PHM仿真試驗系統設計與應用

孫 丁

(中國航空工業集團公司 西安飛機設計研究所，西安 710089)

0 引言

隨著飛機性能要求的提高和飛行任務的復雜化，飛機系統的設計復雜度日益攀升，綜合化、智能化程度不斷提高，出現故障的可能性以及出現故障后所要付出的成本代價也越來越高，因此復雜系統的故障診斷和維護逐漸成為研究者關注的焦點。傳統的事后維修和計劃維修方式難以應對千變萬化的情況，不能滿足飛機的使用要求。要想實現快捷方便的視情維修，就需要設備具備能夠對自身可能的故障進行診斷、預測以及對運行過程中健康狀態進行管理的能力，由此產生了預測與健康管理(PHM，prognostics and health management)概念[1-5]。

在PHM系統研制過程中，需要對數據、模型、流程等進行仿真驗證，同時還需經常與各系統專業溝通需求以及時改進和優化研制方案，降低系統研制風險。仿真試驗系統在各種復雜設備的PHM系統研制過程中能夠發揮先行驗證的作用，系統能夠以較低的成本開展目標系統的仿真試驗，對PHM系統的各項功能性能進行仿真與驗證，為PHM系統的研制提供重要支撐，設計一套PHM仿真試驗系統具有可觀的理論意義和工程實用價值。本文將對PHM仿真試驗系統的設計與應用開展研究，針對系統開展需求分析、系統總體層次設計、系統硬件與軟件設計，提出PHM仿真試驗系統和試驗流程的設計方案，為PHM系統研制提供有效的參考和依據[6-10]。

1 仿真試驗系統需求分析

1.1 仿真試驗系統總體需求

PHM仿真試驗系統的總體需求為通過該系統為PHM系統方案設計提供支撐，搭建飛機級及各區域級的仿真設備，并構建基于總線通訊的交聯仿真網，通過數據、模型、算法、流程、軟件等功能的仿真，實現PHM系統各相關功能的全機分配及優化、系統架構組成驗證及其優化、面向自適應保障的功能邏輯驗證、對系統關聯數據進行處理與存儲、同時實現系統接口及通信的仿真優化。

1.2 仿真試驗器需求

仿真試驗器用于仿真機載飛機級、區域級PHM計算機功能，包括飛機級、區域健康管理數據的采集、處理、存儲、故障診斷、地面測試、與區域健康管理的交互等。支持仿真飛機級、區域級PHM仿真器與相關設備的數據接口及相應的數據的信息采集、解析處理、分發與存儲、故障診斷運行、測試執行、接口信息交互等功能仿真，仿真的功能、數據、協議、模型、信息來自于試驗系統的配置。

1.3 仿真試驗需求

PHM系統仿真試驗系統需要通過仿真試驗系統網絡建立飛機級PHM仿真器、區域PHM仿真器以及顯示控制仿真機之間的數據交聯，對系統架構、方案、總線接口、數據處理、分區存儲等系統功能進行仿真驗證[11-12]。飛機級PHM仿真器與各區域級PHM功能仿真器進行數據交互，在飛機級實現數據匯總采集，進行故障診斷及狀態監控等功能處理，顯示控制仿真機完成PHM系統顯示與控制，實現仿真過程中故障、參數等信息的顯示[13]。

圖1 PHM系統仿真試驗系統總體層次設計

2 仿真試驗系統設計

2.1 系統總體層次設計

基于飛機健康管理系統研制及仿真試驗需求，構建PHM系統仿真試驗系統總體架構，整個系統劃分為應用層、軟件層、數據層、硬件層及對象層共五個層次，系統采用分層設計架構，硬件滿足模塊化、可互換、可擴展特點，具備通過增加模塊對功能與資源進行擴展的能力，實現應用與具體總線驅動解耦[14]。PHM系統仿真試驗系統總體層次設計如圖1所示。

應用層主要包括PHM系統仿真、仿真主控操作、數據與模型仿真等應用功能。

軟件層基于數據軟總線實現，集中統一管理程序運行的所有數據，并為功能程序提供配置管理及數據交換服務。功能程序主要包括系統仿真配置、實時仿真運行、仿真數據與模型管理、仿真試驗管理、仿真總線接口框架、數據監測與分析判讀、儀器硬件設備管理等功能模塊。

