基于AHM技术的五性及综合保障技术平台建设方案

基于PHM技术的维修保障信息化
平台建设方案
2011年1月
目录
1.概述..................................................................................................错误！未定义书签。

1.1背景..........................................................................................错误！未定义书签。

1.2发展规划.................................................................................................................2-4
1.3目的.........................................................................................................................2-4
2.PHM技术的发展............................................................................................................2-5
2.1国外相关技术发展.................................................................................................2-5
2.2PHM技术................................................................................................................2-6
2.3国内发展状况.........................................................................................................2-7
3.基于PHM技术的维修保障信息化平台........................................................................3-8
3.1平台构成.................................................................................................................3-8
3.2体系构成.................................................................................................................3-8
3.2.1.测试用例分析............................................................................................3-8
3.2.2.实时的状态监控与故障诊断分析............................................................3-9
3.2.3.维修优化分析............................................................................................3-9
3.2.
4.维修资源优化............................................................................................3-9
3.2.5.维修管理系统..........................................................................................3-10
4.设备选型.......................................................................................................................4-10
4.1测试用例分析软件Silver+TestWeaver................................................................4-10
4.1.1.Silver+TestWeaver软件背景...................................................................4-10
4.1.2.Silver+TestWeaver分析原理...................................................................4-11
4.1.3.Silver+TestWeaver软件分析流程...........................................................4-11
4.1.4.Silver+TestWeaver软件分析流程...........................................................4-12
4.1.
5.软件性能..................................................................................................4-13
4.1.6.Silver+TestWeaver主要用户...................................................................4-14
4.2实时状态监控与故障诊断软件VSE...................................................................4-14
4.2.1.Diagnostician............................................................................................4-15
4.2.2.Diagnostic Profiler...................................................................................4-16
4.2.3.Prognostics Framework............................................................................4-17
4.2.4.........................................................................................................................国际应用 4-21 4.3维修优化软件EXAKT.........................................................................................4-21
4.3.1.EXAKT软件简介....................................................................................4-21
4.3.2.EXAKT输入&输出.................................................................................4-22
4.3.3.EXAKT能干什么？................................................................................4-22
4.3.4.EXAKT收益............................................................................................4-22
4.4维修资源优化软件系统SPAR TM.........................................................................4-23
4.4.1.SPAR TM总体说明....................................................................................4-23
4.4.2.SPAR TM工作原理....................................................................................4-23
4.4.3.SPAR TM应用............................................................................................4-24
4.4.4.SPAR TM特性............................................................................................4-24
4.4.
5.成功应用..................................................................................................4-25 4.5维修管理系统软件AMOS...................................................................................4-25
4.5.1.AMOS简介..............................................................................................4-25
4.5.2.AMOS组成..............................................................................................4-26
5.软件配置.......................................................................................................................5-28 5.1软件报价...............................................................................................................5-28
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军用航空业的发展，对新型军机的维修保障提出了各位严格的要求。

只有维修保障技术都达到一定水平后，才能保证装备的高战备完好性。

国际军用航中，美国的洛克希德马丁、波音与欧洲的空客公司在飞机的论证、方案、设计、使用、维护、保障等各个阶段都关注于飞机的维修保障性能的提高，以及经济性的降低。

波音公司最初预期波音787"梦想飞机"与波音767-300ER等同一座级的飞机相比,维修成本节省15%.2005年,波音787可节省维修成本的预期提高到20%.到2006年,波音787可节省的维修成本的预期猛增为30%。

波音787减少维修成本的关键要素是在复合结构嵌入先进的状态监控系统(PHM)。

与波音767相比，波音787的机械系统复杂性减少了50%以上。

而空客的A380飞机，空客公司则切实的从可靠性和降低直接维修成本的角度来设计飞机，为其设定的维修保障性能以及经济性指标远远高于空客A340-600型系列飞机的指标。

空客A380的可用性指标是在飞机投入运行两年内，使用可用度达到99%。

同样，洛克希德马丁公司的F35联合攻击机在追求高的维修保障效率的同时，也在追求F35战斗机的经济性，而其战备完好性、经济性得以实现的根本保证就是采用了基于PHM技术的维修保障信息平台的应用。

