CN108664708A - 一种系统健康评估系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种系统健康评估系统，包括系统健康评估配置模块和系统健康评估集成管理模块；系统健康评估配置模块用于系统结构、设备联接关系和评估方法的配置，完成系统及部件基本信息的管理和维护；系统健康评估集成管理模块用于组织和管理系统健康评估计算过程；所述评估计算包括设备健康指标计算、子功能健康指标计算、系统健康指标计算、健康指标分级计算，时间范围从系统参数接收至健康指标结果输出。本发明为系统运行、维修保养、故障预警、系统安全调度等提供科学依据，更好地保障系统正常运行，提高系统正常工作时间，延长系统使用寿命。

Description

一种系统健康评估系统

技术领域

本发明涉及一种系统健康评估的框架，特别适用于高价值、长期运行、需要监视与维护的系统，例如航天领域的在轨系统运行维护管理。

背景技术

随着社会经济的发展，形成了一些高价值、长期运行、需要监视与维护的应用系统。应用系统由分系统、部件、单机设备等部分组成。随着长时间运行，分系统、部件、单机设备等逐渐暴露设备缺陷、潜在故障、性能退化等影响系统功能正常运行的问题。需要根据分系统、部件、单机设备随时间增长的性能退化规律，利用分系统、部件、单机设备的关键参数，结合系统各部分的联接组成关系，对系统长期运行后的健康程度进行量化表征。针对具体应用系统，建立其系统健康评估的框架及方法，定期对系统的关键单机设备、分系统以及系统整体进行健康评估，获取其健康指标，掌握系统的健康状况，预判系统健康趋势，为系统运行、维修保养、故障预警、系统安全调度等提供科学依据，更好地保障系统正常运行，提高系统正常工作时间，延长系统使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种系统健康评估系统，为系统运行、维修保养、故障预警、系统安全调度等提供科学依据，更好地保障系统正常运行，提高系统正常工作时间，延长系统使用寿命。

本发明的技术方案是：一种系统健康评估系统，包括系统健康评估配置模块和系统健康评估集成管理模块；

系统健康评估配置模块用于系统结构、设备联接关系和评估方法的配置，完成系统及部件基本信息的管理和维护；

系统健康评估集成管理模块用于组织和管理系统健康评估计算过程；所述评估计算包括设备健康指标计算、子功能健康指标计算、系统健康指标计算、健康指标分级计算，时间范围从系统参数接收至健康指标结果输出。

所述评估方法的配置包括设备健康指标计算方法、子功能健康指标计算方法、系统健康指标计算方法、健康指标分级计算方法；并以配置文件的形式进行保存。

所述系统健康评估配置模块包括系统功能结构配置模块、系统设备联接配置模块、系统设备健康评估方法配置模块和系统参数配置模块；

系统功能结构配置模块，用于维护系统代号、系统名称和系统功能健康度量值代号；

系统设备联接配置模块用于子系统功能定义，包括子功能系统代号、子功能系统名称、子功能系统健康度量值代号、系统子功能承载设备与系统子功能承载设备联接关系；

系统设备健康评估方法配置模块用于设备健康程度评估方法定义，定义包括设备代号、设备名称、设备健康度量值代号；

系统参数配置模块用于系统参数定义，定义包括系统参数代号、系统参数名称、系统参数值类型、量纲和数值范围。

所述系统健康评估集成管理模块包括系统健康评估初始化模块、系统参数接收模块、设备健康指标计算模块、子功能健康指标计算模块、系统健康指标计算模块、健康指标分级计算模块和健康指标输出模块；

系统健康评估初始化模块用于加载系统健康评估配置模块生成的配置文件，构建系统评估计算过程控制的三级层次化结构模型；

系统参数接收模块用于接收外部采集输入的系统参数数据包，分解形成参数列表；

设备健康指标计算模块根据第一层次结构模型的映射关系和系统参数接收模块生成的参数列表，确定参与设备健康指标计算的设备集合，调用配置的设备健康指标计算方法，计算各个设备的健康指标；

