基于服務(wù)的健康管理系統(tǒng)開發(fā)方法

崔曉偉/北京中科蜂巢科技有限公司

采用服務(wù)化的方法實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的模型化開發(fā)和配置，對航空發(fā)動機(jī)不同型號以及不同領(lǐng)域的健康管理系統(tǒng)進(jìn)行快速開發(fā)，可較傳統(tǒng)的開發(fā)方法節(jié)省經(jīng)濟(jì)和時間成本。

航空發(fā)動機(jī)是一個非常龐大的系統(tǒng)，包括了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等眾多子系統(tǒng)之間的相互耦合交錯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能要求嚴(yán)格。因此，能夠解決如何對航空發(fā)動機(jī)的綜合性能即健康狀況進(jìn)行跟蹤預(yù)測、如何實(shí)時檢測航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀況、如何實(shí)施故障的維修恢復(fù)以及如何在故障難以修復(fù)的情況下最大程度地完成預(yù)定任務(wù)等一系列問題，是實(shí)質(zhì)性提高航空發(fā)動機(jī)可靠性、安全性的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是保障航空發(fā)動機(jī)完成既定任務(wù)、降低經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的必然要求[1]。

傳統(tǒng)的健康管理系統(tǒng)一般基于客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，通常使用一機(jī)一系統(tǒng)的開發(fā)方式，即一個型號配一個專屬的健康管理系統(tǒng)。這對于多型號并行的開發(fā)人員來說，需要多次開發(fā)不同型號的航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)，造成了驗(yàn)證的研發(fā)成本和時間的浪費(fèi)。目前，航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、測試、試飛等環(huán)節(jié)，會產(chǎn)生海量的仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于健康管理系統(tǒng)的診斷算法開發(fā)和故障特征關(guān)聯(lián)。因此，航空發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)與健康管理系統(tǒng)的結(jié)合是至關(guān)重要的[2]。

本文介紹一種基于服務(wù)的健康管理系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的基于模型的快速開發(fā)和配置。同時，由于采用開放式生命周期協(xié)作服務(wù)技術(shù)，使航空發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與信息可以與服務(wù)化的健康管理系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在未來的工作中實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)與全生命周期數(shù)據(jù)的雙向打通。

健康管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

健康管理系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)了健康管理的概念[3]，是指利用傳感器來獲取發(fā)動機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，借助數(shù)學(xué)方法來評估發(fā)動機(jī)及各系統(tǒng)的健康狀況，預(yù)測發(fā)動機(jī)性能的發(fā)展趨勢和可能發(fā)生的故障，并提供科學(xué)恰當(dāng)?shù)呐殴屎途S修建議；在結(jié)構(gòu)載荷監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機(jī)的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測[4]。健康管理系統(tǒng)最初是由美國國家航空航天局（NASA）提出的、在可重復(fù)使用的空間飛行器進(jìn)行健康管理的技術(shù)。通過后來的一些項(xiàng)目的驗(yàn)證和發(fā)展，在概念、功能劃分、軟硬件組成等方面實(shí)現(xiàn)了極大的改進(jìn)。隨著對航空發(fā)動機(jī)可靠性要求的提高，對其全生命周期進(jìn)行健康管理的研究越來越重要，因此我國也在“八五”期間開展了健康管理技術(shù)的研究，在對國外先管技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究的同時，主要對健康管理理論方面做了基礎(chǔ)而深入的研究工作，但目前尚未建立起發(fā)動機(jī)健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體系，部分健康管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)還停留在理論研究階段。

由于健康管理系統(tǒng)在開發(fā)過程中需要對全生命周期的仿真數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)、實(shí)時試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并設(shè)計(jì)對應(yīng)診斷算法，因此航空發(fā)動機(jī)全生命周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達(dá)及其與健康管理系統(tǒng)開發(fā)流程的關(guān)聯(lián)顯得極為重要。

為解決信息孤島問題，可采用開放式全生命周期協(xié)作服務(wù)（Open Services for Lifecycle Collaboration，OSLC）技術(shù)規(guī)范來支持健康管理系統(tǒng)的開發(fā)[5]。OSLC是由IBM公司提出的一套技術(shù)規(guī)范，該規(guī)范可以支持如下功能：工具集成、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、統(tǒng)一的資源化管理、資源查詢、跨工具的數(shù)據(jù)預(yù)覽等。

