PHM仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孫 丁

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安飛機(jī)設(shè)計研究所，西安 710089)

0 引言

隨著飛機(jī)性能要求的提高和飛行任務(wù)的復(fù)雜化，飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度日益攀升，綜合化、智能化程度不斷提高，出現(xiàn)故障的可能性以及出現(xiàn)故障后所要付出的成本代價也越來越高，因此復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)逐漸成為研究者關(guān)注的焦點。傳統(tǒng)的事后維修和計劃維修方式難以應(yīng)對千變?nèi)f化的情況，不能滿足飛機(jī)的使用要求。要想實現(xiàn)快捷方便的視情維修，就需要設(shè)備具備能夠?qū)ψ陨砜赡艿墓收线M(jìn)行診斷、預(yù)測以及對運行過程中健康狀態(tài)進(jìn)行管理的能力，由此產(chǎn)生了預(yù)測與健康管理(PHM，prognostics and health management)概念[1-5]。

在PHM系統(tǒng)研制過程中，需要對數(shù)據(jù)、模型、流程等進(jìn)行仿真驗證，同時還需經(jīng)常與各系統(tǒng)專業(yè)溝通需求以及時改進(jìn)和優(yōu)化研制方案，降低系統(tǒng)研制風(fēng)險。仿真試驗系統(tǒng)在各種復(fù)雜設(shè)備的PHM系統(tǒng)研制過程中能夠發(fā)揮先行驗證的作用，系統(tǒng)能夠以較低的成本開展目標(biāo)系統(tǒng)的仿真試驗，對PHM系統(tǒng)的各項功能性能進(jìn)行仿真與驗證，為PHM系統(tǒng)的研制提供重要支撐，設(shè)計一套PHM仿真試驗系統(tǒng)具有可觀的理論意義和工程實用價值。本文將對PHM仿真試驗系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用開展研究，針對系統(tǒng)開展需求分析、系統(tǒng)總體層次設(shè)計、系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計，提出PHM仿真試驗系統(tǒng)和試驗流程的設(shè)計方案，為PHM系統(tǒng)研制提供有效的參考和依據(jù)[6-10]。

1 仿真試驗系統(tǒng)需求分析

1.1 仿真試驗系統(tǒng)總體需求

PHM仿真試驗系統(tǒng)的總體需求為通過該系統(tǒng)為PHM系統(tǒng)方案設(shè)計提供支撐，搭建飛機(jī)級及各區(qū)域級的仿真設(shè)備，并構(gòu)建基于總線通訊的交聯(lián)仿真網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)、模型、算法、流程、軟件等功能的仿真，實現(xiàn)PHM系統(tǒng)各相關(guān)功能的全機(jī)分配及優(yōu)化、系統(tǒng)架構(gòu)組成驗證及其優(yōu)化、面向自適應(yīng)保障的功能邏輯驗證、對系統(tǒng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與存儲、同時實現(xiàn)系統(tǒng)接口及通信的仿真優(yōu)化。

1.2 仿真試驗器需求

仿真試驗器用于仿真機(jī)載飛機(jī)級、區(qū)域級PHM計算機(jī)功能，包括飛機(jī)級、區(qū)域健康管理數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、故障診斷、地面測試、與區(qū)域健康管理的交互等。支持仿真飛機(jī)級、區(qū)域級PHM仿真器與相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)接口及相應(yīng)的數(shù)據(jù)的信息采集、解析處理、分發(fā)與存儲、故障診斷運行、測試執(zhí)行、接口信息交互等功能仿真，仿真的功能、數(shù)據(jù)、協(xié)議、模型、信息來自于試驗系統(tǒng)的配置。

1.3 仿真試驗需求

PHM系統(tǒng)仿真試驗系統(tǒng)需要通過仿真試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建立飛機(jī)級PHM仿真器、區(qū)域PHM仿真器以及顯示控制仿真機(jī)之間的數(shù)據(jù)交聯(lián)，對系統(tǒng)架構(gòu)、方案、總線接口、數(shù)據(jù)處理、分區(qū)存儲等系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真驗證[11-12]。飛機(jī)級PHM仿真器與各區(qū)域級PHM功能仿真器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在飛機(jī)級實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總采集，進(jìn)行故障診斷及狀態(tài)監(jiān)控等功能處理，顯示控制仿真機(jī)完成PHM系統(tǒng)顯示與控制，實現(xiàn)仿真過程中故障、參數(shù)等信息的顯示[13]。

