艦載電子設(shè)備健康管理的系統(tǒng)工程方法研究?

高東林 秦紅磊 李富合

（1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）（2.中國(guó)艦船研究院 北京 100101）

1 引言

電子系統(tǒng)已經(jīng)滲透到通信、導(dǎo)航、火力控制、電子戰(zhàn)、機(jī)電控制等幾乎所有的艦載裝備專業(yè)領(lǐng)域，且呈現(xiàn)出智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化特點(diǎn)，隨著電子系統(tǒng)規(guī)模的增大，其維護(hù)保障問(wèn)題已日益凸顯。例如在F-15飛機(jī)中，航空電子系統(tǒng)的故障數(shù)占到全機(jī)故障數(shù)的40%以上，維修工時(shí)占到全機(jī)維修工時(shí)的1/3左右［1］。

PHM（Prognostics and Health Management）是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的最新研究成果而提出的一種全新的健康管理技術(shù)，具備故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理和部件壽命追蹤等能力［2］，改變了傳統(tǒng)的事后狀態(tài)檢查和故障診斷的做法。工程應(yīng)用和技術(shù)分析表明，PHM技術(shù)可以降低維護(hù)費(fèi)用，提高戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率［3］?；诖髷?shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)研究也成為了裝備領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)和有益的方向之一。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電子系統(tǒng)PHM已開(kāi)展了一些應(yīng)用研究，如文獻(xiàn)［4～6］對(duì)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［5］對(duì)PHM與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品集成、文獻(xiàn)［6］對(duì)PHM方法集成進(jìn)行了綜述，文獻(xiàn)［7］提出了基于云服務(wù)的集中-分布式PHM體系結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)PHM的應(yīng)用范圍主要是大型連續(xù)運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)包括橋梁的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與健康管理、大型電力系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與管理等，PHM在艦載電子設(shè)備中的應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到工程實(shí)用化的程度，在系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)建過(guò)程中仍然存在如系統(tǒng)整體性重視不足、系統(tǒng)集成能力弱、數(shù)據(jù)資源缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，需要從系統(tǒng)工程的角度進(jìn)一步研究和探討，并進(jìn)行理論上的指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)思想

1）整體性思想

系統(tǒng)整體性是系統(tǒng)的核心思想，系統(tǒng)的整體功能是系統(tǒng)的功能目標(biāo)，是對(duì)要素對(duì)象以及系統(tǒng)內(nèi)外之間關(guān)系的根本約束，而要素對(duì)象以及系統(tǒng)內(nèi)外之間關(guān)系是構(gòu)成整體功能的客觀基礎(chǔ)。

“一般來(lái)說(shuō)，所有的方式顯示的整體并不是部分的總和”（亞里士多德），因此，在系統(tǒng)工程應(yīng)用整體性思想時(shí)：要站在全局的角度，給出系統(tǒng)各要素及內(nèi)外關(guān)系的明確定義；要特別注重構(gòu)成系統(tǒng)之后涌現(xiàn)出來(lái)、部分沒(méi)有的系統(tǒng)特征；把整體性思想貫穿研制全過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)分析的反饋逐步完善系統(tǒng)整體性功能。

2）層次性思想

層次結(jié)構(gòu)有助于我們認(rèn)識(shí)和處理系統(tǒng)，是所有系統(tǒng)從低級(jí)走向高級(jí)的進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的［8］，著名的管理學(xué)家兼心理學(xué)家司馬賀（西蒙）曾說(shuō)“如果有穩(wěn)定的中間形態(tài)，復(fù)雜系統(tǒng)就能更快地從簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)化而成。作為結(jié)果而產(chǎn)生的這些復(fù)雜中間形態(tài)具有層級(jí)結(jié)構(gòu)”。

采用還原論的方法，自上而下可以把系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分解到合理的粒度，同時(shí)，分解對(duì)象可根據(jù)系統(tǒng)的使命任務(wù)從不同角度表現(xiàn)為不同的形式，如硬件層次結(jié)構(gòu)、軟件層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、用戶層次結(jié)構(gòu)等。

3）數(shù)據(jù)工程思想

數(shù)據(jù)工程是以數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象、以數(shù)據(jù)活動(dòng)為研究?jī)?nèi)容，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重用、共享與應(yīng)用為目標(biāo)的科學(xué)［9］。既是一門理論方法體系，也是一門工程實(shí)踐［10］。

以互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的新技術(shù)革命正在滲透至各行各業(yè)，在DT（Data Technology）時(shí)代，數(shù)據(jù)資源已成為一種新興的現(xiàn)代戰(zhàn)略能源，結(jié)合領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和利用，揭示自然界和人類行為現(xiàn)象和規(guī)律，并形成專門領(lǐng)域的數(shù)據(jù)工程。如文獻(xiàn)［11］提出的基于地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)工程，文獻(xiàn)［12］將大數(shù)據(jù)的理論方法應(yīng)用于工程項(xiàng)目管理，數(shù)據(jù)工程也是世界各國(guó)軍隊(duì)信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和核心內(nèi)容，美軍的聯(lián)合數(shù)據(jù)支持（JDS）項(xiàng)目，就是為國(guó)防部各類決策分析提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品的大型數(shù)據(jù)工程［13］。