另外，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程會造成研發(fā)過程中產(chǎn)生海量的文檔，從而使信息的查找、理解以及更改變得困難[6]。由不同研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)與健康管理系統(tǒng)，也會導(dǎo)致健康管理系統(tǒng)開發(fā)過程中文檔與數(shù)據(jù)無法描述、表達(dá)、交流與追溯，降低了健康管理系統(tǒng)的研發(fā)效率。

基于模型的系統(tǒng)工程利用模型的直觀、無歧義、模塊可重用等優(yōu)點(diǎn)快速覆蓋了軟件、電子等工程領(lǐng)域。在健康管理系統(tǒng)開發(fā)過程中，如果采用以上標(biāo)準(zhǔn)的模型表達(dá)，便可以解決健康管理系統(tǒng)的開發(fā)人員之間交流上的誤解，提升溝通效率。同時，以上模型可以通過代碼生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)、模型及代碼的自動生成[7]。

本文采用基于模型的系統(tǒng)工程方法和代碼生成技術(shù)，自動配置和生成對應(yīng)健康管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對健康管理系統(tǒng)的快速開發(fā)。

基于服務(wù)的健康管理系統(tǒng)

針對以上問題，本文提出通過服務(wù)化健康管理系統(tǒng)對航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行綜合健康狀態(tài)的管理。健康管理系統(tǒng)實(shí)施方案應(yīng)滿足以下要求：適用不同發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的重復(fù)使用，隨著需求增加，對應(yīng)健康管理系統(tǒng)的開發(fā)要實(shí)現(xiàn)模塊化重復(fù)使用，可以通過快速配置的方式實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的快速生成；打通健康管理系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)全生命周期的相關(guān)模型和數(shù)據(jù)，將發(fā)動機(jī)全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)和模型統(tǒng)一表達(dá)，并可以在健康管理系統(tǒng)開發(fā)過程中做到可追溯、可調(diào)用、可保存，用于后續(xù)診斷算法的開發(fā)和分析。

系統(tǒng)架構(gòu)

如圖 1所示，服務(wù)化的健康管理平臺包括前端瀏覽器/服務(wù)器（B/S）層、邏輯層、基礎(chǔ)服務(wù)層和基礎(chǔ)組件層。

前端B/S層即為用戶交互層，直接面向用戶，包括網(wǎng)頁客戶端。不同的用戶通過底層的服務(wù)可以訪問對應(yīng)的前端界面。使用JavaScript、HTML和 CSS等Web技術(shù)創(chuàng)建原生程序框架，它兼容Mac、Windows、Linux等操作系統(tǒng)，從而支持多平臺的應(yīng)用部署。

邏輯層在基礎(chǔ)服務(wù)層之前，用于表達(dá)基礎(chǔ)服務(wù)的組成邏輯，為用戶交互層提供接口和業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)。

基礎(chǔ)服務(wù)層用于存放健康管理系統(tǒng)所涉及的服務(wù)，如針對不同故障的診斷服務(wù)、硬件I/O接口服務(wù)、數(shù)據(jù)庫的操作服務(wù)等。該基礎(chǔ)服務(wù)層和邏輯層匹配用于直接實(shí)現(xiàn)前端的相關(guān)功能。該層基礎(chǔ)服務(wù)通過OSLC規(guī)范開發(fā)的OSLC服務(wù)配置器生成。針對不同資源，其對應(yīng)OSLC服務(wù)配置器可以將該資源表達(dá)為統(tǒng)一的OSLC服務(wù)，每個OSLC服務(wù)可以通過統(tǒng)一資源定位器（URL）進(jìn)行訪問。

基礎(chǔ)組件層包括整個健康管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)存儲、核心診斷算法、核心預(yù)測算法、硬件接口，以及模型數(shù)據(jù)庫、用戶權(quán)限數(shù)據(jù)庫及文件等。其中，虛擬文件包括模型文件、仿真文件、結(jié)果文件、仿真報(bào)告和其他文件。

圖2 基于模型的健康管理開發(fā)過程

通過以上服務(wù)化架構(gòu)，健康管理的能力系統(tǒng)可以具備基于服務(wù)的快速配置能力，同時也可以采用相關(guān)模型實(shí)現(xiàn)該服務(wù)化健康管理系統(tǒng)的自動生成。

基于模型的健康管理系統(tǒng)開發(fā)

如圖 2所示，采用基于模型的系統(tǒng)工程方法實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的自動生成。本方案中，采用特定域建模工具（MetaGraph）對健康管理系統(tǒng)的架構(gòu)和開發(fā)過程進(jìn)行描述，并通過代碼生成器，自動生成健康管理系統(tǒng)架構(gòu)模型和有關(guān)的本體信息。通過采用Datalinks讀入相關(guān)本體信息分別生成圖1中的前端B/S代碼、業(yè)務(wù)邏輯代碼、生成服務(wù)的OSLC服務(wù)配置器。這些服務(wù)配置器用于把該健康管理系統(tǒng)中所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)組件生成為服務(wù)，進(jìn)而生成基于服務(wù)健康管理系統(tǒng)。

