基于場(chǎng)景的民用飛機(jī)健康管理可視化仿真研究與實(shí)現(xiàn)

陳銘杰 池程芝 劉博文 胡飛 張競(jìng)凱

摘要：為解決民用飛機(jī)健康管理典型任務(wù)需求與功能需求的可視化仿真難題，本文提出了一種基于場(chǎng)景的民用飛機(jī)健康管理可視化框架，在對(duì)系統(tǒng)工具軟件STK及其在民機(jī)PHM方面特點(diǎn)介紹的基礎(chǔ)上，通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算顯示、模型調(diào)用對(duì)框架進(jìn)行了搭建，并對(duì)STK中的三維模型進(jìn)行了優(yōu)化處理，最后以某民航飛行為例，展示了將STK模塊應(yīng)用于民機(jī)PHM健康管理的實(shí)例，說(shuō)明了基于STK的可視化仿真具有真實(shí)性強(qiáng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)，從時(shí)間、空間、健康管理等方面為民用飛機(jī)維護(hù)節(jié)點(diǎn)、任務(wù)過(guò)程、交互邏輯等的特性分析提供了有效參考。

關(guān)鍵詞：PHM；民機(jī)健康管理；STK；三維建模；可視化仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.005

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、信息處理技術(shù)以及人工智能等高新技術(shù)在航空電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的維修保障方法逐漸被淘汰。作為民用飛機(jī)健康維護(hù)的最新技術(shù)之一，故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)促進(jìn)了民用設(shè)備維修模式的發(fā)展，消除了傳統(tǒng)維修方法中維修不足和過(guò)度維修的缺點(diǎn)，降低了民用飛機(jī)的維修成本和故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)民用飛機(jī)的安全性、可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義[1]。

目前，PHM技術(shù)已得到歐美各國(guó)各行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的充分認(rèn)可、研究和推廣。在民用飛機(jī)健康管理方面，先進(jìn)的健康管理系統(tǒng)已得到國(guó)外頂尖飛機(jī)制造商的廣泛使用，如波音的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)（AHM）、空客的飛機(jī)維修分析系統(tǒng)（AIRMAN）等[2]。而國(guó)內(nèi)PHM技術(shù)的相關(guān)研究仍處于初步探索階段[3]。

隨著民機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展，其健康管理系統(tǒng)要求在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)把機(jī)載健康管理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載管理系統(tǒng)、空地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等功能任務(wù)平臺(tái)連成一個(gè)有機(jī)的綜合系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)聯(lián)合信息分發(fā)、多源信息融合、綜合信息處理，及時(shí)了解民機(jī)健康信息、準(zhǔn)確協(xié)調(diào)健康管理行動(dòng)、執(zhí)行民機(jī)的綜合運(yùn)營(yíng)維護(hù)任務(wù)。而基于STK的可視化模型是在綜合考慮運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)保障對(duì)象、運(yùn)營(yíng)維護(hù)任務(wù)、維護(hù)作業(yè)樣式等因素的基礎(chǔ)上建立的，這對(duì)民機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)典型任務(wù)場(chǎng)景仿真分析和健康管理系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)都具有重要的意義。

1 STK在民機(jī)健康管理仿真中的特點(diǎn)

STK（system tool kits）是AGI公司開(kāi)發(fā)的一款先進(jìn)的系統(tǒng)分析軟件，它具有逼真的二維和三維場(chǎng)景演示功能、強(qiáng)大的分析計(jì)算能力、簡(jiǎn)便的數(shù)據(jù)傳輸模式、便捷的建模方法，以及優(yōu)良的可擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性[4]。

STK/VO模塊可以顯示三維場(chǎng)景，通過(guò)三維場(chǎng)景的真實(shí)演示、空中與地面間的操作節(jié)點(diǎn)、各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸和可見(jiàn)關(guān)系，提供了一種動(dòng)態(tài)顯示民用飛機(jī)健康管理過(guò)程的方法。

在飛行過(guò)程中，STK可通過(guò)基本數(shù)據(jù)信息快速計(jì)算出飛機(jī)在多坐標(biāo)系下的飛行速度、位置、姿態(tài)以及飛機(jī)與傳感器之間的訪問(wèn)時(shí)間，評(píng)估飛機(jī)與陸?？漳繕?biāo)間的復(fù)雜關(guān)系，其結(jié)果會(huì)以圖表或文字形式自動(dòng)生成。

