軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)架構(gòu)分析

景博，黃崧琳，王生龍，崔展博，盛増津

（1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038）

（2.空軍研究院 戰(zhàn)略預(yù)警所，北京 100089）

0 引言

隨著通信技術(shù)、材料科學(xué)、人工智能、工業(yè)自動(dòng)化等技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與深度融合，軍用飛機(jī)裝備復(fù)雜度呈指數(shù)型上升。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)交聯(lián)緊密，故障耦合模式復(fù)雜多樣，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的飛機(jī)健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)已逐漸成為涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、使用環(huán)境、維修決策的系統(tǒng)性問(wèn)題，傳統(tǒng)的基于時(shí)間的計(jì)劃維修已無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜裝備的健康管理需求。隨著故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostic and Health Management，簡(jiǎn) 稱(chēng)PHM）技術(shù)的發(fā)展，面向高效率、低成本的診斷和預(yù)測(cè)為基于狀態(tài)的視情維修提供了技術(shù)手段。

PHM技術(shù)在F-35飛機(jī)的維護(hù)保障中帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，故障不可復(fù)現(xiàn)率降低82%，維修人力減少20%～40%，后勤規(guī)模減少50%，出動(dòng)架次率提高25%，飛機(jī)的使用與保障費(fèi)用比過(guò)去減少50%，使用壽命達(dá)8 000 fh，極大地降低了維修成本，提高了保障性與安全性。美國(guó)在AH-64“阿帕奇”等武裝直升機(jī)安裝了健康與使用監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS），其任務(wù)完好率提高了10%。然而，國(guó)外軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)仍存在虛警率高、數(shù)據(jù)質(zhì)量差的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)PHM技術(shù)工程化應(yīng)用水平同國(guó)外有較大差距，仍存在諸多實(shí)際問(wèn)題，需進(jìn)一步研究完善。張洪亮構(gòu)建了特種飛機(jī)PHM系統(tǒng)層次化體系架構(gòu)，并針對(duì)PHM系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了可視化軟件；宋麗茹等提出有人機(jī)/無(wú)人機(jī)協(xié)同的PHM系統(tǒng)架構(gòu)，并以系統(tǒng)工程的視角建立了系統(tǒng)用例圖與活動(dòng)圖模型。國(guó)內(nèi)軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)工程化技術(shù)成熟度低，尤其缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的有效手段。知識(shí)工程混沌化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模糊化、工程實(shí)現(xiàn)碎片化等問(wèn)題嚴(yán)重制約了軍用飛機(jī)PHM技術(shù)的發(fā)展。典型的飛機(jī)系統(tǒng)具有由數(shù)千個(gè)傳感器產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，然而由于缺乏合理的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用效率較低，極大地限制了健康管理的效果。同時(shí)，片面地追求設(shè)備級(jí)PHM的準(zhǔn)確性忽視了系統(tǒng)級(jí)相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，從而產(chǎn)生了故障診斷虛警率較高的現(xiàn)象。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文從數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、功能維度出發(fā)，基于軍用飛機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出PHM系統(tǒng)三維多相迭代設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；在此基礎(chǔ)上提出包括基于軟硬件協(xié)同加速的健康管理實(shí)時(shí)化、基于知識(shí)圖譜的知識(shí)邏輯可視化、基于MBSE的PHM系統(tǒng)模型化的三化一體設(shè)計(jì)架構(gòu)，并通過(guò)多領(lǐng)域模型聯(lián)合仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 三維多相迭代設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

PHM技術(shù)以數(shù)據(jù)科學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)面向飛機(jī)層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)PHM系統(tǒng)的健康管理相關(guān)功能。在三維多相PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，數(shù)據(jù)、功能與結(jié)構(gòu)三個(gè)維度生成設(shè)計(jì)準(zhǔn)則空間，每個(gè)維度由邏輯關(guān)系清晰的多個(gè)相構(gòu)成，空間中每個(gè)坐標(biāo)代表了設(shè)計(jì)過(guò)程需要滿(mǎn)足的系統(tǒng)需求與遵循的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如圖1所示。