圖1 PHM系統(tǒng)仿真試驗系統(tǒng)總體層次設(shè)計

2 仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體層次設(shè)計

基于飛機(jī)健康管理系統(tǒng)研制及仿真試驗需求，構(gòu)建PHM系統(tǒng)仿真試驗系統(tǒng)總體架構(gòu)，整個系統(tǒng)劃分為應(yīng)用層、軟件層、數(shù)據(jù)層、硬件層及對象層共五個層次，系統(tǒng)采用分層設(shè)計架構(gòu)，硬件滿足模塊化、可互換、可擴(kuò)展特點，具備通過增加模塊對功能與資源進(jìn)行擴(kuò)展的能力，實現(xiàn)應(yīng)用與具體總線驅(qū)動解耦[14]。PHM系統(tǒng)仿真試驗系統(tǒng)總體層次設(shè)計如圖1所示。

應(yīng)用層主要包括PHM系統(tǒng)仿真、仿真主控操作、數(shù)據(jù)與模型仿真等應(yīng)用功能。

軟件層基于數(shù)據(jù)軟總線實現(xiàn)，集中統(tǒng)一管理程序運行的所有數(shù)據(jù)，并為功能程序提供配置管理及數(shù)據(jù)交換服務(wù)。功能程序主要包括系統(tǒng)仿真配置、實時仿真運行、仿真數(shù)據(jù)與模型管理、仿真試驗管理、仿真總線接口框架、數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析判讀、儀器硬件設(shè)備管理等功能模塊。

數(shù)據(jù)層主要包括歷史數(shù)據(jù)、仿真模型、協(xié)議數(shù)據(jù)、故障模式、數(shù)據(jù)參數(shù)以及仿真試驗系統(tǒng)可用的其他來源數(shù)據(jù)等，是軟件層數(shù)據(jù)服務(wù)程序的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[15-17]。

硬件層基于仿真機(jī)及各仿真器實現(xiàn)，主要包括飛機(jī)級PHM仿真器、各區(qū)域PHM功能仿真器、顯示控制仿真機(jī)，以及仿真驗證試驗通訊網(wǎng)。

設(shè)計了預(yù)留對象層，為后續(xù)硬件在回路仿真設(shè)備提供更為便利的擴(kuò)展支持，后續(xù)可通過接口適配、連接分配等工作實現(xiàn)仿真試驗系統(tǒng)的分系統(tǒng)及其成員子系統(tǒng)對象的硬件在回路仿真接入。

2.2 仿真試驗功能設(shè)計

2.2.1 飛機(jī)級PHM仿真器功能設(shè)計

飛機(jī)級PHM仿真器設(shè)計三項主要功能。

1)與顯示控制仿真機(jī)的交互及區(qū)域級PHM設(shè)備數(shù)據(jù)接口：

基于PHM系統(tǒng)信息通訊協(xié)議，將諸如異常信息、故障診斷信息等內(nèi)容與顯示控制仿真機(jī)及區(qū)域級PHM設(shè)備進(jìn)行信息交互，交互信息可通過通訊總線等形式進(jìn)行傳遞，傳遞的數(shù)據(jù)幀格式參照系統(tǒng)信息通訊協(xié)議的要求進(jìn)行設(shè)計和使用。

2)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、故障診斷：

基于飛機(jī)級PHM設(shè)備的通訊協(xié)議與通訊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的數(shù)據(jù)實時發(fā)送與實時接收，基于接口控制文件(ICD，interface control document)通信協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的解析與處理，針對協(xié)議的原始數(shù)據(jù)、處理后數(shù)據(jù)，依照仿真工程配置進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，同時依照診斷邏輯、診斷模型、判斷依據(jù)等信息進(jìn)行故障診斷和信息上報等操作[18]。

3)地面測試與區(qū)域健康管理的交互：

基于系統(tǒng)地面測試功能，設(shè)計系統(tǒng)中地面測試與區(qū)域健康管理的交互，包括地面測試的啟動信息、自身測試信息的狀態(tài)、對應(yīng)的指令與數(shù)據(jù)信息等。

