CN108614443B - Phm系统模型开发和验证平台设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种PHM系统模型开发和验证平台的设计方法，用于支持航空设备的PHM系统模型、算法的开发和仿真验证工作。本发明的设计方法包括PHM模型开发方法、数据管理方法以及PHM模型的仿真验证方法，PHM模型的开发和验证平台可以解决模型工程化开发与验证问题，根据验证结果对模型进行有效地修正，提高设备、系统的故障检测率和隔离率，达到节约维护时间和维护成本的目的。

Description

PHM系统模型开发和验证平台设计方法

技术领域

本发明属于故障预测与健康管理(PHM)技术领域。

背景技术

PHM模型的开发和验证平台设计方法作为实现武器装备基于状态的维修、自主式保障、感知与响应后勤等新思想、新方案的关键技术，受到美英等军事强国的高度重视和推广应用。但是PHM模型的开发与验证的技术成果在国内外多种多样、层出不穷，大都局限于具体的设备对象，缺乏通用性；或偏重于学术性探索，比较缺乏对通用性和工程化的考虑。而对于国外已经成功应用的模型开发与验证关键技术，国内又受制于严密的技术封锁。

发明内容

本发明的目的：本发明的目的是提供一种PHM系统模型开发和验证平台的设计方法，用于支持航空设备的PHM系统模型、算法的开发和仿真验证工作。

本发明的技术方案：一种PHM系统模型开发和验证平台设计方法，包括PHM模型开发方法、数据管理方法以及PHM模型的仿真验证方法，其中

PHM模型开发方法，PHM模型开发通过对设备/系统的FMECA、故障树分析、事件树分析、“四性”分析数据、系统需求和数据定义等的梳理和分析，使用机载模型开发工具建立模型，并将其导出为统一的数据文件格式.XML文件；或者依赖相关的实际或仿真试验、以及历史使用数据等信息，结合机器学习或训练而构建的模型，使用Matlab模型开发工具输出的模型和算法，并将其封装为EXE文件，以供数据管理和仿真验证使用，

数据管理方法，数据管理平台以关系型数据库管理系统为主、文件管理系统为辅，系统的存储、管理PHM模型开发与验证系统中的相关数据，主要针对设备、系统的产品数据(包括配置信息、履历信息、四性数据)、技术数据(包括仿真数据、历史数据、状态监控数据、诊断结果、预测结果、趋势分析结果)、知识数据(包括算法信息、诊断模型、预测模型、趋势分析模型)的统一管理，支持用户按照条件对数据进行浏览、查询、编辑、导入、导出等功能，为模型开发，仿真验证提供数据支持和统一管理，

PHM模型的仿真验证，PHM仿真验证平台为PHM开发与验证系统需要验证的模型、算法提供虚拟运行环境，同时利用数字仿真的形式模拟模型、算法运行时所需要的外部环境，验证PHM系统中相关模型、算法的性能，判断模型、算法的相关性能是否满足设计要求中所涉及的技术指标，并对验证结果进行收集、统计分析和显示，按照模型、算法的运行环境可以划分为机载PHM模型仿真验证和地面模型PHM仿真验证。

机载PHM模型仿真验证过程为：诊断推理知识和算法运行于目标机，数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM验证平台通过以太网对诊断结果进行回收、分析和显示，PHM数据管理平台作为PHM中央数据库为其它功能模块提供数据支持服务。

地面PHM模型仿真验证过程为：PHM仿真验证平台负责为诊断推理程序的运行提供运行环境和诊断结果的分析、显示；数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM数据管理平台作为PHM中央数据库为其它功能模块提供数据支持服务。

发明的有益效果：

(1)本发明支持对“可靠性”、“测试性”、“维护性”、“安全性”等四性数据的复用，并将这些数据用于PHM模型的开发和验证；

(2)本发明可为PHM模型的开发和验证提供图形化的引导式操作支持；

(3)本发明可为仿真和验证过程提供过程控制和配置管理；

(4)本发明可对PHM模型、算法的验证结果进行统计分析与性能评估。

(5)利用本发明可以提高设备、系统的故障检测率和隔离率，达到节约维护时间和维护成本的目的。

附图说明：

图1是PHM模型的开发和验证平台结构图

图2是基于设计数据的模型开发过程

图3是基于数据挖掘的模型开发过程

图4是机载PHM模型仿真验证过程

图5是地面PHM模型仿真验证过程

具体实施方式

下面以航电系统的具体设计为例对本发明做进一步详细说明。

1.模型开发

航电系统的PHM模型开发以“四性”(可靠性、测试性、维护性和安全性)等数据为依据，借助模型开发工具和通用工具箱进行模型开发，并可检查知识模型的完整性和一致性，用户根据工具软件反馈的错误信息进行修改。模型开发分为基于设计数据的模型开发，以及基于数据挖掘的模型开发。

