民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)的工程技術(shù)研究

呂鎮(zhèn)邦 孫倩 王娟

摘要：健康管理系統(tǒng)（health management system， HMS）是現(xiàn)代民用客機(jī)必備子系統(tǒng)之一。提升相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化、模塊化水平對于實(shí)際HMS系統(tǒng)的研制具有至關(guān)重要的意義。本文在分析民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，梳理了其工程技術(shù)體系和基本研制流程，重點(diǎn)闡述了體系建模與分析、知識工程與數(shù)據(jù)建模、機(jī)載應(yīng)用客戶化設(shè)計、基于模型的綜合驗(yàn)證等當(dāng)前較為先進(jìn)的系統(tǒng)性關(guān)鍵工程技術(shù)，并簡要介紹了某型國產(chǎn)民用客機(jī)的航電設(shè)備HMS研制實(shí)踐，最后結(jié)合需求、差距及研究熱點(diǎn)提出了未來需要重點(diǎn)解決的工程問題。

關(guān)鍵詞：健康管理；機(jī)載維護(hù)；體系工程；數(shù)據(jù)建模；機(jī)載應(yīng)用客戶化；基于模型

中圖分類號：V37文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.004

基金項(xiàng)目：工信部民機(jī)科研項(xiàng)目（MJ-2017-S-58）

從早期在模擬或機(jī)械式設(shè)備中采用Push-To-Test測試，到實(shí)現(xiàn)了對部分重要設(shè)備的數(shù)字化測試、監(jiān)測和顯示，再逐步發(fā)展到中央維護(hù)計算機(jī)（CMC）和中央維護(hù)系統(tǒng)（ATA 45 CMS）的出現(xiàn)，以及ARINC 624機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)（OMS）設(shè)計指南的制定，標(biāo)志著民用客機(jī)機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)和健康管理系統(tǒng)的正式形成。自20世紀(jì)90年代以來，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出以波音777為代表的第二代和以波音787、空客380為代表的第三代HMS系統(tǒng)產(chǎn)品[1]。

伴隨和支撐實(shí)際HMS系統(tǒng)研制發(fā)展的是世界各國科研機(jī)構(gòu)持續(xù)開展的為數(shù)眾多的基礎(chǔ)技術(shù)、前沿技術(shù)及其工程應(yīng)用研究。典型的如美國國家航空航天局（NASA）提出的飛行器綜合健康管理（IVHM）計劃[2]，涵蓋了基礎(chǔ)技術(shù)、子系統(tǒng)健康管理、關(guān)鍵主題技術(shù)和系統(tǒng)級工程整合4個層級的研究內(nèi)容，技術(shù)重點(diǎn)包括健康監(jiān)測與管理、飛機(jī)運(yùn)營能力評估、面向過程的維修、可移動維修方法和靈活的維修計劃等。該計劃后期演變?yōu)橄到y(tǒng)安全保證技術(shù)和飛行器系統(tǒng)安全技術(shù)（SSAT&VSST）計劃，實(shí)質(zhì)上是將研究框架拓展至系統(tǒng)綜合健康工程與管理（ISHEM）范疇[2]。

近20年來，國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)也開展了大量的相關(guān)技術(shù)研究，但大部分研究工作側(cè)重于學(xué)術(shù)性或尚處于實(shí)驗(yàn)室階段[3-4]，對技術(shù)的工程化應(yīng)用研究還很不充分。與此同時，國內(nèi)雖先后完成了ARJ21、C919等民用客機(jī)維護(hù)系統(tǒng)的研制，但由于其HMS系統(tǒng)及大部分成員系統(tǒng)產(chǎn)品的主承包商為柯林斯公司（Collins）、通用公司（GE）等國外供應(yīng)商，國內(nèi)研制參與度和工程經(jīng)驗(yàn)都相當(dāng)有限，與國外先進(jìn)民用客機(jī)HMS技術(shù)差距明顯。因此亟待加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的工程化研究，大力提升系統(tǒng)的工程研制技術(shù)水平。

