飛行器綜合健康管理中的健康就緒組件研究

杜 寶， 祝青鈺， 曾照洋， 蔣覺義， 喬 麗

(1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028； 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

當前，我國航空裝備的飛行器綜合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)工作存在以下突出問題。

(1) 故障隔離困難。

航空裝備故障隔離困難，外場通過大量的“串換件”工作來隔離故障的問題一直未得到有效解決，直接導致裝備維修工時增加，影響裝備的使用[1-2]。故障隔離困難的原因在于各設備或系統僅利用自身的BIT或傳感器數據進行獨立診斷，缺乏更高層級的故障隔離設計。

(2) 集成商開展IVHM工作的成本效益低。

對于故障診斷，系統或整機的故障診斷依賴于設備級的診斷模型，如果設備級僅是簡單地顯示BIT結果和傳感器參數，并不足以支撐系統或整機的故障診斷建模。所以對于集成商來說，需要花費大量的時間和精力去分析供應商提供的原始設計材料，梳理設備級故障關聯關系并進行集成，再梳理各系統的故障關聯關系，然后進行系統級集成。上述故障診斷模型只有不斷迭代，才能提高故障隔離的準確度。對于壽命預測，需要進行大量的壽命試驗、數據挖掘、健康指標和預測指標構建、預測建模工作，工作耗時且技術難度較大。對于維修決策，需要針對每一項故障模式提出相應的維修建議、使用建議，也需要專業人員進行大量的分析工作。這些工作的效益在裝備使用的過程中才能逐步顯現出來，但是在方案和研制階段的投入是巨大的。顯然，對于我國當前航空裝備的研制體制來說，集成商沒有足夠的動力和精力去獨立完成上述工作，技術難度大且成本效益低[3]。

(3) 供應商參與IVHM工作存在知識產權壁壘。

故障模型是“產品”物理實體的邏輯抽象，高保真、高精度的模型是準確隔離故障的必要條件。要想準確地梳理出“產品”輸入與輸出、輸入與故障、故障與征兆、故障與故障之間的關聯關系，供應商需要將其產品的電路原理圖、功能原理圖、設計方案等文檔提供給集成商，這就涉及到知識產權問題，尤其是商用貨架產品，供應商因考慮自身利益而無法直接提供這些原始材料。

為了應對上述普遍性問題，2007年波音鬼怪工廠(Phantom Works)的Kevin Swearingen和Kirby Keller提出了健康就緒組件/系統(Health Ready Components/System)的概念。波音認為，作為大型的系統集成商，它很難獨立完成IVHM系統的開發，存在技術難度大、成本高的問題，要實現可負擔得起、功能完善的IVHM系統，必須讓供應商參與進來。健康就緒組件就是供應商和集成商協作完成IVHM系統設計的橋梁[4]。

本文重點對健康就緒組件的概念內涵進行分析，并對其設計方法和應用情況進行研究，以期能夠達到將該概念引入到國內IVHM工作中來，為國內裝備IVHM系統設計研制提供新思路、新方法的目的。

1 健康就緒組件概念內涵研究

1.1 IVHM與健康就緒組件的關系

IVHM是NASA針對運載器飛行安全提出的一項計劃，是能夠獲取成員級系統的當前或未來健康狀態，并集成在一個整合可用資源和運營需求框架下的統一化技術[5]。IVHM發展的最初動機是針對飛行器在太空中對維護的最高標準需求，為了及時發現飛行器故障，采用容錯響應、故障緩解等方法來提升飛行安全。隨著概念和技術的不斷完善，IVHM演變為一個將飛行器各個子系統的健康評估、狀態監測、故障診斷、自適應容錯響應、壽命預測等功能集成為一體，以支撐基于狀態維護(Condition Based Maintenance,CBM)的飛行器健康狀態綜合管理系統[6-7]。SAE IVHM標準委員會(HM-1)正在創建一套符合系統工程過程的推薦實踐標準文件，為裝備IVHM系統全壽命周期各階段的開發過程提供指導。

