舰载电子设备健康管理的系统工程方法研究∗

高东林 秦红磊 李富合

（1.北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100191）（2.中国舰船研究院 北京 100101）

1 引言

电子系统已经渗透到通信、导航、火力控制、电子战、机电控制等几乎所有的舰载装备专业领域，且呈现出智能化、标准化、模块化特点，随着电子系统规模的增大，其维护保障问题已日益凸显。例如在F-15飞机中，航空电子系统的故障数占到全机故障数的40%以上，维修工时占到全机维修工时的1/3左右［1］。

PHM（Prognostics and Health Management）是综合利用现代信息技术、人工智能技术的最新研究成果而提出的一种全新的健康管理技术，具备故障诊断、故障预测、健康管理和部件寿命追踪等能力［2］，改变了传统的事后状态检查和故障诊断的做法。工程应用和技术分析表明，PHM技术可以降低维护费用，提高战备完好率和任务成功率［3］。基于大数据、人工智能、物联网等新兴技术的舰载电子设备健康管理系统研究也成为了装备领域最具挑战和有益的方向之一。

目前，国内外对电子系统PHM已开展了一些应用研究，如文献［4～6］对数据分析和预测方法进行了研究，文献［5］对PHM与传统电子产品集成、文献［6］对PHM方法集成进行了综述，文献［7］提出了基于云服务的集中-分布式PHM体系结构。国内PHM的应用范围主要是大型连续运行的复杂系统包括桥梁的状态监测与健康管理、大型电力系统的设备维护和飞机发动机的状态监测与管理等，PHM在舰载电子设备中的应用还远未达到工程实用化的程度，在系统实际构建过程中仍然存在如系统整体性重视不足、系统集成能力弱、数据资源缺乏统一标准等问题，需要从系统工程的角度进一步研究和探讨，并进行理论上的指导。

2 系统思想

1）整体性思想

系统整体性是系统的核心思想，系统的整体功能是系统的功能目标，是对要素对象以及系统内外之间关系的根本约束，而要素对象以及系统内外之间关系是构成整体功能的客观基础。

“一般来说，所有的方式显示的整体并不是部分的总和”（亚里士多德），因此，在系统工程应用整体性思想时：要站在全局的角度，给出系统各要素及内外关系的明确定义；要特别注重构成系统之后涌现出来、部分没有的系统特征；把整体性思想贯穿研制全过程，通过系统分析的反馈逐步完善系统整体性功能。

2）层次性思想

层次结构有助于我们认识和处理系统，是所有系统从低级走向高级的进化过程中产生的［8］，著名的管理学家兼心理学家司马贺（西蒙）曾说“如果有稳定的中间形态，复杂系统就能更快地从简单系统进化而成。作为结果而产生的这些复杂中间形态具有层级结构”。

采用还原论的方法，自上而下可以把系统进行逐级分解到合理的粒度，同时，分解对象可根据系统的使命任务从不同角度表现为不同的形式，如硬件层次结构、软件层次结构、网络层次结构、用户层次结构等。

3）数据工程思想

数据工程是以数据作为研究对象、以数据活动为研究内容，以实现数据重用、共享与应用为目标的科学［9］。既是一门理论方法体系，也是一门工程实践［10］。

以互联网、云计算、大数据和人工智能为代表的新技术革命正在渗透至各行各业，在DT（Data Technology）时代，数据资源已成为一种新兴的现代战略能源，结合领域专业知识通过对数据的处理和利用，揭示自然界和人类行为现象和规律，并形成专门领域的数据工程。如文献［11］提出的基于地理信息系统的空间数据工程，文献［12］将大数据的理论方法应用于工程项目管理，数据工程也是世界各国军队信息化建设的基础和核心内容，美军的联合数据支持（JDS）项目，就是为国防部各类决策分析提供数据产品的大型数据工程［13］。

3 系统工程

方法论是人们认识世界与改造世界的根本方法的哲学学说。系统工程的方法论则是探索系统研究、开发、运行过程中各种方法的共同规律［8］。

3.1 基于数据驱动的三维结构

霍尔方法论是出现最早、影响最大的方法论，它对于系统工程的建立具有普遍的指导意义，也是系统工程中比较经典的方法。

图1 基于数据驱动的三维结构图

基于系统的整体性和数据工程思想，舰载电子设备健康管理系统采用基于“数据驱动的三维结构”作为系统的工程过程的分析方法，见图1。该方法基于霍尔三维方法并进行数据化改进，包括时间维、逻辑维和数据维。时间维用来描述系统研制工作阶段；逻辑维用来描述时间维中的每个阶段需要开展的工作及其方法和步骤，由时间维和逻辑维构成的二维目标空间也称为系统工程的活动矩阵。数据维是在专业学科知识的基础上，进一步对设备健康数据资源定义及其采集、处理、传输、存储、知识化、服务化和管理的处理过程进行标准化，用以指导系统的研制过程。

3.2 综合集成方法论

20世纪80年代末至90年代初，钱学森先后提出“从定性到定量综合集成方法”、“从定性到定量综合集成研讨厅体系”（两者合称为综合集成方法），指出了解决复杂问题的过程性以及过程的方向性和反复性，为复杂系统问题的解决提供了一个依靠群体的知识和智慧的途径［14］。

