OSA-CBM标准适用性分析和航空应用探讨

周圣林

（海军装备研究院，北京 100073）

1 OSA-CBM介绍

1.1 背景

现代飞机各方面性能获得了全面提升，其平台结构本身包括机载设备也越来越复杂。而在使用中，传统的做法是严格按照有关维护的规定进行机务维护，对于有些重要部件，需要定期的拆解，来进行检查及判断其工作状态，往往由于频繁的拆卸导致失效，同时对于某些“故障”的隐患又难以使用常规的检查方法提前发现问题，从而导致用户日常维护项目增多，故障的确定与定位的难度不断增大，造成维护工作量大、时间过长、出勤率低和维护成本高。这种传统的维护方式，已不能适应新一代飞机维修保障的要求。

近年来已提出了基于“状态维修体制”（Condition Based Maintenance，CBM）。这种维修体制是以飞机的健康参数指标为基础，实时监测系统的状态，当预测到即将发生故障时，就立即进行检修，这就能够确保系统不会发生大的故障，同时还克服了维修过剩的缺点。这种维修体制作为一种改革现有航空业维修体制，已经成为航空业的发展趋势和迫切要求。

1.2 定义（术语与缩写解释）

OSA-CBM（Open System Architecture for Condition-based Maintenance）：此标准是由MIMOSA（Machinery Information Management Open Standards Alliance）维护的关于基于状态的维修系统设计的标准规范。

OSA-EAI（Open System Architecture for Enterprise Application Integration）：此标准是由MIMOSA维护的关于企业系统集成系统设计的标准规范。

TECH-CDE（Compound Document Exchange）定义OSA-EAI标准中CRIS数据库的查询、插入、更改以及删除功能接口。

2 OSA-CBM标准适用性分析

2.1 OSA-CBM标准的基本介绍

OSA-CBM标准是以国际标准化组织的ISO 13374[3,4]为基础制定，用于规范基于状态的维修系统（CBM系统）设计，以及各CBM系统之间数据交换的开放标准。使用该标准可以有效的节省开发设计费用，提高系统的协作能力，增强产品及企业竞争力。标准对ISO 13374标准中定义的各层进行设计上的细化，同时提出层之间的数据交换接口，规定数据组织及交换方法，为CBM系统的设计奠定了良好的基础，并提供了很好的指导。OSA-CBM规范最初由美国海军募资由MIMOSA、ARL以及多个CBM技术应用企业（如波音）共同制定，由MIMOSA对标准进行管理。

ISO 13374是国际标准化组织对设备（或产品）的状态监控及诊断的规范。该标准定义状态监控及诊断的信息系统应遵循的一般纲领、数据处理方法、通讯要求、展现要求。在数据处理上，ISO13374规定通过6个层次来处理。

2.1.1 数据获取层（DA）

收集模拟信号、数字信号以及手工数据，并把所模拟信号转换成数据信号作为输出结果。

2.1.2 数据处理层（DM）

负责信号处理（如数据过滤，傅立叶转换FFT等）、同步或非同步平均、执行物理模型、神经网络等算法、提取特征，并最终输出带有时间及质量指示的信息数据。这些信息包括提取的特征、时域到频域的波形图、算法计算的结果、虚拟传感器数据、过滤后数据、时序数据（如采样率）。

2.1.3 状态检测（SD）

负责从前两层收集数据，并把这些数据与标准的基准线数据进行对比，从而得出各种特征数据的异常信息，包括是否超过警戒线，严重程度如何。同时SD会把特征数据、特征数据状态指示信息、基准线数据等作为输出数据提供给下一层。

2.1.4 健康评估（HA）

健康评估根据前面各层数据作出故障诊断，评估健康等级，定位故障件，产生维修建议，给出证据及解释，并输出结果。

2.1.5 故障预测（PA）

评估将来的健康等级、预测故障或失效、评估剩余使用时间（RUL）、产生维修或保养任务，并产生证据及解释。

2.1.6 建议决策（AG）

根据前面各层的输出信息产生操作维修决策、产生能力评价、产生推荐任务、产生证据及解释。

OSA-CBM使用统一建模语言（UML）定义实现基于状态的维修系统所需要的6个功能模块（与ISO 13374中的6层对应）。OSA-CBM采用一种松耦合的多技术实现思想，型号总体单位、成品厂以及其它外协单位可以根据情况自行选择自己希望实现的内容。比如，总体单位可以实现用于诊断或决策的健康评估（HA）、故障预测（PA）、建议决策（AG）模块，而成品厂实现与传感器等硬件接合比较紧密的数据获取（DA）、数据处理（DM）、状态检测（SD）模块。各模块分工协作共同实现基于状态的维修系统（CBM系统）。

