基于CPS的風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障體系架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅昌俊， 鄭 娟， 馬永一， 王小飛， 杜有翔

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 計(jì)算空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽(yáng) 621000)

風(fēng)洞群中低速、高速、超高速風(fēng)洞試驗(yàn)所需的動(dòng)力資源包括純水、電力、高壓空氣、中壓空氣、高真空、低真空、氫氣、氧氣、氮?dú)獾萚1]，而風(fēng)洞群動(dòng)力資源的集中保障依賴于動(dòng)力資源生產(chǎn)、存儲(chǔ)、配送相關(guān)的設(shè)備，閥門、罐群和管線等系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱“動(dòng)力系統(tǒng)”)。動(dòng)力系統(tǒng)是風(fēng)洞群試驗(yàn)的“引擎”，其運(yùn)行效率和穩(wěn)定性直接關(guān)系到風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芊耥樌_展。系統(tǒng)具有分布分散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高、保障任務(wù)重的特點(diǎn)，當(dāng)前對(duì)于設(shè)備性能分析、故障預(yù)判、維修策略建議、危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)等主要采用人工檢查和故障后維修方式，缺乏必要的手段對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行自動(dòng)化預(yù)警，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、規(guī)范化的維修經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的積累。目前，國(guó)內(nèi)很多大中型工業(yè)行業(yè)均采用了針對(duì)設(shè)備檢修的故障管理系統(tǒng)[2-5]，但缺乏對(duì)于設(shè)備健康狀況的評(píng)估和故障的自動(dòng)預(yù)判[6-7]。為此，需要通過開展動(dòng)力系統(tǒng)信息化建設(shè)，引入信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)思想，構(gòu)建覆蓋“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精確執(zhí)行”[8]4個(gè)環(huán)節(jié)的全閉環(huán)保障體系架構(gòu)，以維修/保養(yǎng)工單為中心，形成一體化的動(dòng)力系統(tǒng)綜合保障方案，提升風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行保障效率，滿足型號(hào)氣動(dòng)試驗(yàn)的動(dòng)力保障需求。

1 CPS概述

1.1 CPS的基本概念

以人工智能AI、區(qū)塊鏈Block Chain、云計(jì)算Cloud Computing、大數(shù)據(jù)Big Data、邊緣計(jì)算Edge Computing、物聯(lián)網(wǎng)IoT為代表的信息技術(shù)高速發(fā)展，推動(dòng)了CPS技術(shù)體系的出現(xiàn)，成為國(guó)內(nèi)外工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)極。

CPS這一概念是2006年由美國(guó)科學(xué)家Helen Gill在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)上提出的。由于領(lǐng)域和著眼點(diǎn)的不同，研究人員對(duì)CPS信息物理系統(tǒng)這一概念包括中文翻譯都有著不同的理解，但都體現(xiàn)了數(shù)據(jù)從采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析到應(yīng)用的全過程，是貫穿全鏈路的高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的融合，是信息化3.0時(shí)代的重要特征。

《信息物理系統(tǒng)白皮書》給出的定義：CPS通過集成先進(jìn)的感知、計(jì)算、通信、控制等信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化[8]。

1.2 CPS核心功能

CPS的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括4個(gè)循環(huán)往復(fù)的環(huán)節(jié)，如圖1所示，即狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精確執(zhí)行，同時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行的結(jié)果又重新被感知，從而進(jìn)入新一輪循環(huán)。

圖1 CPS數(shù)據(jù)閉環(huán)圖

在狀態(tài)感知環(huán)節(jié)，將物理空間中的隱形數(shù)據(jù)經(jīng)過狀態(tài)感知形成顯性數(shù)據(jù)，并傳遞到信息空間，為后續(xù)的實(shí)時(shí)分析提供數(shù)據(jù)來源；在實(shí)時(shí)分析環(huán)節(jié)，利用聚類分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)對(duì)顯性數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，挖掘其內(nèi)在的關(guān)系，成為可認(rèn)知的信息；在科學(xué)決策階段，對(duì)直觀的可理解信息進(jìn)行綜合，根據(jù)對(duì)現(xiàn)實(shí)的評(píng)估和對(duì)未來的預(yù)測(cè)，作出最佳的決策；在精確執(zhí)行階段，將信息空間的決策轉(zhuǎn)化為物理空間中實(shí)體裝備的可執(zhí)行的命令，以數(shù)據(jù)的形式作用于實(shí)體裝備上，真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策。