數據層主要包括歷史數據、仿真模型、協議數據、故障模式、數據參數以及仿真試驗系統可用的其他來源數據等，是軟件層數據服務程序的數據基礎[15-17]。

硬件層基于仿真機及各仿真器實現，主要包括飛機級PHM仿真器、各區域PHM功能仿真器、顯示控制仿真機，以及仿真驗證試驗通訊網。

設計了預留對象層，為后續硬件在回路仿真設備提供更為便利的擴展支持，后續可通過接口適配、連接分配等工作實現仿真試驗系統的分系統及其成員子系統對象的硬件在回路仿真接入。

2.2 仿真試驗功能設計

2.2.1 飛機級PHM仿真器功能設計

飛機級PHM仿真器設計三項主要功能。

1)與顯示控制仿真機的交互及區域級PHM設備數據接口：

基于PHM系統信息通訊協議，將諸如異常信息、故障診斷信息等內容與顯示控制仿真機及區域級PHM設備進行信息交互，交互信息可通過通訊總線等形式進行傳遞，傳遞的數據幀格式參照系統信息通訊協議的要求進行設計和使用。

2)數據的采集、處理、存儲、故障診斷：

基于飛機級PHM設備的通訊協議與通訊數據，實現系統內各設備的數據實時發送與實時接收，基于接口控制文件(ICD，interface control document)通信協議實現協議數據的解析與處理，針對協議的原始數據、處理后數據，依照仿真工程配置進行數據存儲，同時依照診斷邏輯、診斷模型、判斷依據等信息進行故障診斷和信息上報等操作[18]。

3)地面測試與區域健康管理的交互：

基于系統地面測試功能，設計系統中地面測試與區域健康管理的交互，包括地面測試的啟動信息、自身測試信息的狀態、對應的指令與數據信息等。

2.2.2 區域級PHM功能仿真器功能設計

區域級功能仿真器設計兩項主要功能：

1)各區域健康管理仿真功能：

基于數據、模型、邏輯等輸入信息，實現包括區域級PHM設備及各對應區域內配套設備或系統的功能，具體設計提供包括液壓系統、供電系統等各子系統的區域內仿真，基于ICD通信協議實現協議數據的解析與處理，針對協議的原始數據、處理后數據，依照仿真工程配置進行數據存儲，同時依照診斷邏輯、診斷模型、判斷依據等信息進行故障診斷和信息上報等操作。

2)區域內各系統與飛機級PHM仿真器之間的信息交聯功能仿真：

基于PHM系統信息通訊協議，將系統診斷結果、系統功能影響結果、飛機級所需關聯信息、飛機工作狀態信息等內容與飛機級PHM仿真器進行信息交互，內容涵蓋內建測試(BIT，built-in test)數據、原始數據、診斷結果數據上傳，通過總線等形式進行傳遞，傳遞的數據幀格式參照系統信息通訊協議要求進行設計。

2.2.3 顯示控制仿真機功能設計

顯示控制仿真機設計兩項主要功能。

1)PHM系統操作及顯示功能：

該功能模擬機載PHM系統的實際顯示與操作，基于仿真試驗系統的數據實現顯示以及對應功能的操作，主要功能包括：顯示PHM系統故障信息、駕駛艙效應(FDE，flight deck effect)信息、配置信息、測試狀態及結果等內容，提供PHM頁面的基本功能操作，進行PHM地面測試、狀態監控參數定義等操作。

2)整體仿真試驗系統的管理與控制功能：

該功能是本系統軟件核心功能，負責提供仿真試驗系統管理與控制及對應的用戶交互界面，并完成整個仿真試驗系統的仿真配置、仿真運行、數據與模型管理、試驗管理、總線接口管理、數據顯示監測分析判讀、硬件設備管理等功能，各項功能均提供對應子功能模塊。通過軟件實現系統配置發布仿真工程后，可調度飛機級和相應區域級仿真器進行仿真運行，獲得該對應的仿真驗證結果。

2.3 系統硬件設計

2.3.1 硬件架構設計

機載PHM系統的主要工作原理為采集各機載區域健康管理數據，包括機內檢測的檢測結果、傳感器采集的參數等信息，基于系統內現有的功能邏輯、算法或模型進行分析，實現故障增強診斷、性能監測與趨勢分析、壽命預測與健康評估等功能，并將維護人員關注的信息在顯示控制終端上顯示。

基于以上工作原理對仿真試驗系統的組成和功能開展設計，除機載PHM系統外，仿真試驗系統的仿真對象還包括了健康管理數據的來源和顯示控制終端。

PHM仿真試驗系統主要由以下6套硬件設備組成：飛機級PHM仿真器、4臺區域PHM功能仿真器和顯示控制仿真機。

飛機級PHM仿真器、各區域級PHM功能仿真器以及顯示控制仿真機分別由一臺計算機或工控機、對應通訊設備和配套電纜組成，其中顯示控制仿真機還設計配備了顯示控制設備和操作臺。