本文討論的健康就緒組件涉及IVHM標準體系的JA 6268健康就緒組件設計和運行時信息交換標準內容，“健康就緒組件”是IVHM的重要組成部分，是成員級IVHM向區域級和平臺級IVHM集成的關鍵[8]。

1.2 健康就緒組件的定義

“健康就緒”一詞考慮了許多因素，涉及在特定設備、子系統、系統或整機上定義和實施IVHM。健康就緒組件是指所有能夠提供IVHM功能，以允許它們被集成到系統或平臺級IVHM解決方案中的組件[9]。健康就緒組件不僅包括運行時IVHM接口和信息，而且包括關鍵的IVHM設計信息，可通過結構化的方式提供給集成商，來支持更高層級IVHM功能的實現和部署，這是該組件最為特殊的地方。

1.3 SAE JA6268 分析

為了協助供應商開發健康就緒組件，并簡化集成商使用這些功能部署系統級和平臺級IVHM應用的過程，HM-1委員會編制了JA6268《健康就緒組件設計和運行時信息交換》，該標準是具有咨詢性質的最佳實踐和指導文件。JA6268力求提供統一的要求、實踐和方法，來解決健康就緒組件設計和運行時信息的共享問題，促進平臺級實時通信和IVHM高級功能的實現[4]。該標準的主要內容包括：① 健康就緒組件的概念與注意事項；② 健康就緒組件的開發方法；③ 健康就緒組件設計時數據交換過程；④ 健康就緒組件運行時數據交換過程。該標準不僅適用于航空航天領域，同樣也適用于車輛領域[8]。

1.4 健康就緒組件的內涵剖析

以某型運輸直升機為例，對比分析直升機IVHM系統設計中引入健康就緒組件前后的差別，以便從具體應用的角度，更加直觀地對健康就緒組件的內涵進行分析。

(1) 直升機健康管理的應用現狀。

直升機健康管理分為機載部分和地面部分，如圖1所示，其中機載部分的直升機完好性與使用監測系統(Health and Usage Monitoring System,HUMS)能夠通過采集到的振動、轉速等傳感器數據，對旋翼、機體結構、傳動和動力系統進行基于“閾值”的簡單狀態評估和異常檢測，并通過快取卡將數據傳輸回HUMS地面站或PMA，在地面進行趨勢分析、狀態監測和精密診斷。除HUMS外，直升機導航系統、通信系統等航空電子系統自身均具備BIT，能夠進行自診斷，并在綜合顯示系統報出故障模式或自檢狀態；電源系統、環控系統等機電系統也具備BIT，或者可通過傳感器采集數據進行狀態評估，并將結果在機電管理系統進行簡單處理和顯示。

圖1 直升機健康管理功能現狀

當前，直升機健康管理應用現狀的主要問題如下：① 外場故障隔離困難，飛控系統、導航系統、電源系統等系統利用自身BIT和傳感器進行獨立診斷，缺乏系統之間甚至是各系統內部LRU之間的故障隔離設計；② 預測、維修決策等功能缺失，傳動系統各軸承、齒輪等有壽件未能實現預測的功能，且各故障模式沒有給出相應的維修決策建議。

(2) 未引入健康就緒組件時的直升機IVHM系統設計分析。

IVHM根據裝備的組成，將健康管理分為成員級、區域級、平臺級和企業級，本文僅涉及前三者。下面分析在未引入健康就緒組件的情況下，直升機IVHM系統設計中存在的困難。開展直升機的IVHM系統設計，需要最大化利用直升機現有功能，圖2給出了直升機IVHM系統的一個示例。

圖2 未引入健康就緒組件時的直升機IVHM設計示例

整機集成商負責向供應商提出區域級和成員級的健康管理功能要求，進行直升機平臺級的診斷推理、狀態監測、壽命預測和維修決策等功能的設計，并集成至機載IVHM系統和地面站。

區域級集成商按照整機集成商的要求，負責區域級的診斷推理功能的設計，并針對不同的系統，集成至相應的區域管理器中。例如，在機電管理系統進行電源系統、燃油系統、環控系統、液壓系統等系統的區域級診斷設計和集成；在HUMS進行動力系統、傳動系統和旋翼系統的狀態評估和診斷推理；針對導航系統、通信系統、飛控系統等其他系統，根據整機集成商要求，新增區域級診斷推理功能。

