基于场景的民用飞机健康管理可视化仿真研究与实现

陈铭杰 池程芝 刘博文 胡飞 张竞凯

摘要：为解决民用飞机健康管理典型任务需求与功能需求的可视化仿真难题，本文提出了一种基于场景的民用飞机健康管理可视化框架，在对系统工具软件STK及其在民机PHM方面特点介绍的基础上，通过节点设置、数据输入、计算显示、模型调用对框架进行了搭建，并对STK中的三维模型进行了优化处理，最后以某民航飞行为例，展示了将STK模块应用于民机PHM健康管理的实例，说明了基于STK的可视化仿真具有真实性强、效率高的优点，从时间、空间、健康管理等方面为民用飞机维护节点、任务过程、交互逻辑等的特性分析提供了有效参考。

关键词：PHM；民机健康管理；STK；三维建模；可视化仿真

中图分类号：TP391.9文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.005

随着微机电系统、信息处理技术以及人工智能等高新技术在航空电子设备中的广泛应用，传统的维修保障方法逐渐被淘汰。作为民用飞机健康维护的最新技术之一，故障预测与健康管理（PHM）技术促进了民用设备维修模式的发展，消除了传统维修方法中维修不足和过度维修的缺点，降低了民用飞机的维修成本和故障风险，对民用飞机的安全性、可靠性、维修性、保障性、测试性和经济性具有重要意义[1]。

目前，PHM技术已得到欧美各国各行业和研究机构的充分认可、研究和推广。在民用飞机健康管理方面，先进的健康管理系统已得到国外顶尖飞机制造商的广泛使用，如波音的飞机健康管理系统（AHM）、空客的飞机维修分析系统（AIRMAN）等[2]。而国内PHM技术的相关研究仍处于初步探索阶段[3]。

随着民机PHM技术的发展，其健康管理系统要求在运营维护过程中，通过通信网络把机载健康管理系统、发动机机载管理系统、空地数据传输系统、地面监控系统等功能任务平台连成一个有机的综合系统，经过联合信息分发、多源信息融合、综合信息处理，及时了解民机健康信息、准确协调健康管理行动、执行民机的综合运营维护任务。而基于STK的可视化模型是在综合考虑运行环境、维护保障对象、运营维护任务、维护作业样式等因素的基础上建立的，这对民机运营维护典型任务场景仿真分析和健康管理系统体系架构设计都具有重要的意义。

1 STK在民机健康管理仿真中的特点

STK（system tool kits）是AGI公司开发的一款先进的系统分析软件，它具有逼真的二维和三维场景演示功能、强大的分析计算能力、简便的数据传输模式、便捷的建模方法，以及优良的可扩展性和实时性[4]。

STK/VO模块可以显示三维场景，通过三维场景的真实演示、空中与地面间的操作节点、各节点之间的数据传输和可见关系，提供了一种动态显示民用飞机健康管理过程的方法。

在飞行过程中，STK可通过基本数据信息快速计算出飞机在多坐标系下的飞行速度、位置、姿态以及飞机与传感器之间的访问时间，评估飞机与陆海空目标间的复杂关系，其结果会以图表或文字形式自动生成。

STK还为飞行数据提供了一个文件接口。用户只需要将航路点参数按一定格式整理并保存为特定类型的文件，STK就可以方便地调用这些参数，计算后生成新的飞行数据。这为民机健康管理中飞行数据的采集与分析提供了依据。

STK/Connect模块可以通过UNIX或TCP/IP接口，方便STK与第三方软件进行数据信息传输，并在完成后关闭接口，这为实现民机健康管理过程中的实时数据传输和显示提供了可能。

2可视化框架的搭建

2.1民机健康管理场景想定

根据民用飞机与多平台进行综合运营维护的健康管理场景想定，采用STK建立场景想定模型，包括任务环境、管理-控制方式、视情维修的开放式体系结构（包括数据采集、数据处理、状态检测、健康评估、预测评估以及健康管理等）、备件物流方式及互联互通等，生成可视化的想定模型；其次，对健康管理平台部署、管理-控制关系、平台功能性能及备件物流体系进行分析，对健康管理维护约束条件进行分析（包括维护规则、任务条件、备件资源限制等）；最后，根据场景模型的动态运行，完成维护节点、任务过程、交互逻辑等特性分析，验证任务想定的合理性。

2.2框架和过程

随着现代飞机实时监测与健康管理技术的发展，中国民航也从进行飞行事故分析发展到使用空地数据链路监测飞机状态[5]。飞行过程中，如果PHM系统检测到飞机发生故障，地面站将实时接收故障报文，地面人员可以在飞机到达下一站之前制订好维修计划，以确保航班的高效运行。具体而言，基于STK的民机健康管理可视化框架搭建可以通过以下过程实现。