1.3 CPS體系結(jié)構(gòu)

單元級(jí)CPS是CPS層級(jí)結(jié)構(gòu)中最小的、不可分割的基本單元，單元級(jí)CPS的實(shí)質(zhì)是通過物理硬件、自身嵌入式軟件及通信模塊對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行狀態(tài)感知、計(jì)算分析、科學(xué)決策并最終控制該物理實(shí)體，從而構(gòu)建最基本的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)了物理世界(實(shí)體)和信息世界(虛體)的交互。

圖2給出了裝備故障診斷與健康單元級(jí)CPS體系架構(gòu)，主要包括物理裝置和信息殼。物理實(shí)體包括設(shè)備、人和傳感器、執(zhí)行器以及其與外部交互的接口，是物理過程的實(shí)際操作部分。傳感器用于監(jiān)測(cè)、感知物理實(shí)體的信號(hào)、狀態(tài)；執(zhí)行器實(shí)施對(duì)決策的反饋響應(yīng)；信息殼主要包括感知、計(jì)算、控制和通信等功能。動(dòng)力設(shè)備的本地監(jiān)控系統(tǒng)軟件可類比為信息殼，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行設(shè)備使用情況日志采集、分析與控制，同時(shí)通過與中心管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

圖2 單元級(jí)CPS體系架構(gòu)

2 基于CPS的風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)總體架構(gòu)

一體化保障系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的精確保障，要解決動(dòng)力設(shè)備何時(shí)修(合理確定維修時(shí)機(jī))、如何修(快速進(jìn)行故障診斷和維修方案的制定與生成)、精益修(合理安排人員和備件)的“三修”問題，而這些需求正是CPS系統(tǒng)狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策和精確執(zhí)行的核心功能，基于這一認(rèn)識(shí)，本文開展了基于CPS的風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障研究。

2.1 主要思路

遵循CPS數(shù)據(jù)流動(dòng)和實(shí)體虛體交互的核心理念，開展風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)的一體化保障體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要思路如下：① 實(shí)時(shí)獲取動(dòng)力設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；② 進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判和定位；③ 科學(xué)地制訂維修維護(hù)策略；④ 通過信息化輔助手段，支撐現(xiàn)場(chǎng)精確執(zhí)行維修維護(hù)；⑤ 實(shí)現(xiàn)物理空間到網(wǎng)絡(luò)空間的轉(zhuǎn)換，將現(xiàn)場(chǎng)的維修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)積累為知識(shí)(規(guī)則表、事實(shí)表和故障表)，對(duì)設(shè)備故障模型進(jìn)行不斷迭代，并對(duì)下一次故障處理進(jìn)行指導(dǎo)。

2.2 主要流程

風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流程概述如圖3所示。

圖3 風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障主要流程

① 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與CPS數(shù)據(jù)上傳分系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，基于健康診斷規(guī)則得出設(shè)備健康狀態(tài)。

② 設(shè)備健康管理與維修分系統(tǒng)向設(shè)備信息管理分系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備運(yùn)行記錄、故障記錄、保養(yǎng)記錄、巡檢記錄，形成設(shè)備履歷信息，便于用戶查詢；并發(fā)送備件需求清單給設(shè)備信息管理分系統(tǒng)，便于合理安排出庫(kù)計(jì)劃。

③ 當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)出設(shè)備報(bào)警后，在風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)中，通過人機(jī)交互方式獲取知識(shí)庫(kù)中的故障知識(shí)庫(kù)和診斷規(guī)則，定位故障原因；當(dāng)生成維修工單時(shí)，會(huì)自動(dòng)獲取該分系統(tǒng)維修知識(shí)庫(kù)中維修內(nèi)容、工具、工時(shí)、工種等信息，并獲取設(shè)備信息管理分系統(tǒng)備件庫(kù)存量和工機(jī)具信息，為制定維修方案提供數(shù)據(jù)支撐，以實(shí)現(xiàn)CPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策的核心功能。

