CN109146213B - 航天器电源系统健康管理验证评估环境系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式、分布式、可扩展的航天器电源系统健康管理验证评估环境，其为半实物平台，硬件平台为电源系统模拟与故障注入平台，软件平台由一个运行支撑环境与多个功能节点组成，包括目标对象节点、数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点与验证评估节点等，其中运行支撑环境包括运行管理器与节点驱动器，负责功能节点间协调运行，目标对象节点与硬件平台相连，作为验证评估环境数据源。本发明基于SoS(System of Systems)架构设计，支持基于配置的功能节点部署，提供开发接口，便于系统的二次开发与扩展；电源系统模拟与故障注入平台支持多变的系统配置状态与故障注入场景，能够满足航天器电源系统健康管理技术的开发调试与验证评估的需求。

Description

航天器电源系统健康管理验证评估环境系统

技术领域

本发明涉及一种航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，属于综合健康管理技术领域，尤其涉及综合健康管理系统验证评估技术领域。

背景技术

综合健康管理技术整合了人工智能技术与先进测试信息技术，已经在关键的军事与工业应用中打开一扇大门。综合健康管理系统从异常探测、诊断与预测，再到状态推理技术，对关键系统及其子系统/原件进行监测与控制，提高维护与决策系统的效能，削减系统运行成本，降低灾难性事件发生概率。

然而一旦一个综合健康管理系统投入运行，那么弥补它的一个错误将引发更多的成本投入，因此在部署之前对综合健康管理系统进行验证与评估有着至关重要的意义。综合健康管理系统提供设备及元件健康状态信息，支持操作与维修决策，而验证与评估技术则是在对其上述功能置信及信任量化过程中关键的一步。

现代复杂系统通过配置健康管理系统，正逐步改变传统的维护保障体制，从以统计可靠性指标为依据的定期维修，向基于实际健康状态的视情维修转换。然而以各类智能信息处理、算法为基础的健康管理系统也给复杂武器装备的设计、验证、评估、成熟化带来诸多技术挑战。一个针对复杂系统健康管理系统验证评估与成熟化需要，通用化且具备高可扩展性的健康管理系统验证评估环境，可以实现对综合健康管理系统的定量验证评估，给出对综合健康管理系统的标准化、通用化评价。

发明内容

本发明的目的是针对复杂系统健康管理技术验证评估与成熟化需要，提出一种以航天器电源系统为对象系统的分布式、开放式、可配置的健康管理验证评估环境，解决健康管理系统定量验证评估的难题，为客观评价和验收复杂系统的健康管理系统提供标准化、通用化测试平台。

航天器电源系统健康管理验证评估环境为半实物平台，硬件部分为电源系统模拟与故障注入平台，主要包含充电部分、蓄电部分与负载部分等，并部署传感器网络，对系统实时运行状态进行监测，另外，硬件平台中通过开关控制与使用故障注入模块等方法实现故障模拟与注入，建立系统运行故障场景，这是对健康管理系统进行验证与评估的基础；软件部分采用分布式架构，基于SoS(System of Systems)架构设计，由一个运行支撑环境与多个功能节点组成，包括目标对象节点、数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点与验证评估节点等，其中运行支撑环境包括运行管理器与节点驱动器，每一个节点驱动器加载与驱动一个节点子系统，运行支撑环境负责功能节点间协调运行，目标对象节点与硬件平台相连，作为验证评估环境数据源。

软件部分所述的分布式架构为一个以运行管理器为中心的星型拓扑结构，诸多功能节点子系统根据OSA-CBM标准体系架构按功能层次化划分，这样的层次化与模块化结合的设计，有利于提高系统的通用性与可扩展性。每一个节点驱动器根据节点描述文件中的节点子系统信息加载节点子系统，航天器电源系统健康管理验证评估环境提供了节点描述文件编写规范与节点子系统开发规范，支持将健康管理系统的不同层次的不同功能节点子系统通过配置部署于验证评估环境之中。这样的架构设计提高了软件平台的通用性并解决了健康管理系统中不同环节之间的交联耦合问题，首先将健康管理系统中的每一部分功能层次划分到一个功能节点，然后进一步进行软件层次的划分，将功能节点的交互逻辑、信息接口与节点具体行为进行解耦，在验证评估环境中交互逻辑由运行支撑环境负责，节点描述文件作为信息接口，而节点子系统中只需编写功能节点的具体行为。以此实现验证评估环境中健康管理系统每一个环节的自由配置与切换，尤其是健康管理算法功能节点的配置与切换，来满足不同健康管理算法在统一标准下量化评价与比较的需求。

