jìn)行下一層級(jí)模型的建立，確保了模型的整體性與收斂性[17]。

③OOSEM。

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法(object-oriented system engineering method,OOSEM)由INCOSE公司于2000年建立，采用OMG SYSML自頂向下，基于模型的方法[18]。應(yīng)用面向?qū)ο蟮乃枷爰癝ysML語言進(jìn)行系統(tǒng)建模，在對(duì)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行分解隔離及相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，將每個(gè)系統(tǒng)模塊視為對(duì)象進(jìn)行繼承、封裝等操作。因此，OOSEM方法構(gòu)建的系統(tǒng)模型重用性強(qiáng)，靈活度高的優(yōu)勢。OOSEM建模方法如圖2所示。OOSEM方法的系統(tǒng)開發(fā)流程主要分為需求分析、系統(tǒng)需求定義、邏輯架構(gòu)定義以及設(shè)計(jì)架構(gòu)綜合。

圖2 OOSEM建模方法

2.3 建模工具

建模工具是建模語言以及建模方法的載體，定義了建模語言使用的規(guī)則，為工程師提供友好的建模過程，便于工程師高效的建立系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)過程中，建模工具在底層將模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)定義。當(dāng)模型元素變更時(shí)，建模工具將自動(dòng)調(diào)整項(xiàng)目中所有模型元素。目前常用的建模工具包括:IBM Rational Rhapsody、MagicDraw、UModel[12]等。

2.4 小結(jié)

PHM開發(fā)平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)模型的重用性、靈活性提出了較高的要求。為使搭建的模型具有更廣泛的適用性、降低模型推廣難度，本文采用普及度較高的IBM Rational Rhapsody建模工具，使用標(biāo)準(zhǔn)化的SysML語言在面向?qū)ο蟮腛OSEM方法指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)建模。

3 PHM開發(fā)平臺(tái)需求分析與定義

本節(jié)通過對(duì)利益相關(guān)者需求進(jìn)行分析，導(dǎo)出系統(tǒng)PHM開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)需求，并通過需求分析確定該模型中的用例與功能。

3.1 需求分析

PHM開發(fā)平臺(tái)為設(shè)備健康管理提供解決方案，將PHM技術(shù)理論研究具體應(yīng)用在工程實(shí)踐中。PHM平臺(tái)操作流程如圖3所示。

PHM開發(fā)平臺(tái)操作流程可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、輔助決策三個(gè)階段。每個(gè)階段由設(shè)備管理者參與操作。設(shè)備管理者作為平臺(tái)操作者(即利益相關(guān)者)，對(duì)平臺(tái)的操作性能與應(yīng)用功能具有相應(yīng)的需求。

圖3 PHM平臺(tái)操作流程圖

①接收設(shè)備所搭載的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)通信暢通，支持相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸接口。

③數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力強(qiáng)、存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)可靠性高。

④數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度高，速度快。

⑤不影響原設(shè)備正常工作，盡量降低對(duì)原設(shè)備的改動(dòng)。

⑥直觀展示設(shè)備健康狀態(tài)，操作簡潔。

經(jīng)過對(duì)PHM操作流程[17-18]以及利益相關(guān)者需求的分析，得到PHM開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)需求。

PHM開發(fā)平臺(tái)的一級(jí)功能需求包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、可視化顯示三個(gè)模塊。數(shù)據(jù)處理的二級(jí)功能需求包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、故障診斷以及壽命預(yù)測模塊，功能需求模型表達(dá)了PHM功能的基本內(nèi)涵。其接口需求“傳感器類型”“通信接口”，以及物理需求“采集通道”“配置方式”均體現(xiàn)了PHM開發(fā)平臺(tái)高靈活性、強(qiáng)通用性的特點(diǎn)。

分析得到的系統(tǒng)需求與利益相關(guān)者需求緊密關(guān)聯(lián)，并完全覆蓋其需求。

3.2 功能分析

PHM開發(fā)平臺(tái)需求圖對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、可視化顯示提出了具體需求。

用例圖展示了平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)功能以及其與外界的信息交互。其中，外部輸入源包含發(fā)送指令的操作者以及傳輸設(shè)備檢測數(shù)據(jù)的傳感器，平臺(tái)內(nèi)部的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為計(jì)算機(jī)的CPU。基于用例，對(duì)PHM開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行功能分析，并將PHM開發(fā)平臺(tái)功能在黑盒中進(jìn)行表述，得到系統(tǒng)用例圖。

PHM開發(fā)平臺(tái)在接收到外部用例傳輸?shù)男畔⒑髨?zhí)行相應(yīng)操作，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預(yù)測、模型訓(xùn)練等主要功能。

4 PHM開發(fā)平臺(tái)架構(gòu)定義與綜合

OOSEM建模方法遵循自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)律，在系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上得到了系統(tǒng)級(jí)用例及系統(tǒng)功能。下一步將對(duì)系統(tǒng)模塊內(nèi)部與模塊之間的關(guān)系進(jìn)行邏輯分析與綜合定義。