（1）确定建模输入

建模输入主要包括健康管理相关对象（机载系统、发动机、卫星、地面站等）及属性（运营维护中的主要用途）、健康管理活动（监控、诊断、预测、维修等），以及各对象的交互关系（交互拓扑、交互信息）。

（2）确定可视化建模原则

可视化建模原则包括相关数据的可量化程度（诊断/预测能力、通信能力、物流运输等）以及建模输入的完备程度（对规划研究的相关技术点的覆盖程度）。

（3）健康管理场景建模

健康管理场景建模是实际操作的关键部分，包括任务环境建模，需要定义分析可视化仿真周期，添加相关地形，添加地表纹理；健康管理对象建模，如飞机、卫星、地面站、运营维护和数据分析中心的建模；任务载荷建模，需要进行传感器建模和通信建模（发射机和接收机），并對相应约束进行设置；交互关系，确定时间—空间变化关系以及检测—诊断—预测—评估—维护关系，进行通信链路的建模。

在民机PHM维修保障系统中，节点可以分为空中和地面两部分[6]。节点与STK的交互关系如图1所示。

在外部数据模块中，用户可以将民机PHM维修保障系统所需的飞行数据、位置数据和三维模型数据按指定的路径进行排列和存储，然后通过STK/Connect模块向STK发送命令，功能实现后关闭界面。

STK计算显示模块接收STK/Connect模块的命令，利用外部数据计算民机PHM场景中的各种事件，通过三维场景模型实现PHM场景的可视化，动态显示数据链路，输出标准数据文件。

模型库存储了民机PHM场景所需的节点三维模型、地理信息模型、传感器模型和天气模型。民机PHM的具体流程如图2所示。

3 STK三维模型的建立和优化

与民机PHM任务相关的STK三维模型包括三维地形、飞机、气象环境、地面设施和雷达等。其中，三维地形和飞机模型的建立和优化是一个非常复杂的问题，也是本节研究的重点。

3.1三维地形模型

三维地形是航空任务模型的重要组成部分，不仅可以提高仿真效果，而且对飞机的方位角、俯仰角等能见度分析也有重要影响[7]。三维地形通常可以通过以下方式生成：（1）在STK地形服务器中搜索并下载地形模型，然后通过VO模块生成三维地形；（2）将外部文件导入STK，在Imagery and Terrain Converter模块中通过输入经纬度信息，将其转换为三维地形。

如图3所示，这些地形信息存储在STK的地形数据库中，在仿真阶段由显示控制模块加载到相应的场景中。

3.2三维飞机模型

为了满足民机PHM场景中飞机节点的要求，需要提高飞机模型的精度。STK使用自定义的MDL模型来显示三维飞机，通常可以通过以下方式得到：（1）可在STK模型库的空中部分找到最常见的飞机模型；（2）建模开始时，可以通过记事本编辑所选飞机的MDL模型，并添加PHM系统的功能；（3）使用3DMax、LightWave、LwConvert等软件将其他格式模型转换为MDL模型[8]。

在民机PHM的任务中，需要使飞机模型具有更多的个性化特征，如发动机故障和机载诊断系统，因此在建模过程中我们更倾向于采用第三种方法，优化后的三维飞机模型如图4所示。

4民机健康管理可视化实现

以某民航飞行为例，介绍了STK在民机PHM维修保障系统中的应用。

基于维修保障体系，为了有效及时地解决突发事件，民用飞机健康管理机构对每一种可能的情况都做出了详细的预案。其中之一就是飞机发动机发生故障，通过机载健康管理系统、空地数据链以及维护系统及时解决紧急情况，从而使飞机能够继续飞行。

首先，在STK场景中加入PHM系统的节点。在本例中，需要添加起飞/到达机场、飞机、卫星、塔台、地面站、发动机运维中心、飞机运维中心、航空公司和维修中心，各节点实体部署见表1。

其中，卫星、塔台、地面站、發动机运维中心、飞机运维中心、航空公司和维修中心的三维模型均可在STK模型库的地面部分找到，效果如图5所示。

其次，利用外部数据建立三维地形模型和飞机模型。三维地形包括起飞/到达机场和飞行区域，通过制作高程地图模型并输入经纬度信息，将其转化为JP2格式等待STK调用；飞机模型需要根据PHM特征需求，本例中主要是发动机单发空停和机载系统诊断并发送发动机故障信息，首先通过3DMax等软件生成三维模型，再用LightWave软件将其转换为lwo格式，在此基础上对飞机模型进行优化，最后用LwConvert将其转换为MDL模型。

根据之前搭建的民机健康管理可视化框架，可以得到如图6所示的活动时序图。

根据活动时序图，建立了完整的民机健康管理可视化系统模型，并剪辑制作了视频，如图7所示。图7（a）为起飞阶段飞机通过卫星向运维中心发送当前发动机监视数据；图7（b）为巡航阶段发动机发生故障后，飞机向通信卫星发送当前发动机故障诊断信息；图7（c）为进近降落阶段机场塔台向飞机发送进近指引；图7（d）为飞机着陆后的地面维护阶段，航空公司向维修部门发送维修任务，调度机场资源为飞机提供维修保障。

