飞机液压系统PHM体系结构优化方案

PHM体系结构研究对PHM系统的设计至关重要，良好的PHM体系结构将会成为提高PHM技术和解决PHM实现问题的成功途径。PHM体系结构的研究内容涉及系统分析和设计策略、系统划分策略、依赖性和约束管理、系统结构模式使用及系统构件集成策略等多种技术。恰当地运用这些技术，可以降低PHM的复杂度，减少PHM的开发时间，并减轻实现PHM的工作量。具体地说，系统体系结构技术研究的必要性体现在以下几个方面：①体系结构作为系统的高层次抽象，是系统有关人员交流沟通、互相理解的基础。②采用不同的体系结构，将会使得整个系统的组成、实现和性能差别迥异，对整个系统的成功与否起着至关重要的作用，也是整个系统设计的首要问题。③体系结构能够体现系统的早期设计决策，而早期设计约束比起后续的开发、设计、实现、运行、维护等阶段的工作重要得多，且对系统寿命周期的影响也大得多。④体系结构对于系统的非功能属性如系统性能、可扩展性、可靠性、安全性、精确度、可复用性、互操作性等方面的影响尤为深刻。⑤体系结构不仅规定了系统设计开发时的系统结构，还影响着项目开发的组织结构划分。开发一个大型的系统时，常见的任务划分方法是根据系统的任务划分，即将系统的不同部分交由不同的小组去开发完成，体系结构包含了对系统最高层次的分解，因而一般作为任务划分结构的基础。⑥体系结构可以看做系统设计开发中第一类重要的设计对象，体系结构级的重要意味着体系结构的决策能够对具有相似需求的其他系统产生影响，这往往比组件重用、代码重用具有更大的好处。通过体系结构的抽象，可使设计者能够对一些经过实践证明是非常有效的体系结构组件进行重用，从而提高设计效率和可靠性。

通常，基于体系结构的开发被认为是处理大型项目复杂性的一项技术，就体系结构本身而言，其研究内容包括形式化描述、构造与表示、分析设计与验证、发展演化与重用、基于体系结构的开发方法、特定领域的体系结构框架、支持工具、产品体系结构和评价方法等多个方面。本章研究的液压泵源故障预测与健康管理体系结构，属于特定领域的体系结构技术研究范畴，即是将体系结构理论应用到具体领域的过程。借助于开放系统设计方法、体系结构描述规程等理论，并借鉴PHM领域中已经成熟的体系结构，如F-35基于区域管理的三层推理机结构和波音公司的六层逻辑结构等，将PHM中的直觉成分减少到最低程度，并抽象出一种有效的飞机液压泵源PHM体系结构。

本章运用系统分析和设计策略、系统划分策略、依赖性和约束管理、系统结构模式使用及系统构件集成策略等体系结构理论，基于IEEE 1471-2000（软件密集型系统体系结构描述的推荐规程）、ARINC604（机内测试系统设计与应用指南）、ARINC624（机载维护系统设计指南）和ISO 13374开放式视情维修体系结构标准（Open System Architecture for Condition Based Maintenance，OSA-CBM）等国际标准构建飞机液压系统PHM体系。各国际标准的相关关键内容如下：

1）IEEE 1471-2000（软件密集型系统体系结构描述的推荐规程）中关于体系结构的有关术语定义^[1]。系统是指完成某种特定功能的组件集合。体系结构是一个系统的基本组织，表现为系统的组件和组件之间的相互关系、组件与环境之间的关系及设计和进化的原理。体系结构描述是体系结构文档化后的一组产品。体系结构示意图是指从一个特定的角度对特定的系统或部分系统进行的表达。

根据IEEE定义，体系结构是指系统组件的结构、组件之间的相互关系及管理整个系统设计和演化的原则和指南。系统的体系结构描述了系统结构的实体及其特性，以及决定系统结构之间关系的集合。这些指导原则共同构成了一个系统或一组系统的基本特征和约束。简单地说，系统的体系结构就是解决系统结构复杂度的技术，主要研究系统的组件构成、组件互联、组件互动问题，体系结构在技术本质上是一种管理技术。