1系統(tǒng)概述

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)由機(jī)載HMS和地面HMS兩大部分組成，并可通過飛機(jī)通信尋址與報告系統(tǒng)（ACARS）數(shù)據(jù)鏈等接口實(shí)現(xiàn)空地通信和數(shù)據(jù)傳遞。以波音747-400 CMS為代表的第一代維護(hù)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、故障自動診斷、交互式維護(hù)支持、數(shù)據(jù)加/卸載等重要機(jī)載健康管理功能。波音777的CMS采用霍尼韋爾公司（Honeywell）研發(fā)的溯因推理專利技術(shù)和診斷模型開發(fā)工具（DMDT），實(shí)現(xiàn)了從基于邏輯方程的診斷技術(shù)到基于模型的診斷技術(shù)的重大升級，顯著提高了機(jī)載數(shù)據(jù)模型庫的系統(tǒng)性和維修性，并實(shí)現(xiàn)了對跨系統(tǒng)故障和涉及復(fù)雜交聯(lián)關(guān)系故障的規(guī)范化建模及其機(jī)載診斷推理和交互式維護(hù)支持，飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測的范圍和參數(shù)量也大幅增加[5]。第三代健康管理系統(tǒng)以空客380和波音787為代表，采用先進(jìn)的IT技術(shù)，狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等機(jī)載部分性能有了進(jìn)一步提高，顯著增強(qiáng)了地面健康管理和維護(hù)支持能力，同時豐富了空地通信和數(shù)據(jù)管理功能，并具備了一定的視情維修支持功能。

健康管理系統(tǒng)作為唯一跟其他所有機(jī)載系統(tǒng)交聯(lián)，并具備一定智能計算能力的飛機(jī)子系統(tǒng)，其研制方法和流程既遵循飛機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的一般要求，又具有一定的特殊性。首先，健康管理系統(tǒng)與成員系統(tǒng)必須作為一個整體統(tǒng)一考慮；其次，健康管理系統(tǒng)必須有人工智能和知識工程的有效實(shí)現(xiàn)。

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)的主要技術(shù)特征和研制難點(diǎn)[1，6]包括：（1）健康管理系統(tǒng)需要借助大量的數(shù)據(jù)模型和高效的智能算法實(shí)現(xiàn)其核心功能；（2）成員系統(tǒng)數(shù)量眾多、通信和操作接口復(fù)雜、需要記錄和處理的數(shù)據(jù)量巨大、技術(shù)難度較高；（3）良好的故障模式、影響及危害性分析（FMECA），測試性、安全性設(shè)計和分析等質(zhì)量特性工程是開展健康管理系統(tǒng)研制的基本前提；（4）相當(dāng)數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)積累和挖掘分析、建模試驗(yàn)等工作是開展HMS工程化數(shù)據(jù)建模的重要基礎(chǔ)；（5）健康管理系統(tǒng)的研制應(yīng)與飛機(jī)其他系統(tǒng)研制同步開展，并需要全局性的統(tǒng)籌規(guī)劃和系統(tǒng)性的管控；（6）健康管理系統(tǒng)的研制需要多領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛參與和飛機(jī)各系統(tǒng)專業(yè)人員的深度協(xié)作；（7）健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的開發(fā)、集成、試驗(yàn)和驗(yàn)證，以及系統(tǒng)的熟化需要大量的人、財、物成本，并貫穿系統(tǒng)的全生命周期。

2工程技術(shù)體系及研制流程

2.1工程技術(shù)體系

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)是基于復(fù)雜系統(tǒng)工程思想，多種先進(jìn)IT等技術(shù)的多層級、多方位、系統(tǒng)化綜合運(yùn)用。其技術(shù)體系可自頂向下大致分為系統(tǒng)頂層工程、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和基礎(chǔ)性支持三個層級的內(nèi)容，如圖1所示。

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)技術(shù)體系的第一層級為系統(tǒng)頂層工程技術(shù)，包括體系與系統(tǒng)需求分析、體系結(jié)構(gòu)與接口設(shè)計、系統(tǒng)綜合驗(yàn)證等不同階段的關(guān)鍵技術(shù)。第二層級為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、機(jī)載故障診斷、交互式維護(hù)、機(jī)載數(shù)據(jù)與接口管理、地面實(shí)時監(jiān)控、綜合診斷、健康評估、余壽預(yù)測、維修決策等機(jī)載健康管理和地面運(yùn)維支持等功能的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。第三層級為基礎(chǔ)性支持技術(shù)，包括成員系統(tǒng)、數(shù)據(jù)建模和通用IT三方面的基礎(chǔ)性支持技術(shù)，涵蓋系統(tǒng)健康表征參數(shù)定義、BIT規(guī)范化設(shè)計、FMECA、質(zhì)量特性工程、系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真、數(shù)據(jù)模型開發(fā)與驗(yàn)證、傳感器與數(shù)據(jù)采集、信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、大數(shù)據(jù)等。