2.2.2 區(qū)域級PHM功能仿真器功能設(shè)計

區(qū)域級功能仿真器設(shè)計兩項主要功能：

1)各區(qū)域健康管理仿真功能：

基于數(shù)據(jù)、模型、邏輯等輸入信息，實現(xiàn)包括區(qū)域級PHM設(shè)備及各對應(yīng)區(qū)域內(nèi)配套設(shè)備或系統(tǒng)的功能，具體設(shè)計提供包括液壓系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)仿真，基于ICD通信協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的解析與處理，針對協(xié)議的原始數(shù)據(jù)、處理后數(shù)據(jù)，依照仿真工程配置進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，同時依照診斷邏輯、診斷模型、判斷依據(jù)等信息進(jìn)行故障診斷和信息上報等操作。

2)區(qū)域內(nèi)各系統(tǒng)與飛機(jī)級PHM仿真器之間的信息交聯(lián)功能仿真：

基于PHM系統(tǒng)信息通訊協(xié)議，將系統(tǒng)診斷結(jié)果、系統(tǒng)功能影響結(jié)果、飛機(jī)級所需關(guān)聯(lián)信息、飛機(jī)工作狀態(tài)信息等內(nèi)容與飛機(jī)級PHM仿真器進(jìn)行信息交互，內(nèi)容涵蓋內(nèi)建測試(BIT，built-in test)數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果數(shù)據(jù)上傳，通過總線等形式進(jìn)行傳遞，傳遞的數(shù)據(jù)幀格式參照系統(tǒng)信息通訊協(xié)議要求進(jìn)行設(shè)計。

2.2.3 顯示控制仿真機(jī)功能設(shè)計

顯示控制仿真機(jī)設(shè)計兩項主要功能。

1)PHM系統(tǒng)操作及顯示功能：

該功能模擬機(jī)載PHM系統(tǒng)的實際顯示與操作，基于仿真試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)顯示以及對應(yīng)功能的操作，主要功能包括：顯示PHM系統(tǒng)故障信息、駕駛艙效應(yīng)(FDE，flight deck effect)信息、配置信息、測試狀態(tài)及結(jié)果等內(nèi)容，提供PHM頁面的基本功能操作，進(jìn)行PHM地面測試、狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)定義等操作。

2)整體仿真試驗系統(tǒng)的管理與控制功能：

該功能是本系統(tǒng)軟件核心功能，負(fù)責(zé)提供仿真試驗系統(tǒng)管理與控制及對應(yīng)的用戶交互界面，并完成整個仿真試驗系統(tǒng)的仿真配置、仿真運行、數(shù)據(jù)與模型管理、試驗管理、總線接口管理、數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測分析判讀、硬件設(shè)備管理等功能，各項功能均提供對應(yīng)子功能模塊。通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)配置發(fā)布仿真工程后，可調(diào)度飛機(jī)級和相應(yīng)區(qū)域級仿真器進(jìn)行仿真運行，獲得該對應(yīng)的仿真驗證結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計

機(jī)載PHM系統(tǒng)的主要工作原理為采集各機(jī)載區(qū)域健康管理數(shù)據(jù)，包括機(jī)內(nèi)檢測的檢測結(jié)果、傳感器采集的參數(shù)等信息，基于系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)有的功能邏輯、算法或模型進(jìn)行分析，實現(xiàn)故障增強(qiáng)診斷、性能監(jiān)測與趨勢分析、壽命預(yù)測與健康評估等功能，并將維護(hù)人員關(guān)注的信息在顯示控制終端上顯示。

基于以上工作原理對仿真試驗系統(tǒng)的組成和功能開展設(shè)計，除機(jī)載PHM系統(tǒng)外，仿真試驗系統(tǒng)的仿真對象還包括了健康管理數(shù)據(jù)的來源和顯示控制終端。

PHM仿真試驗系統(tǒng)主要由以下6套硬件設(shè)備組成：飛機(jī)級PHM仿真器、4臺區(qū)域PHM功能仿真器和顯示控制仿真機(jī)。

飛機(jī)級PHM仿真器、各區(qū)域級PHM功能仿真器以及顯示控制仿真機(jī)分別由一臺計算機(jī)或工控機(jī)、對應(yīng)通訊設(shè)備和配套電纜組成，其中顯示控制仿真機(jī)還設(shè)計配備了顯示控制設(shè)備和操作臺。