設備或系統供應商按照集成商的要求負責其產品的健康管理功能的設計實現，包括BIT設計、系統內的診斷設計、狀態評估等，并提供接口供集成商應用。

在上述直升機IVHM系統設計過程中，會存在如下問題。

① 集成商在設計區域級和平臺級診斷推理功能時，仍需要梳理供應商的設備或系統內部、系統之間的故障交聯關系，工作量和技術難度都非常大。例如，在機電管理系統進行區域級診斷設計，需要建立電源系統、環控系統、液壓系統、防除冰系統等10余個系統之間的故障關聯模型，難度非常大。為了保證故障隔離的準確性，區域級診斷設計需要供應商提供其產品的設計原理資料，供應商考慮知識產權和自身利益的問題，不會提供詳細的設計材料給集成商，這就是IVHM集成中的知識產權壁壘問題。

② 集成商在平臺級實現壽命預測功能時，例如進行直升機傳動系統中關鍵部件的壽命預測，需要進行大量的特征挖掘、性能退化、故障注入試驗，從成本效益角度來看，這些試驗由供應商在其產品進行可靠性、耐久性等試驗時開展更加合適；集成商在平臺級實現維修決策功能時，需要針對每一種故障模式，給出維修建議，這需要開展大量的分析工作，而且也需要供應商的參與。

③ 供應商已在其產品實現部分健康管理功能，且假如供應商有積極的意愿協助集成商實現更加豐富的IVHM功能，存在的問題是目前沒有一致的、可操作的方法來支撐供應商向集成商提供數據、信息或材料，而健康就緒組件為解決上述問題提供了新思路。

(3) 基于健康就緒組件的直升機IVHM系統設計分析。

將健康就緒組件引入直升機IVHM系統設計中，具體示例如圖3所示。

圖3 基于健康就緒組件的直升機IVHM設計示例

健康就緒組件由集成商提出要求，由設備或系統供應商負責功能的設計實現，包括運行時的接口開發，以及提供能夠支撐集成商部署和實現更高等級的IVHM功能的結構化設計數據。與未引入健康就緒組件時的差異在于，健康就緒組件包括了結構化的設計數據，例如集成參考模型和語義數據(后文有詳細說明)，這些語義數據能夠有力地支撐集成商集成和部署各設備或系統健康就緒組件的運行時接口提供的BIT等健康管理功能，而集成參考模型則能夠支撐集成商進行區域級或平臺級診斷推理、壽命預測、維修決策等功能的設計實現，同時，集成參考模型并未直接將供應商產品的原始設計材料直接提供給集成商，而是進行了抽象和簡化，在一定程度上保障了供應商的知識產權利益。

區域級或平臺級集成商對各設備或系統供應商產品提出健康就緒組件的要求，作為其產品的組成部分進行交付。集成商能夠通過健康就緒組件獲取各設備或系統的故障關聯模型，通過健康就緒組件的語義數據，可較容易地對各設備或系統的故障關聯模型進行集成，從而實現區域級或平臺級的故障診斷，能夠更加精確地隔離關聯故障。健康就緒組件規范了供應商對其產品的故障診斷設計，從而降低了集成商進行區域級或平臺級故障診斷的難度。

平臺級集成商通過健康就緒組件的集成參考模型獲取關鍵部件的退化特征參數、壽命預測算法等，實現平臺級的壽命預測功能。健康就緒組件中的壽命預測相關的參數、算法由供應商進行開發，供應商在對其產品進行可靠性、壽命試驗的過程中，挖掘產品的性能退化參數和預測算法。平臺級集成商獲取各設備或系統故障模式的維修建議，進行平臺級的維修決策建模。健康就緒組件中的維修建議也由供應商分析得出。

