IETM与CBM的系统集成应用
2019-07-10郭德兴杜晓明
郭德兴， 杜晓明
(1. 陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心， 河北 石家庄 050003; 2. 72456部队， 山东 潍坊 261305；3. 陆军工程大学指挥控制工程学院， 江苏 南京 210007)
装备交互式电子技术手册(Interactive Electro-nic Technical Manual,IETM)具有装备技术说明书、操作使用手册和维修手册等功能，其在制定装备预防性维修计划、组织故障隔离、指导故障维修、提高维修效率等方面发挥着重大作用[1]。目前，IETM主要应用于装备的事后维修和定期维修。尽管装备的维修方式已逐步向基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM)方式转变,但开展CBM需要借助完善的故障检测与诊断技术，通过对装备实时监测，以评估装备的健康状态、预测装备的寿命[2]，进而在装备性能下降或故障发生前采取应对措施，变被动维修为主动维修，有效降低了装备维护成本，并延长了装备寿命。开展CBM主要依据采集(处理)的状态数据、健康评估报告、现场交互式排除故障，或根据CBM给出的维修决策建议启动基于状态的装备维护。其中，在交互式故障排除和装备维护中，IETM与CBM通过共享故障数据资源，来合理优化维修活动，提高装备维修效率，实现装备健康管理的一体化应用。
1 需求分析
IETM与CBM均是装备保障的重要支撑技术。其中CBM在获取装备状态数据，实施健康评估和辅助维修决策等方面具有优势，但缺乏详细的装备保障数据支持，而IETM不但能提供完备的装备技术数据，还可提供诊断策略模型和故障维修措施数据，若将IETM接驳到CBM系统中，将二者在不同层面上进行集成，通过采集装备状态、健康诊断等数据，对装备数据进行深度挖掘与利用，可实现装备故障的诊断、维修方案的生成等一体化装备维修保障，达到节约维修时间、维修经费，提高装备运行安全性等效果。因此，在装备故障诊断、健康管理和装备维护等方面展开IETM与CBM的集成应用研究，可实现装备事后维修、定期维修和基于状态维修的综合应用。
1.1 CBM系统
CBM系统通过收集内嵌式(Built In Test，BIT)传感器数据或外部测试仪器检测的参数，运用相关算法和人工智能技术对数据进行分析、处理和评估，查找装备故障点或劣化点，评估装备的健康状态，并给出装备维护建议[3]。从功能上来说，装备诊断过程从数据采集到预诊断、诊断，一般经过多个阶段来完成，且每个阶段都可独立的在不同地点执行。在《机械状态的监测和诊断》(ISO13374)和OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance)规范中，将CBM体系结构分为6个功能层级[4]，如图1所示。
1) 数据采集层(Data Acquisition,DA)。采集并存储装备相关特征参数(如油液、振动、噪声、温度等)，并等待上层模块或其他系统读取。采集的数据若超过规定阀值可进行报警。传感器采集的数据主要是状态检测数据，包括数值数据、波形数据和多维数据3类，其中：数值数据是简单的数值，如温度、压力、油液分析数据等；波形数据是一个时间序列，如振动信号、声音信号等；多维数据是一个多维数据，如红外热成像、X射线照片等。
2) 数据处理层(Data Manipulation，DM)。通过滤波、D/A变化等技术对DA层提供的数据进行计算，提取可用于健康评估的特征参数，其输出信号包括滤波信号、频谱、传感信息和其他CBM信息等，可供上层模块或外部系统使用。处理后的数据如果超过一定标准可进行报警。
3) 状态监测层(State Detection，SD)。将DA、DM层的数据通过阈值比较、模糊逻辑等方法进行处理，当发现状态异常后报警，状态监测层可用来进行初步的故障检测。
