基于MBSE的PHM开发平台设计

王生龙，景 博，焦晓璇，潘晋新，崔展博

(空军工程大学航空工程学院，陕西 西安 710051)

0 引言

故障预测与健康管理(prognostic health management,PHM)系统涉及大数据处理、网络通信、人机交互、多系统交联等多学科技术，具有复杂性、综合性、信息化的特点[1]。随着智能化时代物联网、深度学习、大数据云计算等技术的出现，PHM系统的理论框架与功能结构有了新的发展[2]。然而PHM技术的集成与熟化仍然缺乏实践与经验，对PHM技术的应用推广非常不利。应用基于模型的系统工程(model based systems engineering， MBSE)以其模型化系统建模的优势，可以有效解决PHM开发平台在设计阶段面临的瓶颈问题。MBSE方法论指导PHM开发平台设计，可以有效降低设计难度，提高设计效率。

1 PHM开发平台研究现状

PHM开发平台将PHM关键技术融合在硬件平台中，集成数据采集、数据预处理、状态监控、故障诊断、寿命预测等功能，针对不同设备对象、不同应用需求给出相应的解决方案，具有多功能、通用性的特点。

目前，国内外在PHM开发平台上的研究多集中于算法仿真，PHM技术熟化程度不足。其中，周长红[3]等使用LabVIEW与Matlab软件建立了PHM仿真验证平台，可在软件仿真层实现对不同民机架构的验证评价；He[4]等针对医疗设备建立了PHM流程框架，在框架下以仿真的方法实现了设备轴承故障诊断，并给出了模型置信度；KWON[5]等提出基于物联网平台的PHM架构，然而目前没有相关标准对基于物联网的PHM平台提供支持。针对不同应用环境，国内外学者搭建了相应的PHM开发平台。然而其在PHM开发平台搭建上，仅聚焦局部功能，PHM平台架构不够完整，具有很大局限性。郭文浩[6]等使用LabVIEW设计PHM试验平台综合控制器。该平台功能仅局限于数据采集，没有具备完备的PHM流程。Zhou[7]等提出一种故障诊断方法“CMFDK-MT”与相应的PHM架构。该研究仅针对机床设备多的故障诊断，缺乏通用性。

PHM开发平台的设计与应用面临许多困难阻碍，目前，PHM开发平台的研究面临以下问题。

①应用对象差异大。PHM技术广泛应用在交通运输、航空航天、网络通信、工业能源等多个领域的多种对象设备中，如汽车、卫星、轴承、海堤、机床、油井等。不同对象工作特性差别大，导致故障模型获取难度大、模型验证困难。

②应用环境变量多。不同设备的工况与应用背景有差别，其目的功能、应用空间、计算资源各有限制与需求，基于文档的描述方式难以将具体需求与设备功能、系统结构紧密联系，逻辑梳理不够清晰，难以建立通用性的解决方案。

③PHM开发平台系统复杂。PHM开发平台具有功能丰富、结构复杂、交互性强的特点，结构化、半结构化、非结构化的多元、异构数据的传输、处理缺乏标准约束[8]。

针对设计中存在的问题，本文选择应用MBSE方法论建立一个功能完善、通用性高、应用性强的PHM开发平台体系架构模型[9]。与传统的基于文本的系统设计方法相比，以MBSE指导平台设计具有以下特点[10]。

①MBSE摆脱了传统的基于文档的系统工程方法，采用集成的、清晰一致的系统模型描述设计开发全生命周期过程。MBSE模型之间有明确通信接口，模型内容具有一致性，设计更改方便，增强了系统设计文件的可读性，提高了系统设计效率。

②MBSE在复杂系统设计中建立了标准的设计规范，提高了设计描述的准确性，打通不同设备、交叉学科之间的联系，提高了复杂系统集成性，有效解决部件级、分系统级的功能、结构交联描述不清晰的问题。

③MBSE采用一种面向对象的设计方法，统一的方法、参数、事件定义提高了系统数据模型的可重用性，在不同应用场景下可灵活配置，提升了方案的通用性。

应用MBSE建模流程搭建的PHM开发平台模型能够从需求端出发，充分考虑不同应用场景需求，使利益相关者需求具有较强的追溯性。从不同角度对平台具体细节进行详细建模，对资源进行统一调度，避免了基于文本的系统工程方法带来的定义模糊化缺陷。

2 基于模型的系统工程理论

基于模型的系统工程是一种应用建摸方法的方式，用于支持系统需求、设计、分析、检验和验证活动。这些活动从概念设计阶段开始，以模型为技术基线的一个组成部分，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段[11]。MBSE在工程实践中包含三大支柱:建模语言、建模方法以及建模工具[12]。

