IETM與CBM的系統(tǒng)集成應(yīng)用

郭德興， 杜曉明

(1. 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)裝備模擬訓(xùn)練中心， 河北 石家莊 050003; 2. 72456部隊， 山東 濰坊 261305；3. 陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

裝備交互式電子技術(shù)手冊(Interactive Electro-nic Technical Manual,IETM)具有裝備技術(shù)說明書、操作使用手冊和維修手冊等功能，其在制定裝備預(yù)防性維修計劃、組織故障隔離、指導(dǎo)故障維修、提高維修效率等方面發(fā)揮著重大作用[1]。目前，IETM主要應(yīng)用于裝備的事后維修和定期維修。盡管裝備的維修方式已逐步向基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance,CBM)方式轉(zhuǎn)變,但開展CBM需要借助完善的故障檢測與診斷技術(shù)，通過對裝備實時監(jiān)測，以評估裝備的健康狀態(tài)、預(yù)測裝備的壽命[2]，進而在裝備性能下降或故障發(fā)生前采取應(yīng)對措施，變被動維修為主動維修，有效降低了裝備維護成本，并延長了裝備壽命。開展CBM主要依據(jù)采集(處理)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、健康評估報告、現(xiàn)場交互式排除故障，或根據(jù)CBM給出的維修決策建議啟動基于狀態(tài)的裝備維護。其中，在交互式故障排除和裝備維護中，IETM與CBM通過共享故障數(shù)據(jù)資源，來合理優(yōu)化維修活動，提高裝備維修效率，實現(xiàn)裝備健康管理的一體化應(yīng)用。

1 需求分析

IETM與CBM均是裝備保障的重要支撐技術(shù)。其中CBM在獲取裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，實施健康評估和輔助維修決策等方面具有優(yōu)勢，但缺乏詳細(xì)的裝備保障數(shù)據(jù)支持，而IETM不但能提供完備的裝備技術(shù)數(shù)據(jù)，還可提供診斷策略模型和故障維修措施數(shù)據(jù)，若將IETM接駁到CBM系統(tǒng)中，將二者在不同層面上進行集成，通過采集裝備狀態(tài)、健康診斷等數(shù)據(jù)，對裝備數(shù)據(jù)進行深度挖掘與利用，可實現(xiàn)裝備故障的診斷、維修方案的生成等一體化裝備維修保障，達到節(jié)約維修時間、維修經(jīng)費，提高裝備運行安全性等效果。因此，在裝備故障診斷、健康管理和裝備維護等方面展開IETM與CBM的集成應(yīng)用研究，可實現(xiàn)裝備事后維修、定期維修和基于狀態(tài)維修的綜合應(yīng)用。

1.1 CBM系統(tǒng)

CBM系統(tǒng)通過收集內(nèi)嵌式(Built In Test，BIT)傳感器數(shù)據(jù)或外部測試儀器檢測的參數(shù)，運用相關(guān)算法和人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析、處理和評估，查找裝備故障點或劣化點，評估裝備的健康狀態(tài)，并給出裝備維護建議[3]。從功能上來說，裝備診斷過程從數(shù)據(jù)采集到預(yù)診斷、診斷，一般經(jīng)過多個階段來完成，且每個階段都可獨立的在不同地點執(zhí)行。在《機械狀態(tài)的監(jiān)測和診斷》(ISO13374)和OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance)規(guī)范中，將CBM體系結(jié)構(gòu)分為6個功能層級[4]，如圖1所示。

1) 數(shù)據(jù)采集層(Data Acquisition,DA)。采集并存儲裝備相關(guān)特征參數(shù)(如油液、振動、噪聲、溫度等)，并等待上層模塊或其他系統(tǒng)讀取。采集的數(shù)據(jù)若超過規(guī)定閥值可進行報警。傳感器采集的數(shù)據(jù)主要是狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，包括數(shù)值數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)和多維數(shù)據(jù)3類，其中：數(shù)值數(shù)據(jù)是簡單的數(shù)值，如溫度、壓力、油液分析數(shù)據(jù)等；波形數(shù)據(jù)是一個時間序列，如振動信號、聲音信號等；多維數(shù)據(jù)是一個多維數(shù)據(jù)，如紅外熱成像、X射線照片等。