圖1 三維多相設(shè)計(jì)準(zhǔn)則Fig.1 Three dimensional polyphase design criteria

1.1 數(shù)據(jù)維度

數(shù)據(jù)維度包含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)四種類(lèi)型的數(shù)據(jù)（如圖2所示），是PHM系統(tǒng)功能維度與結(jié)構(gòu)維度的數(shù)字化表達(dá)與數(shù)量化結(jié)果。數(shù)據(jù)維度為PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)需求與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)為系統(tǒng)驗(yàn)證評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段收集和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集合，具體包括歷史設(shè)計(jì)方案、功能性需求、非功能性需求、功能邏輯、系統(tǒng)架構(gòu)、仿真模型、產(chǎn)品型號(hào)等。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體多樣，存儲(chǔ)格式各異，但以清晰的耦合關(guān)系覆蓋裝備全壽命周期，具有耦合性、多源異構(gòu)的特點(diǎn)。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是PHM模型建立的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括飛機(jī)設(shè)備仿真模型、半實(shí)物模型、智能算法模型、各類(lèi)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M飛機(jī)理想運(yùn)行環(huán)境及非理想運(yùn)行環(huán)境，采集相應(yīng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行集中標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)PHM算法建模與驗(yàn)證評(píng)估，以低成本迭代優(yōu)化PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可控性、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)。

（3）使用數(shù)據(jù)是PHM系統(tǒng)運(yùn)行的輸入。使用數(shù)據(jù)包括飛參數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)空地?cái)?shù)據(jù)鏈，詳細(xì)記錄了飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中飛機(jī)裝備及PHM系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)。反映了飛機(jī)裝備及PHM系統(tǒng)實(shí)際服役環(huán)境下的工作運(yùn)行狀態(tài)，為PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供直接的數(shù)據(jù)來(lái)源。由于機(jī)載設(shè)備故障率較低，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因此使用數(shù)據(jù)具有非平衡、強(qiáng)噪聲的特點(diǎn)。

（4）維護(hù)數(shù)據(jù)是PHM系統(tǒng)優(yōu)化的保證。維護(hù)數(shù)據(jù)是在飛機(jī)維護(hù)過(guò)程中獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)的集合，包括故障數(shù)據(jù)、維修測(cè)試數(shù)據(jù)等。維護(hù)數(shù)據(jù)采集在地面進(jìn)行，環(huán)境條件單一，因此維護(hù)數(shù)據(jù)具有理想化、多維海量的特點(diǎn)。

圖2 數(shù)據(jù)維度內(nèi)容與關(guān)系Fig.2 Data dimension content and relationships

PHM數(shù)據(jù)維度囊括了以上四個(gè)領(lǐng)域，結(jié)合不同數(shù)據(jù)域的特點(diǎn)，PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)維度應(yīng)滿(mǎn)足如下準(zhǔn)則：

（1）模型化或結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理是實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的驗(yàn)證與迭代的基礎(chǔ)，因此，PHM知識(shí)工程的頂層設(shè)計(jì)應(yīng)以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為根節(jié)點(diǎn)，保證系統(tǒng)需求的可追溯性。

（2）實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)應(yīng)同步進(jìn)行，將復(fù)雜系統(tǒng)分解為小型分系統(tǒng)，通過(guò)分布式實(shí)驗(yàn)向集中式實(shí)驗(yàn)過(guò)渡的方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)向設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋迭代，提高設(shè)計(jì)迭代的效率。

（3）PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈路與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)流的流暢性。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)支持海量離線(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)與高速并行計(jì)算。

1.2 結(jié)構(gòu)維度

結(jié)構(gòu)維度由組件級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、平臺(tái)級(jí)構(gòu)成，在對(duì)PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)與功能維度特點(diǎn)的分析后，提出PHM系統(tǒng)多級(jí)設(shè)計(jì)方案（如圖3所示），統(tǒng)一數(shù)據(jù)流在層級(jí)間的傳輸方向，為系統(tǒng)功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)維度上的分工。

