CBM 与IETM 集成中的数据模型设计及运用

杜晓明，郭德兴，朱 宁

（1.陆军工程大学指挥控制工程学院，南京 210007；2.解放军72456 部队，山东 潍坊 261305；3.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

随着状态维修（Condition Based Maintenance，CBM）、故障预测与健康状态管理（Prognostic and Health Management，PHM）等概念的提出，装备维修已逐步由以手册为中心的事后检测向以数据为中心的状态监测分析发展，先进的边缘计算与大数据分析技术集成于装备及其后台服务中心，对应系统亦被称为赛博物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）［1］。CPS 在装备维修领域的典型应用即是基于交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manuals，IETM）的智能维修系统。IETM 拥有大量装备基本原理、使用操作和维修保障等数据，可以构成一个数字化的装备信息空间，为装备使用保障人员提供交互式的推理决策支持，装备故障诊断与修复为其中一项关键内容。

目前，该方向研究的热点之一是如何完善CBM/PHM 与IETM 系统的有机集成，以提高装备故障诊断的高效性与准确性。学者Cooper 提出了基于IETM 和CBM 的自适应诊断与单兵技术支持系统［2］，后续美军对此给予了重点关注，开发了类似“虚拟维修系统”、“智能维修系统”［3］。美海军在给V22 鱼鹰飞机开发的综合自动维修环境优化系统（CAMEO）中，实现了IETM 系统与其地面数据站的信息集成，F-22 战斗机IETM 通过与其CBM 系统集成，实现了5 级［1］IETM 功能［4］。它采用数据库技术组织手册数据，通过集成的数据环境使IETM 能与其他信息系统甚至专家系统交换信息，增强了系统的灵活性和扩展性。国内李磊、吴永明等提出了在现有IETM 框架下进行功能扩展，实现与故障诊断系统和专家系统的融合［5-6］。Niu G 等提出了模糊语义推理和状态融合诊断相集成的IETM 智能维修系统［7］。针对上述方案中存在的集成面向具体开发商系统缺乏普适性，集成定位笼统未能区分层次等不足，郭德兴等给出了一种符合OSA-CBM 规范的集成框架［8］。该框架将集成应用分为4 个［2］层次，即状态数据层、故障警报层、故障定位层和维修决策层，并且给出了基于客户/服务器模式的集成接口设计，支持分布式部署，有效解决了系统集成的紧耦合问题，提升了系统功能的重用性和多系统间的互操作性。但是该方案并没对集成中要传输的数据类型、组成结构及运用方式进行规范。本文将在OSA-CBM 集成框架及接口的基础上，对集成数据进行设计与建模，并给出对应运用模式。

1 CBM 与IETM 集成框架与接口

OSA-CBM 规范将CBM 系统数据处理功能分为6 层［3］：数据采集层、数据处理层、状态监测层、健康评估层、预测评估层和建议生成层。每层定义有不同功能及可与其他层交换的数据类型。每个CBM 系统在研制上可实现其中的一种或多种功能层，提供一个或多个功能层的接口，输出一种或多种类型的数据。CBM 系统可集中部署，亦可分布部署。根据对装备实施监测评估的方式与深度，CBM系统应用大致可分为以下3 个等级［9-10］，即III 级外置式、II 级内置式和I 级分布式。

1.1 CBM 与IETM 集成架构

在实际应用中，IETM 可结合CBM 系统等级和功能层分布来设计集成。图1 给出了IETM 与CBM系统的一种集成框架，可分为4 个层次。

图1 IETM 同CBM 系统集成框架

1）基于故障警报的集成。由CBM 系统提供警报现象或故障代码，IETM 从CBM 中获取装备状态数据、特征值等数字形式的数据，基于IETM 故障数据模块中的故障隔离信息，以交互式故障诊断方式实现故障定位，并提供维修支持。

2）基于故障定位的集成。由CBM 给出故障定位信息，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。依据CBM 系统提供的维修决策报告，通过IETM 维修过程数据模块，直接提供维修所需的零部件、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。在装备未发生故障时，通过IETM 过程数据模块直接读取CBM系统提供的状态数据，如日志信息、健康信息等。由IETM 直接进行故障预测，辅助装备维修。

1.2 CBM 与IETM 集成接口

为了捕获利用CBM 系统提供的数据，IETM 系统同样需遵循OSA-CBM 规范。文献［8］选择订阅通信机制作为IETM 同CBM 系统集成的数据传输接口，并采用基于组件的框架设计方法，将IETM 系统和CBM 系统专业处理功能和接口功能相分离，如下页图2 所示。其中，CBM 功能模块视为OSA-CBM数据服务器，IETM 系统则为数据服务器客户端，负责接收来自CBM 模块产生的数据，数据类型覆盖OSA-CBM 规范中6 类功能层模块。

