基于CPS 的装备故障预测与健康管理体系架构

邵璐璐，牛 侃，于志超

（1.战略支援部队信息工程大学，郑州 450001；2.31007 部队，北京 101309）

0 引言

随着我军信息化的不断深入，越来越多的先进武器装备配发部队，极大地提高了我军的信息化作战能力，为“能打仗、打胜仗”奠定了夯实的现实基础。然而，装备的健康状况是影响信息作战能力的关键因素。传统的装备故障检测集中于提取装备的性能参数和错误日志，根据故障特征和错误日志中记录的异常运行返回码来进行分析、诊断。但现代战争是以联合作战为基础的高科技战争，武器装备是朝着复杂化、智能化、系统化和集成化发展的，故障的产生涉及各方面因素而不仅仅在于武器装备本身，且每个故障都有可能产生严重的危害，给装备的健康管理带来极大地挑战。因此，装备的健康管理已然成为一个亟待解决的问题。

近年来，信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）这一新兴研究方法成为各国关注的焦点[1]。信息化武器装备具有复杂性、智能性、系统性和集成性等特点，利用CPS 技术可实现装备健康管理科学性、实用性和高效性。依据CPS 的内涵和本质要求，对于装备健康管理可构建“一硬、一软、一网和一平台”，即：感知和自动控制硬件、装备健康管理软件，武器装备健康管理网络和武器装备健康管理智能平台，从而形成一个闭环赋能体系。从CPS 技术的四大核心要素来考虑装备的健康状况，为装备的故障诊断与维修提供新方法和新思路。

1 CPS 概述

1.1 CPS 的基本概念

CPS 最早由美国国家航空航天局于1992年提出[2]。由于CPS涉及多个学科且较为复杂，并且不同领域的学者对CPS 认识也有所偏差。因此，还没有一个得到公认的定义。本文以文献引用率为基准，列举多个比较有代表性的定义。

Edware.A.Lee[3]等人在研究中发现，CPS 能够集成不同的物理进程组件以及计算进程组件，进而对物理实体的运行过程进行核心监控，在这个过程中，计算组件和网络组件又能够为物理实体所用，帮助其更好的感知和控制环境。

Shankar Sastrd[4]等人认为，CPS 的存储能力、通信能力和计算能力过硬，这是其能够对物理世界各类实体进行稳定高效监控的主要原因，其本质为网络化的计算机系统。

美国科学家Baheti 和Gill 在文献[5]中也给出了CPS 的基本概念，即CPS 是通过计算核心实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。他认为，CPS 是融合计算与物理能力，能通过多种方式与人类进行互动的新一代系统。

《信息物理系统白皮书2017》则认为：CPS 就是信息技术和自动控制技术的集合，是一个能够实现不同要素（如人、机、环境等）高效协同和相互交互的复杂系统，这些要素来自于信息空间和物理空间，完成了不同空间中各项资源的合理配置，同时能够按照需求进行快速迭代和动态优化。CPS 系统的实质就是构建一个基于数据自动流转的闭环赋能系统，该系统能够完成信息空间和物理空间之间的实时分析、科学决策和精准执行功能，进而有效规避复杂性因素和不确定性因素对系统运行产生的影响，最终达到提升资源配置效率、资源优化的目的。

本文认为，CPS 是一种在多种信息技术的基础上，能够对海量异构数据进行处理和融合，具备高度协调性和自制能力的新一代智能网络控制系统，该系统可依托于物联网以及无线传感器网络等基础设施，可以更好的适应复杂的环境，完成对海量异构数据的稳定高效处理。

1.2 CPS 关键环节

CPS 的关键环节包括四个环节[1]，即状态感知、实时分析、科学决策和精确执行，如图1所示。

图1 CPS环节数据闭环图

在物理空间中的隐性数据需要经过状态感知从而形成显性数据并传递到信息空间；在信息空间中的显性数据在进行计算分析后进一步形成有价值的重要信息；大量的信息经过集中处理形成对外部变化的科学决策，将信息转化为知识；最终这些知识以优化数据的方式作用于物理空间，完成数据的闭环流动。

1.2.1 状态感知环节

状态感知是指利用相关技术手段实现物理世界中隐性数据显性化。在装备健康管理这一过程中蕴含着大量的隐性数据，比如装备指示灯、装备运行时的温度、装备的运行机理、装备运行的外部环境，等等。利用传感器和物联网等数据获取与采集技术，状态感知就能够将隐藏在装备后的隐性数据传到信息空间，成为显性数据，这也为后续的实时分析阶段提供了数据来源。

1.2.2 实时分析环节

实时分析是指利用相关数据处理分析技术对显性数据进行再加工，成为可认知的信息的过程。实时分析能够探索物理实体状态和逻辑域、时空域之间的相关性，并能够找到物理实体状态和这二者之间的因果联系。由于大量的原始显性数据并不能真正体现物理实体的内在联系，因此，通过实时分析环节可挖掘其内在关系。在处理数据时，采用聚类分析法、深度学习法、数据挖掘法和机器学习法，能够获得更加透明化的显性数据，便于人们更加直观科学的理解这些显性数据中所隐藏的信息。

