飞行器综合健康管理中的健康就绪组件研究

2021-05-14祝青钰曾照洋蒋觉义

测控技术 2021年4期

杜宝，祝青钰，曾照洋，蒋觉义，乔丽

(1.中国航空综合技术研究所，北京 100028； 2.中国北方车辆研究所，北京 100072)

当前，我国航空装备的飞行器综合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)工作存在以下突出问题。

(1) 故障隔离困难。

航空装备故障隔离困难，外场通过大量的“串换件”工作来隔离故障的问题一直未得到有效解决，直接导致装备维修工时增加，影响装备的使用[1-2]。故障隔离困难的原因在于各设备或系统仅利用自身的BIT或传感器数据进行独立诊断，缺乏更高层级的故障隔离设计。

(2) 集成商开展IVHM工作的成本效益低。

对于故障诊断，系统或整机的故障诊断依赖于设备级的诊断模型，如果设备级仅是简单地显示BIT结果和传感器参数，并不足以支撑系统或整机的故障诊断建模。所以对于集成商来说，需要花费大量的时间和精力去分析供应商提供的原始设计材料，梳理设备级故障关联关系并进行集成，再梳理各系统的故障关联关系，然后进行系统级集成。上述故障诊断模型只有不断迭代，才能提高故障隔离的准确度。对于寿命预测，需要进行大量的寿命试验、数据挖掘、健康指标和预测指标构建、预测建模工作，工作耗时且技术难度较大。对于维修决策，需要针对每一项故障模式提出相应的维修建议、使用建议，也需要专业人员进行大量的分析工作。这些工作的效益在装备使用的过程中才能逐步显现出来，但是在方案和研制阶段的投入是巨大的。显然，对于我国当前航空装备的研制体制来说，集成商没有足够的动力和精力去独立完成上述工作，技术难度大且成本效益低[3]。

(3) 供应商参与IVHM工作存在知识产权壁垒。

故障模型是“产品”物理实体的逻辑抽象，高保真、高精度的模型是准确隔离故障的必要条件。要想准确地梳理出“产品”输入与输出、输入与故障、故障与征兆、故障与故障之间的关联关系，供应商需要将其产品的电路原理图、功能原理图、设计方案等文档提供给集成商，这就涉及到知识产权问题，尤其是商用货架产品，供应商因考虑自身利益而无法直接提供这些原始材料。

为了应对上述普遍性问题，2007年波音鬼怪工厂(Phantom Works)的Kevin Swearingen和Kirby Keller提出了健康就绪组件/系统(Health Ready Components/System)的概念。波音认为，作为大型的系统集成商，它很难独立完成IVHM系统的开发，存在技术难度大、成本高的问题，要实现可负担得起、功能完善的IVHM系统，必须让供应商参与进来。健康就绪组件就是供应商和集成商协作完成IVHM系统设计的桥梁[4]。

本文重点对健康就绪组件的概念内涵进行分析，并对其设计方法和应用情况进行研究，以期能够达到将该概念引入到国内IVHM工作中来，为国内装备IVHM系统设计研制提供新思路、新方法的目的。

1 健康就绪组件概念内涵研究

1.1 IVHM与健康就绪组件的关系

IVHM是NASA针对运载器飞行安全提出的一项计划，是能够获取成员级系统的当前或未来健康状态，并集成在一个整合可用资源和运营需求框架下的统一化技术[5]。IVHM发展的最初动机是针对飞行器在太空中对维护的最高标准需求，为了及时发现飞行器故障，采用容错响应、故障缓解等方法来提升飞行安全。随着概念和技术的不断完善，IVHM演变为一个将飞行器各个子系统的健康评估、状态监测、故障诊断、自适应容错响应、寿命预测等功能集成为一体，以支撑基于状态维护(Condition Based Maintenance,CBM)的飞行器健康状态综合管理系统[6-7]。SAE IVHM标准委员会(HM-1)正在创建一套符合系统工程过程的推荐实践标准文件，为装备IVHM系统全寿命周期各阶段的开发过程提供指导。