（1）平臺(tái)級(jí)PHM系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)空地接口及人機(jī)接口設(shè)計(jì)為飛機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供軟硬件接口，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體健康狀態(tài)的綜合評(píng)估并給出維修決策。

（2）系統(tǒng)級(jí)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)從飛機(jī)系統(tǒng)的視角對(duì)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)決策邏輯、故障反饋、容錯(cuò)控制的設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)信息整合與維修決策推理。

（3）分系統(tǒng)級(jí)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)以分布式的視角通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)排布對(duì)飛機(jī)分系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分與數(shù)據(jù)整合，主要實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估與故障預(yù)測(cè)的功能。

（4）組件級(jí)PHM系統(tǒng)的構(gòu)建包括計(jì)算資源選擇、測(cè)量參數(shù)選擇、傳感器布置等設(shè)計(jì)內(nèi)容，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能。

圖3 結(jié)構(gòu)維度內(nèi)容與關(guān)系Fig.3 Structural dimension content and relationships

通過(guò)分析總結(jié)PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維度的分類(lèi)與特點(diǎn)，PHM系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)維度設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

（1）在平臺(tái)級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)中，空地?cái)?shù)據(jù)通信應(yīng)滿(mǎn)足安全性、高速性的要求，根據(jù)信道資源合理分配通信信道。

（2）加強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)健康管理算法驗(yàn)證評(píng)估，提高維修決策的可靠性。

（3）針對(duì)飛機(jī)重要部件健康管理加強(qiáng)可靠性試驗(yàn)，選擇具有較強(qiáng)計(jì)算能力的計(jì)算資源對(duì)分系統(tǒng)及其包含組件的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，形成故障信息。

（4）分布式布置傳感器，通過(guò)邊緣計(jì)算同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，提升數(shù)據(jù)利用率及信噪比。

1.3 功能維度

PHM系統(tǒng)功能維度設(shè)計(jì)參考OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、推理決策、接口七個(gè)部分的功能，如圖4所示。功能維度為結(jié)構(gòu)維度提供方法支撐，系統(tǒng)功能的通用性和工程化應(yīng)用是制約PHM技術(shù)發(fā)展的核心問(wèn)題。

圖4 功能維度內(nèi)容與關(guān)系Fig.4 Functional dimensions content and relationships

（1）數(shù)據(jù)采集使用傳感器采集飛行過(guò)程中機(jī)載部件承載的內(nèi)部應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境噪聲等物理量，并通過(guò)“物理量—信號(hào)—數(shù)據(jù)”的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)的感知、傳輸與存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)處理基于信號(hào)處理算法對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的降噪、降維、特征提取。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)接收來(lái)自傳感器與數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)，基于專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)通過(guò)固定的失效閾值判斷裝備故障狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)基本的BIT功能。

（4）健康評(píng)估基于飛機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用智能算法模型對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行推理，得到離散的故障類(lèi)型判斷并確定故障發(fā)生概率。

（5）故障預(yù)測(cè)在健康評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，綜合利用上述模塊數(shù)據(jù)，基于輸出向量空間連續(xù)的智能算法模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。

（6）推理決策融合前級(jí)所有信息推理得到飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)故障狀態(tài)，并對(duì)飛機(jī)健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，給出維修決策建議，是實(shí)現(xiàn)視情維修的關(guān)鍵模塊。

（7）接口主要分為人機(jī)接口與機(jī)機(jī)接口，人機(jī)接口將PHM系統(tǒng)最終結(jié)果信息以可視化的形式進(jìn)行展示，機(jī)機(jī)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的傳輸。

通過(guò)分析總結(jié)PHM系統(tǒng)功能維度的組成與特點(diǎn)，PHM系統(tǒng)在功能維度設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