4 健康管理系统的系统工程分析

基于数据工程思想，舰载电子设备健康管理系统的本质是一个对数据资源获取、处理、分析形成决策支持的过程，健康管理的终极目标是实现设计优化以提高设备可靠性。

4.1 数据资源定义

在舰载电子设备从研制到部署的生命周期内，根据数据的状态属性不同将数据资源分为三类：静态数据、动态数据和配置数据，见图2。

图2 数据资源构成图

静态数据包括设备本身的属性信息（如厂商、序列号、软件版本等）、文档资料（维修手册、设计图纸、测试信息等）、知识库以及模型库（如预测模型、诊断模型、决策模型、评估模型等）。

配置数据是在实际部署过程中与应用系统相关的具体软硬件参数配置信息，如通信地址、报警阈值等。

动态数据包括实时采集数据和分析数据，采集数据包括传感器信息、告警事件、日志信息等，分析信息包括决策数据、评估数据等。

数据对象定义为数据描述的设备或系统，其层次按照从低到高的顺序分为模块、整机、系统，根据不同的数据对象对每类数据资源定义相应的标识、单位、数据类型、取值范围、采样周期、获取方式、描述、数据源、数据目的等数据项标准实现对整个系统数据资源的定义。

4.2 数据驱动流程

舰载电子设备健康管理系统是一个依赖设备实际运行数据的分析而不断优化的全寿命周期闭环系统，既需要利用设备各研制阶段的数据为系统运维提供预测、诊断模型以及决策支持，也需要利用系统在部署和运维阶段的数据及其分析结果为设备和系统在研制过程的各阶段提供设计优化支撑，以最大程度提高设备的可靠性，降低故障率。因为这部分数据在实验条件下获取成本往往比较大，或者根本不可能获取，比如用于模型训练的历史数据、实际的系统性能和运行环境指标参数等。基于全寿命周期的闭环数据驱动流程见图3。

图3 基于全寿命周期的闭环数据驱动流程图

4.3 工程活动矩阵

由时间维和逻辑维构成了系统工程的活动矩阵，因此下面就按阶段对每个阶段开展的主要工作和方法进行分析。根据实际装备研制过程以及软系统特点，舰载电子健康管理系统的研制阶段包括论证阶段、方案阶段、技术设计阶段、生产开发阶段、试验测试阶段、部署阶段和运维阶段等七个工作阶段，活动步骤包括阶段目标、主要活动、数据资源和主要方法，详见表1。

表1 健康管理系统工程活动矩阵表

5 系统建构实施

5.1 系统体系结构

体系结构是系统的顶层设计，通过体系结构设计保证系统的整体性、正确性、一致性。为使来自不同厂商的硬件与软件单元组件具有可互换性，增强系统集成能力，有效地降低设备维护成本，本文构建了开放式、标准化、组件化、层次化舰载电子设备健康管理系统体系结构，如图4所示。

图4 系统体系架构图

整个系统架构由三部分构成：分布式布置的电子设备、管理服务器和移动维护终端，通过数据存储、数据采集、数据收发与处理、状态监控、数据库管理服务、故障诊断服务、故障预测服务、健康管理服务、带外管理等九大功能域完成健康管理功能。

电子设备主要实现数据的采集、近期存储、本地状态监控和故障告警等功能，并通过请求管理服务器端的服务获取健康评估和维修决策支持。

管理服务器主要通过各类模型、算法为设备提供故障诊断、故障预测、健康评估和维修决策等服务，并提供系统级的实时状态监控和分析，同时具备远程带外管理功能。

移动维护终端主要用于对设备的管理维护，如电源管理、软件升级、日志管理及状态监控，同时还具备对设备和管理服务器端的数据库管理功能。

5.2 网络体系

网络体系用以定义被管理设备与健康管理系统以及健康管理系统各组件之间的物理网络连接关系。针对舰载电子设备“模块化、标准化”特点，健康管理系统的网络体系采用“内外+外网”的方式并对接口实现标准化，见图5。

图5 网络体系结构

内网指设备内部的数据采集网络。支持多类型总线模块和传感器的数据采集，包括以太网、USB、CAN、I2C等，并对通信协议进行标准化。

外网指设备的健康管理网与服务器、移动终端之间的网络。为了与云计算服务系统的管理网络体系保持兼容，设备对外提供数据管理网和带外管理网两种以太网通信接口并分别接入云计算服务系统的数据网和管理网，数据网主要通过设备CPU模块完成数据的采集并发送至管理服务器，带外管理网主要是通过设备BMC实现远程带外管理，如数据采集、状态监控、电源管理、日志管理、软件升级维护等。此种网络结构可以最大化减少CPU和业务网工作负担的条件下实现软硬件状态数据采集的全面化，保证数据采集不会影响电子设备的正常工作。

6 结语

本文利用系统论和系统工程的方法对舰载电子设备健康管理系统进行了分析，建立了基于数据驱动的三维结构方法，将数据工程思想融入系统工程，并对数据维的数据资源构成、数据驱动流程和工程活动矩阵进行了详细的分析，提出了基于全寿命周期的闭环数据驱动流程；同时，根据系统性整体思想，借鉴综合集成研讨厅体系实施了系统建构，设计了系统顶层体系架构和网络体系结构。

本文从系统工程角度为舰载电子设备健康管理系统的构建提出了一个新视角，重点突出了系统的整体性和数据工程思想，指出了设备健康管理的本质和目标，可以作为建立实际系统的理论指导。系统工程的理论起源于工程实践，随着舰载电子设备健康管理系统应用研究的深入以及无线传感器网络、高性能低功耗微处理器、边缘计算、人工智能等技术的发展，对于系统架构体系、数据标准体系、数据集成方法体系和数据安全体系等仍需要进一步理论化，以更好地指导实践。