PHM仿真試驗系統(tǒng)通過仿真環(huán)境網(wǎng)搭建仿真系統(tǒng)連接，飛機(jī)級PHM仿真器與各區(qū)域級PHM功能仿真器之間基于仿真試驗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在飛機(jī)級實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總采集，進(jìn)行故障診斷及狀態(tài)監(jiān)控等功能處理，顯示控制仿真機(jī)完成PHM仿真試驗系統(tǒng)顯示與控制，實現(xiàn)仿真過程中故障數(shù)據(jù)、參數(shù)信息的顯示，PHM仿真試驗系統(tǒng)總體架構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 PHM仿真試驗系統(tǒng)總體架構(gòu)原理圖

基于該架構(gòu)的仿真試驗系統(tǒng)可以通過PHM功能仿真實現(xiàn)不同層級間的功能交互，結(jié)合模型、參數(shù)等信息支撐PHM系統(tǒng)架構(gòu)組成的仿真與優(yōu)化，通過顯示控制仿真機(jī)可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)處理功能，各仿真軟硬件通過網(wǎng)絡(luò)與總線通訊仿真實現(xiàn)接口及通信的仿真與優(yōu)化。

2.3.2 仿真器設(shè)計

仿真器采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸4U上架型工控機(jī)，選取了高性能處理器以確保設(shè)備運行穩(wěn)定高效，工控機(jī)配備多個PCI/PCIe插槽，為PHM仿真試驗系統(tǒng)中的各類型通訊總線板卡提供擴(kuò)展支持，同時也為后續(xù)設(shè)計預(yù)留的對象對接提供相應(yīng)擴(kuò)展接口。飛機(jī)級及各區(qū)域級仿真器根據(jù)自身總線通訊需求，分別裝載配套的多種總線通訊板卡，提供多個通道，并支持不同接口、通訊協(xié)議和通訊速率，支持時鐘同步功能，滿足仿真試驗過程中各類總線通訊要求。

2.3.3 顯示控制仿真機(jī)設(shè)計

顯示控制仿真機(jī)選用高性能臺式工作站，搭載相應(yīng)的總線通訊設(shè)備，工作站選用了高性能處理器和專業(yè)級獨立顯卡，能夠完成大量運算和圖像處理任務(wù)并滿足多路視頻信號同時輸出，可以滿足仿真驗證系統(tǒng)應(yīng)用程序的穩(wěn)定運行。顯示控制仿真機(jī)共計配備多個顯示終端設(shè)備，支持多屏同時顯示輸出，其中包含2個支持多點觸控的顯示終端，用于模擬仿真機(jī)載系統(tǒng)的觸控操作，用戶可通過觸控的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的操作與控制。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PHM仿真試驗系統(tǒng)軟件分別部署在各仿真硬件中，共計6個部分，各分系統(tǒng)軟件相互協(xié)助，共同實現(xiàn)仿真試驗系統(tǒng)軟件的整體運行與應(yīng)用目標(biāo)。系統(tǒng)軟件以顯示控制仿真機(jī)軟件為主控核心，包含了PHM操作仿真軟件，同時負(fù)責(zé)完成整個仿真試驗系統(tǒng)的仿真配置、數(shù)據(jù)與模型的管理、仿真過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、硬件設(shè)備管理，完成各分系統(tǒng)軟件的協(xié)同調(diào)度功能。各區(qū)域仿真器軟件均屬于分系統(tǒng)仿真軟件，接收主控核心的調(diào)度，通過仿真引擎實現(xiàn)仿真功能的執(zhí)行，通過加載不同的模型、數(shù)據(jù)、協(xié)議、底層硬件等實現(xiàn)不同分系統(tǒng)的仿真功能。軟件體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 PHM仿真試驗系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)

2.4.1 顯示控制仿真機(jī)軟件

仿真機(jī)軟件主要提供仿真試驗系統(tǒng)控制的用戶交互界面，主要包括系統(tǒng)仿真配置、實時仿真運行、仿真數(shù)據(jù)與模型管理、仿真試驗管理、仿真總線接口框架、數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析判讀、儀器硬件設(shè)備管理等功能。仿真機(jī)軟件還設(shè)計提供PHM系統(tǒng)的操作及顯示頁面，進(jìn)行PHM數(shù)據(jù)的顯示、PHM相關(guān)功能的操作等。