（1）數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)計(jì)應(yīng)以測(cè)試性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在確保故障診斷率、故障隔離率的前提下壓縮數(shù)據(jù)量。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集速率與數(shù)據(jù)處理的降維功能應(yīng)滿(mǎn)足空地?cái)?shù)據(jù)鏈的帶寬限制。

（2）針對(duì)重要易損部件應(yīng)開(kāi)展充分的可靠性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際服役條件合理調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)邊界實(shí)驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)全壽命周期數(shù)據(jù)的采集與建模。

（3）算法模型的可靠性須滿(mǎn)足PHM系統(tǒng)工程化的要求，使用在線(xiàn)訓(xùn)練、離線(xiàn)訓(xùn)練相結(jié)合的方法，加強(qiáng)算法模型的驗(yàn)證評(píng)估。

（4）人機(jī)接口應(yīng)具有針對(duì)性，面向PHM系統(tǒng)功能采用模塊化設(shè)計(jì)提高軟件的靈活性，從而降低軟件學(xué)習(xí)使用成本。

2 PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

基于PHM系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)三個(gè)維度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，結(jié)合系統(tǒng)工程V&V模型，提出PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，如圖5所示。該流程遵循系統(tǒng)工程流程，每階段以功能維度為主線(xiàn)，包括自上而下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與自下而上的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖5 PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程Fig.5 PHM system design and development process

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，按照“功能—結(jié)構(gòu)—數(shù)據(jù)”的基本流程進(jìn)行分析。

（1）從功能性需求識(shí)別出發(fā)，明確PHM系統(tǒng)具體任務(wù)（Mission）與運(yùn)行能力（Operation capability）。

（2）根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定系統(tǒng)需求基線(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行分配。

（3）從數(shù)據(jù)角度出發(fā)，根據(jù)信息流串聯(lián)功能維度與結(jié)構(gòu)維度，抽象出系統(tǒng)功能邏輯。

（4）基于功能邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)物理架構(gòu)并進(jìn)行模塊細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，按照與設(shè)計(jì)階段逆向的順序，依照“數(shù)據(jù)—結(jié)構(gòu)—功能”的基本流程進(jìn)行PHM系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。

（1）從數(shù)據(jù)維度出發(fā)，基于數(shù)據(jù)采集方案的設(shè)計(jì)開(kāi)展設(shè)備可靠性試驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)，獲取理想數(shù)據(jù)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、挖掘，建立設(shè)備健康管理診斷與預(yù)測(cè)模型。

（2）根據(jù)機(jī)上空間資源，對(duì)各級(jí)PHM系統(tǒng)計(jì)算資源進(jìn)行選型、分配與模型固化。

（3）根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)、友好的人機(jī)界面，最終實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的正常運(yùn)行與人機(jī)交互。

3 PHM系統(tǒng)三化一體設(shè)計(jì)架構(gòu)

在三維多相設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出集成實(shí)時(shí)化、可視化、模型化的一體化PHM設(shè)計(jì)架構(gòu)要求。

3.1 基于軟硬件協(xié)同加速的實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)架構(gòu)

軍用飛機(jī)故障的瞬發(fā)性與嚴(yán)重性要求機(jī)載PHM系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，對(duì)飛機(jī)狀態(tài)變化敏感，能夠?qū)收犀F(xiàn)象與故障癥候做出及時(shí)反應(yīng)與決策，其設(shè)計(jì)思路如圖6所示。

圖6 軟硬件協(xié)同的實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)Fig.6 Real-time design of hardware and software collaboration

（1）分布式硬件資源配置

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，包括ASIC、DSP、FPGA在內(nèi)的嵌入式計(jì)算芯片成為飛機(jī)各系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展下，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。尤其在飛機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于數(shù)據(jù)模型的動(dòng)態(tài)性與迭代性，可靈活重構(gòu)的FPGA能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的維護(hù)保障，其小型化、低功耗的特點(diǎn)為PHM系統(tǒng)提供了分布式并行邊緣計(jì)算的能力，是PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部件。