健康就緒組件為供應商提供了一致的、可操作的方法，支撐供應商向集成商提供數據、信息或材料，以最具成本效益的方法實現豐富的區域級、平臺級IVHM功能。

2 健康就緒組件的開發方法

2.1 開發流程

JA6268給出健康就緒組件開發過程，如圖4所示。

圖4 健康就緒組件開發的4個過程[8]

(1) 確定產品固有的IVHM功能。

其一，依據ISO13374給出的6層功能參考模型，確定供應商產品，需要實現的IVHM功能程度(無功能、數據采集(DA)、數據處理(DM)、狀態檢測(SD)、健康評估(HA)、預測評估(PA)和決策生成(AG))，并且關注所要實現功能的實時性要求，實時部分主要集中在DA、DM和SD這3個部分，非實時部分主要集中在HA、PA和AG。

其二，確定供應商希望實現IVHM功能的可支配的程度(或稱為IVHM的透明度)，或者提供設計數據以允許這些功能由集成商實現的程度。透明度等級包括未提供(供應商不會提供額外數據)、手動格式(供應商將提供附加的語義數據，但不支持自動推理)、自動化格式(供應商將以支持自動推理的格式提供附加的語義數據)。透明度評價從外部模式和內部模式兩方面開展，外部模式主要是將外部接口的語義定義清楚，供應商一般都會提供該項內容；內部模式涉及產品內部的故障模式、影響、測試等因素之間的關系，供應商一般不會主動提供該項內容，需要集成商主動進行獲取。

這一步的目的是確定供應商需要在其產品實現的IVHM功能，實時的功能通過健康就緒組件的運行接口來體現，非實時功能通過健康就緒組件的設計數據來體現，并確定這些功能對集成商的開放程度。

(2) 定義消息語義。

確定產品的固有IVHM功能后，需要對消息語義進行定義。定義健康就緒組件運行時需要交互的健康管理消息接口，包括運行時上報的參數、運行模式、狀態指標、健康指標等，以支持IVHM接口開發；實現不同的功能程度，提供的運行時消息接口也不同，具體如表1所示。定義健康就緒組件設計時應提供的語義，以支持設計時的數據、模型集成，設計時語義由供應商通過15項表格來提供，包括糾正措施表(包括維修決策)、接口表、參數表、故障模式表、狀態指標表等，如表2所示[4]。

表1 運行時消息接口

表2 設計時語義

這一步的目的是定義好運行時的接口和設計時的語義，支撐集成商集成成員級IVHM功能，以及設計和部署區域級或平臺級IVHM功能。

(3) 開發運行時接口。

遵循相關的現有標準規范對運行時接口進行開發，可參考規范有：OSA-CBM(基于狀態維護的開放系統架構)、OSA-EAI(用于企業應用集成的開放系統架構)、ARINC429/604/624/629(數字信息傳輸系統)、機內測試設備的設計和使用指南、機載維修系統設計指南、MIL-STD-1553等。每個標準都提供了如何對每種類型的消息進行編碼，以及與較高和低級系統進行交互的指導。

(4) 開發設計時數據。

設計時數據的主要用途是允許集成商實現供應商產品本身不提供的IVHM功能。如產品本身不具備預測功能，則應向集成商提供可靠性鑒定試驗過程中全壽命周期的性能退化試驗數據，這些數據可能需要在可靠性試驗的基礎上新增測試參數，以支持特征提取、狀態指標、健康指標和預測算法開發。設計時數據通過集成參考模型來體現，這也是健康就緒組件最核心的內容。

2.2 基于集成參考模型的設計時數據交換

健康就緒組件的設計時數據用于支撐集成參考模型(Integrated Reference Model,IRM)的構建，該模型由故障模型、處理模型和決策建議模型組成，下面以“油泵”為例進行說明。

(1) 故障模型。

故障模型是建立故障診斷模型的基礎，是故障隔離準確度的關鍵。故障模型主要用于構建產品輸入、故障模式、征兆參數、產品輸出之間的影響關系。圖5給出了油泵故障模型的簡要示例，左側影響源頭，頂部是影響對象，S表示次要關系，P表示主要關系。油泵的故障模型解釋如下。