子功能健康指标计算模块根据第二层次结构模型的映射关系和参与设备健康指标计算的设备集合，确定参与子功能健康指标计算的子功能集合，调用配置的子功能健康指标计算方法，计算各个子功能的健康指标；

系统健康指标计算模块根据第三层次结构模型的映射关系和参与子功能健康指标计算的子功能集合，调用配置的系统健康指标计算方法，计算出系统的健康指标；

健康指标分级计算模块调用配置的系统健康指标分级计算方法，用于计算系统的健康等级；

健康指标输出模块用于向外输出参与本轮计算的设备及系统的健康指标计算结果，包括设备健康指标值、子功能系统健康指标值、系统健康指标值和系统健康等级。

所述设备健康指标计算方法封装为设备健康指标计算动态链接库，一个设备健康指标计算方法对应一个设备健康指标计算动态链接库。

所述子功能健康指标计算方法封装为子功能健康指标计算动态库，一个子功能健康指标计算方法对应一个子功能健康指标计算动态库。

所述系统健康指标计算方法封装为系统健康指标计算动态库，一个系统健康指标计算方法对应一个系统健康指标计算动态库。

所述系统健康指标分级计算方法封装为系统健康指标分级计算动态库，一个系统健康指标分级计算方法对应一个系统健康指标分级计算动态库。

本发明涉及一种系统健康评估的框架及方法。实现系统健康评估自动化连续计算，不断输出设备健康指标值、子系统健康指标值和系统健康等级，可以持续追踪系统及设备的健康变化趋势。通过定量化计算过程，能够给出系统健康状况的定量化结果，改变健康评估长期以来只进行定性描述的现状。通过预判系统健康趋势，为系统运行、维修保养、故障预警、系统安全调度等提供科学依据，更好地保障系统正常运行，提高系统正常工作时间，延长系统使用寿命。

附图说明

图1为本发明的系统组成图；

图2为本发明的健康评估计算控制流程图。

图3为本发明的健康评估系统联接关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，一种系统健康评估的框架及方法主要由系统健康评估配置模块和系统健康评估集成管理模块组成。系统健康评估配置模块用于系统结构、设备联接关系和评估方法的配置，完成系统及部件基本信息的管理和维护，包括功能子系统、组成设备、系统参数；构成系统->功能子系统->功能子系统承载设备->承载设备特征参数的层次结构关系和设备联接关系；配置设备健康指标计算方法、子功能健康指标计算方法、系统健康指标计算方法、健康指标分级计算方法；以配置文件的形式进行保存。系统健康评估集成管理模块用于组织和管理系统健康评估计算过程，包括设备健康指标计算、子功能健康指标计算、系统健康指标计算、健康指标分级计算，时间范围包括系统参数接收至健康指标结果输出。

系统功能结构配置模块维护系统代号、系统名称和系统功能健康度量值代号，系统功能的实现依赖有限多个子系统功能，系统功能健康度量值由各个子系统功能健康度量值，经过系统健康指标算法计算确定。

系统设备联接配置模块完成子系统功能定义，包括子系统功能代号、子系统功能名称和子系统功能健康度量值代号，子系统功能的实现依赖对应的一个设备或者多个设备，子系统功能健康度量值与其对应的设备健康度量值有关，根据子系统功能实现依赖的设备及设备联接配置关系，经过功能健康指标算法计算确定。

系统设备健康评估方法配置模块完成设备健康程度评估方法定义，包括设备代号、设备名称和设备健康度量值代号。设备健康度量值与设备相关的系统参数有关，经过设备健康指标评估算法计算确定。

系统参数配置模块完成系统参数定义，包括系统参数代号、系统参数名称和系统参数值。

系统健康评估集成模块，组织和管理系统健康评估计算过程。系统健康评估初始化模块加载系统健康评估配置模块生成的配置文件，构建系统评估计算三级层次化结构模型。第一层次结构模型为系统参数与设备健康之间的评估映射关系，第二层次结构模型为设备健康指标与子功能健康之间的评估映射关系，第三层次结构模型为子功能健康指标与系统健康之间的评估映射关系。