2.2基本研制流程

從開發(fā)者的角度，民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)可分為在線應(yīng)用、離線支持兩大部分[1，6]。其中在線分系統(tǒng)是直接面向用戶的應(yīng)用系統(tǒng)，包括機(jī)載、地面兩部分子系統(tǒng)，可采用傳統(tǒng)的軟/硬件系統(tǒng)工程開發(fā)模式。離線分系統(tǒng)則主要面向工程開發(fā)人員，它為應(yīng)用系統(tǒng)提供各種智能推理算法或模型，其開發(fā)模式更適合采用知識工程的流程和技術(shù)方法。民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)的基本開發(fā)流程如圖2所示。

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)開發(fā)總體上遵循一般的系統(tǒng)開發(fā)流程，主要開發(fā)過程包括頂層需求分析、體系化設(shè)計、HMS概要設(shè)計、軟/硬件詳細(xì)設(shè)計、軟/硬件開發(fā)和實(shí)現(xiàn)、軟件和配置的數(shù)據(jù)綜合以及硬件試驗(yàn)、系統(tǒng)集成、驗(yàn)證與確認(rèn)、熟化管理等工程階段。這些階段構(gòu)成軟/硬件在線應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程主線。相關(guān)活動一般遵循ARP4754A、DO-178B/C、DO-254、ARINC615A-3、ARINC661等民機(jī)和系統(tǒng)的研制工程標(biāo)準(zhǔn)，以及ARP6275、ARP6803、ARP6883、ARP6290、ARP6407、ARP6887、ARINC624、OSA-CBM等健康管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范。

同時以成員系統(tǒng)規(guī)范、模型設(shè)計、模型開發(fā)、模型集成、模型試驗(yàn)驗(yàn)證、模型性能評估、模型修正等數(shù)據(jù)模型的開發(fā)活動構(gòu)成了離線支持系統(tǒng)的開發(fā)流程副線。相關(guān)活動一般還應(yīng)遵循或參考JA6268、ARP4761、IEEE1232、IEEE1522、IEEE1636等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3系統(tǒng)性關(guān)鍵技術(shù)

3.1體系建模與分析

民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)與民用客機(jī)所有機(jī)載設(shè)備和系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，具有牽涉面廣、功能復(fù)雜，分系統(tǒng)相對獨(dú)立，但交互模式復(fù)雜等特點(diǎn)。健康管理系統(tǒng)和飛機(jī)其他成員系統(tǒng)作為一個整體又具備松耦合協(xié)作性、演化性、涌現(xiàn)性等典型的復(fù)雜系統(tǒng)或體系（system of system）特征[7-8]，其頂層需求分析和總體設(shè)計更適合采用體系工程方法。

基于體系建模的分析與設(shè)計采用自頂向下的方式，統(tǒng)籌規(guī)劃健康管理系統(tǒng)和相關(guān)成員系統(tǒng)的研制，形成配套體系如圖3所示。要求成員系統(tǒng)從設(shè)計、研制開始就考慮健康管理需求。體系建模分析與設(shè)計還包括對健康管理系統(tǒng)、駐留平臺，以及成員系統(tǒng)質(zhì)量特性要求等方面的統(tǒng)一考慮和研制規(guī)劃。

3.2知識工程與數(shù)據(jù)建模

健康管理應(yīng)用系統(tǒng)中的“智能”來自于由離線支持系統(tǒng)所產(chǎn)生的規(guī)格化的推理性和表述性“知識”。知識工程使人工智能的研究從理論轉(zhuǎn)向應(yīng)用，主要包括工程規(guī)劃、知識獲取、知識表示、知識管理、知識驗(yàn)證、知識運(yùn)用和熟化等環(huán)節(jié)。健康管理系統(tǒng)中的離線支持屬于典型的知識工程[9]。主要內(nèi)容包括：

（1）能力需求的獲取、建模和分析

通過對與健康管理系統(tǒng)利益相關(guān)者進(jìn)行分析，確定健康管理系統(tǒng)的工作范圍，識別業(yè)務(wù)事件，確定用例場景，構(gòu)建需求能力模型并完成需求分析。

（2）體系架構(gòu)設(shè)計和功能分配

將頂層需求根據(jù)體系模型逐級分配、傳遞給健康管理系統(tǒng)、成員系統(tǒng)、輔助工具鏈等分系統(tǒng)，并進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