1)系統(tǒng)仿真配置功能：

系統(tǒng)仿真配置功能主要用于完成系統(tǒng)仿真驗證流程的過程配置，實現(xiàn)仿真模型文件以及生成的代碼文件導(dǎo)入，建立對應(yīng)的仿真工程，并完成仿真初始化配置，實現(xiàn)實時仿真全過程管理配置。主要包括仿真工程管理、數(shù)據(jù)采集配置管理、模型解析與配置、模型參數(shù)管理配置、模型變量監(jiān)視配置、仿真數(shù)據(jù)管理配置、仿真目標(biāo)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視、可提供輸入輸出組件配置。

2)實時仿真運行功能：

實時仿真運行功能主要用于仿真的運行與操作控制，為用戶提供統(tǒng)一風(fēng)格的操作界面。經(jīng)過仿真序列分析編譯后形成的仿真執(zhí)行文件，在前臺系統(tǒng)仿真管理系統(tǒng)的控制下，加載到后臺仿真執(zhí)行系統(tǒng)，由仿真運行引擎控制仿真流程的執(zhí)行[19-20]。仿真運行引擎在實時仿真運行過程中收集由實時仿真運行實例產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和實時狀態(tài)信息，為仿真試驗系統(tǒng)用戶提供對實時仿真運行執(zhí)行的跟蹤和監(jiān)控功能。

3)仿真數(shù)據(jù)與模型管理：

仿真數(shù)據(jù)與模型管理主要用于仿真數(shù)據(jù)、仿真模型以及整個PHM仿真試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)對不同的系統(tǒng)真實試驗數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出及檢索查看功能。通過構(gòu)建協(xié)議、配置、試驗數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對系統(tǒng)模型、PHM診斷模型、系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、試驗信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理。仿真數(shù)據(jù)與模型管理軟件通過仿真總線共享數(shù)據(jù)信息。

4)仿真試驗管理功能：

仿真試驗管理功能主要用于實現(xiàn)PHM仿真試驗系統(tǒng)的各種試驗信息管理功能，主要包括試驗用戶管理、試驗權(quán)限管理、試驗基礎(chǔ)信息管理等，通過試驗管理軟件完成各試驗信息的管理及存儲。

5)仿真總線接口框架：

仿真總線接口框架主要用于定義與管理ICD數(shù)據(jù)。采用真實系統(tǒng)中的各類總線接口來傳遞ICD數(shù)據(jù)，采用通用化的框架形式進(jìn)行設(shè)計，支持標(biāo)準(zhǔn)ICD文件解析與配置，針對具體單獨的仿真功能應(yīng)用，對應(yīng)的仿真總線抽象封裝為一組可調(diào)用接口供應(yīng)用功能調(diào)用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。

6)儀器硬件設(shè)備管理：

儀器硬件設(shè)備管理主要用于對仿真試驗系統(tǒng)內(nèi)的儀器設(shè)備、硬件資源、網(wǎng)絡(luò)信息配置等進(jìn)行管理。主要包括：仿真設(shè)備儀器的管理、網(wǎng)絡(luò)信息配置的管理。

7)PHM系統(tǒng)操作與顯示：

圖4 仿真試驗流程設(shè)計

PHM系統(tǒng)操作與顯示主要用于PHM數(shù)據(jù)的顯示以及PHM相關(guān)功能的操作，主要包括：顯示PHM系統(tǒng)故障信息、FDE信息、配置信息、測試狀態(tài)及結(jié)果等內(nèi)容，提供PHM頁面的基本功能操作，進(jìn)行PHM地面測試、狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)定義等操作。

8)數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析判讀：

數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析判讀主要用于提供在仿真試驗過程中對輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測、顯示、數(shù)據(jù)分析、保存及數(shù)據(jù)管理等。主要包括軟件能夠在數(shù)據(jù)采集界面實現(xiàn)對采集配置功能、具備所有試驗信號的監(jiān)測管理功能，軟件中數(shù)據(jù)信號的監(jiān)測顯示具有多種表現(xiàn)形式，具有采集數(shù)據(jù)管理功能。

2.4.2 分系統(tǒng)仿真軟件

分系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計具備的詳細(xì)功能包括如下。

1)仿真啟停控制功能：

仿真啟?？刂乒δ茇?fù)責(zé)各仿真器的啟動與停止功能，具體包括仿真器設(shè)備自檢、仿真器資源初始化、仿真資源注冊、仿真資源釋放、仿真板卡設(shè)備復(fù)位、仿真器停機(jī)等功能。