本文讨论的健康就绪组件涉及IVHM标准体系的JA 6268健康就绪组件设计和运行时信息交换标准内容，“健康就绪组件”是IVHM的重要组成部分，是成员级IVHM向区域级和平台级IVHM集成的关键[8]。

1.2 健康就绪组件的定义

“健康就绪”一词考虑了许多因素，涉及在特定设备、子系统、系统或整机上定义和实施IVHM。健康就绪组件是指所有能够提供IVHM功能，以允许它们被集成到系统或平台级IVHM解决方案中的组件[9]。健康就绪组件不仅包括运行时IVHM接口和信息，而且包括关键的IVHM设计信息，可通过结构化的方式提供给集成商，来支持更高层级IVHM功能的实现和部署，这是该组件最为特殊的地方。

1.3 SAE JA6268 分析

为了协助供应商开发健康就绪组件，并简化集成商使用这些功能部署系统级和平台级IVHM应用的过程，HM-1委员会编制了JA6268《健康就绪组件设计和运行时信息交换》，该标准是具有咨询性质的最佳实践和指导文件。JA6268力求提供统一的要求、实践和方法，来解决健康就绪组件设计和运行时信息的共享问题，促进平台级实时通信和IVHM高级功能的实现[4]。该标准的主要内容包括：① 健康就绪组件的概念与注意事项；② 健康就绪组件的开发方法；③ 健康就绪组件设计时数据交换过程；④ 健康就绪组件运行时数据交换过程。该标准不仅适用于航空航天领域，同样也适用于车辆领域[8]。

1.4 健康就绪组件的内涵剖析

以某型运输直升机为例，对比分析直升机IVHM系统设计中引入健康就绪组件前后的差别，以便从具体应用的角度，更加直观地对健康就绪组件的内涵进行分析。

(1) 直升机健康管理的应用现状。

直升机健康管理分为机载部分和地面部分，如图1所示，其中机载部分的直升机完好性与使用监测系统(Health and Usage Monitoring System,HUMS)能够通过采集到的振动、转速等传感器数据，对旋翼、机体结构、传动和动力系统进行基于“阈值”的简单状态评估和异常检测，并通过快取卡将数据传输回HUMS地面站或PMA，在地面进行趋势分析、状态监测和精密诊断。除HUMS外，直升机导航系统、通信系统等航空电子系统自身均具备BIT，能够进行自诊断，并在综合显示系统报出故障模式或自检状态；电源系统、环控系统等机电系统也具备BIT，或者可通过传感器采集数据进行状态评估，并将结果在机电管理系统进行简单处理和显示。

图1 直升机健康管理功能现状

当前，直升机健康管理应用现状的主要问题如下：① 外场故障隔离困难，飞控系统、导航系统、电源系统等系统利用自身BIT和传感器进行独立诊断，缺乏系统之间甚至是各系统内部LRU之间的故障隔离设计；② 预测、维修决策等功能缺失，传动系统各轴承、齿轮等有寿件未能实现预测的功能，且各故障模式没有给出相应的维修决策建议。

(2) 未引入健康就绪组件时的直升机IVHM系统设计分析。

IVHM根据装备的组成，将健康管理分为成员级、区域级、平台级和企业级，本文仅涉及前三者。下面分析在未引入健康就绪组件的情况下，直升机IVHM系统设计中存在的困难。开展直升机的IVHM系统设计，需要最大化利用直升机现有功能，图2给出了直升机IVHM系统的一个示例。

图2 未引入健康就绪组件时的直升机IVHM设计示例

整机集成商负责向供应商提出区域级和成员级的健康管理功能要求，进行直升机平台级的诊断推理、状态监测、寿命预测和维修决策等功能的设计，并集成至机载IVHM系统和地面站。