STK還為飛行數(shù)據(jù)提供了一個(gè)文件接口。用戶只需要將航路點(diǎn)參數(shù)按一定格式整理并保存為特定類(lèi)型的文件，STK就可以方便地調(diào)用這些參數(shù)，計(jì)算后生成新的飛行數(shù)據(jù)。這為民機(jī)健康管理中飛行數(shù)據(jù)的采集與分析提供了依據(jù)。

STK/Connect模塊可以通過(guò)UNIX或TCP/IP接口，方便STK與第三方軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，并在完成后關(guān)閉接口，這為實(shí)現(xiàn)民機(jī)健康管理過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和顯示提供了可能。

2可視化框架的搭建

2.1民機(jī)健康管理場(chǎng)景想定

根據(jù)民用飛機(jī)與多平臺(tái)進(jìn)行綜合運(yùn)營(yíng)維護(hù)的健康管理場(chǎng)景想定，采用STK建立場(chǎng)景想定模型，包括任務(wù)環(huán)境、管理-控制方式、視情維修的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)（包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測(cè)、健康評(píng)估、預(yù)測(cè)評(píng)估以及健康管理等）、備件物流方式及互聯(lián)互通等，生成可視化的想定模型；其次，對(duì)健康管理平臺(tái)部署、管理-控制關(guān)系、平臺(tái)功能性能及備件物流體系進(jìn)行分析，對(duì)健康管理維護(hù)約束條件進(jìn)行分析（包括維護(hù)規(guī)則、任務(wù)條件、備件資源限制等）；最后，根據(jù)場(chǎng)景模型的動(dòng)態(tài)運(yùn)行，完成維護(hù)節(jié)點(diǎn)、任務(wù)過(guò)程、交互邏輯等特性分析，驗(yàn)證任務(wù)想定的合理性。

2.2框架和過(guò)程

隨著現(xiàn)代飛機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)民航也從進(jìn)行飛行事故分析發(fā)展到使用空地?cái)?shù)據(jù)鏈路監(jiān)測(cè)飛機(jī)狀態(tài)[5]。飛行過(guò)程中，如果PHM系統(tǒng)檢測(cè)到飛機(jī)發(fā)生故障，地面站將實(shí)時(shí)接收故障報(bào)文，地面人員可以在飛機(jī)到達(dá)下一站之前制訂好維修計(jì)劃，以確保航班的高效運(yùn)行。具體而言，基于STK的民機(jī)健康管理可視化框架搭建可以通過(guò)以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

（1）確定建模輸入

建模輸入主要包括健康管理相關(guān)對(duì)象（機(jī)載系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星、地面站等）及屬性（運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的主要用途）、健康管理活動(dòng)（監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)、維修等），以及各對(duì)象的交互關(guān)系（交互拓?fù)?、交互信息）?/p>

（2）確定可視化建模原則

可視化建模原則包括相關(guān)數(shù)據(jù)的可量化程度（診斷/預(yù)測(cè)能力、通信能力、物流運(yùn)輸?shù)龋┮约敖］斎氲耐陚涑潭龋▽?duì)規(guī)劃研究的相關(guān)技術(shù)點(diǎn)的覆蓋程度）。

（3）健康管理場(chǎng)景建模

健康管理場(chǎng)景建模是實(shí)際操作的關(guān)鍵部分，包括任務(wù)環(huán)境建模，需要定義分析可視化仿真周期，添加相關(guān)地形，添加地表紋理；健康管理對(duì)象建模，如飛機(jī)、衛(wèi)星、地面站、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和數(shù)據(jù)分析中心的建模；任務(wù)載荷建模，需要進(jìn)行傳感器建模和通信建模（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)），并對(duì)相應(yīng)約束進(jìn)行設(shè)置；交互關(guān)系，確定時(shí)間—空間變化關(guān)系以及檢測(cè)—診斷—預(yù)測(cè)—評(píng)估—維護(hù)關(guān)系，進(jìn)行通信鏈路的建模。

在民機(jī)PHM維修保障系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)可以分為空中和地面兩部分[6]。節(jié)點(diǎn)與STK的交互關(guān)系如圖1所示。