系统参数接收模块用于接收外部采集输入的系统参数数据包。系统健康评估的基础是参数的采集和处理，通过系统的各种传感器对系统状态进行采集，并通过硬件或软件对采集数据进行预处理，包括缺失数据处理、异常数据剔除及数据的无量纲处理，预处理完成后的数据构成一个可以代表系统健康状态的数据集，在此基础上进行设备、子功能和系统的健康状态的计算与评估。如图2所示，系统健康评估的计算控制流程首先加载系统配置文件，计算过程受参数数据集驱动。

状态特征参数集合U中每个元素u，对于子集来说，要么u∈A，要么二者必居其一，且仅居其一，决不允许模棱两可，子集A可用0和1两个数来表示。常规的系统工作情况常以正常和故障两种状态加以描述，这里的正常我们可以理解为系统在各部件未受到任何损伤，没有任何因老化而引起的性能退化地状态下的工作状态，故障则是系统无法运行满足预期任务要求的工作状态。“正常”和“故障”并不是普通集中的两个子集，因为我们不能够准确定义系统的运行状态确定属于哪个集合，这里称这两个集合“正常S₀”和“故障S₁”为模糊集。显然模糊集无法用普通集合论的仅取0或1两个特征值来刻画，而需要把二元状态{0,1}推广到闭区间[0,1]上。设系统的参数集合为U，划分系统参数集合的模糊集(状态)为S₁,S₂,…,S_N，则有U＝{S₁,S₂,…,S_N}。为更精确地描述系统的运行状态，应该将常规健康评估中{0,1}二值状态标准扩展为[0,1]区间的模糊状态标准。在模糊状态假设下，系统的运行状态不再是单纯的正常或者失效，而是正常的程度或是失效的程度，程度的大小用健康状态来表现，取值范围为[0,1]，状态越接近1，表明系统越健康，运行状态越好。反之，状态越接近0，说明系统的运行状态越差,状态等于1表明系统完全正常，状态为0表明系统完全失效，此时对应于二态假设的两种确定的极端状态。

设备健康指标计算模块完成设备级健康指标的计算，其输出作为子功能健康指标计算模块的输入。根据图2所示，我们首先计算系统组成设备的健康状态，设备在空间运行，通过覆盖于各设备上的传感器测量出表现设备运行状态的参数数据，通过通讯设备传输到建康评估系统，这些参数数据称为参数。健康状态是以各设备的特征参数为数据输入，计算出的表征设备运行状态的指标。设备健康指标和设备的特征参数对应状态分布的函数表达式如下：

(1)梯形分布，函数表达式为：

符合梯形分布的设备健康指标计算方法，封装为梯形分布健康指标计算动态库，动态库名称：TXFB。输入参数：x为设备特征参数；a为梯形上升段起点；b为梯形上升段终点(含)，b也是梯形保持段起点(不含)；c为梯形保持段终点(含)，c也是梯形下降段起点(不含)；d为梯形下降段终点。输出参数：设备健康指标值(μ)。

(2)三角形分布，函数表达式为：

符合三角形分布的设备健康指标计算方法，封装为三角形分布健康指标计算动态库，动态库名称：SJXFB。输入参数：x为设备特征参数；a为三角形上升段起点；b为三角形上升段终点(含)，b也是三角形下降段起点(不含)；c为三角形下降段终点。输出参数：设备健康指标值(μ)。

(3)钟形分布，函数表达式为：

符合钟形分布的设备健康指标计算方法，封装为钟形分布健康指标计算动态库，动态库名称：ZXFB。输入参数：x为设备特征参数；u是遵从正态分布的设备特征参数的均值；σ是此设备特征参数的方差。输出参数：设备健康指标值(μ)。

