面向復(fù)雜裝備PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)的研究

曲昌琦，毛利民，周 巖，周振威，黃 云

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028; 2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局駐北京地區(qū)第四軍代室,北京 100841;3.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所，廣州 510610)

0 引言

PHM是一種利用傳感器以及裝備中采集系統(tǒng)得到的各種數(shù)據(jù)信息，通過基于物理模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動或者基于可靠性模型等算法評估當(dāng)前裝備的健康狀態(tài)，并在裝備發(fā)生故障之前進(jìn)行預(yù)警以及對裝備使用壽命進(jìn)行預(yù)測，從而優(yōu)化維修決策的一種技術(shù)[1]。PHM可以降低維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性，優(yōu)化維修決策機(jī)制，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐和建議決策[2-3]。

從裝備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、調(diào)試安裝到投產(chǎn)使用以及進(jìn)入維護(hù)的所有階段都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，裝備使用過程中的歷史數(shù)據(jù)信息可對裝備的使用壽命進(jìn)行初步預(yù)判、對可能性故障進(jìn)行預(yù)警；裝備運(yùn)行過程記錄、異常或告警等除了能及時了解到使用方某時間段內(nèi)的裝備健康情況外，同時還能夠讓設(shè)計(jì)人員根據(jù)裝備在使用過程中的數(shù)據(jù)以及健康度數(shù)據(jù)，優(yōu)化裝備的生產(chǎn)。

數(shù)據(jù)作為PHM技術(shù)中的關(guān)鍵部分，如果在整個PHM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程中，不能明確哪些數(shù)據(jù)作為輸入部分應(yīng)用到PHM技術(shù)中，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)整合程度低等問題，將會使得PHM技術(shù)的不能準(zhǔn)確、有效地為維修保障提供指導(dǎo)[4]。因此需要構(gòu)建出一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，確保數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)過程、研制過程以及使用過程中的完整性，以及將這一類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、使用時機(jī)和產(chǎn)生時機(jī)梳理。

目前已有部分國內(nèi)外機(jī)構(gòu)針對PHM數(shù)據(jù)體系進(jìn)行了研究與構(gòu)建，例如有文章針對民機(jī)DPHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)和面向民機(jī)大數(shù)據(jù)健康管理數(shù)據(jù)架構(gòu)進(jìn)行深入的研究。然而大部分的數(shù)據(jù)僅僅是針對PHM數(shù)據(jù)的管理維護(hù)方面做了探討，并不能清晰地、深入地梳理出現(xiàn)役裝備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，所以構(gòu)建一套完整的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)成為當(dāng)前極為重要的工作。文章以裝備PHM技術(shù)為背景，貫穿裝備生產(chǎn)制造全壽命周期時間線，基于PHM系統(tǒng)的設(shè)備級、區(qū)域級、平臺級數(shù)據(jù)的構(gòu)建、融合為主線，補(bǔ)全PHM數(shù)據(jù)管理維護(hù)數(shù)據(jù)，形成一套具有裝備特色的PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，完善PHM不同數(shù)據(jù)要素之間的邏輯關(guān)系。

1 PHM數(shù)據(jù)類型

本小節(jié)詳細(xì)梳理PHM在數(shù)據(jù)類型，并列出獲取這些類型的數(shù)據(jù)的方式以及手段，具體圖形見圖1。

圖1 PHM數(shù)據(jù)類

1.1 數(shù)據(jù)類型

裝備中的PHM數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、種類多等特性，包含但不局限于設(shè)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)以及決策數(shù)據(jù)：

1)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；

2)生產(chǎn)數(shù)據(jù);

3)供應(yīng)商數(shù)據(jù);

4)備件數(shù)據(jù);

5)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù);

6)控制狀態(tài)數(shù)據(jù);

7)用戶操作數(shù)據(jù);

8)異常數(shù)據(jù);

9)產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù);

10)故障模式數(shù)據(jù);

11)測試數(shù)據(jù);

12)信號參數(shù)數(shù)據(jù);

13)預(yù)測結(jié)果；

14)診斷結(jié)果；

15)狀態(tài)數(shù)據(jù);

16)任務(wù)數(shù)據(jù);

17)成本數(shù)據(jù);

18)可靠性數(shù)據(jù);

19)履歷數(shù)據(jù);

20)技術(shù)資料。

這些數(shù)據(jù)類型的產(chǎn)生形式有：

1)裝備設(shè)計(jì)階段的文件；

2)維護(hù)維修等階段填寫的表格；

3)技術(shù)資料的整理；

4)人工記錄發(fā)生故障的故障履歷表；

5)裝備PHM系統(tǒng)計(jì)算產(chǎn)生；

6)裝備使用階段的裝備本身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時機(jī)