2)仿真運行調(diào)度控制：

仿真運行調(diào)度控制負(fù)責(zé)仿真過程中運行調(diào)度與運行控制，包括仿真工程解析、仿真運行配置讀取、仿真實時運行控制、單步仿真、調(diào)試運行、步長設(shè)置、條件設(shè)置等功能，同時提供對底層板卡的調(diào)用支持，可通過配置實現(xiàn)通道間映射關(guān)系讀取與執(zhí)行控制功能。

3)數(shù)據(jù)文件傳輸功能：

數(shù)據(jù)文件傳輸功能負(fù)責(zé)仿真使用數(shù)據(jù)文件的傳輸，一般針對占用空間較大的數(shù)據(jù)文件，包括原始?xì)v史數(shù)據(jù)文件、模擬數(shù)據(jù)文件等，該功能特別針對大數(shù)據(jù)量的文件傳輸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4)數(shù)據(jù)通訊功能：

數(shù)據(jù)通訊功能基于仿真配置及協(xié)議解析內(nèi)容，進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的通訊與收發(fā)功能，功能設(shè)計配合ICD文件共同實現(xiàn)通訊功能，通過調(diào)用處理底層硬件總線通訊板卡提供的API函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

5)數(shù)據(jù)臨時存儲功能：

數(shù)據(jù)臨時存儲功能主要用于仿真工程運行過程中的數(shù)據(jù)臨時存儲，包括原始收發(fā)數(shù)據(jù)、解析完畢的收發(fā)數(shù)據(jù)、臨時故障處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析過程數(shù)據(jù)、關(guān)鍵運算中間數(shù)據(jù)等，軟件提供針對上述數(shù)據(jù)或其他需要臨時存儲數(shù)據(jù)的保存功能，可依據(jù)不同仿真工程的數(shù)據(jù)需求進(jìn)行選擇存儲。

6)模型解析運行功能：

模型解析運行功能對于有仿真模型運行需求的仿真工程，提供模型解析運行功能，支持邏輯模型、算法模型、診斷模型、推理模型以及基于工具開發(fā)的仿真模型，包括C/C++、Simulink等工具開發(fā)的模型，支持模型中參數(shù)、數(shù)據(jù)等信息與設(shè)備物理通道關(guān)聯(lián)映射[21]。

2.5 仿真試驗流程設(shè)計

根據(jù)驗證功能的不同，設(shè)計基于故障/參數(shù)/配置等不同類型信息的仿真與驗證過程。仿真試驗流程設(shè)計如圖4所示。仿真試驗系統(tǒng)主控界面如圖5所示。

圖5 仿真試驗系統(tǒng)主控界面(參數(shù)注入)

對于每個試驗樣本，設(shè)計試驗判據(jù)：當(dāng)顯示控制終端中所記錄的故障/參數(shù)信息與區(qū)域仿真機(jī)發(fā)布的數(shù)據(jù)中對應(yīng)的信息一致時，則代表合格，否則不合格。

2.5.1 基于故障的仿真與驗證

基于故障的仿真與驗證流程主要用于仿真故障診斷場景，通過仿真工程中預(yù)置的故障模型、故障聯(lián)動信息、故障數(shù)據(jù)、故障參數(shù)等信息，模擬基于預(yù)置信息的故障場景?；诠收系姆抡婀こ讨蓄A(yù)置的故障信息可以包含基于規(guī)則的故障注入信息、基于案例的故障注入信息、基于模型的故障注入信息等。

仿真工程運行過程中，各仿真器基于故障聯(lián)動信息規(guī)則生成特定異常狀態(tài)信息，仿真觸發(fā)飛機(jī)級PHM系統(tǒng)模塊故障診斷模塊功能并開展故障診斷的執(zhí)行流程，向關(guān)聯(lián)的故障診斷模塊傳遞對應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)信息，各仿真機(jī)依據(jù)自身運行邏輯傳遞PHM故障診斷數(shù)據(jù)信息，并依照各自區(qū)域的運行邏輯以及下發(fā)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生與機(jī)載PHM系統(tǒng)相關(guān)的全部數(shù)據(jù)。飛機(jī)級PHM故障診斷模型基于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗證運行，接收各區(qū)域運行所產(chǎn)生的PHM相關(guān)數(shù)據(jù)并匯總至PHM故障診斷模型中，生成PHM故障診斷模型運行結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.5.2 基于參數(shù)的仿真與驗證