PHM仿真試驗系統通過仿真環境網搭建仿真系統連接，飛機級PHM仿真器與各區域級PHM功能仿真器之間基于仿真試驗網絡進行數據交互，在飛機級實現數據匯總采集，進行故障診斷及狀態監控等功能處理，顯示控制仿真機完成PHM仿真試驗系統顯示與控制，實現仿真過程中故障數據、參數信息的顯示，PHM仿真試驗系統總體架構原理如圖2所示。

圖2 PHM仿真試驗系統總體架構原理圖

基于該架構的仿真試驗系統可以通過PHM功能仿真實現不同層級間的功能交互，結合模型、參數等信息支撐PHM系統架構組成的仿真與優化，通過顯示控制仿真機可以實現整個系統的仿真數據處理功能，各仿真軟硬件通過網絡與總線通訊仿真實現接口及通信的仿真與優化。

2.3.2 仿真器設計

仿真器采用標準19英寸4U上架型工控機，選取了高性能處理器以確保設備運行穩定高效，工控機配備多個PCI/PCIe插槽，為PHM仿真試驗系統中的各類型通訊總線板卡提供擴展支持，同時也為后續設計預留的對象對接提供相應擴展接口。飛機級及各區域級仿真器根據自身總線通訊需求，分別裝載配套的多種總線通訊板卡，提供多個通道，并支持不同接口、通訊協議和通訊速率，支持時鐘同步功能，滿足仿真試驗過程中各類總線通訊要求。

2.3.3 顯示控制仿真機設計

顯示控制仿真機選用高性能臺式工作站，搭載相應的總線通訊設備，工作站選用了高性能處理器和專業級獨立顯卡，能夠完成大量運算和圖像處理任務并滿足多路視頻信號同時輸出，可以滿足仿真驗證系統應用程序的穩定運行。顯示控制仿真機共計配備多個顯示終端設備，支持多屏同時顯示輸出，其中包含2個支持多點觸控的顯示終端，用于模擬仿真機載系統的觸控操作，用戶可通過觸控的方式實現系統的操作與控制。

2.4 系統軟件設計

PHM仿真試驗系統軟件分別部署在各仿真硬件中，共計6個部分，各分系統軟件相互協助，共同實現仿真試驗系統軟件的整體運行與應用目標。系統軟件以顯示控制仿真機軟件為主控核心，包含了PHM操作仿真軟件，同時負責完成整個仿真試驗系統的仿真配置、數據與模型的管理、仿真過程監控、數據顯示、硬件設備管理，完成各分系統軟件的協同調度功能。各區域仿真器軟件均屬于分系統仿真軟件，接收主控核心的調度，通過仿真引擎實現仿真功能的執行，通過加載不同的模型、數據、協議、底層硬件等實現不同分系統的仿真功能。軟件體系架構如圖3所示。

圖3 PHM仿真試驗系統軟件體系架構

2.4.1 顯示控制仿真機軟件

仿真機軟件主要提供仿真試驗系統控制的用戶交互界面，主要包括系統仿真配置、實時仿真運行、仿真數據與模型管理、仿真試驗管理、仿真總線接口框架、數據監測與分析判讀、儀器硬件設備管理等功能。仿真機軟件還設計提供PHM系統的操作及顯示頁面，進行PHM數據的顯示、PHM相關功能的操作等。

1)系統仿真配置功能：

系統仿真配置功能主要用于完成系統仿真驗證流程的過程配置，實現仿真模型文件以及生成的代碼文件導入，建立對應的仿真工程，并完成仿真初始化配置，實現實時仿真全過程管理配置。主要包括仿真工程管理、數據采集配置管理、模型解析與配置、模型參數管理配置、模型變量監視配置、仿真數據管理配置、仿真目標機狀態監視、可提供輸入輸出組件配置。

2)實時仿真運行功能：

實時仿真運行功能主要用于仿真的運行與操作控制，為用戶提供統一風格的操作界面。經過仿真序列分析編譯后形成的仿真執行文件，在前臺系統仿真管理系統的控制下，加載到后臺仿真執行系統，由仿真運行引擎控制仿真流程的執行[19-20]。仿真運行引擎在實時仿真運行過程中收集由實時仿真運行實例產生的相關數據信息和實時狀態信息，為仿真試驗系統用戶提供對實時仿真運行執行的跟蹤和監控功能。