3 系統(tǒng)工程

方法論是人們認(rèn)識(shí)世界與改造世界的根本方法的哲學(xué)學(xué)說(shuō)。系統(tǒng)工程的方法論則是探索系統(tǒng)研究、開(kāi)發(fā)、運(yùn)行過(guò)程中各種方法的共同規(guī)律［8］。

3.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)

霍爾方法論是出現(xiàn)最早、影響最大的方法論，它對(duì)于系統(tǒng)工程的建立具有普遍的指導(dǎo)意義，也是系統(tǒng)工程中比較經(jīng)典的方法。

圖1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)圖

基于系統(tǒng)的整體性和數(shù)據(jù)工程思想，艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)采用基于“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)”作為系統(tǒng)的工程過(guò)程的分析方法，見(jiàn)圖1。該方法基于霍爾三維方法并進(jìn)行數(shù)據(jù)化改進(jìn)，包括時(shí)間維、邏輯維和數(shù)據(jù)維。時(shí)間維用來(lái)描述系統(tǒng)研制工作階段；邏輯維用來(lái)描述時(shí)間維中的每個(gè)階段需要開(kāi)展的工作及其方法和步驟，由時(shí)間維和邏輯維構(gòu)成的二維目標(biāo)空間也稱為系統(tǒng)工程的活動(dòng)矩陣。數(shù)據(jù)維是在專業(yè)學(xué)科知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)設(shè)備健康數(shù)據(jù)資源定義及其采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)、知識(shí)化、服務(wù)化和管理的處理過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，用以指導(dǎo)系統(tǒng)的研制過(guò)程。

3.2 綜合集成方法論

20世紀(jì)80年代末至90年代初，錢學(xué)森先后提出“從定性到定量綜合集成方法”、“從定性到定量綜合集成研討廳體系”（兩者合稱為綜合集成方法），指出了解決復(fù)雜問(wèn)題的過(guò)程性以及過(guò)程的方向性和反復(fù)性，為復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的解決提供了一個(gè)依靠群體的知識(shí)和智慧的途徑［14］。

4 健康管理系統(tǒng)的系統(tǒng)工程分析

基于數(shù)據(jù)工程思想，艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)的本質(zhì)是一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)資源獲取、處理、分析形成決策支持的過(guò)程，健康管理的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化以提高設(shè)備可靠性。

4.1 數(shù)據(jù)資源定義

在艦載電子設(shè)備從研制到部署的生命周期內(nèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)的狀態(tài)屬性不同將數(shù)據(jù)資源分為三類：靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)資源構(gòu)成圖

靜態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備本身的屬性信息（如廠商、序列號(hào)、軟件版本等）、文檔資料（維修手冊(cè)、設(shè)計(jì)圖紙、測(cè)試信息等）、知識(shí)庫(kù)以及模型庫(kù)（如預(yù)測(cè)模型、診斷模型、決策模型、評(píng)估模型等）。

配置數(shù)據(jù)是在實(shí)際部署過(guò)程中與應(yīng)用系統(tǒng)相關(guān)的具體軟硬件參數(shù)配置信息，如通信地址、報(bào)警閾值等。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)包括傳感器信息、告警事件、日志信息等，分析信息包括決策數(shù)據(jù)、評(píng)估數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)對(duì)象定義為數(shù)據(jù)描述的設(shè)備或系統(tǒng)，其層次按照從低到高的順序分為模塊、整機(jī)、系統(tǒng)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)每類數(shù)據(jù)資源定義相應(yīng)的標(biāo)識(shí)、單位、數(shù)據(jù)類型、取值范圍、采樣周期、獲取方式、描述、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)目的等數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的定義。

4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程

艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)是一個(gè)依賴設(shè)備實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析而不斷優(yōu)化的全壽命周期閉環(huán)系統(tǒng)，既需要利用設(shè)備各研制階段的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)運(yùn)維提供預(yù)測(cè)、診斷模型以及決策支持，也需要利用系統(tǒng)在部署和運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果為設(shè)備和系統(tǒng)在研制過(guò)程的各階段提供設(shè)計(jì)優(yōu)化支撐，以最大程度提高設(shè)備的可靠性，降低故障率。因?yàn)檫@部分?jǐn)?shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)條件下獲取成本往往比較大，或者根本不可能獲取，比如用于模型訓(xùn)練的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)際的系統(tǒng)性能和運(yùn)行環(huán)境指標(biāo)參數(shù)等。基于全壽命周期的閉環(huán)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程見(jiàn)圖3。