4.1 邏輯結(jié)構(gòu)定義

根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，PHM開發(fā)平臺(tái)包括三個(gè)功能模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化顯示模塊，數(shù)據(jù)流及命令流通過模塊之間的接口進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)特定PHM功能。

數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)采集器與設(shè)備傳感器連接，在數(shù)據(jù)采集控制器的調(diào)度下實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式存入數(shù)據(jù)處理模塊中的數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)處理模塊要求在可視化顯示模塊接收到用戶下達(dá)的指令后，平臺(tái)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)挖掘操作。其中，在線邊緣計(jì)算由配置在數(shù)據(jù)采集前端的邊緣計(jì)算卡執(zhí)行，且計(jì)算卡因其小型化、嵌入式的特點(diǎn)可進(jìn)行分布式部署；離線數(shù)據(jù)挖掘由大數(shù)據(jù)平臺(tái)中的云計(jì)算模塊進(jìn)行資源調(diào)度與算法實(shí)現(xiàn)。

可視化顯示模塊要求在可視化軟件中給予操作者友好的顯示與操作接口，以圖形化的設(shè)計(jì)對(duì)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、故障診斷、壽命預(yù)測、算法訓(xùn)練子模塊進(jìn)行顯示。

根據(jù)以上任務(wù)要素的分析，得到以塊定義圖表示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以內(nèi)部模塊定義圖表示的系統(tǒng)功能流圖。

在完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能邏輯的分析后，按照數(shù)據(jù)流邏輯對(duì)功能活動(dòng)進(jìn)行建模。首先對(duì)系統(tǒng)中涉及到的參數(shù)進(jìn)行定義，對(duì)活動(dòng)圖中涉及的具體模型參數(shù)進(jìn)行支持。在獲得模型參數(shù)后，對(duì)數(shù)據(jù)采集、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘等活動(dòng)的具體流程進(jìn)行建模。

大數(shù)據(jù)挖掘模塊在實(shí)現(xiàn)PHM功能中起到中心節(jié)點(diǎn)的作用，數(shù)據(jù)流、命令流傳輸頻繁，與外界信息交換接口復(fù)雜，故此處對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行內(nèi)部模塊定義。

可視化軟件模塊是PHM平臺(tái)與操作者的應(yīng)用接口，其軟件功能涵蓋了PHM開發(fā)平臺(tái)的所有功能，是用戶命令的發(fā)送源。其信號(hào)交聯(lián)、邏輯結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)綜合

經(jīng)過需求分析、功能模塊定義以及邏輯架構(gòu)定義，PHM開發(fā)平臺(tái)的具體模塊功能運(yùn)行邏輯已經(jīng)清晰。對(duì)獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行整合，得到PHM開發(fā)平臺(tái)整體工作流程圖。加入時(shí)間軸，分別對(duì)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壽命預(yù)測以及算法訓(xùn)練進(jìn)行序列圖的建模。

狀態(tài)監(jiān)控序列由用戶發(fā)起，通過點(diǎn)擊可視化軟件按鈕向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出指令，由數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)數(shù)據(jù)采集活動(dòng)進(jìn)行配置，設(shè)置采樣率、采集通道、存儲(chǔ)方式等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集活動(dòng)開始后，可視化軟件接收數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)傳回的原始數(shù)據(jù)，并以圖表形式展示出來。

故障診斷/壽命預(yù)測序列由用戶通過可視化軟件發(fā)起，在軟件中對(duì)邊緣計(jì)算卡進(jìn)行配置，選擇在線故障診斷/壽命預(yù)測算法模型以及數(shù)據(jù)通道；邊緣計(jì)算卡通過I/O接口接收，解析用戶命令，并調(diào)用計(jì)算卡存儲(chǔ)器中相應(yīng)模型進(jìn)行在線故障診斷/壽命預(yù)測。

算法訓(xùn)練序列由用戶發(fā)起，在可視化軟件算法訓(xùn)練子模塊中選擇離線訓(xùn)練數(shù)據(jù)及智能算法文件后，發(fā)出模型訓(xùn)練指令；大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊接收指令提取相應(yīng)數(shù)據(jù)及算法文件，由云計(jì)算資源管理工具對(duì)計(jì)算資源及數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)離線分布式計(jì)算；在物理服務(wù)器上完成模型訓(xùn)練與驗(yàn)證后，更新大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的算法模型文件，并通過可視化軟件提示用戶；用戶可下達(dá)指令更新邊緣計(jì)算卡中相應(yīng)的算法模型。

5 結(jié)論

本文通過OOSEM方法對(duì)PHM開發(fā)平臺(tái)關(guān)鍵要素建立模型。該過程包括需求分析、功能分析、邏輯結(jié)構(gòu)定義以及系統(tǒng)架構(gòu)綜合。使用SysML語言建立的圖形化模型具有直觀、清晰的優(yōu)點(diǎn)，面向?qū)ο蟮木幊谭绞劫x予模型以靈活性與可重用性。本文搭建的PHM開發(fā)平臺(tái)模型滿足設(shè)備操作者對(duì)設(shè)備健康管理的需求，功能豐富，具有嵌入式、分布式、小型化的特點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用環(huán)境，為PHM技術(shù)熟化提供了方法論支撐。