CBM 與IETM 集成中的數據模型設計及運用

杜曉明，郭德興，朱 寧

（1.陸軍工程大學指揮控制工程學院，南京 210007；2.解放軍72456 部隊，山東 濰坊 261305；3.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

0 引言

隨著狀態(tài)維修（Condition Based Maintenance，CBM）、故障預測與健康狀態(tài)管理（Prognostic and Health Management，PHM）等概念的提出，裝備維修已逐步由以手冊為中心的事后檢測向以數據為中心的狀態(tài)監(jiān)測分析發(fā)展，先進的邊緣計算與大數據分析技術集成于裝備及其后臺服務中心，對應系統亦被稱為賽博物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）［1］。CPS 在裝備維修領域的典型應用即是基于交互式電子技術手冊（Interactive Electronic Technical Manuals，IETM）的智能維修系統。IETM 擁有大量裝備基本原理、使用操作和維修保障等數據，可以構成一個數字化的裝備信息空間，為裝備使用保障人員提供交互式的推理決策支持，裝備故障診斷與修復為其中一項關鍵內容。

目前，該方向研究的熱點之一是如何完善CBM/PHM 與IETM 系統的有機集成，以提高裝備故障診斷的高效性與準確性。學者Cooper 提出了基于IETM 和CBM 的自適應診斷與單兵技術支持系統［2］，后續(xù)美軍對此給予了重點關注，開發(fā)了類似“虛擬維修系統”、“智能維修系統”［3］。美海軍在給V22 魚鷹飛機開發(fā)的綜合自動維修環(huán)境優(yōu)化系統（CAMEO）中，實現了IETM 系統與其地面數據站的信息集成，F-22 戰(zhàn)斗機IETM 通過與其CBM 系統集成，實現了5 級［1］IETM 功能［4］。它采用數據庫技術組織手冊數據，通過集成的數據環(huán)境使IETM 能與其他信息系統甚至專家系統交換信息，增強了系統的靈活性和擴展性。國內李磊、吳永明等提出了在現有IETM 框架下進行功能擴展，實現與故障診斷系統和專家系統的融合［5-6］。Niu G 等提出了模糊語義推理和狀態(tài)融合診斷相集成的IETM 智能維修系統［7］。針對上述方案中存在的集成面向具體開發(fā)商系統缺乏普適性，集成定位籠統未能區(qū)分層次等不足，郭德興等給出了一種符合OSA-CBM 規(guī)范的集成框架［8］。該框架將集成應用分為4 個［2］層次，即狀態(tài)數據層、故障警報層、故障定位層和維修決策層，并且給出了基于客戶/服務器模式的集成接口設計，支持分布式部署，有效解決了系統集成的緊耦合問題，提升了系統功能的重用性和多系統間的互操作性。但是該方案并沒對集成中要傳輸的數據類型、組成結構及運用方式進行規(guī)范。本文將在OSA-CBM 集成框架及接口的基礎上，對集成數據進行設計與建模，并給出對應運用模式。

1 CBM 與IETM 集成框架與接口

OSA-CBM 規(guī)范將CBM 系統數據處理功能分為6 層［3］：數據采集層、數據處理層、狀態(tài)監(jiān)測層、健康評估層、預測評估層和建議生成層。每層定義有不同功能及可與其他層交換的數據類型。每個CBM 系統在研制上可實現其中的一種或多種功能層，提供一個或多個功能層的接口，輸出一種或多種類型的數據。CBM 系統可集中部署，亦可分布部署。根據對裝備實施監(jiān)測評估的方式與深度，CBM系統應用大致可分為以下3 個等級［9-10］，即III 級外置式、II 級內置式和I 級分布式。

1.1 CBM 與IETM 集成架構

在實際應用中，IETM 可結合CBM 系統等級和功能層分布來設計集成。圖1 給出了IETM 與CBM系統的一種集成框架，可分為4 個層次。

圖1 IETM 同CBM 系統集成框架

1）基于故障警報的集成。由CBM 系統提供警報現象或故障代碼，IETM 從CBM 中獲取裝備狀態(tài)數據、特征值等數字形式的數據，基于IETM 故障數據模塊中的故障隔離信息，以交互式故障診斷方式實現故障定位，并提供維修支持。