（2）PHM算法實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化

軍用飛機(jī)實(shí)際服役條件下由傳感器采集的數(shù)據(jù)多為具有非平衡、強(qiáng)噪聲、不完備等特點(diǎn)的非理想數(shù)據(jù)，為降低因噪聲干擾帶來(lái)的虛警率，提高實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，保證維修決策的有效性，需要對(duì)PHM算法進(jìn)行實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)化，強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)濾波去噪、缺失值補(bǔ)全、信號(hào)降維等功能。

（3）軟硬件協(xié)同加速

PHM系統(tǒng)實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌計(jì)算硬件資源與PHM算法資源，綜合考慮運(yùn)行效果與效能，使算法精度與運(yùn)行效率之間達(dá)到平衡?；谠撛O(shè)計(jì)思想搭建PHM桌面超算平臺(tái)，平臺(tái)具體配置如表1所示，平臺(tái)組成如圖7所示。以SVM算法為例，PHM超算平臺(tái)計(jì)算171個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的SVM故障診斷過(guò)程訓(xùn)練時(shí)間平均為180.02 ms，診斷時(shí)間平均為4.40 ms，總時(shí)間平均為184.42 ms；CPU平臺(tái)上Matlab訓(xùn)練時(shí)間耗時(shí)平均約為1 025.47 ms，診斷時(shí)間平均為12.81 ms，總時(shí)間平均為1 038.28 ms，相較CPU獲得的加速比平均約為5.63。計(jì)算過(guò)程中PC平臺(tái)平均功耗為24.571 W，超算平臺(tái)平均功耗為4.262 W，相比PC平臺(tái)縮減了83.7%。

表1 PHM桌面超算平臺(tái)配置Table 1 PHM Desktop supercomputing platform configuration

圖7 PHM桌面超算平臺(tái)Fig.7 PHM Desktop supercomputing platform

通過(guò)算法分解、模型裁剪等操作，在FPGA中將面向在線(xiàn)非理想數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行硬件化移植，達(dá)到算法加速的效果，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流與PHM算法的驗(yàn)證評(píng)估。

3.2 基于知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)架構(gòu)

PHM系統(tǒng)從飛機(jī)健康狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理、故障推理、維修決策等環(huán)節(jié)，產(chǎn)生了大量多層次異構(gòu)數(shù)據(jù)，其中在設(shè)計(jì)階段、實(shí)現(xiàn)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有可追溯性與差異性。軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)主要完成飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析與離線(xiàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練挖掘，給出故障維修建議，為工程師的維修決策提供參考，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與功能的修復(fù)，是一種人在環(huán)的反饋控制。但是在軍用飛機(jī)全壽命周期數(shù)據(jù)管理中沒(méi)有充分利用各類(lèi)數(shù)據(jù)，為提升復(fù)雜多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的利用效率，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理。因此，需要使用數(shù)據(jù)可視化方法進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)管理與使用方法融合，如圖8所示。

圖8 基于知識(shí)圖譜的PHM數(shù)據(jù)可視化Fig.8 PHM data visualization based on knowledge graph

經(jīng)信息抽取、知識(shí)融合、知識(shí)加工等數(shù)據(jù)操作將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化圖數(shù)據(jù)，知識(shí)圖譜以圖數(shù)據(jù)庫(kù)的形式不僅存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)數(shù)值信息，同時(shí)將數(shù)據(jù)文件之間的邏輯關(guān)系以“實(shí)體—關(guān)系—對(duì)象”三元組載體的形式存儲(chǔ)。具體可應(yīng)用于故障手冊(cè)語(yǔ)義搜索、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)智能問(wèn)答、維修工作輔助決策等場(chǎng)景下。知識(shí)圖譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)支持網(wǎng)絡(luò)同步管理，便于保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中各部門(mén)數(shù)據(jù)的一致性。因此，知識(shí)圖譜的應(yīng)用能夠提升設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)搜索的效率，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的管理能力。

在此設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)下建立的知識(shí)圖譜將故障邏輯與維修策略以有向圖的形式進(jìn)行可視化顯示，如圖9所示，為軍用飛機(jī)維修決策與健康管理帶來(lái)豐富的參考信息。