④ 設(shè)備健康管理與維修效果評(píng)估模塊獲取現(xiàn)場(chǎng)維修記錄、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)將統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果發(fā)送給維修知識(shí)庫(kù)，使維修知識(shí)庫(kù)不斷更新，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障模型的不斷迭代。

⑤ 風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)支持向便攜式維修輔助終端發(fā)送維修工單、保養(yǎng)工單、巡檢工單，同時(shí)可接收便攜式維修輔助終端上的維修記錄、保養(yǎng)記錄、巡檢記錄，以支持形成CPS的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

2.3 總體設(shè)計(jì)

風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)包括6大功能模塊，分別為設(shè)備健康評(píng)估模塊、故障診斷模塊、維修維護(hù)模塊、維修效果評(píng)估模塊、設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)和便攜式維修輔助終端，每個(gè)模塊又包括若干子模塊，具體組成如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與CPS數(shù)據(jù)上傳

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與CPS數(shù)據(jù)上傳分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)水、電、氣等動(dòng)力系統(tǒng)本地監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)，為整個(gè)CPS信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)上行傳輸路徑如圖5所示。

圖5 終端數(shù)據(jù)上行數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

設(shè)備健康管理數(shù)據(jù)分為兩類：振動(dòng)量數(shù)據(jù)和工藝量數(shù)據(jù)，其中振動(dòng)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)器采集振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)后發(fā)送至裝置級(jí)中間件處理，并通過數(shù)據(jù)同步助手發(fā)送至中心級(jí)；工藝量數(shù)據(jù)由動(dòng)力系統(tǒng)已有的相應(yīng)傳感器及PLC進(jìn)行采集并經(jīng)通信PLC發(fā)送至OPCServer，然后OPCServer對(duì)外提供OPC協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)OPC客戶端進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)發(fā)。氫氣系統(tǒng)由本地測(cè)控系統(tǒng)WinCC提供OPC協(xié)議數(shù)據(jù)。

3.2 健康評(píng)估

設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估根據(jù)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)、故障和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析，利用評(píng)估算法對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)設(shè)備部件剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),包括實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與報(bào)警和設(shè)備健康狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)子模塊。狀態(tài)評(píng)估閾值設(shè)定如圖6所示。

圖6 狀態(tài)評(píng)估閾值設(shè)定

3.3 故障診斷

(1)動(dòng)態(tài)閾值報(bào)警。

通過對(duì)設(shè)備在不同負(fù)荷下的振動(dòng)和工藝量參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，針對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備在某一特定負(fù)荷下的振動(dòng)和工藝量參數(shù)特征，完成智能動(dòng)態(tài)閾值報(bào)警。

(2)智能快變報(bào)警。

在一定時(shí)間內(nèi)，某一參數(shù)(如振動(dòng)等)出現(xiàn)一定幅度變化，及時(shí)報(bào)警。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警情況，一旦被判定為關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)加密數(shù)據(jù)保存間隔。

(3)具備篩選或減少反復(fù)穿越引起的誤報(bào)功能。

具備報(bào)警事件識(shí)別功能，防止針對(duì)同一報(bào)警事件進(jìn)行重復(fù)報(bào)警。

防止反復(fù)穿越技術(shù)是在定值報(bào)警基礎(chǔ)上做出的優(yōu)化。定值報(bào)警：通過系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警方式后，正常未報(bào)警設(shè)備中任意一個(gè)測(cè)點(diǎn)超過報(bào)警線，設(shè)備報(bào)警，設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，根據(jù)報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)短，開始密集保存，之后保存間隔加長(zhǎng)。反復(fù)穿越報(bào)警，但總體平穩(wěn)時(shí)，設(shè)備報(bào)警只有一次。反復(fù)報(bào)警的測(cè)點(diǎn)，只有報(bào)警值比上一次報(bào)警值大15%以上時(shí)，設(shè)備才再次產(chǎn)生新的報(bào)警事件。