2）基于故障定位的集成。由CBM 給出故障定位信息，IETM 從CBM 中讀取故障代碼，基于IETM故障數據模塊中的故障數據報告，直接為CBM 系統提供維修程序支持。

3）基于維修決策的集成。依據CBM 系統提供的維修決策報告，通過IETM 維修過程數據模塊，直接提供維修所需的零部件、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)數據的故障預測集成。在裝備未發(fā)生故障時，通過IETM 過程數據模塊直接讀取CBM系統提供的狀態(tài)數據，如日志信息、健康信息等。由IETM 直接進行故障預測，輔助裝備維修。

1.2 CBM 與IETM 集成接口

為了捕獲利用CBM 系統提供的數據，IETM 系統同樣需遵循OSA-CBM 規(guī)范。文獻［8］選擇訂閱通信機制作為IETM 同CBM 系統集成的數據傳輸接口，并采用基于組件的框架設計方法，將IETM 系統和CBM 系統專業(yè)處理功能和接口功能相分離，如下頁圖2 所示。其中，CBM 功能模塊視為OSA-CBM數據服務器，IETM 系統則為數據服務器客戶端，負責接收來自CBM 模塊產生的數據，數據類型覆蓋OSA-CBM 規(guī)范中6 類功能層模塊。

圖2 CBM 與IETM 系統集成接口模型

在集成接口模型中，定義了訪問入口和數據隊列2 類組件。訪問入口根據功能區(qū)分2 種類型：即數據服務入口DataEventServer 和數據接收入口DataEventReceiver。DataEventServer 是CBM 服務器模塊向CBM 客戶端模塊提供的數據訪問接口；DataEventReceiver 則是CBM 客戶端模塊接收CBM服務器模塊數據的接口，接口設計采用觀察者模式。

為實現數據處理與數據收發(fā)的并發(fā)運行，接口模型引入了數據隊列概念，以保證CBM 服務器與IETM 系統間的高效通信。當服務端數據準備完畢或有警報時，將相應數據事件（dataEvent）插入至CBM 服務端數據隊列，并通知IETM 系統接收數據，IETM 系統則通過DataEventReceiver 接口接收服務端推送的數據，并將其置于IETM 客戶端數據隊列。

2 CBM 與IETM 集成數據模型

IETM 與CBM 系統交互的實質是對數據的管理、傳輸與運用。IETM 與CBM 系統集成后，既可以在CBM 狀態(tài)數據的支持下，驅動人機交互診斷，定位裝備故障，指導裝備快速維修，也可以通過IETM數據瀏覽功能，直接顯示利用CBM 系統提供的維修決策建議。

2.1 狀態(tài)數據分類

不同等級CBM 系統具有不同OSA-CBM 功能層組成的功能模塊。與IETM 集成時傳輸的數據不同，依據OSA-CBM 規(guī)范，CBM 各功能層產生的狀態(tài)數據類型、對應CBM 系統等級及由此可實現的與IETM 集成方式，如表1 所示。

表1 OSA-CBM 功能層事件數據表

1）Ⅲ級CBM 系統屬外部監(jiān)測模式。通過加裝或手持測試儀，可獲取溫度、壓力等簡單漸變信號或特征參數，功能覆蓋CBM 模塊1 層～2 層。采集或處理的信號數值超過規(guī)定閾值時可能會出現報警，但不產生故障代碼。集成時IETM 需從CBM 系統中直接獲取漸變信號、特征參數等進行故障診斷。

2）Ⅱ級CBM 系統屬內置監(jiān)測模式。裝備內置機內檢測系統或邊緣計算系統，功能覆蓋CBM 模塊1 層～4 層。可在獲取漸變信號、特征參數基礎上，進行故障報警，生成故障代碼、故障定位等其他裝備狀態(tài)信息。與IETM 集成時，可實現基于故障警報的集成和基于故障定位的集成應用。