3)仿真數據與模型管理：

仿真數據與模型管理主要用于仿真數據、仿真模型以及整個PHM仿真試驗系統數據信息的統一管理，可實現對不同的系統真實試驗數據、飛行數據以及系統模型數據的導入、導出及檢索查看功能。通過構建協議、配置、試驗數據庫實現對系統模型、PHM診斷模型、系統數據、故障數據、試驗信息數據、監測數據的管理。仿真數據與模型管理軟件通過仿真總線共享數據信息。

4)仿真試驗管理功能：

仿真試驗管理功能主要用于實現PHM仿真試驗系統的各種試驗信息管理功能，主要包括試驗用戶管理、試驗權限管理、試驗基礎信息管理等，通過試驗管理軟件完成各試驗信息的管理及存儲。

5)仿真總線接口框架：

仿真總線接口框架主要用于定義與管理ICD數據。采用真實系統中的各類總線接口來傳遞ICD數據，采用通用化的框架形式進行設計，支持標準ICD文件解析與配置，針對具體單獨的仿真功能應用，對應的仿真總線抽象封裝為一組可調用接口供應用功能調用以實現數據訪問。

6)儀器硬件設備管理：

儀器硬件設備管理主要用于對仿真試驗系統內的儀器設備、硬件資源、網絡信息配置等進行管理。主要包括：仿真設備儀器的管理、網絡信息配置的管理。

7)PHM系統操作與顯示：

圖4 仿真試驗流程設計

PHM系統操作與顯示主要用于PHM數據的顯示以及PHM相關功能的操作，主要包括：顯示PHM系統故障信息、FDE信息、配置信息、測試狀態及結果等內容，提供PHM頁面的基本功能操作，進行PHM地面測試、狀態監控參數定義等操作。

8)數據監測與分析判讀：

數據監測與分析判讀主要用于提供在仿真試驗過程中對輸入輸出數據進行實時監測、顯示、數據分析、保存及數據管理等。主要包括軟件能夠在數據采集界面實現對采集配置功能、具備所有試驗信號的監測管理功能，軟件中數據信號的監測顯示具有多種表現形式，具有采集數據管理功能。

2.4.2 分系統仿真軟件

分系統仿真軟件設計具備的詳細功能包括如下。

1)仿真啟?？刂乒δ埽?/p>

仿真啟?？刂乒δ茇撠煾鞣抡嫫鞯膯优c停止功能，具體包括仿真器設備自檢、仿真器資源初始化、仿真資源注冊、仿真資源釋放、仿真板卡設備復位、仿真器停機等功能。

2)仿真運行調度控制：

仿真運行調度控制負責仿真過程中運行調度與運行控制，包括仿真工程解析、仿真運行配置讀取、仿真實時運行控制、單步仿真、調試運行、步長設置、條件設置等功能，同時提供對底層板卡的調用支持，可通過配置實現通道間映射關系讀取與執行控制功能。

3)數據文件傳輸功能：

數據文件傳輸功能負責仿真使用數據文件的傳輸，一般針對占用空間較大的數據文件，包括原始歷史數據文件、模擬數據文件等，該功能特別針對大數據量的文件傳輸進行優化設計。

4)數據通訊功能：

數據通訊功能基于仿真配置及協議解析內容，進行總線數據的通訊與收發功能，功能設計配合ICD文件共同實現通訊功能，通過調用處理底層硬件總線通訊板卡提供的API函數實現數據收發。

5)數據臨時存儲功能：

數據臨時存儲功能主要用于仿真工程運行過程中的數據臨時存儲，包括原始收發數據、解析完畢的收發數據、臨時故障處理數據、數據分析過程數據、關鍵運算中間數據等，軟件提供針對上述數據或其他需要臨時存儲數據的保存功能，可依據不同仿真工程的數據需求進行選擇存儲。

6)模型解析運行功能：

模型解析運行功能對于有仿真模型運行需求的仿真工程，提供模型解析運行功能，支持邏輯模型、算法模型、診斷模型、推理模型以及基于工具開發的仿真模型，包括C/C++、Simulink等工具開發的模型，支持模型中參數、數據等信息與設備物理通道關聯映射[21]。

2.5 仿真試驗流程設計

根據驗證功能的不同，設計基于故障/參數/配置等不同類型信息的仿真與驗證過程。仿真試驗流程設計如圖4所示。仿真試驗系統主控界面如圖5所示。

圖5 仿真試驗系統主控界面(參數注入)