（3）體系模型的驗(yàn)證和接口規(guī)范的制定

建立體系模型與能力需求之間的映射關(guān)系，確認(rèn)體系設(shè)計與原始需求的符合性，并在此基礎(chǔ)上制定體系接口規(guī)范。

HMS知識工程與飛機(jī)系統(tǒng)的研制同步開展，并貫徹設(shè)計、實(shí)現(xiàn)/生產(chǎn)、使用、維護(hù)等全生命周期，其技術(shù)核心為數(shù)據(jù)建模。主要有兩種模式，一是以系統(tǒng)分析為基礎(chǔ)的顯性知識（如診斷規(guī)則、排故引導(dǎo)）建模，另一種是數(shù)據(jù)驅(qū)動的隱性知識（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)）建模。其中機(jī)載健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的開發(fā)以第一種模式為主[10]。圖4為基于系統(tǒng)分析的診斷模型開發(fā)流程。

知識獲取是當(dāng)前數(shù)據(jù)建模工程化中的一個薄弱環(huán)節(jié)。由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和需求分析工作不到位，在質(zhì)量特性工程和HMS建模實(shí)踐之間存在著信息和技術(shù)斷層。對于隱形知識的挖掘，除了需求不盡明確、歷史和試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足外，還存在訓(xùn)練模型的置信度和復(fù)雜度評估，以及異構(gòu)模型和算法的部署設(shè)計等工程問題。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)建模工程化的主要技術(shù)途徑包括：體系化分析與設(shè)計、成員系統(tǒng)建模規(guī)范，以及相關(guān)輔助工具鏈等。

3.3機(jī)載應(yīng)用客戶化設(shè)計

由于不同航空公司飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境及維護(hù)方式的差異，即使相同型號的飛機(jī)出現(xiàn)的問題也不盡相同，主制造商難以將用戶的多樣化需求完全固化到機(jī)載健康管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，同時由于安全性考慮和適航要求，嚴(yán)格限制機(jī)載軟件交付使用后進(jìn)行修改或升級。因此需要借助機(jī)載軟件應(yīng)用的客戶化設(shè)計為用戶提供客戶化配置功能，更好地滿足用戶的個性化需求。

現(xiàn)代民用客機(jī)機(jī)載健康管理系統(tǒng)普遍采用通用的推理算法軟件和可加載數(shù)據(jù)模型庫相分離的設(shè)計技術(shù)，使得工程開發(fā)人員能夠在不改動軟件的條件下，利用模型開發(fā)和配置工具完成對機(jī)載數(shù)據(jù)模型的修改、擴(kuò)展和完善，并生成可加載數(shù)據(jù)文件。

航空公司的工程人員能夠使用類似的地面輔助配置工具完成諸如監(jiān)測參數(shù)范圍擴(kuò)展或裁剪、信息內(nèi)容的記錄或顯示格式，以及報文發(fā)送模式等個性化定制的需求。目前在國內(nèi)外應(yīng)用比較多的是針對飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（ACMS）應(yīng)用的客戶化[11]，如圖5所示。

3.4基于模型的綜合驗(yàn)證

基于模型的綜合驗(yàn)證，如圖6所示，是將健康管理系統(tǒng)中的成員系統(tǒng)、健康管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件及其數(shù)據(jù)模型和算斷、預(yù)測推理等模型的開發(fā)工具，成員系統(tǒng)仿真工具、驗(yàn)證腳本開發(fā)工具、仿真驗(yàn)證平臺及其主控工具、驗(yàn)證結(jié)果分析評估工具、數(shù)據(jù)綜合管理工具等。借助于統(tǒng)一的模型接口定義和輔助工具鏈，可以有效支持系統(tǒng)軟件、模型和算法的迭代驗(yàn)證，提高系統(tǒng)研制效率。

4系統(tǒng)研制實(shí)例

圖7為某型國產(chǎn)民用客機(jī)的航電設(shè)備機(jī)載健康管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、維護(hù)自檢、構(gòu)型管理、故障歷史管理、加電管理等功能。其機(jī)載應(yīng)用駐留于通用信息處理平臺，通過航電安全接口實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)OMS及機(jī)組告警系統(tǒng)（CAS）等的通信，并利用側(cè)顯和便攜式維護(hù)終端法，均通過規(guī)范化的模型來定義，以保證開發(fā)和驗(yàn)證活動中數(shù)據(jù)格式、接口等的一致性，以及數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用模塊的復(fù)用性[12]。其中的成員系統(tǒng)可以是實(shí)物設(shè)備也可以是仿真軟件[13]；健康管理系統(tǒng)應(yīng)用可以是系統(tǒng)快速原型，也可以是正式的HMS應(yīng)用軟件。

