PHM模型的工程化验证方法研究

模型验证技术在故障预测与健康管理(PHM)系统研制中受到高度重视,特别是如何将验证方法在具体的工程应用中体现规范性、系统性、通用性和实用性,已成为亟待解决的技术问题;在分析国内外相关研究现状的基础上,对PHM模型验证方法进行了系统深入的研究,阐述了故障数据获取方法和故障诊断和预测性能指标体系,并以机载诊断模型为例,对PHM模型验证流程作了详细介绍;最后,将此方法应用到了PHM验证平台的设计、开发和具体实现中,充分体现了PHM模型验证方法的工程化特点。     

基于知识图谱的航空发动机PHM仿真验证平台设计

针对航空发动机PHM系统功能、性能验证要求高、验证内容多、验证业务复杂等实际问题,分析了国外先进航空发动机PHM系统开发验证情况及经验,提出了一种基于知识图谱技术的PHM仿真验证平台设计方法。该方法利用了知识图谱在具有的半结构化、高效性、直观等特点,实现了发动机PHM验证涉及到的故障模式、故障特征、算法模型及专家知识等大量信息知识的有效组织与管理。在此基础上,进一步面向发动机PHM验证数据量大、计算需求高等需求,采用大数据、数据挖掘、机器学习、云服务等技术,搭建了基于知识图谱的航空发动机PHM仿真验证平台,实现了数据挖掘与信息提取、专家知识获取、多层级融合诊断智能导向型推理等应用。最后,以某型发动机为对象,介绍了发动机PHM仿真验证情况。经实际验证结果分析,该文提出的PHM仿真验证平台能够有效解决航空发动机PHM系统可验证的历史故障样本少、验证功能单一等问题。     

航空装备预测与健康管理系统的验证方法概述

随着国内PHM(预测与健康管理)技术发展迅速,航空装备PHM验证与确认方法成为制约PHM技术成果工程转化的难点.针对上述问题,提出了PHM系统全寿命周期内的验证流程,明确了在需求分析、设计研制、使用与维护等阶段PHM验证与确认的具体内容与要求,结合PHM对象的特点,阐述了目前典型的航电PHM、机电/动力PHM、结构SHM的验证和确认方法.     

飞行器故障预测与健康管理(PHM)集成工程环境研究

故障预测与健康管理(PHM)技术能够实现故障监测、诊断、预测、状态评估及综合决策的功能,能够降低飞行器维修、使用和保障费用,提高飞行器战备完好率、任务成功率以及安全性和可用性;在分析了国内外研究现状的基础上,提出了构建飞行器故障预测与综合健康管理的通用化支撵平台和验证环境的设计思路,并展开描述了PHM开发环境、运行环境、验证环境的具体功能组成,研究成果能够为检验飞行器PHM系统工作效能提供有效验证,为降低飞行器PHM验证费用提供借鉴.     

国外故障预测与健康管理系统开发平台综述

在故障预测与健康管理(PHM)技术研究及应用中,PHM软件开发平台的研制尤为重要。简要介绍了PHM的概念和内涵,分析了国外几种PHM软件平台的发展状况,结合国内PHM软件平台设计和开发现状,提出几点建议,以期对我国PHM技术的发展和提高发挥一定的作用。     

美军F-35战斗机PHM体系结构分析

为借鉴国外状态预测与健康管理(PHM)技术的发展经验,促进大型平台实现从状态监控向健康管理过渡,文章回顾了美军PHM技术的发展概况,分析了F-35战斗机PHM的体系结构组成以及各模块的主要功能,总结了F-35战斗机PHM的工作流程,介绍了F-35战斗机PHM系统的发展现状及存在的主要问题,提出了对发展PHM技术的认识,为从事PHM技术工作者提供一些参考.     

航天器GN&C系统功能行为建模与仿真平台研究

在航天器近距离相对运动任务规划的研究中,为了实现验证对航天器制导、导航与控制(GN&C)系统的功能行为建模方法与仿真平台进行了研究.在分析了航天器GN&C系统的功能结构以及各子系统之间的状态约束,建立其功能行为模型的基础上,根据MVC(Model-View-Controller)设计模式搭建平台框架,综合利用Java/MATLAB/VC++,集成系统模型算法,驱动任务指令生成与调度,设计跨平台数据传输机制,完成仿真平台开发.系统仿真平台灵活开放,支持任务设计、规划功能,可实现飞行方案的仿真推演.     