圖5 油泵故障模型示例[8]

輸入：由于油泵存在供油回油循環回路，輸入的驅動力矩異常會對自身以及供油產生次要影響，會對輸出的高壓油產生主要影響；供油異常會對自身產生次要影響，供油不足或過量會對振動超差產生主要影響，并且也會對輸出的高壓油產生主要影響。

故障模式：“油泵卡滯”會對驅動力矩和供油產生次要影響，主要會影響油泵的發熱、噪聲、振動以及輸出的高壓油；油中“帶入空氣”會對驅動力矩產生較小的影響，主要是影響噪聲、振動以及輸出的高壓油；“軸承抱死”和“油泵卡滯”的影響是一致的。

輸出：輸出的高壓油會對自身、輸入驅動力矩、振動產生次要影響。

故障模型的參數應按照語義數據進行，方便集成商進行集成和應用部署。

(2) 處理模型。

處理模型是與數據處理、算法相關的模型，包括“油泵”的動態數值、記錄的參數、算法、趨勢和預測等相關的模型。動態數值模型包括“油泵”供油的流速和轉軸轉速的關系、流速和壓力等的數值關系；記錄的參數包括油泵的就緒情況、參數的偏離(超溫、超壓等)、啟停記錄等；算法包括起始時間、壓力變化、效率、泄露等相關的參數計算模型；趨勢模型包括壓力變化與效率和泄露之間在時間上的趨勢關系；預測包括運行到性能下降、功能失效的模型。

處理模型涉及的預測等IVHM功能，可由供應商在其產品實現，如果產品本身無計算能力或存在其他原因，也可以通過健康就緒組件提供給集成商。

(3) 決策建議模型。

決策建議模型包括與用戶交互所需的信息，以及根據需要對任何檢測到的故障進行隔離和糾正所需的系統功能和命令。該模型的內容包括修復程序、手動測試程序、啟動時的測試程序和選項代碼的鏈接。

集成參考模型并不完全與ISO13374 或OSA-CBM的6層功能直接對應。處理模型主要對應于DA、DM、SD和PA，故障模型對應于HA，而決策建議模型對應于AG。

2.3 運行時數據交換

運行時數據交換過程的主要范圍取決于IVHM系統的目標，以及其自身能夠提供的IVHM的功能。IVHM系統目標一般包括：① 適航認證要求，通過監測和報告飛機的狀態，可能會對飛行員的操作和行動造成影響，這些要求涵蓋在標準的安全評估程序中；② 安全要求，對乘員和飛機的安全實施監測和報告；③ MSG-3變更，基于IVHM評估結果，在維修計劃分析時，將該結果納入分析內容范圍中，避免常規的維護任務；④ 飛機調度評估，基于IVHM評估和預測結果對飛機的任務、調度等使用計劃進行評估。

根據運行時數據交換范圍，確定組件健康就緒功能的哪些特定內容將在IVHM解決方案的運行時實現；并且，識別負責警報、故障識別、狀態監測和記錄的系統和應用程序，以及組件如何連接到適用于運行時數據交換的數據通信接口，指定特定的組件監測方法、數據記錄和報告來傳遞健康就緒組件的狀態。

通常，這些任務由系統集成商在健康就緒組件供應商的支持下進行。系統集成商應該指定運行時數據交換過程(需求)和健康就緒的組件集成策略，包括指定監測系統的特性、與遠程支持和應用的連接方式、集中式維護的特性，以及將集中式健康監測采集或結果轉發到地面支持系統的地面鏈路能力。

3 健康就緒組件應用分析與建議

3.1 應用情況分析

健康就緒組件是由IVHM技術發展應用催生的產物，主要面向IVHM的實際應用，解決IVHM集成問題。2008年，通用汽車全球研發部汽車健康管理首席專家Steven Holland將健康就緒組件的概念引入到汽車領域中，認為健康就緒組件是解鎖IVHM潛能的關鍵，并持續致力于健康就緒組件標準JA6268的開發和應用推廣[9-10]。