按照體系化設(shè)計，成員系統(tǒng)的仿真模型、監(jiān)測診斷等模型，以及HMS應(yīng)用軟件模型，均需要符合統(tǒng)一制定的功能、性能需求和數(shù)據(jù)接口規(guī)范，并通過開發(fā)相關(guān)的輔助工具鏈（或一體化的輔助平臺）確保一致性和復(fù)用性。輔助工具鏈主要包括監(jiān)測、診斷、維護(hù)等機(jī)載模型的開發(fā)工具，地面診（PMAT）為航線維護(hù)人員提供Web人機(jī)界面。

系統(tǒng)機(jī)載應(yīng)用軟件的研制嚴(yán)格遵循ARP4754A、DO-178C等民機(jī)技術(shù)體系規(guī)范和基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）開發(fā)流程，應(yīng)用了圖1中的主要機(jī)載健康管理功能實(shí)現(xiàn)。通過成員系統(tǒng)需求規(guī)范和ARINC604等落實(shí)航電設(shè)備的健康管理支持需求和接口技術(shù)要求。參照ARP4761、IEEE1232等技術(shù)規(guī)范，借助輔助工具鏈完成狀態(tài)監(jiān)測模型、機(jī)載診斷模型、交互式維護(hù)模型等可加載模型庫的開發(fā)與集成，并利用基于模型的綜合驗(yàn)證平臺完成健康管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。通過該系統(tǒng)的研制，不僅有效實(shí)現(xiàn)了航電設(shè)備的健康管理和航線維護(hù)支持，并顯著提高了其質(zhì)量特性工程技術(shù)水平。

5結(jié)束語

由于國內(nèi)民用客機(jī)健康管理系統(tǒng)的研制工作起步較晚，在研制模式、關(guān)鍵技術(shù)，以及工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累等方面與國際先進(jìn)水平存在著不小的差距。建議在未來的研制中重點(diǎn)解決以下幾個層面的工程問題：

（1）在頂層規(guī)劃和管理層面：采用系統(tǒng)工程方法，制定研制體系規(guī)劃和工程技術(shù)規(guī)范，研究HMS與成員系統(tǒng)的并行研制工程模式、數(shù)據(jù)模型的協(xié)同開發(fā)和集成技術(shù)，以及系統(tǒng)驗(yàn)證與熟化的協(xié)調(diào)管理方法等。

（2）在系統(tǒng)及接口設(shè)計層面：針對具體需求和約束條件開展正向設(shè)計，重點(diǎn)加強(qiáng)針對新增功能、擴(kuò)展范圍和提升性能等需求的設(shè)計技術(shù)研究，例如，針對不同類型成員系統(tǒng)健康管理的差異化功能分配、通用/專用模型接口與算法設(shè)計研究等。

（3）在應(yīng)用具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)層面：首先要提升質(zhì)量特性工程、基于系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)建模、仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證等基礎(chǔ)技術(shù)的系統(tǒng)化、規(guī)范化水平；同時順應(yīng)綜合化、智能化的發(fā)展趨勢，積極開展微型和智能傳感器、空地一體化、信息物理、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等新技術(shù)的應(yīng)用研究和工程化實(shí)踐，重點(diǎn)解決疑難故障診斷、健康評估、余壽預(yù)測等技術(shù)難題，逐步實(shí)現(xiàn)視情維修。

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作者簡介

呂鎮(zhèn)邦（1976-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：健康管理與軟件工程。

Tel：029-88151072

E-mail：lzbang@avic.com

孫倩（1987-）女，碩士，工程師。主要研究方向：健康管理。Tel：029-88151309

E-mail：sunqiansmile@163.com

王娟（1982-）女，碩士，工程師。主要研究方向：健康管理。Tel：029-88151309

E-mail：wj_8286@163.com

Research on Engineering Techniques of Civil Aircraft Health Management System

Lyu Zhenbang*，Sun Qian，Wang Juan

AVIC Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710068，China

Abstract： Health management system （HMS） is one of the necessary subsystems of modern civil aircraft. It is of great significance to improve the systematization， standardization and modularization of related techniques for the development of HMS. Based on an analysis on the HMS state of art and technical characteristics， the engineering technology system and basic development process of civil aircraft HMS were summarized. Several advanced key system techniques， such as system of system modeling and analysis， knowledge engineering and data modeling， customization design of onboard applications， and model-based integrated verification， were stated emphatically. An avionics health management system development practice for a domestic civil aircraft is introduced briefly. Considering the requirements， gap and research hotspots， several engineering problems to be solved in the future were concluded.

Key Words：health management；onboard maintenance；system of system engineering；data modeling； customization of onboard applications； model based