2.1 建模语言

建模语言是在建模过程中用于定义模型、表述模型关系的一种描述方法。SysML是一种标准化的图形建模语言，由对象管理组织OMG 在统一建模语言UML2.0 的基础上提出.SysML是UML的子集，并对UML2.0进行相关重构。

SysML图[13]分类如图1所示。

图1 SysML图分类

包图(pkg):以包含模型元素的包的形式描述模型的组织结构与包含关系。

需求图(req):描述基于文本的需求与其他需求、设计元素、测试用例之间的逻辑关系。

活动图(act):基于行为模块的输入、输出、控制信号描述工作流。

序列图(sd):基于系统、分系统间信息交换顺序建立描述特定行为的工作流。

状态机图(stm):描述事件触发的一系列实例状态转换。

用例图(uc):通过描述外部用例对系统的操作行为展示系统功能。

模块定义图(bdd):描述系统结构模块的组成与分类。

内部块图(ibd):描述模块之间的接口和交联关系。

参数图(par):通过等式与不等式定义属性值的约束。

在系统工程实践中，SysML旨在以图形化的语言详细描述系统结构以及内部模块结构，采用MBSE方法建立一致性强、耦合度高的系统模型。

2.2 建模方法

建模方法是指导MBSE整体建模过程的理论与方法。定义了一套覆盖系统设计开发全生命周期的建模流程。目前主要的MBSE建模方法论如下。

①HarmonySE。

HarmonySE是嵌入式软件开发公司I-Logix提出的，用于大型综合系统开发的建模方法。Harmony采用“服务请求驱动”的建模方法[14]，强调对功能和基于状态的行为的确定和分配，而不强调功能的行为细节。(基于模型的系统工程最佳实践)Harmony建模过程主要分为需求分析、功能分析、设计综合三个步骤[15]。

②VItech。

VItech MBSE建模方法由四个并行的活动组成，分别为需求分析、属性分析、架构综合以及系统验证。四个活动与系统总体设计库连接，为总体设计提供设计模型，并维护系统设计库的运行[16]。VItech方法强调模型的一致性与可执行性，对建模流程进行分层处理，在完成每一层的模型分析设计后垂直进行下一层级模型的建立，确保了模型的整体性与收敛性[17]。

③OOSEM。

面向对象的系统工程方法(object-oriented system engineering method,OOSEM)由INCOSE公司于2000年建立，采用OMG SYSML自顶向下，基于模型的方法[18]。应用面向对象的思想及SysML语言进行系统建模，在对系统逻辑进行分解隔离及相关性分析的基础上，将每个系统模块视为对象进行继承、封装等操作。因此，OOSEM方法构建的系统模型重用性强，灵活度高的优势。OOSEM建模方法如图2所示。OOSEM方法的系统开发流程主要分为需求分析、系统需求定义、逻辑架构定义以及设计架构综合。

图2 OOSEM建模方法

2.3 建模工具

建模工具是建模语言以及建模方法的载体，定义了建模语言使用的规则，为工程师提供友好的建模过程，便于工程师高效的建立系统模型。在系统模型设计过程中，建模工具在底层将模型进行关联定义。当模型元素变更时，建模工具将自动调整项目中所有模型元素。目前常用的建模工具包括:IBM Rational Rhapsody、MagicDraw、UModel[12]等。

2.4 小结

PHM开发平台具有结构功能复杂的特点，对模型的重用性、灵活性提出了较高的要求。为使搭建的模型具有更广泛的适用性、降低模型推广难度，本文采用普及度较高的IBM Rational Rhapsody建模工具，使用标准化的SysML语言在面向对象的OOSEM方法指导下进行系统建模。

3 PHM开发平台需求分析与定义

本节通过对利益相关者需求进行分析，导出系统PHM开发平台的系统需求，并通过需求分析确定该模型中的用例与功能。

3.1 需求分析

PHM开发平台为设备健康管理提供解决方案，将PHM技术理论研究具体应用在工程实践中。PHM平台操作流程如图3所示。

PHM开发平台操作流程可分为数据采集、数据分析、辅助决策三个阶段。每个阶段由设备管理者参与操作。设备管理者作为平台操作者(即利益相关者)，对平台的操作性能与应用功能具有相应的需求。

图3 PHM平台操作流程图

①接收设备所搭载的传感器传输的数据。

②数据通信畅通，支持相应数据传输接口。

③数据存储能力强、存储速度快、存储可靠性高。

④数据处理准确度高，速度快。

⑤不影响原设备正常工作，尽量降低对原设备的改动。

⑥直观展示设备健康状态，操作简洁。

经过对PHM操作流程[17-18]以及利益相关者需求的分析，得到PHM开发平台的系统需求。

PHM开发平台的一级功能需求包括数据采集、数据处理、可视化显示三个模块。数据处理的二级功能需求包括数据存储、数据预处理、故障诊断以及寿命预测模块，功能需求模型表达了PHM功能的基本内涵。其接口需求“传感器类型”“通信接口”，以及物理需求“采集通道”“配置方式”均体现了PHM开发平台高灵活性、强通用性的特点。