3）Ⅰ級分布式監(jiān)測模式。CBM 系統多應用于大型復雜裝備，采用分布式體系結構，1 層～3 層功能模塊作前端，安裝于裝備之上，負責采集、處理裝備狀態(tài)數據，進行故障報警，4 層～6 層功能模塊作后端，獨立于裝備，部署于數據中心，通過網絡采集前三層的信息進行綜合處理，輸出維修決策。與IETM 集成時，5 層～6 層提供的剩余壽命和維修方案信息屬于非結構化數據，可轉化XML 格式的文檔由IETM 可視化顯示，支持基于維修決策的集成應用。

2.2 集成數據建模

表1 中的狀態(tài)數據類型，根據其應用形式可分為3 類：即故障代碼、狀態(tài)參數和維修決策。其中，故障代碼數據表征裝備故障類型，應用形式可為“設備名稱+故障代碼”，使用時系統將提供故障代碼字典庫；狀態(tài)參數表征為裝備的某種狀態(tài)，應用形式可為“參數名稱+參數值”，1 層～2 層的漸變信號和特征參數都是此類，4 層～5 層中的健康評估、剩余壽命等信息若以“名稱+數值”形式給出時，也可歸為該類；維修決策數據表征為裝備的維修策略，應用形式為“文本型”非結構化數據，4 層～6 層提供的健康評估、剩余壽命和維修方案等如果都以文本形式給出，則屬于該類。按照IETM 與CBM 系統集成應用需求，需對集成應用中的數據交換實體進行統一建模，形成規(guī)范的數據結構，如圖3 所示。其中，故障代碼（FaultCode）、狀態(tài)參數（ConditionPara）、維修決策（MainDecision）3 類數據節(jié)點擁有共同的父節(jié)點集成數據結構（InfDataEvent），集成數據結構為抽象數據類型，擁有3 類節(jié)點繼承的基本數據項。

圖3 CBM 與IETM 系統集成數據模型

3 IETM 對集成數據的運用實現

對于集成接口數據隊列中的故障代碼、狀態(tài)參數和維修決策3 類數據，IETM 系統中的過程數據模塊提供了相應的讀取、存儲及運用機制。在過程數據模塊的元素下，設有子元素，通過該子元素讀取集成接口隊列數據，將裝備狀態(tài)信息置于過程數據模塊的子元素中，聲明裝備狀態(tài)信息，驅動IETM 開展基于CBM 的裝備故障診斷與維修應用。

3.1 IETM 對故障代碼的運用

裝備發(fā)生故障，CBM 系統狀態(tài)監(jiān)測層會產生故障代碼，集成接口將故障代碼置于隊列，IETM 系統通過過程數據模塊 子元素從隊列中接收故障代碼，根據故障代碼IETM 連接到故障數據模塊，查看故障報告信息中的故障原因，并通過故障隔離信息進行故障隔離定位，通過維修過程數據模塊完成維修操作。下面，以可隔離故障為例說明對故障代碼數據的運用過程。

可隔離故障是指那些由裝備檢測系統檢測并可隔離的故障，采用 元素表示，其Schema 結構如圖4 所示。其中，故障代碼元素位于屬性中，系統由此與接收到的故障代碼匹配，準確定位故障數據模塊。可隔離故障還包括其他子元素：故障描述、檢測信息、定位和維修備注，進一步支持故障定位及維修處理。

圖4 可隔離故障Schema 結構

3.2 IETM 對狀態(tài)參數的運用

對于集成接口中的狀態(tài)參數，IETM 亦通過過程數據模塊的子元素 從隊列中接收對應數據，并驅動邏輯引擎根據變量和變量值形成判斷條件和診斷策略，確定數據模塊和步驟執(zhí)行次序，實現排除復雜故障的動態(tài)應用。