由此可以看出洛克希德马丁、空客以及波音在维修保障信息化方面工作的开展都离不开PHM技术的应用。

而中国的新型战斗机、运输机的发展要实现高的可用性、经济性以及战备完好性，同样需要借鉴洛克希德马丁、波音、空客的经验，将PHM 技术在装备的寿命周期内系统的开展。

目前世界各个国家的军用飞机的维修成本都是相当的高，飞机的维修成本高，跟很多因素有关，其中最为关键的一环，就是对飞机自身状态未知，导致各种不必要的维修以及不必要的换件。

而通过从设计角度来减低飞机的维修费用，成为各飞机供应商的竞争的热点。

尤其是在洛克希德马丁、空客以及波音三大飞机公司。

同时飞机由于故障延误，将降低飞机品牌效应。

因此对飞机的设计高可靠性、高维修性提出了更高的要求。

而洛克希德马丁的F350则加强了可测试性与可维修性的设计思想是：力图用最新的技术，优化飞机的可测试性和可维修性；同时又要做到在维修时用到最少的新技能和新程序步骤。

这是考虑到在使用过程中，最先进的飞机将和其他飞机一起做维修维护检查，维修的差异性越小，相关维修人员对新型飞机的适应性将越好。

洛克希德马丁在设计阶段还通过改进飞机原有系统和增加新的状态监控系统提高F35的可维修性。

洛克希德马丁公司投入空前的努力用于F35的系统故障检修，并在自检设备领域取得很大发展。

洛克希德马丁公司的F35上安装了很多状态监控传感器，并通过机载维护系统OMS和机载信息系统OIS对飞机进行全面监控。

这两个系统是F35的机载网络和神经中枢，不但能收集飞机各系统、发动机汇总到驾驶舱的信息，可为飞机操控、维修应用软件提供支持，并可与地面设施链接。

机载信息系统能够提供自检功能，通过查询系统，飞行员能够迅速查明任何微小故障，并能够在有利时机安排查询/纠正，并确定飞机是否能够在故障状态下继续飞行。

而故障信息则可通过实时数据链提供给地面维修人员。

飞行员还可通过机载维修系统进行简易的故障检修。

当今世界，新军事革命方兴未艾，大量新技术不断涌入战争领域，极大地改变着战争的形态，也推动了武器装备后勤保障方式的变革。

随着装备的高科技含量急剧增加，其后勤保障在武器装备尖声中的地位也日益突出。

1.1 发展规划
（根据本所的实际情况，自行添加）
1.2 目的
本文的目的是在分析五性以及综合保障关键技术以及需求的基础上，提出建立“维修保障信息化”平台为目标，这一平台的建设不仅满足当前我所新机研制需求，而且为将来实施产品维修保障提供技术支持。

平台的建设应达到以下目标：
⏹建立测试、维修、保障协同研发环境；
⏹为将来我所实施产品维修保障提供技术支持；
⏹实现型号飞机的全寿命周期费用最低
⏹提高飞机的维修、测试、以及诊断能力等固有特性
⏹实现飞机具有能保障、好保障的特性
⏹在寿命周期各个阶段，具有对维修保障保障相关方案的优化能力
⏹实现在型号产品的寿命周期各个阶段的信息化流；避免信息孤岛。

⏹提高研发效率，实现信息共享；
2.PHM技术的发展
2.1 国外相关技术发展
传统战斗机，包括F15，F16等系列飞机的保障方式仍然采用的是反应式保障。

即遵循“发生故障—检测隔离—定位故障—保障资源调度—维修”这一被动过程。

基于PHM技术的保障是一种全新的保障理念，不同于传统保障，基于PHM技术的保障能够辨识保障的需求、供应链管理、部件的可靠性、安全性等一系列相关信息以便支持和加强任务的执行。

基于PHM技术的后勤保障还是一种先导式的保障。

目前国际上最新型的战机，包括F35、F22等飞机，都已经采用了基于PHM技术的保障方式。

飞机的维修方式发生了较大变化，飞机故障处理全面采用计算机故障诊断，排故方法更加程序化。

飞机故障信息的收集、处理，故障隔离程序，修理程序，故障排除后的功能测试以及电子记录本的签署，将采用维修控制显示器（一种具有无线网络功能的笔记本电脑）来进行，极大地节省排故时间，提高工作效率。