分析得到的系统需求与利益相关者需求紧密关联，并完全覆盖其需求。

3.2 功能分析

PHM开发平台需求图对数据采集、数据处理、可视化显示提出了具体需求。

用例图展示了平台系统级功能以及其与外界的信息交互。其中，外部输入源包含发送指令的操作者以及传输设备检测数据的传感器，平台内部的重要执行机构为计算机的CPU。基于用例，对PHM开发平台进行功能分析，并将PHM开发平台功能在黑盒中进行表述，得到系统用例图。

PHM开发平台在接收到外部用例传输的信息后执行相应操作，包括数据采集、状态监测、故障诊断、寿命预测、模型训练等主要功能。

4 PHM开发平台架构定义与综合

OOSEM建模方法遵循自顶向下的系统设计规律，在系统需求分析的基础上得到了系统级用例及系统功能。下一步将对系统模块内部与模块之间的关系进行逻辑分析与综合定义。

4.1 逻辑结构定义

根据以上设计分析，PHM开发平台包括三个功能模块:数据采集模块、数据处理模块以及可视化显示模块，数据流及命令流通过模块之间的接口进行传输，以实现特定PHM功能。

数据采集模块通过数据采集器与设备传感器连接，在数据采集控制器的调度下实现原始数据的实时采集，并将数据以数据流的方式存入数据处理模块中的数据库。

数据处理模块要求在可视化显示模块接收到用户下达的指令后，平台执行相应的数据存取、数据挖掘操作。其中，在线边缘计算由配置在数据采集前端的边缘计算卡执行，且计算卡因其小型化、嵌入式的特点可进行分布式部署；离线数据挖掘由大数据平台中的云计算模块进行资源调度与算法实现。

可视化显示模块要求在可视化软件中给予操作者友好的显示与操作接口，以图形化的设计对状态监控、数据管理、故障诊断、寿命预测、算法训练子模块进行显示。

根据以上任务要素的分析，得到以块定义图表示的系统结构图，以内部模块定义图表示的系统功能流图。

在完成系统结构与功能逻辑的分析后，按照数据流逻辑对功能活动进行建模。首先对系统中涉及到的参数进行定义，对活动图中涉及的具体模型参数进行支持。在获得模型参数后，对数据采集、边缘计算、大数据挖掘等活动的具体流程进行建模。

大数据挖掘模块在实现PHM功能中起到中心节点的作用，数据流、命令流传输频繁，与外界信息交换接口复杂，故此处对大数据平台进行内部模块定义。

可视化软件模块是PHM平台与操作者的应用接口，其软件功能涵盖了PHM开发平台的所有功能，是用户命令的发送源。其信号交联、逻辑结构较为复杂。

4.2 系统架构综合

经过需求分析、功能模块定义以及逻辑架构定义，PHM开发平台的具体模块功能运行逻辑已经清晰。对独立的功能模块进行整合，得到PHM开发平台整体工作流程图。加入时间轴，分别对状态监控、故障诊断、寿命预测以及算法训练进行序列图的建模。

状态监控序列由用户发起，通过点击可视化软件按钮向数据采集器发出指令，由数据采集控制器对数据采集活动进行配置，设置采样率、采集通道、存储方式等参数。数据采集活动开始后，可视化软件接收数据采集器实时传回的原始数据，并以图表形式展示出来。

故障诊断/寿命预测序列由用户通过可视化软件发起，在软件中对边缘计算卡进行配置，选择在线故障诊断/寿命预测算法模型以及数据通道；边缘计算卡通过I/O接口接收，解析用户命令，并调用计算卡存储器中相应模型进行在线故障诊断/寿命预测。

算法训练序列由用户发起，在可视化软件算法训练子模块中选择离线训练数据及智能算法文件后，发出模型训练指令；大数据存储模块接收指令提取相应数据及算法文件，由云计算资源管理工具对计算资源及数据进行调度，实现离线分布式计算；在物理服务器上完成模型训练与验证后，更新大数据存储模块中的算法模型文件，并通过可视化软件提示用户；用户可下达指令更新边缘计算卡中相应的算法模型。

5 结论

本文通过OOSEM方法对PHM开发平台关键要素建立模型。该过程包括需求分析、功能分析、逻辑结构定义以及系统架构综合。使用SysML语言建立的图形化模型具有直观、清晰的优点，面向对象的编程方式赋予模型以灵活性与可重用性。本文搭建的PHM开发平台模型满足设备操作者对设备健康管理的需求，功能丰富，具有嵌入式、分布式、小型化的特点，适用于多种应用环境，为PHM技术熟化提供了方法论支撑。