2) 數(shù)據(jù)處理層(Data Manipulation，DM)。通過濾波、D/A變化等技術(shù)對DA層提供的數(shù)據(jù)進行計算，提取可用于健康評估的特征參數(shù)，其輸出信號包括濾波信號、頻譜、傳感信息和其他CBM信息等，可供上層模塊或外部系統(tǒng)使用。處理后的數(shù)據(jù)如果超過一定標(biāo)準(zhǔn)可進行報警。

3) 狀態(tài)監(jiān)測層(State Detection，SD)。將DA、DM層的數(shù)據(jù)通過閾值比較、模糊邏輯等方法進行處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常后報警，狀態(tài)監(jiān)測層可用來進行初步的故障檢測。

4) 健康評估層(Health Assessment，HA)。針對不同部件，選擇合適的狀態(tài)檢測信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、操作狀態(tài)等對裝備進行健康水平評估，并定位狀態(tài)監(jiān)測層報告的故障[5]。

5) 預(yù)測評估層(Prognostics Assessment，PA)。根據(jù)健康評估情況和裝備運行情況等，判斷裝備的使用壽命和未來的故障模式。

6) 建議生成層(Advisory Generation，AG)。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，給出最佳維修時機、維修任務(wù)等維護建議或更改設(shè)備配置、任務(wù)計劃等操作建議。

上述6個層級可分2個模塊，其中前3層為狀態(tài)監(jiān)測模塊，一般安裝于裝備上，每層都設(shè)有報警器功能，報警體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)檢測的過程中，數(shù)據(jù)經(jīng)過運算，發(fā)現(xiàn)超出可承受范圍即報警，隨即進行緊急停機搶修。數(shù)值數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)采集模型中即可報警，波形數(shù)據(jù)等需經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后才能報警，一些表面上不能準(zhǔn)確定位的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過狀態(tài)監(jiān)測層判斷才能報警。一般情況下，數(shù)據(jù)經(jīng)過狀態(tài)檢測層后，裝備的基本狀態(tài)就很清楚了[6]。后3層為維修決策模塊，一般獨立于裝備，用于接收裝備的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行監(jiān)控評估，主要包括診斷模型和預(yù)測模型2部分：診斷模型用于故障發(fā)生時，發(fā)現(xiàn)、隔離和定故障位；預(yù)測模型用于故障未發(fā)生時，對故障進行故障預(yù)測并生成維修決策方案[7]。

1.2 IETM外部應(yīng)用集成接口

IETM是一種按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字格式編制，采用文字、圖形、表格、音頻和視頻等形式，以人機交互方式提供裝備基本原理、使用操作和維修等內(nèi)容的技術(shù)出版物。IETM應(yīng)用數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)模塊存儲，其中維修信息存儲于維修程序數(shù)據(jù)模塊中，故障隔離信息存儲于故障數(shù)據(jù)模塊中。同時，為了增強IETM的交互性，S1000D引入了一種專門用于創(chuàng)建交互式內(nèi)容的數(shù)據(jù)模塊—過程數(shù)據(jù)模塊。過程數(shù)據(jù)模塊主要用于表示故障隔離和故障診斷類的技術(shù)信息。在過程數(shù)據(jù)模塊中，可定義變量、表達式、對話框，以實現(xiàn)人機交互的功能。更為重要是，可在過程數(shù)據(jù)模塊中調(diào)用測試程序，并與測試程序交換數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)集成化的IETM[8]。

為了實現(xiàn)與外部應(yīng)用的交互，過程數(shù)據(jù)模塊設(shè)計了元素，高級的IETM應(yīng)用可通過接口接收存儲外部應(yīng)用發(fā)送的數(shù)據(jù)，便于邏輯引擎存取，實現(xiàn)智能IETM應(yīng)用。在智能IETM應(yīng)用中，IETM不僅可對外部應(yīng)用信息進行傳輸(輸入外部數(shù)據(jù)源)、瀏覽、檢索，甚至可直接操控外部系統(tǒng)。