1)論證階段：類似型號裝備的數(shù)據(jù)；

2)方案階段：針對需求，確認(rèn)好數(shù)據(jù)的需求；

3)確認(rèn)好供應(yīng)商的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品構(gòu)型數(shù)據(jù)、成本數(shù)據(jù)等；

4)研制階段：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、故障模式數(shù)據(jù)等；

5)使用階段：使用數(shù)據(jù)等。

2 PHM數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

2.1 復(fù)雜裝備數(shù)據(jù)特點(diǎn)

2.1.1 裝備健康管理數(shù)據(jù)量大

在正向設(shè)計(jì)完成后，裝備在使用初期過程中數(shù)據(jù)量較少，且具有一定的規(guī)律性，但是隨著時間的推移，裝備的使用數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等會呈指數(shù)增加，如何利用好這些爆炸式增加的數(shù)據(jù)是健康管理的一大難題。

2.1.2 裝備健康管理數(shù)據(jù)的多樣性

裝備健康管理數(shù)據(jù)的多樣性一方面是體現(xiàn)在復(fù)雜裝備中系統(tǒng)的多樣性，主要是復(fù)雜裝備因?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜功能而不得不增加的各類機(jī)電、液等混合形式的系統(tǒng)，且各系統(tǒng)之間的連接關(guān)系非常復(fù)雜，耦合性強(qiáng)。

另一方面是數(shù)據(jù)類別的多樣性：同樣的為了監(jiān)測以及管理好復(fù)雜裝備的健康狀態(tài)，健康管理的數(shù)據(jù)也要呈現(xiàn)出多樣化，不僅僅要采集功能數(shù)據(jù)用來判斷當(dāng)前裝備的功能好壞，同樣要采集一些性能數(shù)據(jù)或者說是間接數(shù)據(jù)，用來體現(xiàn)裝備的健康狀態(tài)；

最后一方面是數(shù)據(jù)維度多樣性：因?yàn)閿?shù)據(jù)在不同階段有不同的功能數(shù)據(jù)，同樣的也會有控制類的輸入數(shù)據(jù)，裝備本身的通用質(zhì)量特性數(shù)據(jù)，裝備的備品備件數(shù)據(jù)。

2.2 復(fù)雜裝備PHM數(shù)據(jù)特點(diǎn)

針對裝備產(chǎn)生的大量的正常使用數(shù)據(jù)，實(shí)際上在裝備工作過程中僅僅會產(chǎn)生很小部分故障數(shù)據(jù)或者某些機(jī)械、旋轉(zhuǎn)部件的衰退數(shù)據(jù)，那么就有以下兩個難點(diǎn)以待解決：一是如何從龐大的數(shù)據(jù)中甄別哪些是構(gòu)建裝備健康度模型所需的數(shù)據(jù)；二是如何將多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以及權(quán)重分配，用來表征當(dāng)前裝備的健康狀況以及壽命曲線。

裝備健康管理數(shù)據(jù)不僅具備復(fù)雜裝備產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大、多樣性等特點(diǎn)，還具有如下幾個特點(diǎn)：

1)裝備健康管理數(shù)據(jù)的實(shí)時性：對一些實(shí)時性要求比較嚴(yán)苛的裝備如果數(shù)據(jù)的實(shí)時性差，監(jiān)測的狀態(tài)就會有誤導(dǎo)作用，并會在發(fā)生故障的時候不能做出相應(yīng)的決策從而導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。

2)裝備健康管理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性：數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常重要，健康管理數(shù)據(jù)作為源頭如果正確性、準(zhǔn)確性不能得到保證會影響最終輸出的決策信息，所以針對采集的數(shù)據(jù)、裝備的控制數(shù)據(jù)以及通用質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)需要確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

3)裝備健康管理數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性：裝備在不同階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會有一定的關(guān)聯(lián)性，如何通過不同階段將PHM的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系描述清楚是解決PHM數(shù)據(jù)需求的一項(xiàng)重要工作。

3 PHM的功能及實(shí)現(xiàn)

采用健康管理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的OSA-CBM邏輯架構(gòu)。架構(gòu)中主要包含以下8個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲交互、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、預(yù)測評估、決策生成以及顯示和應(yīng)用，如圖2所示。數(shù)據(jù)存儲校核、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和預(yù)測評估都是從數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和集中顯示，滿足上層的應(yīng)用需求，最終顯示出來。

圖2 OSA-CBM健康管理功能架構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

收集模擬、數(shù)字和人工錄入的數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字參數(shù)，以表征物理量及其相關(guān)信息。部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過應(yīng)用系統(tǒng)接口來進(jìn)行采集，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過導(dǎo)入的方式輸入系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中[5]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