针对健康管理系统中多源异种的信息环境，本发明提出了基于发布订阅模式的验证评估环境数据交互机制与基于时间与事件的运行推进机制。在验证评估环境中，采用时间推进与事件推进相结合的运行推进机制，在目标对象节点中设置运行时钟，并设定一定的运行时间推进步长，采取时间推进的方式；其他节点根据各自功能选择时间推进或事件推进的方式。由时钟与事件共同对验证评估环境内的运行流程进行控制。在验证评估环境运行过程中，每个节点都是直接与运行管理器进行数据交互，运行管理器中包含一个节点信息表，负责维护各部署于验证评估环境中的节点信息，包括节点基本信息与节点交互关系信息，每一个节点的输入输出数据表等都编写于节点描述文件之中，由节点信息表读取，运行管理器根据节点信息表进行数据分发，协调各功能节点运行。因此通过配置实现数据层面的解耦，每个节点只需关心自己的输入输出数据，而不需要在开发时对其他节点进行依赖。

电源系统模拟与故障注入平台为航天器电源系统健康管理验证评估环境中的硬件平台，也是整个验证评估环境的数据源头，其主要由充电部分、蓄电部分、负载部分、加电单元、控制单元组成，其中充电部分、蓄电部分、负载部分都包含两路通道，充电部分一路为太阳能电池模拟器，另一路为氙灯光源、太阳能电池板与程控电源共同组成的太阳能模拟系统，蓄电部分一路为铅酸电池，另一路为电池模拟器，负载部分一路为四个负载箱并联的直流负载，另一路为程控电子负载，同一时刻每一部分至多接通一路。同一部分不同通道切换的设计能提供更多的系统配置状态与故障注入场景，为后续对健康管理系统的验证与评估提供基础。

本发明的优点在于：

(1)所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境软件平台采用基于SoS的架构设计，搭建了一个以运行管理器为中心的星形拓扑结构的平台，支持将健康管理系统不同层次的功能节点子系统通过配置部署于验证评估环境之中，并对功能节点的交互逻辑、信息接口与具体行为作分离，实现了验证评估对灵活配置与构建的支持，解决了功能节点间交联耦合问题；

(2)本发明提出了验证评估环境中基于时间与事件的运行推进机制与基于发布订阅模式的验证评估环境数据交互机制，将不同功能节点间的数据依赖关系模型简化，解决了验证评估环境中多源异种信息环境问题，保证内部数据的可靠有效传输；

(3)本发明中电源系统模拟与故障注入平台采用模块化设计，且在常规电源系统充电、蓄电与负载三部分中均做双通道设计，一路注重硬件结构还原的真实性，一路注重便捷的运行场景模拟，不同通道的硬件设计均有所不同，能够支持多样的系统配置状态与故障注入场景。

附图说明

图1为本发明提供的航天器电源系统健康管理验证评估环境架构图；

图2为本发明的功能节点解耦示意图；

图3为本发明的运行管理器软件层次化结构图；

图4为本发明的节点驱动器软件层次化结构图；

图5为本发明的电源模拟系统与故障注入平台硬件结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提供的航天器电源系统健康管理验证评估环境及其实现方法进行详细说明。

本发明提供了一种基于SoS(System of Systems)架构的分布式、开放式、可扩展的验证评估环境软件架构，包含运行支撑环境与功能节点组，所述验证评估环境软件架构如图1软件平台所示。验证评估环境软件架构基于SoS架构设计，即在系统中，健康管理系统不同层次的功能模块与验证评估模块部署为不同的功能节点，包括目标对象节点、数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点与验证评估节点等，这些节点作为子系统在验证评估环境中协同运行，与运行支撑环境共同组成整个验证评估环境软件平台，目标对象节点与硬件平台相连，目标对象节点从硬件平台传感器网络获取数据，作为软件平台的数据源头。

