民用客机PHM地面支持系统体系结构研究

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(1.上海飞机设计研究院，上海 201200；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041；3.北京市高速交通工具智能诊断与健康管理重点实验室，北京 100041；4.轨道交通装备全寿命周期状态监测与智能管理技术与应用北京市工程实验室，北京 100041)

0 引言

近年来，电子技术、信息技术和自动化水平等快速发展，现代民用飞机日益趋于大型化、复杂化、高速化和自动化，随之带来的是民用飞机系统的规模扩大，性能要求日益提高，系统各部件耦合性增强。这就导致引发飞机故障的因素众多，故障表现形式多样化，各故障间存在着复杂的耦合关系。这不仅增加飞机的安全隐患，影响飞机的正常运行，也为飞机的排故维修增加了难度，还给飞机的安全运营带来了隐患。因此，各国均将飞机健康管理相关技术作为提高飞机可靠性、保障飞机运营安全，实现飞机视情维修的关键技术。例如，美国在《航空安全计划》中将飞机健康管理相关技术列入未来影响航空发展的首要关键技术，并制定、实施了飞行器综合健康管理(IVHM)专项预研计划。

图1 F-35 PHM系统架构示意图

图2 NASA和波音的IVHM架构示意图

民机故障诊断与健康管理技术(Prognostics and Health Management，PHM)是一项复杂的系统工程，而PHM框架结构作为PHM技术的顶层规划与设计，对于PHM技术的成功应用发挥着至关重要的作用。目前国外主要从基于PHM应用需求的物理框架与基于PHM功能需求的软件框架结构出发对PHM体系结构进行研究，形成了相应的PHM架构体系，开发出具有实时监测与诊断功能的机载系统与地面支持系统，并在实际中取得了成功应用，实现了与维修性能工具箱等其他数字解决方案的无缝集成。例如，波音公司的AHM系统、空客公司的AIRMAN系统等。我国相较于国外，民用PHM技术发展起步较晚，对于民机PHM技术体系结构还停留在理论研究阶段。李勇等结合当前装甲装备维修保障的需求，设计了一种面向服务的PHM体系结构[1]，将系统拆分成不同粒度的模块，各模块间互不影响。系统通过调用各模块的服务接口，实现系统功能，提高系统的可用性与灵活性，有效地满足当前装甲装备PHM系统分布式应用环境的要求。国内以航空发动机为对象，提出了具有一般普适性的航空发动机PHM系统架构[2]。文献[3]总结了PHM系统的功能要素，基于现有标准与规范，设计出一种开放的PHM体系结构，保障PHM系统设计的模块化、层次化、开放化以及跨平台的特性，提高系统集成效率。文献[4]在分析美国JSF飞机的PHM系统结构基础上，对我国军用飞机PHM技术的相关概念、体系结构、工程设计以及组织开发进行了初步研究。此外，也有文献对航天器等领域的PHM地面支持系统平台架构开展了研究[5-6]。然而，上述对于PHM系统架构的研究主要集中于航空发动机、军机、装甲装备等对象，缺乏对民机PHM地面支持系统的体系结构设计的研究。

本文在分析总结国内外飞机健康管理地面系统功能的基础上，以顶层要求、系统设计到闭环仿真验证为主线，提出了面向服务的民用客机PHM地面支持系统体系结构设计方法，有助于实现信息资源的共享并保障系统的运营服务质量。

1 典型PHM系统体系结构分析

1.1 美国F-35战机PHM体系

美国F-35战机采用的是分布式的PHM体系架构，主要从软硬件监控层、分系统管理层、平台管理层三层结构来进行规划与设计的，如图1所示。软硬件监控层主要用于收集飞机传感器采集的原始数据，该层由飞机现有传感器和数量尽可能少的PHM专用传感器以及一些高级算法构成的虚拟传感器组成。分系统管理层主要用来处理来自软硬件监控层的数据，获取各分系统的健康管理信息。分析管理层由多个系统级区域管理器构成，每个管理器有由软件推理机或功能软件模块组成，利用神经网络、数据融合等推理技术，完成多信源的数据融合。平台管理层是在分系统管理层的基础上，综合各分系统的信息，得到飞机整体的健康评估信息。