区域级集成商按照整机集成商的要求，负责区域级的诊断推理功能的设计，并针对不同的系统，集成至相应的区域管理器中。例如，在机电管理系统进行电源系统、燃油系统、环控系统、液压系统等系统的区域级诊断设计和集成；在HUMS进行动力系统、传动系统和旋翼系统的状态评估和诊断推理；针对导航系统、通信系统、飞控系统等其他系统，根据整机集成商要求，新增区域级诊断推理功能。

设备或系统供应商按照集成商的要求负责其产品的健康管理功能的设计实现，包括BIT设计、系统内的诊断设计、状态评估等，并提供接口供集成商应用。

在上述直升机IVHM系统设计过程中，会存在如下问题。

① 集成商在设计区域级和平台级诊断推理功能时，仍需要梳理供应商的设备或系统内部、系统之间的故障交联关系，工作量和技术难度都非常大。例如，在机电管理系统进行区域级诊断设计，需要建立电源系统、环控系统、液压系统、防除冰系统等10余个系统之间的故障关联模型，难度非常大。为了保证故障隔离的准确性，区域级诊断设计需要供应商提供其产品的设计原理资料，供应商考虑知识产权和自身利益的问题，不会提供详细的设计材料给集成商，这就是IVHM集成中的知识产权壁垒问题。

② 集成商在平台级实现寿命预测功能时，例如进行直升机传动系统中关键部件的寿命预测，需要进行大量的特征挖掘、性能退化、故障注入试验，从成本效益角度来看，这些试验由供应商在其产品进行可靠性、耐久性等试验时开展更加合适；集成商在平台级实现维修决策功能时，需要针对每一种故障模式，给出维修建议，这需要开展大量的分析工作，而且也需要供应商的参与。

③ 供应商已在其产品实现部分健康管理功能，且假如供应商有积极的意愿协助集成商实现更加丰富的IVHM功能，存在的问题是目前没有一致的、可操作的方法来支撑供应商向集成商提供数据、信息或材料，而健康就绪组件为解决上述问题提供了新思路。

(3) 基于健康就绪组件的直升机IVHM系统设计分析。

将健康就绪组件引入直升机IVHM系统设计中，具体示例如图3所示。

图3 基于健康就绪组件的直升机IVHM设计示例

健康就绪组件由集成商提出要求，由设备或系统供应商负责功能的设计实现，包括运行时的接口开发，以及提供能够支撑集成商部署和实现更高等级的IVHM功能的结构化设计数据。与未引入健康就绪组件时的差异在于，健康就绪组件包括了结构化的设计数据，例如集成参考模型和语义数据(后文有详细说明)，这些语义数据能够有力地支撑集成商集成和部署各设备或系统健康就绪组件的运行时接口提供的BIT等健康管理功能，而集成参考模型则能够支撑集成商进行区域级或平台级诊断推理、寿命预测、维修决策等功能的设计实现，同时，集成参考模型并未直接将供应商产品的原始设计材料直接提供给集成商，而是进行了抽象和简化，在一定程度上保障了供应商的知识产权利益。

区域级或平台级集成商对各设备或系统供应商产品提出健康就绪组件的要求，作为其产品的组成部分进行交付。集成商能够通过健康就绪组件获取各设备或系统的故障关联模型，通过健康就绪组件的语义数据，可较容易地对各设备或系统的故障关联模型进行集成，从而实现区域级或平台级的故障诊断，能够更加精确地隔离关联故障。健康就绪组件规范了供应商对其产品的故障诊断设计，从而降低了集成商进行区域级或平台级故障诊断的难度。

平台级集成商通过健康就绪组件的集成参考模型获取关键部件的退化特征参数、寿命预测算法等，实现平台级的寿命预测功能。健康就绪组件中的寿命预测相关的参数、算法由供应商进行开发，供应商在对其产品进行可靠性、寿命试验的过程中，挖掘产品的性能退化参数和预测算法。平台级集成商获取各设备或系统故障模式的维修建议，进行平台级的维修决策建模。健康就绪组件中的维修建议也由供应商分析得出。