過程數據模塊包括了從操作準備到結束收尾的全部工作，其主要信息都集中在過程元素中，其schema 結構如下頁圖5 所示。變量聲明和執(zhí)行順序是其最主要的兩個子元素。過程數據模塊中所用變量都在子元素中進行定義聲明，接收的狀態(tài)參數值也將不斷更新該子元素中的變量值，以此形成裝備全局狀態(tài)表。故障診斷策略信息則主要存儲于數據模塊序列子元素中，邏輯引擎通過狀態(tài)表參數值判斷邏輯執(zhí)行條件，規(guī)范各數據模塊和步驟之間執(zhí)行的先后順序，支持故障定位及維修處理。

圖5 過程元素Schema 結構

3.3 IETM 對維修決策的運用

對于CBM 系統提供的非結構化維修決策信息，IETM 作為閱讀器可直接讀取為維修人員顯示該文檔，同時提供必要的維修程序、零備件信息等來輔助實施維修。但對于IETM 系統來講，這部分決策信息屬于異構數據，需轉換為符合S1000D 標準的IETM 數據模塊（如描述性數據模塊）才能輸入IETM 解析顯示，其運用過程如圖6 所示。

圖6 維修決策文檔轉換及傳輸流程

維修決策數據源在CBM 系統中可以是XML 數據庫數據資源，也可以是關系型數據庫數據資源，兩者在符合S1000D 標準的描述性數據模塊Schema規(guī)范下，由XML 數據轉換器轉換為IETM 數據模塊，經由集成接口，輸入IETM 系統公共數據資源庫。該維修決策文檔由XML 解析器對其翻譯，獲得其中維修策略并生成維修策略樹，通過IETM 瀏覽顯示。

4 應用驗證

本文以某型裝備液壓系統為基礎，搭建實驗平臺。根據液壓系統常見故障模式，以預置的柱塞泵故障為實驗原型，實現IETM 與CBM 系統的集成應用。實驗中CBM 功能模塊主要有數據采集模塊、數據處理模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊。數據采集模塊主要采集壓力、溫度、流量、振動等信號，如圖7 所示。數據處理模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊集成于數據監(jiān)測服務器內，數據處理模塊對數據采集模塊提供的信號進行處理，并提取特征值。在本實驗中，數據處理模塊對液壓系統的振動信號進行處理，并以“能量”值作為振動信號的特征值。狀態(tài)監(jiān)測模塊將數據處理模塊提供的漸變數據和振動數據通過閾值比較、模糊邏輯等算法進行處理，發(fā)現故障后產生故障代碼，并報警提示。本次實驗將顯示液壓系統柱塞泵發(fā)生較嚴重劣化。

圖7 信號采集系統數據采集界面

IETM 通過集成接口讀取CBM 功能模塊產生的故障代碼進行故障判斷，并通過讀取的特征參數進行精確定位，圖8 為IETM 顯示的故障報告頁面，頁面描述了詳細的故障信息和故障條件，并提供了維修模塊的鏈接。

圖8 IETM 故障報告界面

5 結論

CBM 與IETM 兩者是裝備保障的重要支撐技術，CBM 在獲取裝備狀態(tài)數據，實施健康評估和維修決策輔助等方面具有優(yōu)勢，但缺乏詳細的裝備保障數據支持，而IETM 卻能提供完備的裝備技術數據和保障過程數據，兩者集成發(fā)揮了各自在裝備維修保障中的優(yōu)勢。本文面向集成應用，針對集成中要交換的數據內容，在原OSA-CBM 集成框架及接口基礎上，對集成數據進行了統一建模，規(guī)范了數據分類及其結構模式，給出了數據運用過程，可作為集成接口數據模型設計的重要借鑒。今后，隨著信息化和工業(yè)化的深度融合，物聯網和傳感器等技術大范圍使用，裝備狀態(tài)數據規(guī)模急劇增加，裝備保障云數據中心的出現將為IETM 與CBM 提供一種基于服務的全新集成模式。如何基于海量數據，采用大數據挖掘技術預測裝備狀態(tài)，采用人工智能技術實現基于狀態(tài)的主動維修，將是未來IETM 與CBM 集成應用研究的重要方向。