2.2 OSA-CBM标准的实现原理

为了减少基于状态维修系统（CBM系统）设计的复杂性，OSA-CBM标准已经定义了实现CBM系统所需的基础类。包括接口规范、信息规范两大类。信息规范定义了数据交换的数据格式、模块配置组织形式、基本数据类型；接口规范定义了数据交换的接口类及方法。

2.2.1 接口规范

OSA-CBM为各层之间的数据交换方法提供4种可选方法：同步访问、异步访问、数据服务以及数据事件服务。各种访问方法对应一个访问接口，各接口通过不同的通讯技术实现相同的业务功能，可以根据应用需要实现其中的一个或多个接口。各接口提供的业务功能包括数据事件（数据处理的结果）请求功能、配置信息请求功能、输入数据请求功能、控制信息请求功能、应用信息请求功能、错误信息请求功能、控制变换通知功能、应用变化通知功能。

2.2.2 数据交换格式

模块与模块或模块与外部系统之间的数据交换是通过各模块提供的接口服务实现的。交换的数据内容包括“数据事件集合”（DataEventSet）、“配置信息”（Configuration）、“输入数据”（Explanation）、“控制信息”（ControlInfo）、“应用信息请求功能”（AppInfo）、“错误信息请求功能”（ErrorInfo）等。

数据事件集合（DataEventSet）包含一个或多个数据事件（DataEvent）类型的对象。数据事件（DataEvent）是各模块数据处理的结果，由于各层对应的模块输出的参数形式内容都不相同，所以OSA-CBM针对各层均对数据事件（DataEvent）做了扩展。

为了提高数据分析的置信度，各模块不仅仅请求上层各模块的处理结果，还请求用于产生上层各模块处理结果的参数数据以及条件数据。这些数据的交换通过Configuration、Explanation、ControlInfo、AppInfo、ErrorInfo等类型（参见OSACBM标准）来规范。

2.3 OSA-CBM标准的基本特征

2.3.1 标准化

作为一种新兴的维修方式，由于各型号或设备的CBM系统在设计上参差不齐，成熟的数据处理逻辑不能重用，积累的历史数据无法共享，系统实现难度大。据此，宾夕法尼亚州的MIMOSA（Machinery Information Management Open System Aliance）等组织经过研究，联合提出CBM开放系统结构框架（OSA-CBM，Open System Architecture for Condition Based Maintenance）用于规范基于状态维修系统的设计。

OSA-CBM从软件系统设计上对OSA-CBM的功能、体系结构、数据交换、数据存储、数据共享、功能模块重用以及企业集成等多方面进行规范，旨在降低企业研发的工作量，提高OSA-CBM产品的互通性、可移植性、健壮性、开放性、可靠性以及功能的完整性。OSA-CBM定义了6个功能模块，用于对基于状态维修系统从数据采集到决策建议等功能进行规范；定义了接口规范、服务方法、存储结构、系统组成以及数据处理基本过程以规范OSACBM产品的体系结构、数据交换及共享以及模块的共享。

2.3.2 体系结构开放

MIMOSA是一个由供应商（包括生产企业总体单位、备件设备工具供应商）和终端用户组成的一个非盈利性商业协会。该协会研发了开放的企业集成标准OSA-EAI，并公开该标准。OSA-EAI标准解决工程、维修、操作、可靠性等信息之间的信息孤岛问题。OSA-CBM是对OSA-EAI开放标准中的“开放资产健康及使用管理（Open Asset Health and Usage Management）”的细化，也是一个开放的标准。OSA-CBM不仅公开对外数据接口，还公开CBM系统设计需遵循的体系结构，包括功能模块组成、通讯方法、算法组织、数据结构、数据类型以及从信号采集到任务建议的数据处理流程的规定。CBM系统开发商可以免费选择实现标准要求的部分或全部功能，从而节省研发成本，提高产品或数据的规范性、互通性、兼容性、可集成性。

2.3.3 与EAI标准结合

OSA-CBM设计考虑了与OSA-EAI的整合问题，OSA-CBM并不提供独立的数据存储器，而是通过调用OSA-EAI的数据存储服务把数据存储在OSA-EAI的企业应用综合数据库中。OSA-CBM定义的功能是OSA-EAI标准功能的一部分，OSA-CBM系统是OSA-EAI的一个子系统，所以OSA-CBM系统的实现实际上是对OSA-EAI企业集成系统的部分实现。OSA-EAI的数据存储结构使OSA-CBM的数据结构在标准化程度上得到进一步的提高，使OSA-CBM数据不仅仅局限于基于状态维修层面的规范，而是上升为企业应用及的规范。