圖2為S1000D中元素的模式結(jié)構(gòu)。其中既有發(fā)送參數(shù)，也有接收參數(shù)。S1000D只定義了交互數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，并沒有指定IETM與外部應(yīng)用程序之間的通訊協(xié)議，還需要IETM邏輯引擎與外部應(yīng)用之間共同約定。

2 集成方式分析

裝備復(fù)雜程度不同，監(jiān)測診斷系統(tǒng)的安裝層次也不同，由CBM系統(tǒng)的6層功能模型可知，CBM系統(tǒng)對故障的報告包括以下3類：1)前3層基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障警報，該警報常以故障現(xiàn)象出現(xiàn)，輔以故障代碼；2)健康評估層基于監(jiān)測警報數(shù)據(jù)做出的故障定位報告，該報告一般表現(xiàn)為故障代碼；3)后2層對未來故障模式和維護建議的報告?；贑BM提供的報告數(shù)據(jù)，IETM與CBM系統(tǒng)集成有4種方式，如圖3所示。

1) 基于故障警報的集成。根據(jù)前3層的故障警報現(xiàn)象或故障代碼，IETM從CBM中獲取數(shù)值數(shù)據(jù)、特征值、狀態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)字形式的數(shù)據(jù)，基于IETM故障數(shù)據(jù)模塊，以交互式故障診斷方式進行故障定位，并提供維修支持。

2) 基于故障定位的集成。根據(jù)第4層的故障定位，IETM從CBM中讀取故障代碼，基于IETM故障數(shù)據(jù)模塊中的故障數(shù)據(jù)報告，直接為CBM系統(tǒng)提供維修程序支持。

3) 基于維修決策的集成。根據(jù)CBM系統(tǒng)提供的維修決策報告，IETM通過維修過程數(shù)據(jù)模塊，直接提供計劃維修時所需的零部件、工具、人員、維修等級等卡包信息和維修程序信息。

4) 基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測集成。在未發(fā)生故障時，通過過程數(shù)據(jù)模塊讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用日志信息和故障模塊存儲的健康信息，進行簡單的故障預(yù)測。

根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、診斷效能和系統(tǒng)費用，當(dāng)前武器裝備上安裝的CBM系統(tǒng)一般分為以下3個等級[9]：

1) Ⅲ級CBM系統(tǒng)。屬于最簡單的CBM系統(tǒng)，主要依靠檢測人員采用手提式檢測儀器對裝備進行檢查，并依據(jù)裝備當(dāng)時的工作狀態(tài)進行狀態(tài)評估，制定維修方案。IETM與Ⅲ級CBM的集成，一般采用基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測集成方式。

2) Ⅱ級CBM系統(tǒng)。安裝在裝備上，通過在裝備某些組件上安裝傳感器等元器件，采集裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)并進行預(yù)警，維護人員可根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)或警報情況進行狀態(tài)評估，并制定初級維修方案。IETM與Ⅱ級CBM系統(tǒng)的集成，主要采用基于故障警報的集成和基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測集成2種方式，在只有一種確定的故障方式才能引起故障警報的特殊情況下，采用基于故障定位的集成。

3) Ⅰ級CBM系統(tǒng)。屬于最復(fù)雜的CBM系統(tǒng)，它不但在裝備的關(guān)鍵部件上安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，而且可通過計算機軟件進行多點自動故障狀態(tài)信息提取、專家診斷和預(yù)警，并具有維修決策功能，屬于集成了6層CBM功能模塊的CBM系統(tǒng)。IETM與Ⅰ級CBM系統(tǒng)的集成，可以根據(jù)各層功能需求，上述4種集成方式均采用。

3 集成接口設(shè)計

OSA-CBM以規(guī)范的形式統(tǒng)一了CBM系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和通信標(biāo)準(zhǔn)，滿足了CBM系統(tǒng)6個層級中各模塊之間的互操作性需求。OSA-CBM規(guī)范分為接口規(guī)范和信息規(guī)范，采用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)進行定義，可通過各種編程語言和中間件技術(shù)實現(xiàn)。在該通用框架下，與CBM的6類模塊類似，IETM系統(tǒng)通過增加1個OSA-CBM接口層，可以實現(xiàn)為一個符合OSA-CBM通信的標(biāo)準(zhǔn)模塊，按照4種集成方式，與相應(yīng)CBM模塊實現(xiàn)互聯(lián)互通。