1.2.3 科学决策环节

科学决策是指对直观的可理解信息的综合。科学决策在历史经验的基础上，结合实际情况后，为了达到一定的目标，根据对现实的评估和对未来的预测后所做出的最佳决策。该环节是CPS的关键步骤，形成最佳决策用以对物理空间实体进行控制。科学决策是对实时分析得到信息后的科学判断，随后将已经得到的信息转化为知识，这些知识经过层层迭代将会构成知识库。

1.2.4 精确执行环节

精确执行才能够真正实现科学决策。在信息空间中所得到的决策只有通过精确执行环节，才能够真正实现于物理空间中，而信息空间中的科学决策，也需要以数据的形式作用于实体装备上。由此可见，信息空间的决策转化为物理空间中实体装备的可执行命令，必须依赖精确执行，进而实现最高层次的要求。

2 基于CPS 的故障预测和健康管理体系结构

2.1 单元级CPS

单元级CPS 是CPS 层次结构中最小的、不可分割的基本单元。单元级CPS 的实质是通过物理硬件、自身嵌入式软件及通信模块对物理实体进行状态感知、计算分析、科学决策并最终控制该物理实体，从而构建最基本的数据自动流动的闭环，实现了物理世界和信息世界的交互。

图2 单元级CPS体系架构

图2 给出了武器装备故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）单元级CPS 体系架构。该单元级CPS 架构主要可细分为两大部分：其一是物理装置；其二是信息壳。物理实体包括武器装备和人及装备电子标签、传感器和与外界交互的装置等，是物理过程的实际操作部分。装备电子标签用以定位装备型号、编号及配发单位番号；传感器用来检测、感知外界的信号、物理条件及化学组成。信息壳的功能主要体现在感知、控制、计算、通信等方面。信息壳是物理世界中重要的接口，该接口满足信息世界与物理装置的连接需要。武器装备配发的管理软件可类比为信息壳的作用，通过管理软件可进行装备使用情况日志采集、分析与控制，同时通过与中心管理系统通信，实现数据的传递。

2.2 系统级CPS

图3给出了武器装备故障预测与健康管理系统级CPS 体系架构。每一个单元级CPS 可类比为一个作战单位，多个单元级CPS 通过网络，可以实现更大范围、更宽领域的数据自动流动，实现了多个单元级CPS 的互联互通，提高了资源配置的广度、深度和精度。因此，通过CPS 总线可以将多个作战单位集成在一起，形成系统级CPS 体系结构。同时该体系结构的功能还包括协同控制、数据互操作、边缘网关、互联互通等。其中数据互操作、边缘网关、互联互通的作用主要体现在异构集成单元级CPS 等方面；协同控制，即联富力城、协同控制各个单元CPS；监视与诊断的作用是实时监控、诊断单元级CPS 以判断其是否具备相关能力。

图3 系统级CPS体系架构

在武器装备故障预测与健康管理这个问题上，每一个作战单位根据单元级CPS 状态感知、计算分析和科学决策，可以初步判断装备故障所在，从而进行精准执行，消除故障，这样实现了局部的自组织、自配置、自决策和自优化；由于技术限制和实际情况，一旦故障没有解决，大单位的系统级CPS 的监视与诊断功能发现该作战单位这一级的单元CPS 没有能力解决，发出向上传递指令，该单元级CPS 通过网络将故障分析报告向上传递给大单位，即通过CPS 总线传递到系统级CPS，系统级CPS 进行分析决策，通过远程诊断和维护，保障武器装备的健康情况。

2.3 体系级CPS

图4给出了武器装备故障预测与健康管理体系级（System of System，SoS）CPS 体系架构。多个系统级CPS 的有机组合构成了SoS 级CPS。SoS 级CPS 主要实现数据的汇聚，其中包含十分丰富的功能，比如大数据分析、分布式计算、数据存储，等等。此外，还可基于数据服务进行故障诊断、进行装备健康性能管理。与此同时SoS 级CPS 还可基于大数据平台，促进跨平台、跨系统的并联与互通，集成多源异构数据、促进数据共享、交换且可构成完整的闭环自动流动。在武器装备故障预测与健康管理这个问题上可全面感知深度分析信息，实现科学决策、精准执行。针对无法利用大单位解决的故障问题，向最高级的CPS 进行传递，由总部专家进行分析判定，从而给出问题关键所在。

图4 SoS级CPS体系架构

3 结束语

本文从CPS 的概念、特性和关键环节等方面对CPS 进行介绍，详细讨论了基于CPS 的装备故障预测与健康管理的体系结构，分别从单元级CPS、系统级CPS 和SoS 级CPS 进行了分析，在此基础上，给出了该架构在电子信息装备方面的应用案例，并指出了应用中的关键点。本文提出将CPS 引入电子信息装备的健康管理中来，但也只是给出了基于CPS 的PHM 体系结构，下步的工作重点在于通过实地调研，收集电子信息装备保障各要素的技术需求，详细设计该平台的功能模块，并进行平台测试。