而故障隔离程序的实现主要就是基于PHM 技术的发展与应用。

通过机载维护系统OMS和机载信息系统OIS对飞机进行全面监控。

这两个系统是飞机的机载网络和神经中枢，不但能收集飞机各系统、发动机汇总到驾驶舱的信息，还与客舱的监控装置相连，可为飞机操控和维修应用软件提供支持，并可与地面设施链接。

机载信息系统能够提供自检功能，通过查询系统，飞行乘员能够迅速查明任何微小故障，并能够在有利时机安排查询/纠正，并确定飞机是否能够在故障状态下继续飞行。

而故障信息则可通过实时数据链提供给地面维修人员。

维修控制显示器所显示的内容，是所有基于PHM技术定的维修保障分析的结果。

没有基于PHM技术的详尽分析，就不能出现维修控制器中的内容。

基于PHM技术的维修保障信息化平台由五大部分构成：飞机测试用例分析系统、实时状态监控系统、信息通讯系统、维修优化系统、保障资源优化系统。

如图1所示。

图1 基于PHM技术的维修保障系统的构成
在基于PHM技术的维修保障系统中，由机上PHM 提供的预测故障信息能够定位需要维修的部件，当器件在当地不可供的情况下，立即可从远程仓库定购以保证快速的维修行为得以实现。

机下 PHM 负责隔离在机上先前没有隔离的故障、执行预测性计算和部件的残余寿命计算，这些信息通过信息通讯系统通知供应链下一步应该做什么，以保证飞机的有效运行即战备完好性。

美国的军用航空都在大力发展上述技术，以便可以在节约运行和保障费用的基础上，提高系统的有效性。

其中，基于PHM技术的保障系统的核心技术是飞机健康管理(PHM)。

2.2 PHM技术
引入PHM不是为了直接消除故障，而是为了了解和预计故障何时将发生，或在出现未料到的故障时触发一种简单的系统维护活动。

也就是为了满足下列要求:第一，提高飞机的可运行率。

PHM使保障系统的运行能力能够充分发挥，并可以预计和延期维护活动。

第二，启动自主式后勤保障功能。

整个自主式物流链开始于飞机PHM系统预计或诊断事件，这些事件触发物流响应。

第三，降低系统寿命周期费用。

PHM可以消除虚警及不必要的拆卸，可以开发和融合所有可获得的数据资源，将故障准确隔离到单个LRU，以缩短系统修复时间。

第四，缩小保障规模。

PHM可以在减少测试和保障设备、减少人力和备件等方而发挥作用，使保障规模缩小。

第五，触发系统重构以满足运行可靠性。

PHM可以保证系统选择其最佳任务构型。

第六，推动视情维修。

PHM便于消除计划维修，代之以满足使用与保障费用目标所必需的视情维修。

第七，提供先进的现场诊断及测试。

PHM通过对系统当前和未来状态的准确、及时的分析，从而减少所需的装置，降低了维修人员的培训费用。

PHM 主要是利用先进的传感器（如涡流传感器、小功率无线综合微型传感器、无线微机电系统 MEMS）的集成，并借助各种算法（如 Gabor 变换、快速傅里叶变换、离散傅里叶变换）和智能模型（如专家系统、神经网络、模糊逻辑等）来预测、监控和管理飞机的状态。

PHM 实现了由传统的基于传感器的诊断转向基于智能系统的预测，反应式的通信转向先导式的 3R（即在准确的时间对准确的部位采取准确的维修活动），它极大地促进了视情维修取代事后维修和预防性维修的进程。

PHM具有如下主要功能：
●故障检测能力；
●故障隔离能力；
●针对选定元器件进行故障预测的能力；
●部件寿命跟踪能力；
●残余使用寿命预计的能力。

PHM系统一般具备故障检测、故障隔离、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等能力，通过信息通讯系统与保障系统交联，完成子系统、部件性能检测、故障诊断和预测等任务。

2.3 国内发展状况
XXX型号飞机的研发过程中，以及开始考虑，维修保障工作已经开始开展，但由于我国维修保障信息化工程起步较晚，很多方面和外国有着一定的差距。

目前我国开展综合保障工程还存在一些问题：
⏹缺乏从费-效角度对型号产品维修保障指标论证；
⏹缺乏系统的开展维修保障信息化工程的经验；
⏹缺少五性及综合保障相关的信息以及数据系统；
⏹缺乏专业的维修保障信息化的专业人才；
⏹在使用过程中对产品的故障数据、维修数据及其他供应链数据（历史/外场数
据）缺乏有效积累与合理利用
就国内目前现状而言，在维修保障信息化实现上还存在许多技术上的难度。