基于參數(shù)的仿真與驗證流程主要用于仿真各模擬場景下的參照狀態(tài)，通過仿真工程中預(yù)置的正常參數(shù)模型、異常參數(shù)模型、參數(shù)聯(lián)動規(guī)則等信息，模擬基于預(yù)置仿真場景的整套系統(tǒng)參數(shù)，流程設(shè)計運行過程提供手動控制單一參數(shù)或批量參數(shù)能力，為仿真試驗流程的參數(shù)提供高自由度的配置能力。

仿真工程運行過程中，各仿真器基于參數(shù)模型和規(guī)則生成特定正?；虍惓５南到y(tǒng)參數(shù)，參數(shù)模型與規(guī)則基于不同區(qū)域及子系統(tǒng)的附屬參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并設(shè)計考慮在系統(tǒng)仿真的不同飛行階段中呈現(xiàn)匹配的數(shù)據(jù)特征。各仿真機(jī)依據(jù)自身參數(shù)生成與收發(fā)邏輯，基于ICD文件組幀傳遞數(shù)據(jù)。飛機(jī)級PHM狀態(tài)監(jiān)測功能基于接收到的參數(shù)信息進(jìn)行解析與監(jiān)測運行，生成PHM狀態(tài)監(jiān)測運行過程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。

2.5.3 其他仿真與驗證

其他仿真與驗證流程主要包括軟硬件配置信息、壽命監(jiān)視信息等內(nèi)容。通過仿真工程中預(yù)置的軟硬件基本信息、配套信息、配置信息等數(shù)據(jù)內(nèi)容模擬軟硬件配置信息；基于預(yù)置的壽命模型信息、仿真運行的時間累積信息、壽命聯(lián)動規(guī)則等信息，模擬壽命監(jiān)視信息，流程設(shè)計運行過程支持手動調(diào)整軟硬件配置和壽命信息。

仿真工程運行過程中，各仿真器預(yù)先加載硬件配置信息、壽命監(jiān)視信息，并基于依據(jù)區(qū)域或設(shè)備的具體運行設(shè)定進(jìn)行數(shù)據(jù)的生成與收發(fā)，飛機(jī)級PHM壽命監(jiān)視功能模塊、軟硬件配置信息管理功能模塊基于接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，生成對應(yīng)的分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

3 仿真試驗系統(tǒng)應(yīng)用

目前，該試驗系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于PHM系統(tǒng)開發(fā)，為PHM系統(tǒng)原理試驗提供硬件基礎(chǔ)和方法指導(dǎo)。

試驗針對基于故障的功能和基于參數(shù)的功能，通過仿真工程中預(yù)置的信息，對各類場景進(jìn)行了仿真，對各項功能進(jìn)行了邏輯驗證。試驗過程中，對所執(zhí)行試驗樣本進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與記錄，主要包括故障基本信息、故障狀態(tài)、參數(shù)值、參數(shù)名稱、軟硬件配置信息等。

基于2.5節(jié)設(shè)計的仿真試驗流程，針對PHM系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真試驗，將采集和記錄的試驗數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的試驗判據(jù)進(jìn)行分析，試驗結(jié)果驗證了各項健康管理功能邏輯的正確性。仿真驗證界面與結(jié)果示例如圖6所示。實際使用結(jié)果表明，本文提出的PHM仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用方法，能夠較好地用于仿真驗證試驗，為PHM系統(tǒng)的研制提供支撐。

圖6 仿真驗證界面與結(jié)果示例(參數(shù)頁面)

4 結(jié)束語

本文基于PHM系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，針對研制過程中的仿真試驗需求，提出了PHM仿真試驗系統(tǒng)和試驗流程的設(shè)計方案。該試驗系統(tǒng)采用仿真試驗技術(shù)，通過仿真試驗環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建立區(qū)域PHM仿真器、飛機(jī)級PHM仿真器以及顯示控制仿真機(jī)之間的數(shù)據(jù)交聯(lián)，能夠?qū)ο到y(tǒng)架構(gòu)、方案、總線接口、數(shù)據(jù)處理、分區(qū)存儲等系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真試驗，實現(xiàn)飛機(jī)健康管理系統(tǒng)功能驗證，從而縮短試驗周期，提高研制效率，為系統(tǒng)設(shè)計工作提供支撐。