故障診斷的本質(zhì)是專家系統(tǒng)，其基本的技術(shù)架構(gòu)通常包括設(shè)備結(jié)構(gòu)樹、故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、診斷知識(shí)庫(kù)、診斷推理機(jī)和人機(jī)交互界面或接口。通過對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的分解、設(shè)備參數(shù)的分析、故障現(xiàn)象的研究和歷史故障與維修數(shù)據(jù)的梳理，利用已有的理論知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)，通過數(shù)學(xué)模型的定量分析和歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析進(jìn)行故障點(diǎn)的定位。

如圖7所示，故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括故障特征自動(dòng)獲取模塊、故障推理模塊、人機(jī)交互模塊、案例庫(kù)模塊等部分。

圖7 故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)

故障推理模塊包含知識(shí)庫(kù)(規(guī)則庫(kù)、事實(shí)表和故障表)和規(guī)則推理引擎。知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，是以機(jī)組診斷經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將專家經(jīng)驗(yàn)形象化，建立常見故障表、故障特征事實(shí)表、故障推理規(guī)則表，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識(shí)庫(kù)；故障推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實(shí)表中的相應(yīng)事實(shí)屬性，最終推出基于該事實(shí)的結(jié)論。規(guī)則表和事實(shí)表可通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，這也反映了CPS能夠不斷自我完善的思想。

3.4 維修維護(hù)

經(jīng)故障診斷確定故障源，發(fā)出維修請(qǐng)求后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成維修工單，觸發(fā)維修請(qǐng)求，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)中關(guān)于該故障的維修信息，包括維修內(nèi)容、維修工種、維修工時(shí)、所需備件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)聯(lián)設(shè)備信息管理中該備件的庫(kù)存余量，形成維修方案；同時(shí)，將所需備件清單發(fā)送給庫(kù)管，作為維修人員領(lǐng)取備件的依據(jù)，然后進(jìn)行維修活動(dòng)的調(diào)度和維修任務(wù)的執(zhí)行，最終完成完工確認(rèn)，并填寫維修記錄，為維修效果評(píng)估提供數(shù)據(jù)源。

維修維護(hù)主要包括維修工單(圖8、圖9)、維護(hù)保養(yǎng)(圖10)和巡檢日志(圖11)3部分功能模塊。

圖8 申請(qǐng)維修工單樣例圖

圖9 工單跟蹤示例

圖10 上傳到系統(tǒng)中的保養(yǎng)記錄示例

圖11 上傳到系統(tǒng)中的巡檢記錄示例

主要的設(shè)計(jì)方法和過程如下。

(1) 維修方式的確定。

維修方式的確定可以通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障模式及影響分析(即FMEA)或以可靠性為中心的維修分析(RCM)等技術(shù)手段，從安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行評(píng)估，確定設(shè)備的重要度，從而確定設(shè)備的維修方式，一般關(guān)鍵設(shè)備建議采用狀態(tài)維修和定期維修結(jié)合的方式，重要設(shè)備采取定期維修方式，一般設(shè)備可采取事后維修結(jié)合的方式。

(2) 維修方案的確定。

當(dāng)生成維修工單時(shí)，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先自動(dòng)獲取設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)中與本次故障相關(guān)的維修方案，如檢修內(nèi)容、所需備件、工具、工種、建議維修公式，同時(shí)從設(shè)備信息管理-庫(kù)存管理中自動(dòng)獲取所需備件的庫(kù)存信息等；如果設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)中沒有與本次故障相關(guān)的維修方案，則需要人工錄入。

(3) 精確保障。

綜合考慮備件/工具存量和人員負(fù)荷等因素，實(shí)現(xiàn)保障物資的“按需供給”和“主動(dòng)配備”。

備件/工具調(diào)度：當(dāng)維修工單中所需備件/工具確定后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將所需的備件/工具清單推送給庫(kù)房管理員，如果滿足要求，維修人員按照清單領(lǐng)取備件/工具；如果不滿足要求，庫(kù)房管理員根據(jù)系統(tǒng)提示缺貨信息申請(qǐng)采購(gòu)，進(jìn)入采購(gòu)流程；當(dāng)倉(cāng)庫(kù)補(bǔ)貨后，再通知維修人員領(lǐng)取。