3.基于PHM技术的维修保障信息化平台
3.1 平台构成
要实现基于PHM技术的维修保障信息化系统，就必须从基于PHM技术的维修保障信息化平台的构成来考虑。

从而在飞机研制过程中考虑这些技术。

具体关键技术包括：
⏹装备的测试用例分析技术
⏹实时的状态监控与故障诊断分析技术（PHM）
⏹维修优化技术
⏹保障资源优化技术
⏹维修过程管理技术
结合我所的工作实际的管理、开展情况，将以上关键技术融入到具体的工作项目中，提出如下图的维修保障信息化平台。

图2 基于PHM技术的保障系统关键技术
由上图我们可知，基于PHM技术的维修保障信息化系统的关键技术主要包括：测试用例分析技术、装备实时状态监控与故障诊断技术、装备维修优化技术、装备保障资源优化技术、装备维修管理技术等。

因此在研发阶段建立起基于PHM技术的维修、保障信息化平台系统为目标的协作平台是非常有必要和有意义的。

3.2 体系构成
3.2.1.测试用例分析
在装备的设计阶段，为了精确的预测装备的各种故障问题，提出对装备开展基于仿真技术的测试用例分析，以确定装备在交付军方后，可能潜在存在哪些故障问题，根据可能出现的故障问题与故障原因的分析，确定装备的传感器布局。

以为装备的实时状态监控与故障诊断提供最优的输入源。

其具体的功能如下：
●支持对整个装备或设备的分析；
●具有合理的分析流程；
●考虑单点故障模式的影响；
●考虑多种故障模式组合的共同影响。

3.2.2.实时的状态监控与故障诊断分析
在装备的设计阶段，根据测试用例分析结果，确定装备的测点布局，根据测点布局的结果，采用基于PHM技术的故障诊断分析，以确定出测点与故障现象矩阵，生成诊断知识库，为实时的状态监控系统提供后台数据库，同时装备的实时的状态监控与故障诊断系统能读取装备各测试点的输出信息，将该测试点输出信息与后台数据库进行匹配，以确定装备的故障单元，并通过数据传输系统与记载告警系统相连，实现实时的状态监控与诊断。

具体功能要求如下：
●对装备的状态监控具有实时性；
●能读取设计图纸信息；
●所有的故障信息能实现实时储存；
●能读取装备的所有测点的输出信息
●故障隔离精确，不超过2个隔离度。

3.2.3.维修优化分析
通过测试用例分析与实时的状态监控与故障诊断分析，生成基于PHM技术的装备状态监控与故障诊断系统，而装备的实际使用过程中，需要制定预防性维修以对实时的状态监控进行补充，以保证飞行安全性。

飞机的预防性维修需要合理的计划，通过维修优化分析，确定飞机在每个预防性维修任务过程中，需要针对哪些单元开展哪些预防性维修活动。

以实现装备预防性维修具有最合理的安排，以保证飞机飞行的安全性、经济性与战备完好性。

具体的功能要求如下：
●能对装备进行维修更换优化、尤其是机械零部件或非电设备；
●精确制定维护计划：精确预测系统/零件剩余寿命；
●能对复杂设备进行维修预测；
●预测系统适用于系统与零部件。

3.2.
4.维修资源优化
装备发生故障或在发生故障之前，进行的各种维修，都需要多种维修资源，包括备品、备件、维修设备、维修人员、维修手册。

而装备的维修快速性一方面受故障诊断过程的影响，另外一方面受装备的维修资源的及时性影响。

因此维修资源的合理，往往能在很大程度上提高装备的战备完好性、可用性以及经济性。

因此本所需要对交付军方的维修资源进行合理的优化以保证装备在军队的战备完好性。

具体的维修资源优化功能要求如下：
●能对整个飞机系统、战斗群或单个设备开展保障资源优化；
●保障资源优化考虑保障组织体系
●保障资源优化考虑装备的冗余性
●能实现对一次性使用设备的优化，包括弹等。