在外部數(shù)據(jù)模塊中，用戶可以將民機(jī)PHM維修保障系統(tǒng)所需的飛行數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)按指定的路徑進(jìn)行排列和存儲(chǔ)，然后通過(guò)STK/Connect模塊向STK發(fā)送命令，功能實(shí)現(xiàn)后關(guān)閉界面。

STK計(jì)算顯示模塊接收STK/Connect模塊的命令，利用外部數(shù)據(jù)計(jì)算民機(jī)PHM場(chǎng)景中的各種事件，通過(guò)三維場(chǎng)景模型實(shí)現(xiàn)PHM場(chǎng)景的可視化，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)鏈路，輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。

模型庫(kù)存儲(chǔ)了民機(jī)PHM場(chǎng)景所需的節(jié)點(diǎn)三維模型、地理信息模型、傳感器模型和天氣模型。民機(jī)PHM的具體流程如圖2所示。

3 STK三維模型的建立和優(yōu)化

與民機(jī)PHM任務(wù)相關(guān)的STK三維模型包括三維地形、飛機(jī)、氣象環(huán)境、地面設(shè)施和雷達(dá)等。其中，三維地形和飛機(jī)模型的建立和優(yōu)化是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，也是本節(jié)研究的重點(diǎn)。

3.1三維地形模型

三維地形是航空任務(wù)模型的重要組成部分，不僅可以提高仿真效果，而且對(duì)飛機(jī)的方位角、俯仰角等能見(jiàn)度分析也有重要影響[7]。三維地形通?？梢酝ㄟ^(guò)以下方式生成：（1）在STK地形服務(wù)器中搜索并下載地形模型，然后通過(guò)VO模塊生成三維地形；（2）將外部文件導(dǎo)入STK，在Imagery and Terrain Converter模塊中通過(guò)輸入經(jīng)緯度信息，將其轉(zhuǎn)換為三維地形。

如圖3所示，這些地形信息存儲(chǔ)在STK的地形數(shù)據(jù)庫(kù)中，在仿真階段由顯示控制模塊加載到相應(yīng)的場(chǎng)景中。

3.2三維飛機(jī)模型

為了滿足民機(jī)PHM場(chǎng)景中飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的要求，需要提高飛機(jī)模型的精度。STK使用自定義的MDL模型來(lái)顯示三維飛機(jī)，通常可以通過(guò)以下方式得到：（1）可在STK模型庫(kù)的空中部分找到最常見(jiàn)的飛機(jī)模型；（2）建模開(kāi)始時(shí)，可以通過(guò)記事本編輯所選飛機(jī)的MDL模型，并添加PHM系統(tǒng)的功能；（3）使用3DMax、LightWave、LwConvert等軟件將其他格式模型轉(zhuǎn)換為MDL模型[8]。

在民機(jī)PHM的任務(wù)中，需要使飛機(jī)模型具有更多的個(gè)性化特征，如發(fā)動(dòng)機(jī)故障和機(jī)載診斷系統(tǒng)，因此在建模過(guò)程中我們更傾向于采用第三種方法，優(yōu)化后的三維飛機(jī)模型如圖4所示。

4民機(jī)健康管理可視化實(shí)現(xiàn)

以某民航飛行為例，介紹了STK在民機(jī)PHM維修保障系統(tǒng)中的應(yīng)用。

基于維修保障體系，為了有效及時(shí)地解決突發(fā)事件，民用飛機(jī)健康管理機(jī)構(gòu)對(duì)每一種可能的情況都做出了詳細(xì)的預(yù)案。其中之一就是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，通過(guò)機(jī)載健康管理系統(tǒng)、空地?cái)?shù)據(jù)鏈以及維護(hù)系統(tǒng)及時(shí)解決緊急情況，從而使飛機(jī)能夠繼續(xù)飛行。

首先，在STK場(chǎng)景中加入PHM系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。在本例中，需要添加起飛/到達(dá)機(jī)場(chǎng)、飛機(jī)、衛(wèi)星、塔臺(tái)、地面站、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)維中心、飛機(jī)運(yùn)維中心、航空公司和維修中心，各節(jié)點(diǎn)實(shí)體部署見(jiàn)表1。

其中，衛(wèi)星、塔臺(tái)、地面站、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)維中心、飛機(jī)運(yùn)維中心、航空公司和維修中心的三維模型均可在STK模型庫(kù)的地面部分找到，效果如圖5所示。