健康就绪组件为供应商提供了一致的、可操作的方法，支撑供应商向集成商提供数据、信息或材料，以最具成本效益的方法实现丰富的区域级、平台级IVHM功能。

2 健康就绪组件的开发方法

2.1 开发流程

JA6268给出健康就绪组件开发过程，如图4所示。

图4 健康就绪组件开发的4个过程[8]

(1) 确定产品固有的IVHM功能。

其一，依据ISO13374给出的6层功能参考模型，确定供应商产品，需要实现的IVHM功能程度(无功能、数据采集(DA)、数据处理(DM)、状态检测(SD)、健康评估(HA)、预测评估(PA)和决策生成(AG))，并且关注所要实现功能的实时性要求，实时部分主要集中在DA、DM和SD这3个部分，非实时部分主要集中在HA、PA和AG。

其二，确定供应商希望实现IVHM功能的可支配的程度(或称为IVHM的透明度)，或者提供设计数据以允许这些功能由集成商实现的程度。透明度等级包括未提供(供应商不会提供额外数据)、手动格式(供应商将提供附加的语义数据，但不支持自动推理)、自动化格式(供应商将以支持自动推理的格式提供附加的语义数据)。透明度评价从外部模式和内部模式两方面开展，外部模式主要是将外部接口的语义定义清楚，供应商一般都会提供该项内容；内部模式涉及产品内部的故障模式、影响、测试等因素之间的关系，供应商一般不会主动提供该项内容，需要集成商主动进行获取。

这一步的目的是确定供应商需要在其产品实现的IVHM功能，实时的功能通过健康就绪组件的运行接口来体现，非实时功能通过健康就绪组件的设计数据来体现，并确定这些功能对集成商的开放程度。

(2) 定义消息语义。

确定产品的固有IVHM功能后，需要对消息语义进行定义。定义健康就绪组件运行时需要交互的健康管理消息接口，包括运行时上报的参数、运行模式、状态指标、健康指标等，以支持IVHM接口开发；实现不同的功能程度，提供的运行时消息接口也不同，具体如表1所示。定义健康就绪组件设计时应提供的语义，以支持设计时的数据、模型集成，设计时语义由供应商通过15项表格来提供，包括纠正措施表(包括维修决策)、接口表、参数表、故障模式表、状态指标表等，如表2所示[4]。

表1 运行时消息接口

表2 设计时语义

这一步的目的是定义好运行时的接口和设计时的语义，支撑集成商集成成员级IVHM功能，以及设计和部署区域级或平台级IVHM功能。

(3) 开发运行时接口。

遵循相关的现有标准规范对运行时接口进行开发，可参考规范有：OSA-CBM(基于状态维护的开放系统架构)、OSA-EAI(用于企业应用集成的开放系统架构)、ARINC429/604/624/629(数字信息传输系统)、机内测试设备的设计和使用指南、机载维修系统设计指南、MIL-STD-1553等。每个标准都提供了如何对每种类型的消息进行编码，以及与较高和低级系统进行交互的指导。

(4) 开发设计时数据。

设计时数据的主要用途是允许集成商实现供应商产品本身不提供的IVHM功能。如产品本身不具备预测功能，则应向集成商提供可靠性鉴定试验过程中全寿命周期的性能退化试验数据，这些数据可能需要在可靠性试验的基础上新增测试参数，以支持特征提取、状态指标、健康指标和预测算法开发。设计时数据通过集成参考模型来体现，这也是健康就绪组件最核心的内容。

2.2 基于集成参考模型的设计时数据交换

健康就绪组件的设计时数据用于支撑集成参考模型(Integrated Reference Model,IRM)的构建，该模型由故障模型、处理模型和决策建议模型组成，下面以“油泵”为例进行说明。