基于设计数据的模型开发过程如图2所示。

(1)数据准备或知识提取

数据准备阶段是通过对设备/系统的FMECA、故障树分析、事件树分析、“四性”分析数据、系统需求和数据定义等的梳理和分析，提取出每种故障模式的诊断逻辑和故障属性信息，形成规范的故障方程报告。

(2)交互式开发

交互式开发阶段则是根据故障方程设计规范，利用Fedit，把故障方程报告转化为面向机载解算程序的故障方程数据，并对其语法错误、语义冲突等进行检查。

(3)集成与管理。

集成和管理阶段则是对系统各级的方程进行集成和必要的修正、维护，并可导出为统一的数据文件格式.XML文件。

基于数据挖掘的模型开发过程如图3所示。

在PHM开发与验证系统中，结合Matlab、WEKA等第三方商业软件，为基于数据挖掘的模型提供了引导式的开发与集成操作环境。同时，提供PHM模型开发通用工具箱，主要包括特征提取，朴素贝叶斯等通用模型开发工具。对于第三方模型开发工具输出的模型和算法，需将其封装为EXE文件，PHM开发与验证系统通过导入方式读取EXE文件，并将其以数据库的形式存储供仿真验证模块使用。

2.数据与接口管理

数据管理平台以关系型数据库管理系统为主、文件管理系统为辅，系统的存储、管理PHM模型开发与验证系统中的相关数据，主要针对设备、系统的产品数据(包括配置信息、履历信息、四性数据)、技术数据(包括仿真数据、历史数据、状态监控数据、诊断结果、预测结果、趋势分析结果)、知识数据(包括算法信息、诊断模型、预测模型、趋势分析模型)的统一管理，支持用户按照条件对数据进行浏览、查询、编辑、导入、导出等功能。

PHM模型的诊断推理知识格式均为XML文件，其对应的推理算法为EXE文件，数据管理平台对导入的XML模型和EXE算法，以数据库的形式存储在数据库，供仿真验证时使用。对于由Matlab建模软件开发的模型和算法，需要预先封装成EXE格式，PHM数据管理平台提供导入界面让用户选择需要导入的模型、算法，并对导入的EXE文件以数据库的形式存储在数据库，供仿真验证使用。

PHM模型开发验证平台根据约定的接口定义文档，读取产品生命周期内产生的历史数据文件中的数据信息，以数据库的形式存储在数据管理平台中的数据库中供仿真验证平台使用。具体产品生命周期内产生的历史数据的接口定义文档，根据具体设备接口数据的不同，留待详细设计时描述。

数据与接口管理平台和仿真验证平台通过通信网络连接后，仿真验证平台可以通过数据库接口下载数据管理平台提供的模型、算法等PHM数据，对其进行验证分析。仿真验证平台也可以将验证结果会传到数据管理平台上，并对数据进行组织整理后存储到管理平台中的数据库，供以后分析使用。

对于机载PHM模型、算法，其驻留在机载设备上，运行结果通过以太网UDP的形式，以XML消息格式，主动发送给PHM验证平台。按照故障诊断、健康评估、趋势分析等类型，平台分别提供对应的XML消息接口定义文档。对于地面PHM模型、算法，因对其加载、运行统一在PHM验证平台中进行，因此，其运行结果可通过读取本地文件的方式获取。

3.仿真验证

仿真验证为PHM开发与验证系统需要验证的模型、算法提供虚拟运行环境，同时利用数字仿真的形式模拟模型、算法运行时所需要的外部环境，验证PHM系统中相关模型、算法的性能，判断模型、算法的相关性能是否满足设计要求中所涉及的技术指标。

PHM系统模型开发和验证平台技术分为机载PHM系统模型仿真验证和地面PHM系统模型仿真验证。按照PHM系统模型验证的实际运行环境，PHM系统模型开发和验证平台可通过两种形式的故障注入方法来仿真数据的注入，分别为：在实际操作系统中的基于实物的故障注入，或在仿真环境中的基于仿真模型的故障注入。可通过仿真注入工具来读取BIT、状态信息等数据，并实现实时注入需要的BIT和状态信息。

机载PHM模型的验证为：诊断推理知识和算法运行于目标机，数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM验证平台通过以太网对诊断结果进行回收、分析和显示，PHM数据管理平台作为PHM数据库为其它功能模块提供数据支持服务。机载PHM模型仿真验证过程如图4。

地面PHM模型的验证为：地面PHM模型、算法的加载统一在PHM验证平台中完成，即PHM验证平台同时作为地面PHM模型、算法的运行环境，并对模型的输出结果进行分析、评估和显示。数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM数据管理平台为上述功能模块提供数据支持服务。地面PHM模型仿真验证过程如图5所示。

以上所述，仅为本发明的较佳的实施例而已，用以说明本发明的技术特征和可实施性，并非用以限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对于熟知本技术领域的专业人士应可明了并加以实施，因此，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在在所述的申请专利范围之内。

Claims (3)