4) 健康评估层(Health Assessment，HA)。针对不同部件，选择合适的状态检测信息，结合历史数据、操作状态等对装备进行健康水平评估，并定位状态监测层报告的故障[5]。
5) 预测评估层(Prognostics Assessment，PA)。根据健康评估情况和装备运行情况等，判断装备的使用寿命和未来的故障模式。
6) 建议生成层(Advisory Generation，AG)。根据预测结果，给出最佳维修时机、维修任务等维护建议或更改设备配置、任务计划等操作建议。
上述6个层级可分2个模块，其中前3层为状态监测模块，一般安装于装备上，每层都设有报警器功能，报警体现在数据采集、数据处理和状态检测的过程中，数据经过运算，发现超出可承受范围即报警，随即进行紧急停机抢修。数值数据在数据采集模型中即可报警，波形数据等需经过数据处理后才能报警，一些表面上不能准确定位的数据，需经过状态监测层判断才能报警。一般情况下，数据经过状态检测层后，装备的基本状态就很清楚了[6]。后3层为维修决策模块，一般独立于装备，用于接收装备的状态监测数据并进行监控评估，主要包括诊断模型和预测模型2部分：诊断模型用于故障发生时，发现、隔离和定故障位；预测模型用于故障未发生时，对故障进行故障预测并生成维修决策方案[7]。
1.2 IETM外部应用集成接口
IETM是一种按照标准的数字格式编制，采用文字、图形、表格、音频和视频等形式，以人机交互方式提供装备基本原理、使用操作和维修等内容的技术出版物。IETM应用数据均以数据模块存储，其中维修信息存储于维修程序数据模块中，故障隔离信息存储于故障数据模块中。同时，为了增强IETM的交互性，S1000D引入了一种专门用于创建交互式内容的数据模块—过程数据模块。过程数据模块主要用于表示故障隔离和故障诊断类的技术信息。在过程数据模块中，可定义变量、表达式、对话框，以实现人机交互的功能。更为重要是，可在过程数据模块中调用测试程序，并与测试程序交换数据，来实现集成化的IETM[8]。
为了实现与外部应用的交互，过程数据模块设计了
图2为S1000D中元素
2 集成方式分析
装备复杂程度不同，监测诊断系统的安装层次也不同，由CBM系统的6层功能模型可知，CBM系统对故障的报告包括以下3类：1)前3层基于状态数据的故障警报，该警报常以故障现象出现，辅以故障代码；2)健康评估层基于监测警报数据做出的故障定位报告，该报告一般表现为故障代码；3)后2层对未来故障模式和维护建议的报告。基于CBM提供的报告数据，IETM与CBM系统集成有4种方式，如图3所示。
1) 基于故障警报的集成。根据前3层的故障警报现象或故障代码，IETM从CBM中获取数值数据、特征值、状态数据等数字形式的数据，基于IETM故障数据模块，以交互式故障诊断方式进行故障定位，并提供维修支持。
2) 基于故障定位的集成。根据第4层的故障定位，IETM从CBM中读取故障代码，基于IETM故障数据模块中的故障数据报告，直接为CBM系统提供维修程序支持。
3) 基于维修决策的集成。根据CBM系统提供的维修决策报告，IETM通过维修过程数据模块，直接提供计划维修时所需的零部件、工具、人员、维修等级等卡包信息和维修程序信息。
4) 基于状态数据的故障预测集成。在未发生故障时，通过过程数据模块读取状态数据，利用日志信息和故障模块存储的健康信息，进行简单的故障预测。
根据系统的复杂程度、诊断效能和系统费用，当前武器装备上安装的CBM系统一般分为以下3个等级[9]：
1) Ⅲ级CBM系统。属于最简单的CBM系统，主要依靠检测人员采用手提式检测仪器对装备进行检查，并依据装备当时的工作状态进行状态评估，制定维修方案。IETM与Ⅲ级CBM的集成，一般采用基于状态数据的故障预测集成方式。