在健康就緒組件或JA6268的相關研討中，波音787首席工程師Keith Sellers認為，787上應用健康就緒組件正在持續提高機隊性能，并提高客戶支持效率，JA6268標準具有巨大的潛力。空客技術專家Frank Kramer認為，確實需要類似于JA6268這樣更好的機制來吸引供應商，使IVHM成為主流健康管理解決方案。APTIV全球可靠性工程負責人Andre Kleyner認為，作為汽車電子產品的供應商，相信IVHM技術對于無人駕駛汽車最終能否成功起著至關重要的作用，期待與OEM進一步合作以實現這一目標。汽車增壓器供應商Garrett將健康就緒組件作為未來產品重要的競爭力和核心賣點之一，積極開發健康就緒組件的應用實例，協助IVHM標準委員會，推廣JA6268[10]。

2020年2月，SAE ITC、Bell、Garrett Motion、Global Strategic Solutions和VHM Innovations宣布成立健康就緒組件和系統聯盟(Health-Ready Components and Systems,HRCS)，通用汽車公司和沃爾沃集團卡車技術公司共同加入了HRCS。HRCS通過整合行業最佳實踐范例相關的重點流程和標準，在IVHM系統實施過程中增加供應商、集成商之間的信任并加強協作；鼓勵以更低的成本引入更多的IVHM功能；通過提供建議的IVHM設計和運行時數據規范，以及信息交換方案，解決合法的知識產權問題；通過注冊認證的方式，促進共享“健康就緒組件”信息，從而簡化集成商采購和IVHM實施決策[11]。

健康就緒組件在國外的應用雖然才剛剛起步，但是波音、空客、通用汽車等大型系統集成商已經充分認識到健康就緒組件在IVHM中的重要性，而且JA6268標準的發布將會促進供應商的參與程度，進而促進IVHM系統的廣泛應用。

3.2 國內研究建議

目前，國內已對IVHM系統進行了大量的研究[12-14]，并且逐步將SAE IVHM標準體系作為國內健康管理標準體系構建的重要參考依據，但是，尚無與“健康就緒組件”相關的公開研究報道。針對上述現狀，提出以下建議。

(1) 繼續加強健康就緒組件的研究，注重相關范例的開發。

健康就緒組件的概念引入，需要更多學者的參與和討論，促進相關理念在國內的推廣，從而與相關的IVHM技術同步開展。另外，健康就緒組件范例的開發能夠提供更加直觀的示范對象，可選擇典型產品來開展此項工作。

(2) 推進健康就緒組件相關標準的制定。

在國內健康管理標準體系構建的過程中，建議在頂層標準中引入健康就緒組件，并且標準體系中明確對健康就緒組件設計指南類標準的需求。

(3) 健康就緒組件的設計研制中，應充分利用現有技術和資源。

近年來，測試性建模技術在航空裝備中的應用越來越廣泛[15]。測試性模型建立了故障模式和測試的相關性映射，一方面，測試性模型可用于測試性指標的仿真評估和測試方案的優化設計；另一方面，測試性模型也可用于設備、系統、整機的嵌入式診斷設計，以增強故障隔離能力。基于測試性模型的故障診斷因缺乏規范的建模方法，設備與設備、系統與系統之間模型集成困難，而健康就緒組件中剛好可以克服上述缺陷。所以，在健康就緒組件的開發中，應充分利用現有的測試性建模、FMEA等技術。

(4) 可考慮在國內成立相關的專業組織、協會或論壇，促進健康就緒組件以及IVHM技術的交流和發展。

國內裝備健康管理行業缺乏IVHM技術交流的專門途徑，可考慮成立相關的健康就緒組件、IVHM技術協會，舉辦專業論壇，為技術交流提供適當的場合，從而促進該技術在國內的持續發展。

4 結束語

健康就緒組件作為IVHM系統的重要組成部分，是供應商和集成商進行IVHM功能集成部署的橋梁，是解鎖IVHM潛能的“鑰匙”。通過對健康就緒組件的概念內涵、開發方法以及應用發展情況進行分析，可為后續國內進行健康就緒組件研究和應用奠定基礎。