●优化结果准确。

3.2.5.维修管理系统
装备的维修、保障的技术行为，需要一套完整的管理系统对维修保障的过程、维修保障的行为、备品备件的供应管理等进行有效的管理。

而装备的维修管理系统将实现这一功能，以保证装备的每一个维修行为得到合理的管理，装备在不同的维修级别、维修场所、装备的维修资源、维修设施、备品备件均得到合理的管理。

具体的功能要求如下：
●管理装备及其复杂的后勤任务；
●对所有的零部件（包括LRU,SRU）、所有的文件以及整个武器装备的配置的进
行管理；
●高效的管理计划的、非计划的、长期的与短期内的各种维修事件；
●“日常通知板”；
●质量保障工具，控制所有的维修；
●接口开放；
4.设备选型
4.1 测试用例分析软件Silver+TestWeaver
4.1.1.Silver+TestWeaver软件背景
Silver与TestWeaver联合运行组成测试用例分析系统；其采用的技术手段是基于模型与仿真的方法，通过基于模型的仿真手段进行测试用例分析。

其中Silver提供协调仿真平台，TestWeaver提供故障注入并进行仿真，得到测试用例分析结果，生成报告。

Silver与TestWeaver软件由德国Qtronic GmbH公司开发，Qtronic GmhH公司为当前国际上基于模型与仿真方法的标杆型企业。

随着复杂产品越来越多，尤其当控制软件与机械系统、液压系统、电子系统、电气系统交互时，产品会发生各种不可预测的故障模式与产品间不相匹配的问题，Qtronic GmhH公司通过基于模型与仿真的方法为设计工程师与验证工程师提供最为先进的手段与方法发现产品各种设计缺陷，生成
各种测试用例。

4.1.2.Silver+TestWeaver分析原理
通过TestWeaver控制输入信息（故障信息与单元信息），并根据建好的装备仿真模型（由Silver与Matlab共同创建），由TestWeaver触发仿真，并将仿真结果分为两大类，一类为正常响应，一类故障响应；将整个状态空间分解为离散空间，形成状态库，最终形成报告。

4.1.3.Silver+TestWeaver软件分析流程
Silver与TestWeaver协同仿真的分析步骤如下：
⏹首先通过Simulink/Matlab（或其他软件系统）构建系统仿真模型；
⏹在Modelica类型软件中构建软件分析模块；
⏹配置协同仿真环境，形成协同仿真环境。

见下图；
⏹通过TestWeaver设定仿真输入条件，并进行仿真，并对仿真结果进行分类；
⏹根据仿真结果，对系统进行优化，更改设计；并重新进行仿真；
⏹最终将仿真分析结果储存与数据库；
Silver与TestWeaver协调仿真分析步骤如下图所示：
4.1.4.Silver+TestWeaver软件分析流程
4.1.
5.软件性能
4.1.
5.1. 接口类型
MATLAB/Simulink, RTW, TargetLink, Dymola, Python
via Silver: AMESim, Simpack, SimulationX, and more
C/C++, for instance Microsoft Visual Studio
Testwell CTC++
4.1.
5.2. 解决问题类型
软件系统
◆除数为0，整数溢出、索引超出范围、访问冲突、算法错误等等
外部环境
◆气候；温度范围（- 40°C to 40°C）对滑油属性的影响
用户使用：各种非正常的使用方法
多组件同时故障
个体差异：制造公差；
随着时间的变化：组件参数值随着时间的变化；
内部环境：与其他设备的相互作用；
……。

4.1.
5.3. 其他性能
可以产生成千上万种仿真事件；
仿真速度极快；
无需手动写脚本语言；
支持并行计算。

4.1.6.Silver+TestWeaver主要用户
4.2 实时状态监控与故障诊断软件VSE
VSE－diagnostician公司是美国一家专门从事寿命预测、状态监控与故障诊断（PHM）的技术上市公司。

其技术应用主要在欧美军用武器装备应用，包括航空、航天、舰船、装甲系统等。

同时在民用系统也得到广泛应用，包括石油、化工、轨道交通、电力系统等。

其软件产品主要包括Diagnostician、Diagnostic Profiler、Prognostics Framework以及Operator Debrief软件系统。