其次，利用外部數(shù)據(jù)建立三維地形模型和飛機(jī)模型。三維地形包括起飛/到達(dá)機(jī)場(chǎng)和飛行區(qū)域，通過(guò)制作高程地圖模型并輸入經(jīng)緯度信息，將其轉(zhuǎn)化為JP2格式等待STK調(diào)用；飛機(jī)模型需要根據(jù)PHM特征需求，本例中主要是發(fā)動(dòng)機(jī)單發(fā)空停和機(jī)載系統(tǒng)診斷并發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)故障信息，首先通過(guò)3DMax等軟件生成三維模型，再用LightWave軟件將其轉(zhuǎn)換為lwo格式，在此基礎(chǔ)上對(duì)飛機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化，最后用LwConvert將其轉(zhuǎn)換為MDL模型。

根據(jù)之前搭建的民機(jī)健康管理可視化框架，可以得到如圖6所示的活動(dòng)時(shí)序圖。

根據(jù)活動(dòng)時(shí)序圖，建立了完整的民機(jī)健康管理可視化系統(tǒng)模型，并剪輯制作了視頻，如圖7所示。圖7（a）為起飛階段飛機(jī)通過(guò)衛(wèi)星向運(yùn)維中心發(fā)送當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視數(shù)據(jù)；圖7（b）為巡航階段發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障后，飛機(jī)向通信衛(wèi)星發(fā)送當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷信息；圖7（c）為進(jìn)近降落階段機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)向飛機(jī)發(fā)送進(jìn)近指引；圖7（d）為飛機(jī)著陸后的地面維護(hù)階段，航空公司向維修部門(mén)發(fā)送維修任務(wù)，調(diào)度機(jī)場(chǎng)資源為飛機(jī)提供維修保障。

民機(jī)健康管理典型任務(wù)場(chǎng)景可視化系統(tǒng)模型可以直觀顯示各個(gè)任務(wù)階段健康管理活動(dòng)的時(shí)間信息（開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間）、空間信息（經(jīng)緯度、高度、航程）、實(shí)體的運(yùn)動(dòng)信息及實(shí)體內(nèi)部的功能描述、功能與功能之間的交互關(guān)系、實(shí)體間的交互關(guān)系以及實(shí)體自生的工作狀態(tài)變化等，從時(shí)間、空間、健康管理等方面為民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)節(jié)點(diǎn)、任務(wù)過(guò)程、交互邏輯等的特性分析提供了有效參考。

5結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的面向民機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)的健康管理系統(tǒng)需求分析與驗(yàn)證技術(shù)提供了一套基于模型的民機(jī)健康管理系統(tǒng)需求架構(gòu)建模與仿真驗(yàn)證方法，可用于指導(dǎo)民機(jī)健康管理頂層需求論證與系統(tǒng)架構(gòu)初步設(shè)計(jì)，該方法使開(kāi)發(fā)人員更加熟悉民機(jī)維修保障系統(tǒng)的組成、功能和過(guò)程，為類(lèi)似系統(tǒng)的建模提供了參考，為民機(jī)健康管理系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)，具有重要的民機(jī)研究應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯陳東曉）

作者簡(jiǎn)介

陳銘杰（1994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：仿真測(cè)試與健康監(jiān)控。

Tel：18262620557

E-mail：avic615cmj@163.com

Research and Implementation of Visual Simulation of Civil Aircraft Health Management Based on Scenario

Chen Mingjie*，Chi Chengzhi，Liu Bowen，Hu Fei，Zhang Jingkai

Key Laboratory of Science and Technology on Avionics Integration Technologies，China Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200030，China

Abstract： In order to solve the problem of visual mission requirements and functional requirements of civil aircraft health management， a visual framework of civil aircraft health management based on scenario is proposed. Based on the introduction of STK and its characteristics in civil aircraft PHM， the framework is built through node setting， data input， calculation display and model call， and the three-dimensional model in STK is optimized. Finally， a civil aviation flight is taken as an example to show the application of STK module in PHM health management of civil aircraft， which shows that the visual simulation based on STK has the advantages of strong authenticity and high efficiency. It provides an effective reference for the characteristic analysis of civil aircraft maintenance node， task process and interaction logic from the aspects of time， space and health management.

Key Words： PHM； civil aircraft health management； STK； 3D modeling； visual simulation