运行支撑环境是分布式验证评估环境中的通用架构核心，作为不同功能节点的管理者与协调者，支持功能节点的配置与切换，尤其是健康管理算法模块的切换，以满足航天器电源系统健康管理技术的验证与评估需求。如图1所示，运行支撑环境包含一个运行管理器与多个节点驱动器，每一个节点驱动器根据节点描述文件加载与驱动功能节点子系统，这样的软件设计实际上实现了对功能节点的层次化分离与解耦，将功能节点的运行交互逻辑、接口信息、节点具体行为相互剥离开，由运行支撑环境中的运行管理器和节点驱动器负责功能节点的运行交互逻辑，接口信息编写于节点描述文件之中，节点具体行为编写进功能节点子系统的模型库文件中。这样，当对某一个或多个功能节点进行切换或者配置更改时，只需更新节点描述文件中的信息与节点子系统库文件，并不需要更改运行支撑环境的代码，从而实现了健康管理验证评估环境的自由灵活构建。图2为功能节点运行交互逻辑、接口信息与节点具体行为解耦示意图。

运行管理器的软件结构采用层次化设计，如图3所示，分为用户界面层、逻辑控制层与功能实现层，其中功能实现层采用模块化设计，便于软件的维护与扩展。用户可通过用户界面层的操作界面控制运行管理器的启动与关闭以及设置相关参数。在系统运行过程中，界面上会显示运行管理器与节点成员之间的会话内容，已经连接到运行管理器的节点成员的基本信息和各个成员当前的运行时钟。逻辑控制层中的逻辑控制器负责系统运行的主体逻辑。在程序内部，它实现了前台显示界面与底层功能模块的分离。在整个验证评估环境中，它接收并解析来自各个功能节点的各种交互信息，根据需要向各个功能节点发送操作信息。功能实现层包含通信服务器模块、数据管理器模块与节点信息管理器。通信服务器的建立是为了实现分布式验证评估环境中应用程序间的通信，参考客户端/服务器架构，同时需要在节点驱动器上部署通信客户端。节点信息管理器内部包含一个节点成员信息表，该表负责维护当前与运行管理器连接的各个节点成员的基本信息以及节点成员间的互操作关系，如某个节点成员运行输出数据需要传送给哪些其它的节点成员等。数据管理器的实现支持用户在运行管理器端对验证评估环境中各节点成员的实时运行数据进行查看、回放与导出。在系统实时运行过程中，运行管理器将每个节点交互数据存储于数据库中，以系统运行时间为主键，构建运行数据存储表格。

节点驱动器的软件结构采用与运行管理器相同的层次化设计，但每一层的具体实现有所不同，如图4所示。用户界面层包含一个公共窗体与一个节点窗体：公共窗体提供的功能主要有节点子系统模型库文件的装载、系统运行流程的控制、交互关系的设置与信息实时显示；节点窗体是特定功能节点的显示和操作界面，编辑在特定程序集中等待装载，而后显示在公共窗体提供的容器中。逻辑控制层中的逻辑控制器主要功能包括：获取底层对象提交的运行交互信息，并按照相关的系统运行逻辑进行解析和处理；接收来自用户界面层的用户指令，调用功能实现层的功能模块完成对功能节点模型库文件的驱动；通过事件机制将接收到的交互信息及时地提交到用户界面层显示。功能实现层包含定时器模块、通信客户端与模型驱动器。定时器的作用是每隔一段时间触发一次定时事件来推进系统运行，该事件与逻辑控制器的相关回调函数相关联。通信客户端与运行管理器中的通信服务器一起，构成客户/服务器的通信架构，从而实现了节点驱动器和运行管理器间的通信。模型驱动器是连接验证评估环境节点驱动器和功能节点子系统的桥梁。应用程序通过模型驱动器设置功能节点模型的输入参数、读取模型的输出数据、驱动模型动作。