图2 CBM 与IETM 系统集成接口模型

在集成接口模型中，定义了访问入口和数据队列2 类组件。访问入口根据功能区分2 种类型：即数据服务入口DataEventServer 和数据接收入口DataEventReceiver。DataEventServer 是CBM 服务器模块向CBM 客户端模块提供的数据访问接口；DataEventReceiver 则是CBM 客户端模块接收CBM服务器模块数据的接口，接口设计采用观察者模式。

为实现数据处理与数据收发的并发运行，接口模型引入了数据队列概念，以保证CBM 服务器与IETM 系统间的高效通信。当服务端数据准备完毕或有警报时，将相应数据事件（dataEvent）插入至CBM 服务端数据队列，并通知IETM 系统接收数据，IETM 系统则通过DataEventReceiver 接口接收服务端推送的数据，并将其置于IETM 客户端数据队列。

2 CBM 与IETM 集成数据模型

IETM 与CBM 系统交互的实质是对数据的管理、传输与运用。IETM 与CBM 系统集成后，既可以在CBM 状态数据的支持下，驱动人机交互诊断，定位装备故障，指导装备快速维修，也可以通过IETM数据浏览功能，直接显示利用CBM 系统提供的维修决策建议。

2.1 状态数据分类

不同等级CBM 系统具有不同OSA-CBM 功能层组成的功能模块。与IETM 集成时传输的数据不同，依据OSA-CBM 规范，CBM 各功能层产生的状态数据类型、对应CBM 系统等级及由此可实现的与IETM 集成方式，如表1 所示。

表1 OSA-CBM 功能层事件数据表

1）Ⅲ级CBM 系统属外部监测模式。通过加装或手持测试仪，可获取温度、压力等简单渐变信号或特征参数，功能覆盖CBM 模块1 层～2 层。采集或处理的信号数值超过规定阈值时可能会出现报警，但不产生故障代码。集成时IETM 需从CBM 系统中直接获取渐变信号、特征参数等进行故障诊断。

2）Ⅱ级CBM 系统属内置监测模式。装备内置机内检测系统或边缘计算系统，功能覆盖CBM 模块1 层～4 层。可在获取渐变信号、特征参数基础上，进行故障报警，生成故障代码、故障定位等其他装备状态信息。与IETM 集成时，可实现基于故障警报的集成和基于故障定位的集成应用。

3）Ⅰ级分布式监测模式。CBM 系统多应用于大型复杂装备，采用分布式体系结构，1 层～3 层功能模块作前端，安装于装备之上，负责采集、处理装备状态数据，进行故障报警，4 层～6 层功能模块作后端，独立于装备，部署于数据中心，通过网络采集前三层的信息进行综合处理，输出维修决策。与IETM 集成时，5 层～6 层提供的剩余寿命和维修方案信息属于非结构化数据，可转化XML 格式的文档由IETM 可视化显示，支持基于维修决策的集成应用。

2.2 集成数据建模

表1 中的状态数据类型，根据其应用形式可分为3 类：即故障代码、状态参数和维修决策。其中，故障代码数据表征装备故障类型，应用形式可为“设备名称+故障代码”，使用时系统将提供故障代码字典库；状态参数表征为装备的某种状态，应用形式可为“参数名称+参数值”，1 层～2 层的渐变信号和特征参数都是此类，4 层～5 层中的健康评估、剩余寿命等信息若以“名称+数值”形式给出时，也可归为该类；维修决策数据表征为装备的维修策略，应用形式为“文本型”非结构化数据，4 层～6 层提供的健康评估、剩余寿命和维修方案等如果都以文本形式给出，则属于该类。按照IETM 与CBM 系统集成应用需求，需对集成应用中的数据交换实体进行统一建模，形成规范的数据结构，如图3 所示。其中，故障代码（FaultCode）、状态参数（ConditionPara）、维修决策（MainDecision）3 类数据节点拥有共同的父节点集成数据结构（InfDataEvent），集成数据结构为抽象数据类型，拥有3 类节点继承的基本数据项。

图3 CBM 与IETM 系统集成数据模型

3 IETM 对集成数据的运用实现

对于集成接口数据队列中的故障代码、状态参数和维修决策3 类数据，IETM 系统中的过程数据模块提供了相应的读取、存储及运用机制。在过程数据模块的元素下，设有子元素，通过该子元素读取集成接口队列数据，将装备状态信息置于过程数据模块的子元素中，声明装备状态信息，驱动IETM 开展基于CBM 的装备故障诊断与维修应用。