圖9 機(jī)載設(shè)備PHM知識(shí)圖譜Fig.9 PHM knowledge graph of airborne equipment

3.3 基于MBSE的系統(tǒng)模型化設(shè)計(jì)架構(gòu)

PHM系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)交互、多系統(tǒng)耦合等多學(xué)科技術(shù)，具有復(fù)雜性、綜合性、信息化的特點(diǎn)，因此PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題。由于健康管理信息維度爆炸式增長(zhǎng)、層級(jí)交聯(lián)復(fù)雜度提升、功能流程耦合性加強(qiáng)，PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程化實(shí)現(xiàn)面臨碎片化的問(wèn)題。

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-based System Engineering，簡(jiǎn)稱(chēng)MBSE）采用靈活、統(tǒng)一的模型元素代替了傳統(tǒng)系統(tǒng)工程模糊、局限的文本式描述，使得系統(tǒng)具有更強(qiáng)的通用性、可靠性與可追溯性。使用MBSE方法指導(dǎo)PHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠有效發(fā)揮其模型化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，將包括數(shù)據(jù)、功能、結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)信息進(jìn)行整合，克服PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的對(duì)象多樣、環(huán)境復(fù)雜、耦合泛在的問(wèn)題，聯(lián)合多領(lǐng)域模型、多學(xué)科技術(shù)，加速PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程。該設(shè)計(jì)架構(gòu)面向PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)模型的手段建立設(shè)計(jì)階段與實(shí)現(xiàn)階段的聯(lián)系，如圖10所示，具體包括以下內(nèi)容：

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行定義，在對(duì)機(jī)務(wù)工作人員、飛行員、工程師等利益攸關(guān)者進(jìn)行需求收集后將需求整合轉(zhuǎn)化為成熟的系統(tǒng)需求，在系統(tǒng)需求的指導(dǎo)下對(duì)系統(tǒng)邏輯、系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行模型表示，得到功能完備、結(jié)構(gòu)合理的系統(tǒng)模型。

（2）對(duì)機(jī)載設(shè)備物理模型以及健康管理算法模型進(jìn)行建模，通過(guò)兩者內(nèi)部聯(lián)合仿真及半實(shí)物仿真進(jìn)行模型迭代優(yōu)化，提高模型精確度。

（3）將包含物理模型、算法模型、系統(tǒng)模型在內(nèi)的多領(lǐng)域模型相關(guān)聯(lián)進(jìn)行模型級(jí)系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證。系統(tǒng)的分層集成實(shí)現(xiàn)DVT（Design，Verification，Test）過(guò)程并行化，在系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程及時(shí)提出新的需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與迭代的同步推進(jìn)。

圖10 基于MBSE的軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.10 MBSE based PHM system design for military aircraft

在此設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)下通過(guò)運(yùn)行分析、系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)建立、物理架構(gòu)建立等流程基于MBSE建立PHM開(kāi)發(fā)平臺(tái)業(yè)務(wù)模型，如圖11所示。

圖11 PHM開(kāi)發(fā)平臺(tái)MBSE模型Fig.11 PHM development platform MBSE model

以機(jī)載燃油泵與氧氣濃縮器為例，通過(guò)PHM領(lǐng)域多模型聯(lián)合仿真，如圖12所示，將包括機(jī)載設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、智能算法、人機(jī)接口等在內(nèi)的PHM系統(tǒng)組成部分以模型聯(lián)系起來(lái)。

圖12 PHM系統(tǒng)多領(lǐng)域模型聯(lián)合仿真Fig.12 Multi-domain model co-simulation of PHM system

人機(jī)接口模塊的仿真結(jié)果如圖13所示，通過(guò)機(jī)載設(shè)備實(shí)時(shí)壽命預(yù)測(cè)對(duì)健康水平進(jìn)行評(píng)估，基于健康狀態(tài)評(píng)級(jí)可實(shí)現(xiàn)面向視情維修的輔助決策。