1.一种PHM系统模型开发和验证平台设计方法，其特征在于，包括PHM模型开发方法、数据管理方法以及PHM模型的仿真验证方法，其中

PHM模型开发方法，PHM模型开发通过对设备/系统的FMECA、故障树分析、事件树分析、“四性”分析数据、系统需求和数据定义的梳理和分析，使用机载模型开发工具建立模型，并将其导出为统一的数据文件格式.XML文件；或者依赖相关的实际或仿真试验、以及历史使用数据信息，结合机器学习或训练而构建的模型，使用Matlab模型开发工具输出的模型和算法，并将其封装为EXE文件，以供数据管理和仿真验证使用，PHM模型开发方法分为基于设计数据的模型开发，以及基于数据挖掘的模型开发，

基于设计数据的模型开发过程为：

(1)数据准备或知识提取

数据准备阶段是通过对设备/系统的FMECA、故障树分析、事件树分析、“四性”分析数据、系统需求和数据定义的梳理和分析，提取出每种故障模式的诊断逻辑和故障属性信息，形成规范的故障方程报告；

(2)交互式开发

交互式开发阶段则是根据故障方程设计规范，利用交互式辅助工具，把故障方程报告转化为面向机载解算程序的故障方程数据，并对其语法错误、语义冲突进行检查；

(3)集成与管理

集成和管理阶段则是对系统各级的方程进行集成和必要的修正、维护，并可导出为统一的数据文件格式.XML文件；

基于数据挖掘的模型开发过程为：

在PHM开发与验证系统中，结合Matlab、WEKA第三方商业软件，为基于数据挖掘的模型提供了引导式的开发与集成操作环境，同时，提供PHM模型开发通用工具箱，包括特征提取，朴素贝叶斯通用模型开发工具，对于第三方模型开发工具输出的模型和算法，需将其封装为EXE文件，PHM开发与验证系统通过导入方式读取EXE文件，并将其以数据库的形式存储供仿真验证模块使用；

数据管理方法，数据管理平台以关系型数据库管理系统为主、文件管理系统为辅，系统的存储、管理PHM模型开发与验证系统中的相关数据，主要针对设备、系统的产品数据，包括配置信息、履历信息、四性数据；技术数据，包括仿真数据、历史数据、状态监控数据、诊断结果、预测结果、趋势分析结果；知识数据，包括算法信息、诊断模型、预测模型、趋势分析模型，并对以上数据进行统一管理，支持用户按照条件对数据进行浏览、查询、编辑、导入、导出功能，PHM模型的诊断推理知识格式均为XML文件，其对应的推理算法为EXE文件，数据管理平台对导入的XML模型和EXE算法，以数据库的形式存储在数据库，供仿真验证时使用；

PHM模型开发验证平台根据约定的接口定义文档，读取产品生命周期内产生的历史数据文件中的数据信息，以数据库的形式存储在数据管理平台中的数据库中供仿真验证平台使用；具体产品生命周期内产生的历史数据的接口定义文档，根据具体设备接口数据的不同，留待详细设计时描述；

数据管理平台和仿真验证平台通过通信网络连接后，仿真验证平台可以通过数据库接口下载数据管理平台提供的模型、算法PHM数据，对其进行验证分析；仿真验证平台也可以将验证结果回传到数据管理平台上，并对数据进行组织整理后存储到管理平台中的数据库，供以后分析使用；

对于机载PHM模型、算法，其驻留在机载设备上，运行结果通过以太网UDP的形式，以XML消息格式，主动发送给PHM验证平台；按照故障诊断、健康评估、趋势分析类型，平台分别提供对应的XML消息接口定义文档，对于地面PHM模型、算法，因对其加载、运行统一在PHM验证平台中进行，因此，其运行结果可通过读取本地文件的方式获取；PHM模型的仿真验证，PHM仿真验证平台为PHM开发与验证系统需要验证的模型、算法提供虚拟运行环境，同时利用数字仿真的形式模拟模型、算法运行时所需要的外部环境，验证PHM系统中相关模型、算法的性能，判断模型、算法的相关性能是否满足设计要求中所涉及的技术指标，并对验证结果进行收集、统计分析和显示，按照模型、算法的运行环境可以划分为机载PHM模型仿真验证和地面模型PHM仿真验证。

2.如权利要求1所述的PHM系统模型开发和验证平台设计方法，其特征在于，机载PHM模型仿真验证过程为：诊断推理知识和算法运行于目标机，数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM验证平台通过以太网对诊断结果进行回收、分析和显示，PHM数据管理平台作为PHM中央数据库为其它功能模块提供数据支持服务。

3.如权利要求1或2所述的PHM系统模型开发和验证平台设计方法，其特征在于，地面PHM模型仿真验证过程为：PHM仿真验证平台负责为诊断推理程序的运行提供运行环境和诊断结果的分析、显示；数据仿真端为推理程序的运行提供外部数据仿真环境，PHM数据管理平台作为PHM中央数据库为其它功能模块提供数据支持服务。

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