其他设备健康指标计算方法也可以封装为对应的设备健康指标计算动态库，指定动态库名称、输入参数、输出参数。

子功能健康指标计算模块完成子功能级健康指标的计算，其输出作为系统健康指标计算模块的输入。子功能系统的功能实现依赖于其组成设备及设备联接关系。根据系统配置，已知系统内各设备的健康状态后，通过对系统结构组成的分析，就可利用各设备的设备健康指标值计算出子功能系统健康指标值。

系统的设备联接形式的不同可分为串联模型、并联模型和混联模型，如图3所示：

(1)串联模型如上图3(a)所示,串联设备的设备健康指标值为R_i(A_i)，由n个设备串联的子功能系统健康指标是各串联设备的健康指标值之积，计算公式如下：

子功能系统的功能实现依赖组成设备和设备联接形式，其设备联接形式为串联模型的子功能系统健康指标计算方法，封装为串联模型子功能系统健康指标计算动态库，动态库名称：CLMX。输入参数：R_i(A_i)，第i个设备健康指标值，n为设备序号。输出参数：子功能系统健康指标值(Rs)。

(2)并联模型图3(b)所示,并联设备的设备健康指标值为R_j(B_j)，由m个设备并联的子功能系统健康指标是各并联设备的设备健康指标值中的最大值，计算公式如下：

R_S＝max(R₁(B₁),R₂(B₂),...R_j(B_j)...,R_m(B_m))

子功能系统的功能实现依赖组成设备和设备联接形式，其设备联接形式为并联模型的子功能健康指标计算方法，封装为并联模型子功能健康指标计算动态库。动态库名称：BLMX。输入参数：R_j(B_j)，第j个设备健康指标值，n为设备序号。输出参数：子功能系统健康指标值(Rs)。

(3)混联模型图3(c)所示,串联设备的设备健康指标值为R_i(A_i)，串联设备个数为n,并联设备的设备健康指标值为R_j(B_j)，并联设备个数为m，子功能系统健康指标计算方法是先将并联部分设备健康指标值求出，将并联部分视为一个设备，然后与串联各部分设备健康指标值相乘,计算公式如下：

子功能系统的功能实现依赖组成设备和设备联接形式，其设备联接形式为混联模型的子功能健康指标计算方法，封装为混联模型子功能健康指标计算动态库。动态库名称：HLMX。输入参数：R_i(A_i)，第i个设备健康指标值，n为串联设备序号；R_j(B_j)，第j个设备健康指标值，m为并联设备序号。输出参数：子功能系统健康指标值(Rs)。

系统健康指标计算模块完成系统健康指标的计算。系统功能的实现，依赖于各子系统功能的保障，系统健康指标依赖于各子功能系统建康指标，各子功能系统以串联形式保证系统功能实现，由n个子功能系统串联的系统健康指标是各串联子功能系统的健康指标值之积，其计算方法可以调用串联模型子功能系统健康指标计算动态库，输入参数为各个子功能系统健康指标值，输出为系统建康指标值(R)。

健康指标分级计算模块完成系统健康等级的确定。根据系统的运行需要，将[0,1]划分为不同区间，每一区间代表不同的系统运行状态，根据计算出的系系统健康指标值，判断其所在区间，来判定系统的健康等级。

根据系统健康指标值的范围对系统的健康状态分级如下：

健康指标分级计算方法，封装为健康指标分级计算动态库。动态库名称：XTJKDJ。输入参数：R为系统建康指标值；l₁为Ⅰ级建康指标值上限(含)，l₁也为Ⅱ级建康指标值下限(不含)；l₂为Ⅱ级建康指标值上限(含)，l₂也为Ⅲ级建康指标值下限(不含)；l₃为Ⅲ级建康指标值上限(含)，l₃也为Ⅳ级建康指标值下限；l₄为Ⅴ级建康指标值上限(含)，l₄也为Ⅴ级建康指标值下限(不含)。输出参数为系统健康等级(R_L)。