圖3 基于全壽命周期的閉環(huán)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程圖

4.3 工程活動(dòng)矩陣

由時(shí)間維和邏輯維構(gòu)成了系統(tǒng)工程的活動(dòng)矩陣，因此下面就按階段對(duì)每個(gè)階段開(kāi)展的主要工作和方法進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際裝備研制過(guò)程以及軟系統(tǒng)特點(diǎn)，艦載電子健康管理系統(tǒng)的研制階段包括論證階段、方案階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段、試驗(yàn)測(cè)試階段、部署階段和運(yùn)維階段等七個(gè)工作階段，活動(dòng)步驟包括階段目標(biāo)、主要活動(dòng)、數(shù)據(jù)資源和主要方法，詳見(jiàn)表1。

表1 健康管理系統(tǒng)工程活動(dòng)矩陣表

5 系統(tǒng)建構(gòu)實(shí)施

5.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，通過(guò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)的整體性、正確性、一致性。為使來(lái)自不同廠商的硬件與軟件單元組件具有可互換性，增強(qiáng)系統(tǒng)集成能力，有效地降低設(shè)備維護(hù)成本，本文構(gòu)建了開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化、組件化、層次化艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)由三部分構(gòu)成：分布式布置的電子設(shè)備、管理服務(wù)器和移動(dòng)維護(hù)終端，通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)收發(fā)與處理、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理服務(wù)、故障診斷服務(wù)、故障預(yù)測(cè)服務(wù)、健康管理服務(wù)、帶外管理等九大功能域完成健康管理功能。

電子設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、近期存儲(chǔ)、本地狀態(tài)監(jiān)控和故障告警等功能，并通過(guò)請(qǐng)求管理服務(wù)器端的服務(wù)獲取健康評(píng)估和維修決策支持。

管理服務(wù)器主要通過(guò)各類模型、算法為設(shè)備提供故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估和維修決策等服務(wù)，并提供系統(tǒng)級(jí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和分析，同時(shí)具備遠(yuǎn)程帶外管理功能。

移動(dòng)維護(hù)終端主要用于對(duì)設(shè)備的管理維護(hù)，如電源管理、軟件升級(jí)、日志管理及狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)還具備對(duì)設(shè)備和管理服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。

5.2 網(wǎng)絡(luò)體系

網(wǎng)絡(luò)體系用以定義被管理設(shè)備與健康管理系統(tǒng)以及健康管理系統(tǒng)各組件之間的物理網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系。針對(duì)艦載電子設(shè)備“模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”特點(diǎn)，健康管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系采用“內(nèi)外+外網(wǎng)”的方式并對(duì)接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，見(jiàn)圖5。

圖5 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

內(nèi)網(wǎng)指設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。支持多類型總線模塊和傳感器的數(shù)據(jù)采集，包括以太網(wǎng)、USB、CAN、I2C等，并對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

外網(wǎng)指設(shè)備的健康管理網(wǎng)與服務(wù)器、移動(dòng)終端之間的網(wǎng)絡(luò)。為了與云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的管理網(wǎng)絡(luò)體系保持兼容，設(shè)備對(duì)外提供數(shù)據(jù)管理網(wǎng)和帶外管理網(wǎng)兩種以太網(wǎng)通信接口并分別接入云計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)和管理網(wǎng)，數(shù)據(jù)網(wǎng)主要通過(guò)設(shè)備CPU模塊完成數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送至管理服務(wù)器，帶外管理網(wǎng)主要是通過(guò)設(shè)備BMC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程帶外管理，如數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理、日志管理、軟件升級(jí)維護(hù)等。此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以最大化減少CPU和業(yè)務(wù)網(wǎng)工作負(fù)擔(dān)的條件下實(shí)現(xiàn)軟硬件狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的全面化，保證數(shù)據(jù)采集不會(huì)影響電子設(shè)備的正常工作。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用系統(tǒng)論和系統(tǒng)工程的方法對(duì)艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)進(jìn)行了分析，建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)方法，將數(shù)據(jù)工程思想融入系統(tǒng)工程，并對(duì)數(shù)據(jù)維的數(shù)據(jù)資源構(gòu)成、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程和工程活動(dòng)矩陣進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了基于全壽命周期的閉環(huán)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)流程；同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)性整體思想，借鑒綜合集成研討廳體系實(shí)施了系統(tǒng)建構(gòu)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)頂層體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

本文從系統(tǒng)工程角度為艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)的構(gòu)建提出了一個(gè)新視角，重點(diǎn)突出了系統(tǒng)的整體性和數(shù)據(jù)工程思想，指出了設(shè)備健康管理的本質(zhì)和目標(biāo)，可以作為建立實(shí)際系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。系統(tǒng)工程的理論起源于工程實(shí)踐，隨著艦載電子設(shè)備健康管理系統(tǒng)應(yīng)用研究的深入以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、高性能低功耗微處理器、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于系統(tǒng)架構(gòu)體系、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)集成方法體系和數(shù)據(jù)安全體系等仍需要進(jìn)一步理論化，以更好地指導(dǎo)實(shí)踐。