2) Ⅱ级CBM系统。安装在装备上，通过在装备某些组件上安装传感器等元器件，采集装备状态数据并进行预警，维护人员可根据状态数据或警报情况进行状态评估，并制定初级维修方案。IETM与Ⅱ级CBM系统的集成，主要采用基于故障警报的集成和基于状态数据的故障预测集成2种方式，在只有一种确定的故障方式才能引起故障警报的特殊情况下，采用基于故障定位的集成。
3) Ⅰ级CBM系统。属于最复杂的CBM系统，它不但在装备的关键部件上安装状态监测系统，而且可通过计算机软件进行多点自动故障状态信息提取、专家诊断和预警，并具有维修决策功能，属于集成了6层CBM功能模块的CBM系统。IETM与Ⅰ级CBM系统的集成，可以根据各层功能需求，上述4种集成方式均采用。
3 集成接口设计
OSA-CBM以规范的形式统一了CBM系统的层次结构和通信标准，满足了CBM系统6个层级中各模块之间的互操作性需求。OSA-CBM规范分为接口规范和信息规范，采用统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)进行定义，可通过各种编程语言和中间件技术实现。在该通用框架下，与CBM的6类模块类似，IETM系统通过增加1个OSA-CBM接口层，可以实现为一个符合OSA-CBM通信的标准模块，按照4种集成方式，与相应CBM模块实现互联互通。
OSA-CBM中的接口规范描述了信息如何移动，接口规范定义了4种主要类型的通信类型，分别为同步、异步、服务、订阅[10]。每个OSA-CBM模块都定义有交互接口层，这些接口层遵循客户端-服务端类型的功能调用。
1) 同步。通过调用来返回数据。它通过HTTP提取技术对Web XML进行建模。
2) 异步。通过单独的回复调用来返回数据。它允许任意数量的上层模块在需要时建立和维护双向连接，有3种不同的通信设置模式：(1)根据请求返回数据；(2)在警报(如超过阈值)时返回数据；(3)全部推送，每次收集数据时不需要事先请求就将数据推送到更高连接的模块。
3) 服务。客户端只接收数据。
4) 订阅。客户端订阅数据，服务器定期或处于警报状态时发送数据。
信息规范定义了可传输的信息类型，主要有3种：动态结果数据(简称“结果数据”),配置数据和说明数据[10]。配置数据规范了CBM应用中的数据来源、数据处理算法、输出列表和工程单元、警报阈值等输出信息的特性；说明数据定义CBM应用中用于生成输出的数据或对数据的引用；结果数据是由OSA-CBM各功能层生成的与状态监测过程相关的动态数据，如测量值、操作或处理过的数据等。
结果数据与CBM数据处理功能密切相关，直接与OSA-CBM定义的6个功能层相关联。DA结果数据是被格式化的传感器数据，该类数据具有一致的格式；DM结果数据是由DA结果数据转换后的一个或多个有意义的特征值；SD结果数据是将DM结果数据与期望值进行比较，得到的计算条件指标。HA、PA和AG结果数据分别是与机器当前健康状况、预测未来故障和建议的操作步骤相关的数据。
IETM与CBM系统集成后，主要采用CBM系统内的结果数据进行故障诊断、维修。图4为以OSA-CBM接口信息规范为标准设计的IETM与CBM集成接口。
装备CBM系统通常由6类功能模型中的一种或多种内部数据处理软件组件组成，软件组件通过定义的功能算法，对数据进行处理，输出结果数据。IETM根据CBM系统数据处理功能的特点，与其进行多种类型的集成，并通过CBM系统提供的接口访问、接收从数据处理组件输出的一个或多个结果数据，从而实现一体化装备保障功能。
4 结论
IETM与CBM系统的集成具有应用需求和技术基础。当IETM与不同层次的CBM系统模块集成时，应规划好信息集成需求，通过采用统一的架构标准和通信标准，发挥各自优势，实现装备健康管理的一体化应用。通过获取CBM检测到的装备状态数据，IETM既能够及时提供故障诊断方案、维修程序以完成故障的排除，也可以提供维护日志情况、维修计划方案、生成维修工作卡包等数据支持，增强了基于状态的装备维修工作的时效性和针对性，降低了装备全寿命周期的费用。