對于每個試驗樣本，設計試驗判據：當顯示控制終端中所記錄的故障/參數信息與區域仿真機發布的數據中對應的信息一致時，則代表合格，否則不合格。

2.5.1 基于故障的仿真與驗證

基于故障的仿真與驗證流程主要用于仿真故障診斷場景，通過仿真工程中預置的故障模型、故障聯動信息、故障數據、故障參數等信息，模擬基于預置信息的故障場景?；诠收系姆抡婀こ讨蓄A置的故障信息可以包含基于規則的故障注入信息、基于案例的故障注入信息、基于模型的故障注入信息等。

仿真工程運行過程中，各仿真器基于故障聯動信息規則生成特定異常狀態信息，仿真觸發飛機級PHM系統模塊故障診斷模塊功能并開展故障診斷的執行流程，向關聯的故障診斷模塊傳遞對應的仿真數據信息，各仿真機依據自身運行邏輯傳遞PHM故障診斷數據信息，并依照各自區域的運行邏輯以及下發的數據產生與機載PHM系統相關的全部數據。飛機級PHM故障診斷模型基于數據信息進行驗證運行，接收各區域運行所產生的PHM相關數據并匯總至PHM故障診斷模型中，生成PHM故障診斷模型運行結果數據。

2.5.2 基于參數的仿真與驗證

基于參數的仿真與驗證流程主要用于仿真各模擬場景下的參照狀態，通過仿真工程中預置的正常參數模型、異常參數模型、參數聯動規則等信息，模擬基于預置仿真場景的整套系統參數，流程設計運行過程提供手動控制單一參數或批量參數能力，為仿真試驗流程的參數提供高自由度的配置能力。

仿真工程運行過程中，各仿真器基于參數模型和規則生成特定正?；虍惓５南到y參數，參數模型與規則基于不同區域及子系統的附屬參數進行設計，并設計考慮在系統仿真的不同飛行階段中呈現匹配的數據特征。各仿真機依據自身參數生成與收發邏輯，基于ICD文件組幀傳遞數據。飛機級PHM狀態監測功能基于接收到的參數信息進行解析與監測運行，生成PHM狀態監測運行過程數據和結果數據。

2.5.3 其他仿真與驗證

其他仿真與驗證流程主要包括軟硬件配置信息、壽命監視信息等內容。通過仿真工程中預置的軟硬件基本信息、配套信息、配置信息等數據內容模擬軟硬件配置信息；基于預置的壽命模型信息、仿真運行的時間累積信息、壽命聯動規則等信息，模擬壽命監視信息，流程設計運行過程支持手動調整軟硬件配置和壽命信息。

仿真工程運行過程中，各仿真器預先加載硬件配置信息、壽命監視信息，并基于依據區域或設備的具體運行設定進行數據的生成與收發，飛機級PHM壽命監視功能模塊、軟硬件配置信息管理功能模塊基于接收到的數據信息進行解析，生成對應的分析結果數據。

3 仿真試驗系統應用

目前，該試驗系統已經應用于PHM系統開發，為PHM系統原理試驗提供硬件基礎和方法指導。

試驗針對基于故障的功能和基于參數的功能，通過仿真工程中預置的信息，對各類場景進行了仿真，對各項功能進行了邏輯驗證。試驗過程中，對所執行試驗樣本進行了數據采集與記錄，主要包括故障基本信息、故障狀態、參數值、參數名稱、軟硬件配置信息等。

基于2.5節設計的仿真試驗流程，針對PHM系統功能進行仿真試驗，將采集和記錄的試驗數據按照相應的試驗判據進行分析，試驗結果驗證了各項健康管理功能邏輯的正確性。仿真驗證界面與結果示例如圖6所示。實際使用結果表明，本文提出的PHM仿真試驗系統設計與應用方法，能夠較好地用于仿真驗證試驗，為PHM系統的研制提供支撐。

圖6 仿真驗證界面與結果示例(參數頁面)

4 結束語

本文基于PHM系統發展現狀，針對研制過程中的仿真試驗需求，提出了PHM仿真試驗系統和試驗流程的設計方案。該試驗系統采用仿真試驗技術，通過仿真試驗環境網絡建立區域PHM仿真器、飛機級PHM仿真器以及顯示控制仿真機之間的數據交聯，能夠對系統架構、方案、總線接口、數據處理、分區存儲等系統功能進行仿真試驗，實現飛機健康管理系統功能驗證，從而縮短試驗周期，提高研制效率，為系統設計工作提供支撐。