该系统分为机载PHM系统和地面PHM系统两个部分。机载PHM系统主要完成状态数据获取和实时性要求高的状态监测和系统报警工作。地面PHM系统完成如状态趋势分析、剩余寿命预测、维修计划优化、维修工作范围制定、维修成本管理等需要复杂模型计算与决策工作。

1.2 飞行器综合健康管理IVHM框架

飞行器综合健康管理IVHM框架是由NASA和波音在内的多个组织联合提出的[7]。该框架定义了11个机载管理功能模块，包括结构系统、推进系统和航电系统等子系统，主要完成子系统的在线故障检测、诊断和报警以及飞行任务的决策等，在保障飞行安全性的基础上，提高飞行器的出勤可靠度。地面IVHM系统负责收集更为广泛的信息和资源，完成对航空器的故障诊断、预测和维护等，并将分析结果及时传输至地面维护系统与后勤保障系统。地面维护系统根据诊断分析结果合理制定维修计划，实现人员与维护资源的优化配置。

按照数据、信息、知识、决策的管理过程和信息传递过程，IVHM系统又可分为传感器层、信号处理层、状态监测层、诊断处理层、预测处理层、决策支持层、表达层。传感器层用于采集布置在飞行器上的各种传感器和飞行器系统的各总线数据。信号处理层是完成对各种采集数据进行相应的处理、分析、特征提取等，将信号转变为有用数据。状态监测层是将信号特征与期望值或操作阈值进行比较获得相应的状态指示或报警。诊断处理层获取监控层数据，判断监测系统、子系统或部件健康状态是否下降，生成诊断记录并以一定置信度提出可能的故障状态。预测处理层结合未来使用包线对设备未来健康状态进行评估，报告某时刻的健康状态或者评估在特定使用包线下设备的剩余寿命。决策支持层根据诊断和预测数据提出建议，包括维护保障安排、调整设备操作配置以完成目标任务、调整任务的计划等。表达层为操作人员提供人机交互界面，从而方便快捷获取所需数据。

1.3 PHM体系结构基本特征

基于上述两节中典型PHM体系结构分析，得出PHM系统体系基本特征，主要包括：

1)多层次的体系结构设计。通过功能分层实现与物理系统的平行组织，降低系统设计与开发复杂性，便于后续系统集成。

2)多平台分布式。物理上，PHM系统可由多个子系统组成。系统的功能实现需要多个对象系统/平台间的通力协作，单个对象系统奔溃又不会影响系统的运行，提高系统的可用性与扩展性。

3)标准化、模块化设计方法。PHM系统在设计过程中，往往需要集成大量的软/硬件组件，这些大都由不同的供应商提供。因此，需要制定标准的、开放的接口规范集成不同的功能部件，实现系统的模块化。

4)高实时性。实时监控是PHM系统的基础。在此基础上，评估关键部件的剩余寿命，结合实时采集信息制定相应策略，即时发送至地面保障系统，因此，有较高的实时性要求。

2 民用客机PHM地面支持系统结构设计

2.1 民用客机PHM地面支持系统的功能要素

民用客机PHM地面支持系统功能主要包括数据收发与处理、实时监控、故障诊断、健康评估、预测评估五项基本功能。包括：

1)数据接收与处理。该功能是民用客机PHM地面支持系统运行的基础与关键，主要包括空地实时数据处理、航后数据处理两个部分。空地实时数据处理功能主要是对实时接收的ACARS链路数据进行解析和存储的。航后数据处理功能主要是对航后QAR数据进行译码处理，以此获取特征参数进行监控。

2)实时监控功能。航空公司需要实时掌握飞机的运行状态，以便及时发现飞机故障与超限情况，提前做好维修准备。实时监控功能通过接收数据收发与处理功能传输的ACARS报文与译码数据，实时监控航班信息与航行状态，及时反映飞机的超限事件、异常事件与故障信息，并给出相应的排故与维护建议。