案例分析

為驗(yàn)證此實(shí)施方案在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的可行性，用物聯(lián)網(wǎng)小車代替航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行案例分析。如圖 3所示，基于開放式機(jī)器人移動平臺（TURTLEBot3），開發(fā)出兩個小車實(shí)物。通過機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）和無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）將小車的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到PC端，通過PC端的OSLC服務(wù)配置器將實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)云上，開發(fā)人員通過云服務(wù)實(shí)現(xiàn)小車的實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控。用車速等信息代替對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行故障診斷時所需要的工作參數(shù)。在運(yùn)行過程中，將實(shí)物數(shù)據(jù)與仿真模型的數(shù)據(jù)同時在服務(wù)化的健康管理系統(tǒng)中顯示。

圖3 小車案例

圖4 小車案例中全生命周期模型及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一服務(wù)化表達(dá)及數(shù)據(jù)分析

同時，以小車的Simulink（MATLAB中的可視化仿真工具）模型、CAD軟件模型、仿真數(shù)據(jù)等代替航空發(fā)動機(jī)的相關(guān)模型。在仿真過程中，將仿真模型的數(shù)據(jù)在服務(wù)化的健康管理系統(tǒng)中顯示。如圖 4所示，除了采用OSLC服務(wù)配置器生成直接用于健康管理系統(tǒng)的服務(wù)外，還采用同樣的技術(shù)將小車開發(fā)過程中所涉及的所有模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的OSLC服務(wù)及基于OSLC的全生命周期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述。這些數(shù)據(jù)可以在大數(shù)據(jù)可視化及分析平臺（DataVis）中用于輔助健康管理系統(tǒng)的診斷和預(yù)測算法的開發(fā)。

Simulink仿真模型的數(shù)據(jù)通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）通信將仿真數(shù)據(jù)實(shí)時存儲在本地的一個Excel表格中，服務(wù)器根據(jù)客戶需求查詢表格中的數(shù)據(jù)并實(shí)時顯示在客戶端網(wǎng)頁上。此外，通過提供下載鏈接，為用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存的服務(wù)。

小車實(shí)物的測試數(shù)據(jù)則是通過無線網(wǎng)絡(luò)與PC客戶端連接，將由傳感器測量得到的數(shù)據(jù)保存在本地。服務(wù)器用同樣的方式為用戶提供對其進(jìn)行顯示與保存的服務(wù)。案例演示效果如圖 5所示：主頁面為用戶提供了針對小車的仿真模型以及小車實(shí)物的服務(wù)目錄（Catalog），點(diǎn)擊服務(wù)器（Provider）相應(yīng)鏈接即可對其進(jìn)行進(jìn)一步操作；每個服務(wù)器都為用戶提供了針對數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示以及數(shù)據(jù)保存的服務(wù)，點(diǎn)擊鏈接即可在網(wǎng)頁客戶端調(diào)用此服務(wù)；當(dāng)用戶選擇實(shí)時顯示服務(wù)時，數(shù)據(jù)將利用OSLC服務(wù)實(shí)時顯示在頁面中；當(dāng)用戶選擇保存數(shù)據(jù)服務(wù)時，可為用戶提供數(shù)據(jù)的下載鏈接，用戶通過OSLC服務(wù)即可將數(shù)據(jù)保存下來。

通過上述驗(yàn)證過程，證明這種健康管理系統(tǒng)是切實(shí)可行的，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

圖5 基于OSLC服務(wù)的實(shí)時數(shù)據(jù)健康系統(tǒng)

結(jié)束語

本文針對航空發(fā)動機(jī)在故障診斷方面的迫切需求，對支持航空發(fā)動機(jī)的健康管理系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。針對C/S架構(gòu)的健康管理系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)導(dǎo)致健康管理系統(tǒng)開發(fā)效率低下問題，采用基于服務(wù)方法實(shí)現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的可開發(fā)并通過物聯(lián)網(wǎng)小車完成對此方案的可行性驗(yàn)證。此外，該方案還可用于其他產(chǎn)品的全生命周期的故障診斷，通過服務(wù)化的形式，將全生命周期中所用到的模型、數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成，進(jìn)一步完成對產(chǎn)品全生命周期的健康管理。