构建PHM通用化开发平台,加速预测性维修应用落地

引言 

  上世纪70年代以来，美国国防部（DoD）发现许多维修过程依赖于装备的服役时间和运行间隔，缺少应用装备状态的能力。在武器系统诊断与预测技术的成熟和相关技术（如，便携式维修辅助装置、交互式电子技术手册（IETM）、基于数据的训练及编有序列号的物品管理）的进步，国防部长办公室（OSD）和军兵种协作开发了一种新的维修概念——CBM+，并将其运用到各军兵种的许多武器系统和项目之中，如陆军的未来战斗系统、斯特瑞克战车，海军的维修效率评审项目，空军的联合攻击战斗机，海军陆战队的轻型装甲车。

一、视情维修组成要素 

  CBM+使装备从故障发生后的不定期、被动的维修方式转变为综合状态感知、基于分析决策驱动的预测维修方式。基于实时数据状态，能够更精确地预测潜在故障，加上及时有效的修理，将明显地节省时间和费用，进一步提高武器系统的可用度和性能。利用现代维修工具、技术和流程来监测故障的早期迹象和潜在故障，这就有足够的维修和备件供应反应时间，使武器系统受影响最小、寿命周期费用最少。因此它能让武器系统的维修人员和使用人员在整个寿命周期内，以效费比最高的方式获得武器系统和装备期望的战备水平。  

  CBM+包括（但不限于）以下组成要素： 

  · 硬件方面：嵌入式传感器、机内测试、机内测试设备、融合数据总线；

  · 软件方面：具有决策支援和分析能力，诊断和预测算法及健康管理；

  · 通讯方面：数据库和交互式通信链；

  · 设计方面：采用开放的体系结构，融合了维修和后勤信息系统，留有和作战系统相连的接口，最小维修需求系统设计，基于装备状态的维修决策；

  · 过程方面：开发以可靠性为中心的维修（RCM）项目，对修复性、预防性及主动性维修过程进行平衡；

  · 工具方面：利用交互式数字化的IETM、自动识别技术、便携式维修辅助设备、嵌入式的基于数据的交互式训练；

  · 功能方面：能进行故障检测、隔离、预测、报告、评估和修复。 

  其中，针对复杂系统的故障诊断和维护逐渐成为大家关注的焦点，以预测技术为核心的故障预测和健康管理PHM(Prognostics and Health Management) 成为了CBM+应用的核心。

二、PHM国内外的现状 

  随着系统和设备复杂性的增加以及信息技术的发展，国外PHM技术的发展，经历了外部测试，机内测试（BIT，Built-inTest）、智能BIT、综合诊断、PHM共５个阶段。PHM技术在产品应用层次上，从过去的部件与分系统级，发展到覆盖整个平台各个主要分系统的系统集成级；PHM技术在产品应用层面上，从电子产品扩展至机构与结构、机电产品等领域。目前，PHM技术已经得到美英等军事强国的深度研究与推广应用，并正在成为新一代飞机、舰船和车辆等武器装备研制阶段与使用阶段的重要组成部分。代表性的PHM相关系统包括：F-35飞机PHM系统、直升机健康与使用监控系统（HUMS）、波音公司的飞机状态管理系统（AHM）、NASA飞行器综合健康管理（IVHM）、美国海军综合状态评估系统（ICAS）以及预测增强诊断系统（PEDS）。

  国外PHM系统特点及趋势如下：  

  １）丰富的故障数据库：包含仿真故障注入数据、试验台故障注入数据、武器装备测试数据及实际运行数据等。半实物仿真以及全数字仿真是未来发展趋势。 

  ２）针对PHM全流程：从数据采集、数据处理、辅助决策及信息管理等多个层次，对传感器及数据采集系统、故障诊断与预测算法模型、推理模型、辅助决策模型等功能模块进行验证。  

  ３）可模拟用户操作，实现人在回路的测试。  

  ４）标准化、可配置的验证评价指标体系；评价指标覆盖面广，包括误差、稳定性、重复性、可靠性、不确定性等方面。  

  ５）端到端测试环境，验证过程可跟踪复现。  

  ６）分布式、网络化的开发式软硬件架构，符合OSA-CBM的通用PHM服务接口，多地理位置供应商PHM联合验证。 

  PHM技术在国内相对来说还是一个比较新颖的概念，研究起步较晚。虽然开展了大量工作，并取得了显着的研究成果，但前期主要是跟踪国外工程应用，在相关基础理论与技术、系统综合集成等方面的研究还较少。具体表现在：  

  １）在PHM系统集成与使能技术方面。国外已开展了大量的相关研究和应用工作，国内仅是跟踪国外的工程应用，设计方面相对落后，PHM系统集成与使能工具设计相关研究较少。  

  ２）在复杂系统健康管理方面，国外已开展了大量的基于PHM的维修决策研究工作和应用。国内装备仍以周期性预防维护为主，基于PHM的装备任务规划与维修策略研究工作较少。 

  ３）在复杂系统健康诊断与预测方面，国内外在此方面研究差距不大，某些方向已达到国际先进水平。在方法研究上，国内外均开展基于故障物理、数据驱动、模型、专家知识的诊断与预测技术研究。但是，在技术成熟度上与应用广度上，国外领先国内。尤其在应用于PHM的新型智能传感器技术及装置研发上，国外已远领先于国内。  

  ４）在PHM能力试验验证方面，国外已开展了大量研究工作，国内在PHM设计验证方面，也开展了初步的研究工作，但目前还没有成熟的PHM体系综合建模、试验验证与能力评价技术方法体系，相关验证辅助工具与平台成果还较少。

三、国睿信维PHM系统  

  基于目前国内的现状，国睿信维研发了通用化PHM平台，使企业可以将建设PHM业务系统的主要核心工作内容集中在核心算法、分析与预测模型。平台采用中间件技术实现功能模块、模型构件集成，具备实时任务处理能力，及常规的管理、用户界面交互、数据存储与管理等功能。在基础框架上集成健康管理应用相关的功能构件与模型接口，形成遵从OSA-CBM规范的健康管理标准平台。向健康管理标准平台装载面向具体应用开发的健康模型，以实现各种业务的功能。 

  国睿信维PHM系统平台创新地将整套解决方案设计为健康管理通用开发平台和执行平台。开发平台负责配置、设计健康管理的运行环境以及其工作参数等信息，整个过程采用全图形化配置和免编程开发的方式。执行平台负责根据开发平台提供的配置参数、构件、算法、模型信息完成对系统算法构件加载和调度，以及按配置信息处理健康数据，实现对相应产品的健康管理功能。

  国睿信维PHM系统平台模块划分遵照OSA-CBM标准，请参见下表： 

  通过通用化快速开发平台，用户可以高效进行多型装备PHM系统的开发，对数据采集-数据处理-状态监测-故障隔离-健康评价-趋势分析-统计分析等核心环节进行“可视化通用化免编程”配置，继而进行仿真验证，最后发布执行平台随装备部署，运行过程中收集装备数据信息，反馈开发平台进行分析再优化，形成开发-应用-反馈-再改进的装备健康管理流程闭环。通过复杂型号验证，采用Glaway PHM开发平台可以将装备PHM软件的配套开发时间由常规的6-8个月，缩短到3-4周的时间，使设计师专注到设备模型和算法研发上，从而有效加快装备健康管理和预测性维修的落地。