表1参数信息结构定义

表2预处理数据结构定义

表3设备信息结构定义

表4设备模式信息结构定义

表5设备模式参数配置信息定义

表6参数计算结果结构定义

表7设备结果结构定义

表8拓扑结构存储信息结构定义

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种系统健康评估系统，其特征在于：包括系统健康评估配置模块和系统健康评估集成管理模块；

系统健康评估配置模块用于系统结构、设备联接关系和评估方法的配置，完成系统及部件基本信息的管理和维护；

系统健康评估集成管理模块用于组织和管理系统健康评估计算过程；所述评估计算包括设备健康指标计算、子功能健康指标计算、系统健康指标计算、健康指标分级计算，时间范围从系统参数接收至健康指标结果输出。

2.根据权利要求1所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述评估方法的配置包括设备健康指标计算方法、子功能健康指标计算方法、系统健康指标计算方法、健康指标分级计算方法；并以配置文件的形式进行保存。

3.根据权利要求1或2所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述系统健康评估配置模块包括系统功能结构配置模块、系统设备联接配置模块、系统设备健康评估方法配置模块和系统参数配置模块；

系统功能结构配置模块，用于维护系统代号、系统名称和系统功能健康度量值代号；

系统设备联接配置模块用于系统子功能定义，包括系统子功能代号、系统子功能名称、系统子功能健康度量值代号、系统子功能承载设备与系统子功能承载设备联接关系；

系统设备健康评估方法配置模块用于设备健康程度评估方法定义，定义包括设备代号、设备名称、设备健康度量值代号；

系统参数配置模块用于系统参数定义，定义包括系统参数代号、系统参数名称、系统参数值类型、量纲和数值范围。

4.根据权利要求1或2所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述系统健康评估集成管理模块包括系统健康评估初始化模块、系统参数接收模块、设备健康指标计算模块、子功能健康指标计算模块、系统健康指标计算模块、健康指标分级计算模块和健康指标输出模块；

系统健康评估初始化模块用于加载系统健康评估配置模块生成的配置文件，构建系统评估计算过程控制的三级层次化结构模型；

系统参数接收模块用于接收外部采集输入的系统参数数据包，分解形成参数列表；

设备健康指标计算模块根据第一层次结构模型的映射关系和系统参数接收模块生成的参数列表，确定参与设备健康指标计算的设备集合，调用配置的设备健康指标计算方法，计算各个设备的健康指标；

子功能健康指标计算模块根据第二层次结构模型的映射关系和参与设备健康指标计算的设备集合，确定参与子功能健康指标计算的子功能集合，调用配置的子功能健康指标计算方法，计算各个子功能的健康指标；

系统健康指标计算模块根据第三层次结构模型的映射关系和参与子功能健康指标计算的子功能集合，调用配置的系统健康指标计算方法，计算出系统的健康指标；

健康指标分级计算模块调用配置的系统健康指标分级计算方法，用于计算系统的健康等级；

健康指标输出模块用于向外输出参与本轮计算的设备及系统的健康指标计算结果，包括设备健康指标值、子功能系统健康指标值、系统健康指标值和系统健康等级。

5.根据权利要求4所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述设备健康指标计算方法封装为设备健康指标计算动态链接库，一个设备健康指标计算方法对应一个设备健康指标计算动态链接库。

6.根据权利要求4所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述子功能健康指标计算方法封装为子功能健康指标计算动态库，一个子功能健康指标计算方法对应一个子功能健康指标计算动态库。

7.根据权利要求4所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述系统健康指标计算方法封装为系统健康指标计算动态库，一个系统健康指标计算方法对应一个系统健康指标计算动态库。

8.根据权利要求4所述的一种系统健康评估系统，其特征在于：所述系统健康指标分级计算方法封装为系统健康指标分级计算动态库，一个系统健康指标分级计算方法对应一个系统健康指标分级计算动态库。