民机健康管理典型任务场景可视化系统模型可以直观显示各个任务阶段健康管理活动的时间信息（开始和结束时间）、空间信息（经纬度、高度、航程）、实体的运动信息及实体内部的功能描述、功能与功能之间的交互关系、实体间的交互关系以及实体自生的工作状态变化等，从时间、空间、健康管理等方面为民用飞机运营维护节点、任务过程、交互逻辑等的特性分析提供了有效参考。

5结束语

本文所研究的面向民机运营维护的健康管理系统需求分析与验证技术提供了一套基于模型的民机健康管理系统需求架构建模与仿真验证方法，可用于指导民机健康管理顶层需求论证与系统架构初步设计，该方法使开发人员更加熟悉民机维修保障系统的组成、功能和过程，为类似系统的建模提供了参考，为民机健康管理系统的研制奠定了基础，具有重要的民机研究应用价值。

参考文献

[1]王洁，周鑫，李元祥.飞机供电系统健康管理技术研究[J].航空科学技术，2019，30（11）：57-61. Wang Jie， Zhou Xin， Li Yuanxiang. Research on health management technology of aircraft power supply system [J]. Aeronautical Science & Technology， 2019，30 （11）： 57-61.（in Chinese）

[2]马小骏.面向客户服务的民用飞机健康管理系统的若干问题研究[D].南京：南京航空航天大学，2014. Ma Xiaojun. Research on some problems of customer service oriented civil aircraft health management system [D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2014.（in Chinese）

[3]张先航，李曙林，常飞.基于Wiener过程的航空燃油泵寿命预测[J].航空科学技术，2017（11）：47-53. Zhang Xianhang， Li Shulin， Chang Fei. Life prediction of aviation fuel pump based on Wiener process [J]. Aeronautical Science & Technology， 2017 （11）： 47-53.（in Chinese）

[4]Sun Haizhong，He Weiping，Zhu Zhuanmin.The design of realtime visualization system based on stk of space-based telecontrol andtelemetry[C]//ComputerScienceandAutomation Engineering（CSAE），2011 International Conference：IEEE，2011：600-604.

[5]吴灼辉.基于实时数据库的飞机飞行安全状态实时监控软件研究[D].南京：南京航空航天大学，2006. Wu Zhuohui. Research on real-time monitoring software of aircraft flight safety status based on real-time database [D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2006.（in Chinese）

[6]武维新，罗乖林.航空维修技术发展趋势[C]//中国航空学会维修分会2008年学术年会，2008：89-92. Wu Weixin， Luo Guailin. Development trend of aviation maintenance technology [C]// 2008 Academic Annual Meeting of Maintenance Branch of China Aviation Society， 2008：89-92.（in Chinese）

[7]张万鹏，陈璟，沈林成.基于STK/VO的航天任务视景仿真系统[J].计算机仿真，2005（10）：82-85. Zhang Wanpeng， Chen Jing， Shen Lincheng. Space mission visual simulation system based on STK / VO [J]. Computer Simulation， 2005 （10）： 82-85.（in Chinese）

[8]朱笑然，年福纯，田兆平.基于多软件的STK模型转换应用研究[J].飞行器测控学报，2010，29（2）：54-56. Zhu Xiaoran，Nian Fuchun，Tian Zhaoping. Application of STK model translation based on multi-software[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology，2010，29（2）：54-56.（in Chinese）

（責任编辑陈东晓）

作者简介

陈铭杰（1994-）男，硕士，助理工程师。主要研究方向：仿真测试与健康监控。

Tel：18262620557

E-mail：avic615cmj@163.com

Research and Implementation of Visual Simulation of Civil Aircraft Health Management Based on Scenario

Chen Mingjie*，Chi Chengzhi，Liu Bowen，Hu Fei，Zhang Jingkai

Key Laboratory of Science and Technology on Avionics Integration Technologies，China Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200030，China

Abstract： In order to solve the problem of visual mission requirements and functional requirements of civil aircraft health management， a visual framework of civil aircraft health management based on scenario is proposed. Based on the introduction of STK and its characteristics in civil aircraft PHM， the framework is built through node setting， data input， calculation display and model call， and the three-dimensional model in STK is optimized. Finally， a civil aviation flight is taken as an example to show the application of STK module in PHM health management of civil aircraft， which shows that the visual simulation based on STK has the advantages of strong authenticity and high efficiency. It provides an effective reference for the characteristic analysis of civil aircraft maintenance node， task process and interaction logic from the aspects of time， space and health management.

Key Words： PHM； civil aircraft health management； STK； 3D modeling； visual simulation