(1) 故障模型。

故障模型是建立故障诊断模型的基础，是故障隔离准确度的关键。故障模型主要用于构建产品输入、故障模式、征兆参数、产品输出之间的影响关系。图5给出了油泵故障模型的简要示例，左侧影响源头，顶部是影响对象，S表示次要关系，P表示主要关系。油泵的故障模型解释如下。

图5 油泵故障模型示例[8]

输入：由于油泵存在供油回油循环回路，输入的驱动力矩异常会对自身以及供油产生次要影响，会对输出的高压油产生主要影响；供油异常会对自身产生次要影响，供油不足或过量会对振动超差产生主要影响，并且也会对输出的高压油产生主要影响。

故障模式：“油泵卡滞”会对驱动力矩和供油产生次要影响，主要会影响油泵的发热、噪声、振动以及输出的高压油；油中“带入空气”会对驱动力矩产生较小的影响，主要是影响噪声、振动以及输出的高压油；“轴承抱死”和“油泵卡滞”的影响是一致的。

输出：输出的高压油会对自身、输入驱动力矩、振动产生次要影响。

故障模型的参数应按照语义数据进行，方便集成商进行集成和应用部署。

(2) 处理模型。

处理模型是与数据处理、算法相关的模型，包括“油泵”的动态数值、记录的参数、算法、趋势和预测等相关的模型。动态数值模型包括“油泵”供油的流速和转轴转速的关系、流速和压力等的数值关系；记录的参数包括油泵的就绪情况、参数的偏离(超温、超压等)、启停记录等；算法包括起始时间、压力变化、效率、泄露等相关的参数计算模型；趋势模型包括压力变化与效率和泄露之间在时间上的趋势关系；预测包括运行到性能下降、功能失效的模型。

处理模型涉及的预测等IVHM功能，可由供应商在其产品实现，如果产品本身无计算能力或存在其他原因，也可以通过健康就绪组件提供给集成商。

(3) 决策建议模型。

决策建议模型包括与用户交互所需的信息，以及根据需要对任何检测到的故障进行隔离和纠正所需的系统功能和命令。该模型的内容包括修复程序、手动测试程序、启动时的测试程序和选项代码的链接。

集成参考模型并不完全与ISO13374 或OSA-CBM的6层功能直接对应。处理模型主要对应于DA、DM、SD和PA，故障模型对应于HA，而决策建议模型对应于AG。

2.3 运行时数据交换

运行时数据交换过程的主要范围取决于IVHM系统的目标，以及其自身能够提供的IVHM的功能。IVHM系统目标一般包括：① 适航认证要求，通过监测和报告飞机的状态，可能会对飞行员的操作和行动造成影响，这些要求涵盖在标准的安全评估程序中；② 安全要求，对乘员和飞机的安全实施监测和报告；③ MSG-3变更，基于IVHM评估结果，在维修计划分析时，将该结果纳入分析内容范围中，避免常规的维护任务；④ 飞机调度评估，基于IVHM评估和预测结果对飞机的任务、调度等使用计划进行评估。

根据运行时数据交换范围，确定组件健康就绪功能的哪些特定内容将在IVHM解决方案的运行时实现；并且，识别负责警报、故障识别、状态监测和记录的系统和应用程序，以及组件如何连接到适用于运行时数据交换的数据通信接口，指定特定的组件监测方法、数据记录和报告来传递健康就绪组件的状态。

通常，这些任务由系统集成商在健康就绪组件供应商的支持下进行。系统集成商应该指定运行时数据交换过程(需求)和健康就绪的组件集成策略，包括指定监测系统的特性、与远程支持和应用的连接方式、集中式维护的特性，以及将集中式健康监测采集或结果转发到地面支持系统的地面链路能力。

3 健康就绪组件应用分析与建议

3.1 应用情况分析

健康就绪组件是由IVHM技术发展应用催生的产物，主要面向IVHM的实际应用，解决IVHM集成问题。2008年，通用汽车全球研发部汽车健康管理首席专家Steven Holland将健康就绪组件的概念引入到汽车领域中，认为健康就绪组件是解锁IVHM潜能的关键，并持续致力于健康就绪组件标准JA6268的开发和应用推广[9-10]。