通過濾波、降噪、降低維度等不同方式方法將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理[6]，將錯誤的數(shù)據(jù)以及冗余的數(shù)據(jù)治理成能適用于狀態(tài)監(jiān)測以及健康評估所需要的數(shù)據(jù)流。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測包括：識別有無故障、判斷狀態(tài)(良好、注意、警告)。該層的任務(wù)是依據(jù)數(shù)據(jù)處理層提供的特征參數(shù)采用一定的處理方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、損傷成像等創(chuàng)建或維護(hù)正常狀態(tài)的基線特征，制定各系統(tǒng)不同類型、不同測試狀態(tài)的數(shù)據(jù)判斷閾值和判斷方法，當(dāng)有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時搜尋異常，確定異常區(qū)域和異常狀態(tài)，判斷和處理測試數(shù)據(jù)，給出數(shù)據(jù)正常與否的結(jié)論，針對異常數(shù)據(jù)給出報警信息。

3.4 健康評估

健康評估是指通過專家系統(tǒng)、基于數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)模型、推理方法等手段評估當(dāng)前裝備的健康狀態(tài)。通過采集到當(dāng)前的參數(shù)經(jīng)過縱向比對歷史故障數(shù)據(jù)，對裝備平臺級的性能衰退進(jìn)行評估，描述一些可能發(fā)生的故障和故障跡象。

3.5 預(yù)測評估

預(yù)測評估根據(jù)對象目前的健康狀況結(jié)合其使用包線并橫向參照裝備群中其余裝備的狀態(tài)信息以及裝備群體的歷史故障數(shù)據(jù)，采用智能算法模型的方法來對其未來的健康狀態(tài)和失效模式進(jìn)行評估，展現(xiàn)系統(tǒng)或者裝備本身為了壽命情況，評估系統(tǒng)剩余使用壽命。

3.6 決策生成

在決策功能里，主要是對應(yīng)急預(yù)案、處置經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備預(yù)防性維護(hù)進(jìn)行管理，同時通過應(yīng)急響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動。為使用和維修等決策提供可操作的信息，使裝備的全壽命周期效能最大化。對系統(tǒng)中各種狀態(tài)的監(jiān)測、對設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)警、各種處置的預(yù)案、事后的經(jīng)驗(yàn)反饋等應(yīng)用將能明顯提高指揮人員的應(yīng)急處置能力和應(yīng)急處置的合理性、及時性、準(zhǔn)確性。

3.7 數(shù)據(jù)存儲

采集后的數(shù)據(jù)存儲在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，使用各個接口機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以后，需要將所有過程數(shù)據(jù)存儲在實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，同時為顯示模塊提供Web服務(wù)，顯示內(nèi)容可以通過Web服務(wù)器來取得數(shù)據(jù)，也可以通過客戶端從實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)，向用戶顯示相關(guān)的圖形或者趨勢以及其它信息。實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)通過專用通訊接口的方式接入實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用安全的方式長期保存數(shù)據(jù)，高速處理大容量的過程數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、ETL抽取，并進(jìn)行可視化處理；支持上層的應(yīng)用軟件進(jìn)行智能運(yùn)算。

3.8 顯示和應(yīng)用

數(shù)據(jù)集中現(xiàn)實(shí)平臺數(shù)據(jù)各個功能分系統(tǒng)的最頂層數(shù)據(jù)顯示窗口，為所有軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)、集中的界面展示界面和風(fēng)格，具體包括：

1)系統(tǒng)集中顯示：對信息進(jìn)行分類整理，對數(shù)據(jù)界面進(jìn)行定制；

2)地面設(shè)備系統(tǒng)集中顯示：對地面設(shè)備系統(tǒng)信息進(jìn)行分類整理，對數(shù)據(jù)界面進(jìn)行定制；

3)安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對安防系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類整理，對顯示界面進(jìn)行定制；

4)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類整理，對顯示界面進(jìn)行定制；

5)人員系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示：對人員系統(tǒng)的信息進(jìn)行分類整理，對顯示界面進(jìn)行定制。

4 PHM數(shù)據(jù)體系的構(gòu)建

4.1 民機(jī)PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

文獻(xiàn)[7]提供了一種面向民機(jī)健康管理應(yīng)用的大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)，該架構(gòu)如圖3所示。底層主要由數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲構(gòu)成，數(shù)據(jù)層體現(xiàn)了飛機(jī)的健康數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)邏輯層通過對健康數(shù)據(jù)分析研究，運(yùn)用各種智能算法對飛機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行評估，決策輸出層形成健康分析報告與維修派遣決策。該數(shù)據(jù)架構(gòu)展現(xiàn)的是一種傳統(tǒng)的OSA-CBM的架構(gòu)模式，即將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為航空公司可直接識別與應(yīng)用的維修保障工作指令，與運(yùn)行控制、維修控制、機(jī)務(wù)維修等主要業(yè)務(wù)流程高度融合，提高航空公司運(yùn)營效率，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。但是該數(shù)據(jù)架構(gòu)未能完全地體現(xiàn)出不同研制階段數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，以及沒有明確地梳理出不同的設(shè)備、區(qū)域以及平臺之間的數(shù)據(jù)導(dǎo)向，僅僅從PHM的功能這一維度進(jìn)行了描述，不能全面以及全方位地展現(xiàn)出裝備PHM的數(shù)據(jù)體系以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.2 本文數(shù)據(jù)體系研究