3.1 IETM 对故障代码的运用

装备发生故障，CBM 系统状态监测层会产生故障代码，集成接口将故障代码置于队列，IETM 系统通过过程数据模块 子元素从队列中接收故障代码，根据故障代码IETM 连接到故障数据模块，查看故障报告信息中的故障原因，并通过故障隔离信息进行故障隔离定位，通过维修过程数据模块完成维修操作。下面，以可隔离故障为例说明对故障代码数据的运用过程。

可隔离故障是指那些由装备检测系统检测并可隔离的故障，采用 元素表示，其Schema 结构如图4 所示。其中，故障代码元素位于属性中，系统由此与接收到的故障代码匹配，准确定位故障数据模块。可隔离故障还包括其他子元素：故障描述、检测信息、定位和维修备注，进一步支持故障定位及维修处理。

图4 可隔离故障Schema 结构

3.2 IETM 对状态参数的运用

对于集成接口中的状态参数，IETM 亦通过过程数据模块的子元素 从队列中接收对应数据，并驱动逻辑引擎根据变量和变量值形成判断条件和诊断策略，确定数据模块和步骤执行次序，实现排除复杂故障的动态应用。

过程数据模块包括了从操作准备到结束收尾的全部工作，其主要信息都集中在过程元素中，其schema 结构如下页图5 所示。变量声明和执行顺序是其最主要的两个子元素。过程数据模块中所用变量都在子元素中进行定义声明，接收的状态参数值也将不断更新该子元素中的变量值，以此形成装备全局状态表。故障诊断策略信息则主要存储于数据模块序列子元素中，逻辑引擎通过状态表参数值判断逻辑执行条件，规范各数据模块和步骤之间执行的先后顺序，支持故障定位及维修处理。

图5 过程元素Schema 结构

3.3 IETM 对维修决策的运用

对于CBM 系统提供的非结构化维修决策信息，IETM 作为阅读器可直接读取为维修人员显示该文档，同时提供必要的维修程序、零备件信息等来辅助实施维修。但对于IETM 系统来讲，这部分决策信息属于异构数据，需转换为符合S1000D 标准的IETM 数据模块（如描述性数据模块）才能输入IETM 解析显示，其运用过程如图6 所示。

图6 维修决策文档转换及传输流程

维修决策数据源在CBM 系统中可以是XML 数据库数据资源，也可以是关系型数据库数据资源，两者在符合S1000D 标准的描述性数据模块Schema规范下，由XML 数据转换器转换为IETM 数据模块，经由集成接口，输入IETM 系统公共数据资源库。该维修决策文档由XML 解析器对其翻译，获得其中维修策略并生成维修策略树，通过IETM 浏览显示。

4 应用验证

本文以某型装备液压系统为基础，搭建实验平台。根据液压系统常见故障模式，以预置的柱塞泵故障为实验原型，实现IETM 与CBM 系统的集成应用。实验中CBM 功能模块主要有数据采集模块、数据处理模块和状态监测模块。数据采集模块主要采集压力、温度、流量、振动等信号，如图7 所示。数据处理模块和状态监测模块集成于数据监测服务器内，数据处理模块对数据采集模块提供的信号进行处理，并提取特征值。在本实验中，数据处理模块对液压系统的振动信号进行处理，并以“能量”值作为振动信号的特征值。状态监测模块将数据处理模块提供的渐变数据和振动数据通过阈值比较、模糊逻辑等算法进行处理，发现故障后产生故障代码，并报警提示。本次实验将显示液压系统柱塞泵发生较严重劣化。

图7 信号采集系统数据采集界面

IETM 通过集成接口读取CBM 功能模块产生的故障代码进行故障判断，并通过读取的特征参数进行精确定位，图8 为IETM 显示的故障报告页面，页面描述了详细的故障信息和故障条件，并提供了维修模块的链接。

图8 IETM 故障报告界面

5 结论

CBM 与IETM 两者是装备保障的重要支撑技术，CBM 在获取装备状态数据，实施健康评估和维修决策辅助等方面具有优势，但缺乏详细的装备保障数据支持，而IETM 却能提供完备的装备技术数据和保障过程数据，两者集成发挥了各自在装备维修保障中的优势。本文面向集成应用，针对集成中要交换的数据内容，在原OSA-CBM 集成框架及接口基础上，对集成数据进行了统一建模，规范了数据分类及其结构模式，给出了数据运用过程，可作为集成接口数据模型设计的重要借鉴。今后，随着信息化和工业化的深度融合，物联网和传感器等技术大范围使用，装备状态数据规模急剧增加，装备保障云数据中心的出现将为IETM 与CBM 提供一种基于服务的全新集成模式。如何基于海量数据，采用大数据挖掘技术预测装备状态，采用人工智能技术实现基于状态的主动维修，将是未来IETM 与CBM 集成应用研究的重要方向。