在健康就绪组件或JA6268的相关研讨中，波音787首席工程师Keith Sellers认为，787上应用健康就绪组件正在持续提高机队性能，并提高客户支持效率，JA6268标准具有巨大的潜力。空客技术专家Frank Kramer认为，确实需要类似于JA6268这样更好的机制来吸引供应商，使IVHM成为主流健康管理解决方案。APTIV全球可靠性工程负责人Andre Kleyner认为，作为汽车电子产品的供应商，相信IVHM技术对于无人驾驶汽车最终能否成功起着至关重要的作用，期待与OEM进一步合作以实现这一目标。汽车增压器供应商Garrett将健康就绪组件作为未来产品重要的竞争力和核心卖点之一，积极开发健康就绪组件的应用实例，协助IVHM标准委员会，推广JA6268[10]。

2020年2月，SAE ITC、Bell、Garrett Motion、Global Strategic Solutions和VHM Innovations宣布成立健康就绪组件和系统联盟(Health-Ready Components and Systems,HRCS)，通用汽车公司和沃尔沃集团卡车技术公司共同加入了HRCS。HRCS通过整合行业最佳实践范例相关的重点流程和标准，在IVHM系统实施过程中增加供应商、集成商之间的信任并加强协作；鼓励以更低的成本引入更多的IVHM功能；通过提供建议的IVHM设计和运行时数据规范，以及信息交换方案，解决合法的知识产权问题；通过注册认证的方式，促进共享“健康就绪组件”信息，从而简化集成商采购和IVHM实施决策[11]。

健康就绪组件在国外的应用虽然才刚刚起步，但是波音、空客、通用汽车等大型系统集成商已经充分认识到健康就绪组件在IVHM中的重要性，而且JA6268标准的发布将会促进供应商的参与程度，进而促进IVHM系统的广泛应用。

3.2 国内研究建议

目前，国内已对IVHM系统进行了大量的研究[12-14]，并且逐步将SAE IVHM标准体系作为国内健康管理标准体系构建的重要参考依据，但是，尚无与“健康就绪组件”相关的公开研究报道。针对上述现状，提出以下建议。

(1) 继续加强健康就绪组件的研究，注重相关范例的开发。

健康就绪组件的概念引入，需要更多学者的参与和讨论，促进相关理念在国内的推广，从而与相关的IVHM技术同步开展。另外，健康就绪组件范例的开发能够提供更加直观的示范对象，可选择典型产品来开展此项工作。

(2) 推进健康就绪组件相关标准的制定。

在国内健康管理标准体系构建的过程中，建议在顶层标准中引入健康就绪组件，并且标准体系中明确对健康就绪组件设计指南类标准的需求。

(3) 健康就绪组件的设计研制中，应充分利用现有技术和资源。

近年来，测试性建模技术在航空装备中的应用越来越广泛[15]。测试性模型建立了故障模式和测试的相关性映射，一方面，测试性模型可用于测试性指标的仿真评估和测试方案的优化设计；另一方面，测试性模型也可用于设备、系统、整机的嵌入式诊断设计，以增强故障隔离能力。基于测试性模型的故障诊断因缺乏规范的建模方法，设备与设备、系统与系统之间模型集成困难，而健康就绪组件中刚好可以克服上述缺陷。所以，在健康就绪组件的开发中，应充分利用现有的测试性建模、FMEA等技术。

(4) 可考虑在国内成立相关的专业组织、协会或论坛，促进健康就绪组件以及IVHM技术的交流和发展。

国内装备健康管理行业缺乏IVHM技术交流的专门途径，可考虑成立相关的健康就绪组件、IVHM技术协会，举办专业论坛，为技术交流提供适当的场合，从而促进该技术在国内的持续发展。