节点描述文件中定义功能节点的接口信息，包括基本信息表、输入变量表、输出变量表、预备指令表、初始化指令表、结束指令表等。输入变量表和输出变量表分别描述模型运行推进时的输入输出信息。这两个表都包含变量名称、变量类型和交互名称这三个属性。变量名称为变量在节点子系统内部的唯一标识，由模型或算法的开发人员决定，根据模型种类的不同，其实际意义也有所不同。交互名称是变量在整个分布式验证评估环境中的唯一标识，由负责整个分布式平台的开发人员决定。对于一个特定的功能节点来讲，在基于时间推进的系统运行过程中，功能节点的动作包括运行预备、运行推进和运行停止三种。在运行预备时，功能节点进行一些状态参数的初始化，以及模型的装载等工作。在运行推进时，功能节点接收输入数据、进行一次运行解算、然后输出解算结果。在运行停止时，模型将被卸载，一些相关的资源将被释放。节点驱动器中的模型驱动器通过预备指令表、初始化指令表和结束指令表中存储的指令名称信息驱动模型执行这些特定操作。

分布式验证评估环境中由于每个节点都是数据的生产者与消费者，而且相关的数据并不相同，由此引出了多源异种信息环境问题，针对该问题，本发明提出了基于发布订阅模式的验证评估环境数据交互机制与基于时间与事件的运行推进机制。在验证评估环境中，采用时间推进与事件推进相结合的运行推进机制，验证评估环境中数据源头目标对象节点中设置运行时钟，并设定一定的运行时间推进步长，采取时间推进的方式；其他节点根据各自功能选择时间推进或事件推进的方式。由时钟与事件共同对验证评估环境内的运行流程进行控制。一次运行推进的周期包括输入数据的获取、运行结算与输出数据的打包发送。在本发明所述的分布式验证评估环境中，时间推进可具体为数据源推进，即每个事件推进的节点下一周期的输入数据准备就绪时，便可进行一次运行推进，直至该运行推进周期内完成输出数据的打包发送。

验证评估环境中采用基于发布订阅模式的验证评估环境数据交互机制，每个节点的输入输出数据信息都定义在节点描述文件之中，节点驱动器读取输入输出数据信息并通过远程交互传输给运行管理器，运行管理器的节点信息表中维护着每一个功能节点的基本信息与交互信息。在分布式验证评估环境实时运行的过程中，每一个功能节点虽然与其他节点有数据交互关系，但是其只直接与运行管理器相连接，在每一个运行推进周期内，由运行管理器根据节点信息表中的内容，为每一个功能节点做数据分发，统一协调不同功能节点间的数据交互。这样每个功能节点在开发的过程中只需关注自己的输入输出数据，并不需要在开发过程中对其他功能节点做直接的引用依赖。在逻辑控制层之上，运行管理器程序和节点成员驱动器程序间交互信息的结构分为命令和参数两部分。命令采用string型数据描述，参数的类型和数目都不是固定的，所以使用哈希集合存储。系统收到通信包后先解析命令，然后根据命令不同调用相关函数处理数据、执行运行逻辑。交互逻辑分为三个主要部分，分别是节点成员登记逻辑，节点成员交互关系设置逻辑和交互数据传输逻辑。

验证评估环境中软件平台所采用的是以运行管理器为中心的星型拓扑结构，每个功能节点都直接与运行管理器相连，由运行管理器负责不同功能节点的协调运行，解决了传统分布式系统中不同节点间的交联耦合问题。基于时间与事件的运行推进机制与基于发布订阅模式的验证评估环境数据交互机制，将不同功能节点间的数据依赖关系模型简化，解决了验证评估环境中多源异种信息环境问题，保证内部数据的可靠有效传输。