圖13 機(jī)載設(shè)備PHM系統(tǒng)聯(lián)合仿真可視化結(jié)果Fig.13 Visualization results of airborne PHM system co-simulation

3.4 軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在PHM系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)過(guò)程中，模型化設(shè)計(jì)貫穿始終，規(guī)范了PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程；以建立實(shí)時(shí)化的PHM系統(tǒng)為工程化目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)了PHM系統(tǒng)運(yùn)行效率；呈現(xiàn)方式具有面向應(yīng)用層的可視化特征，旨在高效、充分利用知識(shí)信息，如圖14所示。

圖14 PHM系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.14 PHM system integration design architecture

其一體性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）理想與非理想條件的一體化

從軍用PHM系統(tǒng)需求論證階段開(kāi)始，如何克服實(shí)際服役條件非理想的環(huán)境因素與條件制約影響始終是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，在實(shí)驗(yàn)、仿真等理想環(huán)境條件下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程須以實(shí)際服役條件為驗(yàn)證，通過(guò)邊界實(shí)驗(yàn)探索系統(tǒng)安全使用包線(xiàn)，將設(shè)備狀態(tài)以可視化的形式展現(xiàn)，結(jié)合設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步迭代優(yōu)化，使其滿(mǎn)足實(shí)際服役條件下的非理想工況。

（2）模型測(cè)試驗(yàn)證一體化

在軍用飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及多領(lǐng)域模型的建立與驗(yàn)證，以及仿真環(huán)境。在進(jìn)行PHM系統(tǒng)一體化模型設(shè)計(jì)時(shí)，基于通用的功能模擬接口（FMI）建立不同仿真環(huán)境間的數(shù)據(jù)交換通路，實(shí)現(xiàn)包括業(yè)務(wù)模型、算法模型、電路模型、計(jì)算卡模型、軟件模型等多領(lǐng)域模型建模與可視化的仿真環(huán)境一體化，通過(guò)模型聯(lián)合仿真逐步進(jìn)行PHM系統(tǒng)模擬、半實(shí)物與實(shí)物仿真，實(shí)現(xiàn)PHM系統(tǒng)的功能驗(yàn)證與迭代優(yōu)化，形成PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的閉環(huán)。

（3）系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)一體化

基于模型的系統(tǒng)工程將文本式的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基于建模語(yǔ)言（如SysML、DSML、KARMA）以邏輯清晰的圖元形式展現(xiàn)，并通過(guò)建模工具（如IBM Rational Rhapsody、Capella、MagicDraw）提供簡(jiǎn)潔的圖形化編程手段。尤其在實(shí)時(shí)化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)外在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中積累了較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了較為成熟的設(shè)計(jì)方法，如Harmony方法論串聯(lián)了嵌入式設(shè)計(jì)過(guò)程中互相制約但設(shè)計(jì)割裂的系統(tǒng)工程階段與軟件工程階段，為PHM系統(tǒng)實(shí)時(shí)化設(shè)計(jì)提供了可視化、經(jīng)濟(jì)性的方法。

4 結(jié)論

（1）三維多相設(shè)計(jì)準(zhǔn)則創(chuàng)新性地融合數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、功能維度的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，有利于促進(jìn)軍用飛機(jī)PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）在技術(shù)驗(yàn)證過(guò)程中，基于軟硬件協(xié)同加速的實(shí)時(shí)化PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)為PHM系統(tǒng)帶來(lái)了5.63倍的加速效果以及82.7%的能耗縮減。

（3）基于知識(shí)圖譜的數(shù)據(jù)可視化PHM系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)以結(jié)構(gòu)化、關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)知識(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，極大地提高了數(shù)據(jù)搜索與維修決策的效率。

（4）基于MBSE的PHM系統(tǒng)模型化設(shè)計(jì)架構(gòu)以模型為線(xiàn)索串聯(lián)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試與驗(yàn)證環(huán)節(jié)，縮短了系統(tǒng)迭代周期，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。