2.4 OSA-CBM的优缺点

2.4.1 OSA-CBM的优点

2.4.1.1 降低费用

由于使用OSA-CBM可以使系统集成商或开发商不必花费大量的时间去建立新的私有系统架构，可以节省大笔架构费用。由于标准把CBM系统的实现分成了多个功能组件，开发商不必完成完整的CBM系统，从而节省重复开发的费用。

2.4.1.2 专业化

使用OSA-CBM标准后可以把开发商从业务复杂、专业分工多、参与单位多的完整的CBM系统的研发中解放出来，可以集中精力实现一个或少量的几个领域的功能模块。专业化的分工可以提供更好的算法核技术支撑。没有条件研发出完整CBM系统的小公司，在应用OSA-CBM标准后也可以致力于一个或多个的功能模块。

2.4.1.3 加强竞争

OSA-CBM允许所有的开发商使用相同输入和输出接口。CBM系统功能的分离使得可以直接使用功能进行比较。竞争不再是系统级，而是功能级。

2.4.1.4 增强协作

不仅仅加强了研发商之间的竞争，同时也加强了研发商之间的协作。把CBM系统划分成不同的独立模块后，将允许多开发商协作完成整个CBM系统。一旦开发商都采用OSA-CBM标准，各模块之间将可以无缝进行数据通讯。

2.4.2 OSA-CBM的缺点

2.4.2.1 标准资源少

OSA-CBM标准从开始研发到现在已经有十几年历史，然而与OSA-CBM相关的资料、样例较少。国内也没有该标准的成功案例。关于OSA-CBM的研究报告都比较简单，不能用于指导CBM系统的研发。

2.4.2.2 标准难度大

另外，标准体系庞大，与OSA-EAI关系密切。特别OSA-CBM没有独立的数据库，需要使用OSAEAI企业级的数据库。所以在研究OSA-CBM的同时需要研究结构体系更庞大的OSA-EAI标准。

3 OSA-CBM标准在型号飞机中的使用建议

目前，OSA-CBM已经在国外拥有包括军民在内的多家用户，如波音、美国海军。从1994年OSA-CBM开始研发以来版本已经经过多次更新，在设计上已经比较完善。在国内OSA-CBM依然在起步阶段，近几年有些单位正在研究该标准，但并没有形成产品。而且基于状态的维修在国内也属起步阶段，基于状态的维修设计内容广，学科多，周期长，参与单位多，原理复杂，需要研究攻克的技术难点多，所以在使用OSA-CBM标准进行系统设计前需要做好充分的风险评估或项目可行性分析。

在新型号飞机研制中，OSA-CBM标准在数据处理过程上6个功能模块建议分别采用以下实现途径。第1个模块（DA），它直接与传感器相连，一般情况直接集成在飞机上，由设备或成品厂负责完成。第2个模块（DM）需要做特征的选择，会依赖历史数据、专家经验、观察报告等信息，建议由地面CBM系统来完成，可以由设备或成品厂或一些具备相应技能的单位实现。第3个模块（SD）需要做模糊判断，比如使用模糊逻辑或神经网络的方法来判断信号状态。第4个模块（HA）需要复杂的计算机软件来实现对业务的支持。第5个模块（PA）是6个模块中最复杂，最难的模块，主要实现故障或剩余使用时间的预测，并给出维修或保养任务。需要针对各行业（机械、机电、电子等）寻找对产品的实效机理或物理模型有研究背景的单位负责给出预测算法。第6个模块（AG）是建议决策模块，主要对HA模块与PA模块生成的维修保养任务再结合作战任务等外部因素生成维修方案。上述第3至第6个模块对IT技术的要求较高，建议由专业研究机构和IT公司参与完成。

4 结束语

虽然OSA-CBM已经诞生了十几年，国内有关OSA-CBM的技术资料并不丰富，标准本身也不提供样例程序，研发工作进展缓慢，目前有关OSA-CBM成功案例并不多。现代飞机以基于状态的维修体制是航空业的发展趋势和必然要求，飞机健康管理系统是实现基于状态的维修体制的技术手段，OSACBM标准是飞机健康管理系统研制的技术基础，它提供了程序研发的框架以及标准化和数据兼容性设计规范，可以极大降低研发费用，提高专业分工和协作中工作效率，缩短开发周期。因此航空工业应积极推动OSA-CBM标准应用和OSA-EAI企业系统集成系统设计的标准规范建设，发挥行业作用。

[参考资料]

[1] Open Systems Architecture for Condition-based Maintenance. Version3.2.1[S].

[2] MIMOSA's Open System Architecture for Enterprise Application Integration (OSA-EAI). Version 3.2[S].

[3] ISO 13374-1：2003 Condition monitoring and diagnostics of machines — Data processing, communication and presentation — Part 1：General guidelines[S].

[4] ISO 13374-2：2007 Condition monitoring and diagnostics of machines — Data processing, communication and presentation — Part 2：Data processing[S].