本发明中包含了一套电源系统模拟与故障注入硬件平台，作为验证评估环境中的真实对象系统，通过不同的系统状态配置与故障注入，生成不同的实际运行场景，为后续健康管理技术的验证与评估提供基础。电源系统模拟与故障注入平台如图5所示，主要包含充电部分、蓄电部分与负载部分。充电部分包含两路通道：一路为模拟光源、太阳能电池板、程控电源共同组成的太阳能模拟系统，该通道中由模拟光源产生光能，太阳能电池板完成光能到电能的转化并向外输出电能，传感器网络在该通道中的传感器便采集实时电流电压值，在工控机端读取并将电流电压值进行一定比例的放大，驱动程控电源输出放大后的电流电压值至后续蓄电部分与负载部分，以此安全可靠地实现太阳能系统的模拟；另一路为太阳能电池模拟器模块，可以通过编程预设输出曲线，模拟太阳能电池板的输出变化。蓄电部分包含两路通道，一路为两个24V铅酸电池串联组成的48V电池模块，另一路为电池模拟器模块，可以通过编程设定输出曲线，模拟电池工作的正常与故障场景。负载部分同样包含两路通道，一路为四通道并联的真实负载，每一路的供电电压各不相同，负载均为并联的灯泡与风扇；另一路为程控电子负载，可以通过编程进行负载设定。电源系统模拟与故障注入平台中还包含有控制单元，控制单元由工控机、采集卡、传感器网络、继电器等构成，该部分功能是状态采集与显示、故障注入的实现。如图5中所示，母线故障注入器实现作用在充电母线和配电母线的母线故障注入，可模拟的故障包括母线断路故障、母线传输阻抗变化、母线负载阻抗变化等。模拟故障注入器实现作用于传感器网络的故障注入，其在传感器网络与数据采集层之间加隔离，可以在传感器信号中注入断路故障、短路故障、白噪声、偏置等。此外，在通道切换处可以通过继电器控制注入通道切换相关的开关故障等。所有硬件平台故障注入的前提是保证系统安全与人员安全。在软件平台目标对象功能节点模型库文件中，同样实现了基于软件处理的传感器故障注入功能。

本发明所提出的航天器电源系统健康管理验证评估环境，在电源系统模拟与故障注入平台，通过多通道切换设计与多种故障注入方法的实现，能够提供多样化的系统配置状态与故障注入场景，为健康管理技术的验证与评估研究提供了基础。在软件部分，基于SoS架构提出了开放式、分布式、可扩展的验证评估环境架构，将健康管理系统的不同层次功能模块与验证评估模块部署于运行支撑环境之中，由运行支撑环境协调各功能节点的运行。目标对象功能节点模型库文件中整合了硬件平台数据采集与系统控制的驱动，作为软硬件平台的桥梁，为软件平台提供系统运行原始数据，数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点与验证评估节点根据具体的功能节点需求订购数据源。验证评估功能节点实现验证评估指标体系的计算，对故障诊断节点、故障预测节点的运行效率与性能进行统一的量化评价。数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点都可由用户自由配置，构建针对航天器电源系统的不同健康管理技术的验证评估环境，满足对健康管理技术设计阶段开发、调试、验证与评估的需要。

Claims (7)

1.航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：所述的验证评估环境系统采用基于SoS(System of Systems)的开放式、分布式、可扩展的软件架构，包含运行支撑环境与功能节点组，运行支撑环境包含一个运行管理器与多个节点驱动器，功能节点组包括目标对象节点、数据处理节点、故障诊断节点、故障预测节点与验证评估节点；所述的验证评估环境系统包含一个电源系统模拟与故障注入硬件平台，包括充电部分、蓄电部分、负载部分、加电单元、控制单元；

所述的验证评估环境系统在软件设计上对功能节点实现解耦，以提高架构核心运行支撑环境的通用性并解决不同功能节点间的复杂交联耦合问题，解耦的具体方法为将功能节点的交互逻辑、信息接口与节点具体行为进行分离，在验证评估环境系统中交互逻辑由运行支撑环境负责，节点描述文件作为信息接口，而节点子系统中只需编写功能节点的具体行为；

所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，使用了一种基于时间与事件的运行推进机制，在验证评估环境系统中数据源头目标对象节点中设置运行时钟，并设定一定的运行时间推进步长，采取时间推进的方式；其他节点根据各自功能选择时间推进或事件推进的方式，由时钟与事件共同对验证评估环境系统内的运行流程进行控制，一次运行推进的周期包括输入数据的获取、运行结算与输出数据的打包发送；