人員調(diào)度：維修方案中給出維修工種需求，調(diào)度人員直接將維修任務(wù)發(fā)送給維修單位負(fù)責(zé)人，由其根據(jù)實(shí)際在崗人員和負(fù)荷進(jìn)行任務(wù)安排。

3.5 維修效果評(píng)估

維修效果評(píng)估主要是通過建立關(guān)鍵指標(biāo)體系，以及指標(biāo)體系與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與提煉，向各級(jí)業(yè)務(wù)領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持報(bào)表及分析圖表，便于實(shí)時(shí)了解設(shè)備健康狀況和維修績(jī)效水平。

(1) 故障統(tǒng)計(jì)。

根據(jù)不同分類進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)，可按照設(shè)備類型、原因歸類等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(2) 維修費(fèi)用統(tǒng)計(jì)。

對(duì)設(shè)備維修費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照時(shí)間進(jìn)行查詢，可導(dǎo)出?？砂凑胀馕M(fèi)用和單位內(nèi)部維修費(fèi)用占用比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

(3) 維修時(shí)間統(tǒng)計(jì)。

3.6 便攜式維修輔助終端和交互式電子手冊(cè)IETM

便攜式維修輔助終端提供IETM輔助、動(dòng)力設(shè)備維修保養(yǎng)、現(xiàn)場(chǎng)巡檢等功能，包括PMA現(xiàn)場(chǎng)巡檢終端和IETM終端兩種類型，以信息化輔助手段，支撐動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)維修維護(hù)策略人機(jī)融合的精確執(zhí)行。

系統(tǒng)以IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將其作為便攜式輔助維修終端PMA的系統(tǒng)服務(wù)；同時(shí)與健康管理分系統(tǒng)PHM、設(shè)備信息管理分系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)管理分系統(tǒng)進(jìn)行集成；PHM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷和維修工單下發(fā)；設(shè)備信息管理系統(tǒng)提供設(shè)備全壽命周期的動(dòng)態(tài)履歷；倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)提供備品備件的精細(xì)化和規(guī)范化管理；IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)為最終用戶提供一個(gè)無紙化、向?qū)偷慕换ナ叫畔⒒Ｕ檄h(huán)境；PMA負(fù)責(zé)維修任務(wù)的接受、執(zhí)行與記錄，IETM手冊(cè)的瀏覽查詢。

(1) PMA巡檢終端。

主要用于現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)便攜應(yīng)用，包括開機(jī)巡檢和運(yùn)行巡檢。采用帶5～7 in電容式觸摸屏幕的手持式設(shè)備，便于攜帶和單手操作，具有較強(qiáng)的防震、防水、防塵等防護(hù)措施及較長(zhǎng)的移動(dòng)續(xù)航時(shí)間(連續(xù)使用不低于6 h)，采用帶有OTG功能的USB網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)接入。USB網(wǎng)卡通過交換機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工作機(jī)連接，再通過工作機(jī)訪問應(yīng)用服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

PMA終端將部署便攜式維修終端程序，包括IETM瀏覽模塊、維修工單管理模塊、巡檢工單管理模塊、設(shè)備履歷管理模塊、設(shè)備二維碼識(shí)別模塊等。

PC端部署數(shù)據(jù)交換程序，用于同步設(shè)備健康管理下發(fā)的工單到PMA終端和上傳巡檢、維修和保養(yǎng)結(jié)果。

PMA終端開機(jī)巡檢功能通過新增開機(jī)巡檢任務(wù)，保存巡檢記錄表，上傳巡檢報(bào)告完成巡檢操作；運(yùn)行巡檢功能通過獲取巡檢規(guī)則，根據(jù)開啟設(shè)備與巡檢規(guī)則，進(jìn)行半點(diǎn)、整點(diǎn)任務(wù)巡檢，提交巡檢報(bào)告，完成巡檢操作，如圖12所示。