3)故障诊断功能。根据系统获取的故障信息，通过一定的算法逻辑，综合应用维修手册与维修历史案例，快速对飞机故障进行诊断，并给出相应的维修排故方案[8]。

4)健康评估功能。通过实时监控、故障诊断功能以及历史监测与维护数据，给出飞机的综合健康评估结果，指出可能出现的失效情况与发生概率，为维护人员的工作提供辅助决策支持[9]。

5)预测评估功能。利用飞机的海量历史数据与实时飞行数据等信息，加载预测模型，对飞机性能、典型系统、关键部件未来的健康状态和失效模式进行评估，给出飞机典型系统及其关键部件未来的健康状态发展趋势，估计系统的剩余使用寿命，以便工作人员提前做好维修准备[10]。

2.2 面向服务的民用客机PHM地面支持系统体系结构

面向服务的体系结构(SOA，Service-Oriented Architecture)是一种建立在现有中间件技术和分布式计算概念的基础上构建分布式系统的软件工程方法。结合上一章分析结论，从民用客机地面支持系统的功能需求出发，以实时性、扩展性、安全性、可靠性、兼容性、实用性、灵活性为准则，基于SOA双总线架构设计民用客机PHM地面支持系统的体系结构，如图3所示。

图3 民机PHM地面支持系统架构

SOA双总线架构是以服务总线作为信息传输枢纽，以数据总线作为主数据共享平台的软件架构。通过二者之间的协同作用，完成数据与服务的集成，实现系统的“高内聚低耦合”，提高软件的服务生命力。

企业数据总线是系统数据采集处理平台的核心。企业数据总线上运行实时监控、监控管理等标准数据服务，为上层应用提供统一的数据视图。一方面，可以将系统数据采集、处理功能划分为一个松散耦合的服务，实现系统功能间的松耦合，使得系统在稳定运行的同时，具备足够的可重用性；另一方面，可以很好的扩展系统功能，而不会对原有功能产生影响，提高了系统的可扩展性和良好的可维护性。同时，通过企业数据总线，很好满足系统分布式应用要求。

企业服务总线系统主要完成系统应用服务的整合以及数据整合，并采用硬件集群及软件集群相配合的方式实现高可用及均衡负载，保证了系统的水平、垂直扩展能力，为其提供高性能处理能力。此外，服务总线还为上层用户和其它业务应用系统提供细粒度、可编排流程的业务服务。通过对对服务的组合装配可快速响应复杂多变的用户需求。

基于SOA双总线的民用客机PHM地面支持系统体系结构又包括应用层、业务服务平台(企业服务总线ESB)、数据层、数据采集处理平台(企业数据总线)、安全体系、运维体系。应用层主要为企业统一访问门户、系统消息统一管理平台的各类最终用户服务，并作为数据统一的发布平台为各类航空业务应用系统提供业务数据服务。业务服务平台主要负责对系统各类应用服务进行统一管理，为上层应用提供服务响应。数据层主要负责管理、维护、备份和归档系统各类业务数据、系统用户数据、系统配置数据等。数据采集处理平台(企业数据总线EDB)主要负责对各数据源业务数据的收集、梳理、清洗、整合、处理、发布等过程，形成业务数据的统一信息视图。同时，也能根据上层应用要求，将报文通过ACARS数据链拍发给飞机。主要实现数据服务、文件服务和应用聚合等服务。安全体系主要是保证系统运行的合规性，保障系统运行的安全、可靠。运维体系为系统提供稳定、持续、可监控的服务管控功能，保证SOA双总线系统安全可靠运行。

图4 民机PHM地面支持系统界面图

3 系统实现

基于SOA双总线架构，采用Java编程语言设计民用客机PHM地面支持原型系统，系统主界面如下图所示[11]。目前该系统已成功应用于某型号民用客机，为数百架客机提供实时监控与故障诊断功能，有效地保障了飞机的运行安全。

4 结论

本文通过分析典型PHM系统体系结构，总结得出PHM体系结构的基本特征。结合民机PHM地面系统的功能需求，提出了一种基于SOA架构，双总线技术的民用客机PHM地面支持系统架构设计方法。在保障系统稳定性、可扩展性、可维护性以及高性能处理能力的基础上，很好地满足系统分布式的应用需求与灵活的业务需求变化，为后续系统的开发和运行管理打下了坚实的基础。