2）ARINC604（Guidance for Designanduse of Built-InTest Equipment）和ARINC624（Design Guidance for Onboard Maintenance System）国际标准。工业界和航空无线设备公司（ARINC）于20世纪80～90年代制定了ARINC604和ARINC624两项标准。其中ARINC604作为国际工业界第一个健康管理技术领域的标准，对航空产业机载BIT技术的进步产生了重大影响，国际航空界依据ARINC604标准设计了航空电子设备现场可更换元部件（Line Re-placeable Units，LRUs）。根据ARINC624标准，中央维护计算机系统（Central Maintenance Computer，CMC）应运而生，该系统从多个LRU中获取飞机健康和状态信息，并进行了故障隔离和故障原因分析，为维修师提供了维修决策支持。

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图9-1 OSA-CBM标准分层体系结构

3）ISO13374开放式视情维修体系结构标准（Open System Architecture for Condition Based Ma-intenance，OSA-CBM）^[2]。开放式视情维修体系结构OSA-CBM标准基于机械信息管理开放式系统联盟（Machine Information Management Open System Alliance，MIMOSA）的公用相关信息纲要（Common Relational Information Schema，CRIS）提出，它是一个将系统信息输入视情维修系统的标准体系结构，为降低成本、改善互操作性和增加产品竞争性提供了一条新的途径。OSA-CBM标准采用分层体系结构，基于联合建模语言（U-nified Modeling Language，UML）创建，具体实施中可通过C++或Java等多种计算机语言实现相关功能，其分层体系结构如图9-1所示。美国波音公司和欧洲史密斯宇航科技公司（Smiths Aero-space）分别根据该体系结构研发了各自独立的飞机故障预测与健康管理系统^[2]。

根据以上内容构建的PHM系统如图8-1所示。该系统具备以下特点：①具有分层结构；②具有分布式、跨平台特点；③具有开放式、模块化和标准接口规范；④系统的诊断、预测与维修决策具有实时性；⑤软件可以使能驱动。

该体系结构可以为各种诊断及预测算法提供灵活一致的运行环境，可以方便地集成多种推理算法及与主流仿真运行环境集成，实现了高效实时运行。

在图8-1中，飞机液压PHM体系结构包括机载液压系统健康监测系统、空地数据链及地面维护管理系统。机载液压系统健康监测系统对飞机液压系统的使用、健康状况和安全性提供持续监控，其核心是异常检测推理机、故障诊断推理机和故障预测推理机。推理机综合管理器综合上述三种推理机的结果形成报告，确定故障及其对目前任务的影响，将重大故障结果报告给驾驶员，以便根据需要对液压系统进行重构或者任务降级，从而有效地防止故障蔓延保障飞行安全。同时，通过空地数据链系统将飞机泵源系统工作状态传给地面维护管理系统，为系统后勤保障和维修决策提供依据。

地面维护管理系统以维护管理数据库为核心，数据库存储系统产品的制造数据，实时接受空地数据链传输的飞行数据，更新仓储维护的后勤数据和液压系统的维修数据。对于特定液压系统，结合先验知识和设计模型评价其健康状况；对系统或部件的故障进行预先估计，并根据故障预测模型进行寿命预测。通过专家知识库决定是否对出现故障或即将发生故障的系统和部件进行替换和维护，并动态调整维修资源，生成自主后勤保障策略，再通过后勤条件调度和资源调度，实现快速维修。其关键技术为飞机液压系统管理知识库构建及后勤保障决策支持的特征提取算法、诊断与预测算法和推理与决策算法的管理，有效根据实时检测的液压泵源系统健康状态将机载系统与后勤保障衔接起来，向飞机维修人员和用户提供机载液压系统所必需的信息，经过动态调度维修资源，生成后勤保障决策和快速维修策略，从而实现快速维修和自主式后勤保障。快速维修保障策略支持以维修保障时间最短作为决策依据。