本文的PHM數(shù)據(jù)體系分別從3個維度對數(shù)據(jù)需求、數(shù)據(jù)要求、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了描述：

4.2.1 基于壽命周期維度

從方案階段，以需求為牽引，收集本型號裝備的設(shè)計(jì)文件、收集對本裝備的具體要求，從論證階段開始就應(yīng)該對類似型號的健康管理覆蓋情況進(jìn)行調(diào)研，從而根據(jù)本型號的需求以及以往型號或者其他裝備的健康管理數(shù)據(jù)需求進(jìn)行綜合，充分論證數(shù)據(jù)需求的必要性。在方案階段應(yīng)明確哪些設(shè)備需要BIT信息，哪些系統(tǒng)應(yīng)加裝傳感器，并且明確傳感器的安裝位置，制定好安裝實(shí)施方案。在研制階段應(yīng)對數(shù)據(jù)做好限定條件，對數(shù)據(jù)的采集方式、存儲形式、傳輸路徑以及數(shù)學(xué)模型搭建選取進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施。在使用階段要做到所有的健康管理數(shù)據(jù)可追溯，在使用過程中對裝備健康管理的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、正確性以及適用性進(jìn)行外場驗(yàn)證，對狀態(tài)監(jiān)測的結(jié)果、故障診斷的結(jié)果以及壽命預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 面向民機(jī)大數(shù)據(jù)健康管理數(shù)據(jù)架構(gòu)

4.2.2 基于物理架構(gòu)維度

從成員級、區(qū)域級和平臺級的數(shù)據(jù)體系構(gòu)建這一物理架構(gòu)的維度進(jìn)行研究分析，首先應(yīng)確定好成員級(關(guān)鍵設(shè)備)所需的數(shù)據(jù)，然后確認(rèn)好傳感器(或者是設(shè)備內(nèi)部BIT)的位置，將成員級的數(shù)據(jù)進(jìn)行映射到區(qū)域級來判定區(qū)域級此時的健康狀態(tài)是否能滿足當(dāng)前區(qū)域級功能正常工作以及壽命評估，最后通過明確頂層的數(shù)據(jù)關(guān)系，將成員級、區(qū)域級的數(shù)據(jù)信息最終映射到能表達(dá)平臺級的健康度指標(biāo)。

4.2.3 基于不同功能維度

最后一個維度以PHM不同功能進(jìn)行研究，對不同功能(監(jiān)測、診斷、預(yù)測以及決策)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(數(shù)據(jù)特征的提取、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)降維、模型構(gòu)建)，最終達(dá)到設(shè)備級的監(jiān)測、LRU/系統(tǒng)級的故障診斷以及整個平臺的健康度評估，對關(guān)鍵部件、關(guān)鍵系統(tǒng)以及整個裝備的壽命進(jìn)行評估。通過實(shí)時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)存儲分系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)裝備健康狀態(tài)評估，為維修保障人員完成相關(guān)工作提供支持，具體包括以下幾個方面：

1)實(shí)時進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評估；

2)綜合利用實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對設(shè)備的健康狀態(tài)變化趨勢進(jìn)行預(yù)測；

3)當(dāng)裝備狀態(tài)發(fā)生異常時，進(jìn)行自動報警；

4)在裝備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，能夠進(jìn)行故障診斷；

5)定期對數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘處理，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)關(guān)系，完善知識庫。

5 結(jié)束語

PHM非常適合應(yīng)用于復(fù)雜裝備系統(tǒng)當(dāng)中，它能夠很好地提高裝備綜合保障能力。數(shù)據(jù)在PHM中占據(jù)重要的角色，這篇文章針對裝備PHM數(shù)據(jù)在壽命周期、物理架構(gòu)以及不同功能的維度上進(jìn)行了深入研究，提出了一種裝備PHM數(shù)據(jù)體系架構(gòu)，旨在解決不同時期以及不同物理層級之間的數(shù)據(jù)之間關(guān)系不明確的缺點(diǎn)，針對目前裝備PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨(dú)立分散，缺乏有效集成的現(xiàn)象，建立一個統(tǒng)一的，涵蓋裝備論證、方案階段、研制階段以及使用階段等全壽命過程的裝備PHM數(shù)據(jù)體系。