圖12 PMA終端-維修保養(yǎng)工單

(2) IETM終端。

IETM終端不僅具有PMA終端的全部功能，還安裝了交互式電子手冊(cè)(IETM)，可實(shí)現(xiàn)離線資料查詢及維護(hù)檢修輔助，如圖13所示。

圖13 IETM終端-現(xiàn)場(chǎng)IETM瀏覽

3.7 設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)

設(shè)備健康管理知識(shí)庫(kù)主要是建立故障診斷模型庫(kù)、維修規(guī)則庫(kù)、維修方案庫(kù)、設(shè)備健康與維修關(guān)鍵指標(biāo)體系等，并在數(shù)據(jù)積累中對(duì)過程進(jìn)行不斷優(yōu)化，為持續(xù)提升設(shè)備的精確保障能力提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

故障推理模塊包含知識(shí)庫(kù)(規(guī)則表、事實(shí)表和故障表)和規(guī)則推理引擎。知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，以機(jī)組診斷經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將專家經(jīng)驗(yàn)形象化，建立常見故障表、故障特征事實(shí)表、故障推理規(guī)則表，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識(shí)庫(kù)。規(guī)則推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實(shí)表中的相應(yīng)事實(shí)屬性最終推出基于該事實(shí)的結(jié)論。規(guī)則表與事實(shí)表可通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)累積進(jìn)行豐富。目前專家系統(tǒng)內(nèi)置40個(gè)故障診斷規(guī)則，主要涉及離心式壓縮機(jī)、羅茨真空泵、活塞機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、干燥器等設(shè)備。

前端故障診斷規(guī)則文件采用Drools格式。規(guī)則文件按照規(guī)則引擎的規(guī)范和語法，記錄處理邏輯和操作，并按引擎的算法來觸發(fā)符合規(guī)則的故障處理，支持對(duì)故障診斷規(guī)則的前端在線編輯與更新；同時(shí)支持故障診斷邏輯圖(JPG或PNG格式)的上傳或下載，便于用戶修改診斷邏輯或閾值，如圖14、圖15所示。

圖14 故障診斷邏輯圖示例

圖15 故障診斷規(guī)則文件

4 系統(tǒng)應(yīng)用

風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)接收狀態(tài)感知與監(jiān)測(cè)管理模塊采集的設(shè)備狀態(tài)信息，進(jìn)行必要的信號(hào)處理和特征提取后，基于建立的設(shè)備健康診斷規(guī)則定性診斷或定量識(shí)別設(shè)備當(dāng)前的健康狀況，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)及剩余壽命；如果設(shè)備的健康狀況達(dá)到需要維修的臨界值，將利用診斷工具進(jìn)行故障點(diǎn)定位并制定維修方案，生成維修工單與計(jì)劃，同時(shí)觸發(fā)維修請(qǐng)求，然后進(jìn)行維修活動(dòng)的調(diào)度與維修過程的準(zhǔn)備和執(zhí)行監(jiān)督，最終完成完工確認(rèn)和維修后效果評(píng)估。該模塊在運(yùn)行過程中需要不斷積累任務(wù)數(shù)據(jù)，持續(xù)更新各種知識(shí)庫(kù)和健康診斷規(guī)則，實(shí)現(xiàn)事后維修向基于狀態(tài)的預(yù)測(cè)性維修的轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)束語

開展基于CPS的風(fēng)洞群動(dòng)力系統(tǒng)一體化保障建設(shè)，提升動(dòng)力保障系統(tǒng)自身信息化及智能化水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)及計(jì)算任務(wù)管理信息系統(tǒng)的深度融合，逐步形成以科研任務(wù)計(jì)劃及需求為導(dǎo)向、以動(dòng)力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及健康診斷為基礎(chǔ)、以高效管理及精準(zhǔn)保障為目標(biāo)的現(xiàn)代動(dòng)力保障模式，達(dá)到提高動(dòng)力保障效率、提升試驗(yàn)質(zhì)量效益的建設(shè)目標(biāo)。