OSA-CBM中的接口規(guī)范描述了信息如何移動，接口規(guī)范定義了4種主要類型的通信類型，分別為同步、異步、服務(wù)、訂閱[10]。每個OSA-CBM模塊都定義有交互接口層，這些接口層遵循客戶端-服務(wù)端類型的功能調(diào)用。

1) 同步。通過調(diào)用來返回數(shù)據(jù)。它通過HTTP提取技術(shù)對Web XML進行建模。

2) 異步。通過單獨的回復(fù)調(diào)用來返回數(shù)據(jù)。它允許任意數(shù)量的上層模塊在需要時建立和維護雙向連接，有3種不同的通信設(shè)置模式：(1)根據(jù)請求返回數(shù)據(jù)；(2)在警報(如超過閾值)時返回數(shù)據(jù)；(3)全部推送，每次收集數(shù)據(jù)時不需要事先請求就將數(shù)據(jù)推送到更高連接的模塊。

3) 服務(wù)?？蛻舳酥唤邮諗?shù)據(jù)。

4) 訂閱?？蛻舳擞嗛啍?shù)據(jù)，服務(wù)器定期或處于警報狀態(tài)時發(fā)送數(shù)據(jù)。

信息規(guī)范定義了可傳輸?shù)男畔㈩愋?，主要?種：動態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)(簡稱“結(jié)果數(shù)據(jù)”),配置數(shù)據(jù)和說明數(shù)據(jù)[10]。配置數(shù)據(jù)規(guī)范了CBM應(yīng)用中的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)處理算法、輸出列表和工程單元、警報閾值等輸出信息的特性；說明數(shù)據(jù)定義CBM應(yīng)用中用于生成輸出的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)的引用；結(jié)果數(shù)據(jù)是由OSA-CBM各功能層生成的與狀態(tài)監(jiān)測過程相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)，如測量值、操作或處理過的數(shù)據(jù)等。

結(jié)果數(shù)據(jù)與CBM數(shù)據(jù)處理功能密切相關(guān)，直接與OSA-CBM定義的6個功能層相關(guān)聯(lián)。DA結(jié)果數(shù)據(jù)是被格式化的傳感器數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)具有一致的格式；DM結(jié)果數(shù)據(jù)是由DA結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的一個或多個有意義的特征值；SD結(jié)果數(shù)據(jù)是將DM結(jié)果數(shù)據(jù)與期望值進行比較，得到的計算條件指標(biāo)。HA、PA和AG結(jié)果數(shù)據(jù)分別是與機器當(dāng)前健康狀況、預(yù)測未來故障和建議的操作步驟相關(guān)的數(shù)據(jù)。

IETM與CBM系統(tǒng)集成后，主要采用CBM系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)果數(shù)據(jù)進行故障診斷、維修。圖4為以O(shè)SA-CBM接口信息規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的IETM與CBM集成接口。

裝備CBM系統(tǒng)通常由6類功能模型中的一種或多種內(nèi)部數(shù)據(jù)處理軟件組件組成，軟件組件通過定義的功能算法，對數(shù)據(jù)進行處理，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。IETM根據(jù)CBM系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能的特點，與其進行多種類型的集成，并通過CBM系統(tǒng)提供的接口訪問、接收從數(shù)據(jù)處理組件輸出的一個或多個結(jié)果數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)一體化裝備保障功能。

4 結(jié)論

IETM與CBM系統(tǒng)的集成具有應(yīng)用需求和技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)IETM與不同層次的CBM系統(tǒng)模塊集成時，應(yīng)規(guī)劃好信息集成需求，通過采用統(tǒng)一的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和通信標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現(xiàn)裝備健康管理的一體化應(yīng)用。通過獲取CBM檢測到的裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，IETM既能夠及時提供故障診斷方案、維修程序以完成故障的排除，也可以提供維護日志情況、維修計劃方案、生成維修工作卡包等數(shù)據(jù)支持，增強了基于狀態(tài)的裝備維修工作的時效性和針對性，降低了裝備全壽命周期的費用。