所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，使用了一种基于发布订阅模式的验证评估环境系统数据交互机制，每个节点的输入输出数据信息都定义在节点描述文件之中，节点驱动器读取输入输出数据信息并通过远程交互传输给运行管理器，运行管理器的节点信息表中维护着每一个功能节点的基本信息与交互信息，根据节点信息表中的内容，为每一个功能节点做数据分发，统一协调不同功能节点间的数据交互。

2.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：所述的验证评估环境系统软件平台采用的分布式架构，是以运行管理器为中心的星型拓扑结构，健康管理系统不同层次的功能模块部署为不同的功能节点，由节点驱动器分别加载与驱动，并通过节点驱动器连接到运行管理器，由运行管理器维护不同功能节点的协调运行。

3.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：运行管理器的软件结构采用层次化设计，分为用户界面层、逻辑控制层与功能实现层，其中功能实现层采用模块化设计，便于软件的维护与扩展；用户界面层的操作界面支持运行管理器的启动与关闭控制以及相关参数的设定；逻辑控制层中的逻辑控制器负责系统运行的主体逻辑；功能实现层包含通信服务器模块、数据管理器模块与节点信息管理器。

4.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：节点驱动器的软件结构采用层次化设计，分为用户界面层、逻辑控制层与功能实现层；用户界面层包含一个公共窗体与一个节点窗体，公共窗体提供的功能有节点子系统模型库文件的装载、系统运行流程的控制、交互关系的设置与信息实时显示；节点窗体是特定功能节点的显示和操作界面；逻辑控制层中的逻辑控制器负责系统运行的主体逻辑；功能实现层包含定时器模块、通信客户端与模型驱动器。

5.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：节点描述文件中定义功能节点的接口信息，包括基本信息表、输入变量表、输出变量表、预备指令表、初始化指令表、结束指令表；基本信息表中包含功能节点模型文件名称、路径、类型基本信息；输入变量表和输出变量表分别描述模型运行推进时的输入输出信息；预备指令表、初始化指令表、结束指令表包含运行推进预备时、推进时、终止时的操作指令；节点驱动器根据节点描述文件进行功能节点模型的加载与驱动。

6.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：所述的电源系统模拟与故障注入硬件平台包含充电部分、蓄电部分、负载部分、加电单元与控制单元；各部分共同包含了对象系统、传感器网络、数据采集与驱动控制。

7.根据权利要求1所述的航天器电源系统健康管理验证评估环境系统，其特征在于：充电部分包含两路通道；其中一路为模拟光源、太阳能电池板、程控电源共同组成的太阳能模拟系统，该通道中由模拟光源产生光能，太阳能电池板完成光能到电能的转化并向外输出电能，传感网络在该通道中的传感器便采集实时电流电压值，在工控机端读取并将电流电压值进行一定比例的放大，驱动程控电源输出放大后的电流电压值至后续蓄电部分与负载部分，以此安全可靠地实现太阳能系统的模拟；另一路为太阳能电池模拟器模块，可以通过编程预设输出曲线，模拟太阳能电池板的输出变化；蓄电部分包含两路通道，一路为两个24V铅酸电池串联组成的48V电池模块，另一路为电池模拟器模块，可以通过编程设定输出曲线，模拟电池工作的正常与故障场景；负载部分同样包含两路通道，一路为四通道并联的真实负载，每一路的供电电压各不相同，负载均为并联的灯泡与风扇；另一路为程控电子负载，可以通过编程进行负载设定；控制单元由工控机、采集卡、传感器网络、继电器构成，该部分功能是状态采集与显示、故障注入的实现；母线故障注入器实现作用在充电母线和配电母线的母线故障注入，可模拟的故障包括母线断路故障、母线传输阻抗变化、母线负载阻抗变化；模拟故障注入器实现作用于传感器网络的故障注入，其在传感器网络与数据采集层之间加隔离，可以在传感器信号中注入断路故障、短路故障、白噪声、偏置；在通道切换处可以通过继电器控制注入通道切换相关的开关故障。

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