VSE提供的PHM技术解决方案如下图所示。

4.2.1.Diagnostician
Diagnostician：是动态实时专家系统；（实时是指：推理引擎配置在系统中，以持续的监控数据，确定系统状态，并定位故障）。

Diagnostician读取测试或性能监控数据，并提供诊断；Diagnostician通过将读取对数据信息与诊断模型进行关联，实现诊断功能。

使用Diagnostician简化来测试程序（或IETM的Authoring），因为所有的诊断逻辑决策都以If…Then的分支形式提供在诊断知识库中了。

诊断模型由Diagnostic Profiler软件开发得到。

Diagnostician的实时性实现了自动诊断功能，并能与使用、维护测试环境进行无缝集成。

其诊断模型的研发工具（Diagnostic Profiler）辅助工程师开发实时诊断知识库。

Diagnostician的实时性也就决定了诊断是基于装备的实测结果。

这些工具的综合集成，最终实现节约大量研发故障诊断系统的时间、费用，并实现更高效的诊断。

动态推理与静态推理的不同：动态推理对诊断逻辑并非是事先固定的，而是根据测试数据（测试数据可能来源于各种数据、各种顺序、可多可少）而定的诊断决策。

而静态推理则是根据预先定义的顺序或来源于固定的测试数据源而得到的诊断决策。

4.2.2.Diagnostic Profiler
Diagnostic Profiler:是诊断模型开发工具；
在开发诊断模型过程中，为了实现实时测试的测试覆盖率，用户需要确定哪些测点结果是可以实现的。

而诊断模型主要根据产品的设计数据得到。

Diagnostic Profiler可以实现导入设计数据、定义诊断、进行测试性分析、产生实时诊断知识库和对诊断能力的V&V。

4.2.3.Prognostics Framework
Prognostics Framework：是开发、配置（部署）系统监控能力工具。

采用非常强大的基于模型推理技术来持续评估系统状态和即将发生的故障。

使用Prognostics Framework可以构建信息框架，组织与以下方面相关的数据：
1）系统状态；
2）系统执行超过规定时间间隔期要求的功能的能力；
3）需要维护的活动与维修的零部件。

在线状态监控
Prognostics Framework采用非常强大的、动态的推理能力进行持续的对系统状态进行在线评估。

诊断推理作为集成的系统功能一部分。

在系统运行过程中，Prognostics Framework读取系统运行数据、机内测试(BIT)数据以及传感器数据。

基于这些数据，Prognostics Framework使用其推理功能对系统健康状态进行连续评估，并确定已经存在的故障以及即将发生的失效事件。

系统模型开发
Prognostics Framework将系统运行数据、传感器数据、BIT数据与基于模型设计的系统进行关联，然后进行诊断推理。

该模型由Prognostics Framework开发工具开发。

其根本的设计架构由CAD数据直接导入或直接创建系统模型产生。

开发人员定义系统运行中将被获取的测试与传感器数据，并定义数据与故障间的关系。

开发人员还定义算法与数学处理过程，这些算法与数学处理过程用于特征化失效条件。

如果有第三方预计技术，也可以将第三方技术进行直接或间接（利用其结果或过程）的集成在Prognostics Framework中。

推理器
Prognostics Framework实时推理器读取系统运行数据、BIT数据以及传感器数据，并对这些数据进行处理，基于系统模型分析数据，以评估系统健康状况。

推理结果包括：
◆故障检测
确定故障条件或故障事件什么时候发生；
◆诊断推理
根据测试结果与传感器读取的信息进行故障单元隔离；
◆预测分析与推理
监控信号/测量结果随着时间的衰退；
监控消耗品的耗损情况；
当被监控单元超出容许条件时，进行报警；
进行启发式推理；
集成第三方软件系统到Prognostics Framework中。

◆评估功能与任务能力
将已发生的、即将发生的故障与系统功能进行关联；
基于故障发生的情况下，确定哪些功能是不能实现的；
基于健康评估，确定哪些任务能/不能被完成；
当某些功能不能实现时，确定任务时间间隔期。

◆提供基于状态的维修
累积使用与耗损因子；
基于日历时间/耗损/使用，跟踪预防性维修时间要求；
跟踪预防性维修活动的性能；
对低层元器件或零部件进行序列号跟踪；
闭环记录维修程序的效能。