数据驱动视角下飞机故障预测与健康管理系统设计及验证

由于故障预测与健康管理系统(PHM)是涉及多层次、多领域、耦合度高的复杂系统,很难从整体对PHM系统进行设计和验证,所以始终没有成熟的工具和方法;从数据驱动的视角,研究了飞机PHM系统设计及验证;以数据为主线,采用了4种方法实现PHM系统设计及验证:1)采用系统建模语言(SysML)进行PHM系统的架构设计;2)采用基于事件的方法将被观测系统的行为状态化,实现PHM系统中资源的充分利用,降低局部的资源压力;3)采用基于模型的推理方法,实现了系统状态模型的应用;4)采用多线程、异构能量耦合等方法定义了一个PHM仿真框架,并在该框架指导下开发了一个仿真环境,并针对机载配电系统设置了几种测试用例进行诊断推理,对提到的各种方法进行了验证;研究结果表明,上述方法是合理有效的,可以构建描述完整、资源均衡的PHM系统架构。     

数字孪生支持下的设备故障预测与健康管理方法综述

故障预测与健康管理(PHM)是设备运行维护管理的有效方法,早期主要应用于航天、军用装备等领域。随着故障诊断和数据采集与分析等相关技术的不断发展,PHM方法逐渐在民用航空、装备制造等领域得到应用,并进一步在多行业得到推广和普及。传统PHM方法有基于经验模型的方法、基于数据驱动的方法和基于物理模型的方法。但这些方法存在着不少的局限性。随着数字孪生技术的兴起,其模型和数据相融合的问题处理方法,可有效地解决传统PHM方法的不足,是PHM技术发展的一个方向。在对PHM相关技术和方法进行了研究之后,综述了数字孪生技术及其在PHM中的应用方法,并对应用中的关键问题进行了总结和分析,指出数字孪生支持下的PHM方法未来发展方向。     

基于MDA数据库开发方法研究

随着数据库规模的不断扩大,传统的基于E-R模型的数据库设计方法显得过于繁琐,且不能自动适应数据库平台的变更.为了解决上述问题,提出了利用模型驱动体系(MDA)开发数据库的新方法.介绍了MDA的基本概念、基于MDA开发过程等;重点研究了基于UML数据库平台无关模型(PIM)、平台相关模型(PSM)等模型的建模方法以及基于查询、视图和变换语言(QVT)的模型变换方法;并借助MDA工具,将该方法成功运用于实际的数据库开发活动之中.实践证明,基于MDA数据库开发方法是规范数据库开发过程、提高数据库开发效率和可重用性的有效途径.     

Industrial Design and Development Software System Architecture Based on Model-Based Systems Engineering and Cloud Computing

Oriented to the new generation of cyber-physical manufacturing, this paper introduces two breakthroughs of industrial design and development software system: model-based systems engineering (MBSE) and cloud computing. Based on the classic V model for product development, an MBSE double-Vs model is refined which takes both model life-cycle and product life-cycle into consideration for design process re-engineering. Then cloud computing and its re-structuring on traditional industrial software system are discussed. Shift from classic single approach, this research proposes an industrial design and development software system architecture based on model-based systems engineering (MBSE) and cloud computing. The new architecture is shown in a stereoscopic way which amply utilizes the respective advantages of MBSE and cloud computing. At the end of the paper, as an example of actual cases, a flight management system (FMS) design and development platform is detailed to verify the effectiveness of this new architecture. The implement of new system architecture creates an efficient collaborative mechanism for FMS developing.     

基于OSA-CBM的PHM系统设计

结合PHM系统的使用目标和飞机各运行场景下PHM实现场景,提出PHM系统主要实现的功能;对OSA-CBM开展研究,将PHM系统按照OSA-CBM的分层定义,并且以某型号的PHM系统设计为背景,提出了基于OSA-CBM的PHM系统设计框架;介绍了该PHM系统按照开放式体系架构要求开展的功能定义、层次划分,以及对每个层级的输入输出定义;以Rational ROSE软件为模型开发工具,建立了各层级间的数据流动关系以及同层级之间的数据传递关系,对端口、算法、时序、配置等信息以UML语言进行了规定;分别采用Visual C#2010和Matlab软件开发平台实现了不同层级的功能,最终共同搭建了PHM系统的演示平台,实现了数据采集层、数据采集层、状态监测层及健康评估层、表示层等层级功能,为后续PHM系统的多用户协同开发设计奠定了技术基础。     

基于MBSE技术的航天器电气系统设计技术

针对MBSE技术应用于航天器电气系统设计开展研究,建立从需求分析、功能定义、逻辑设计、逻辑实现及物理实现的完整的电气系统实现方案,分析了各个层级之间的映射及关联方法。针对航天器电气系统特点,提出了新的、系统的工程解决方案。以SystemWeaver为开发平台,以典型的飞行器管理平台为研究对象,至顶向下开展正向设计,根据顶层输入开展需求分析,面向功能需求进行功能定义,在符合相关技术标准、经验基础上利用逻辑设计及逻辑实现满足各项功能定义,最后通过物理层进行系统实现。构成基于MBSE航天器电气系统正向设计的完整流程。     

PHM仿真试验系统设计与应用

PHM系统是保障机载设备稳定安全运行的重要工具。通过构建PHM仿真试验系统,可以对系统架构、总线接口、数据处理、分区存储等系统功能进行仿真验证,以便尽早发现PHM系统设计初期存在的各种问题,及时对方案进行改进和优化,降低系统研制的风险。对PHM仿真试验系统的设计进行了研究,提出了一种PHM仿真试验系统设计与应用方法,从总体层次、软硬件设计等方面介绍仿真试验系统的组成和功能设计。搭建飞机级及各区域级的仿真设备,构建基于总线通讯的交联仿真网,支持数据、模型、流程等功能的仿真,并在最后给出了仿真试验的主要流程。实际应用表明,本方法能够较好地支撑仿真验证试验,从而缩短试验周期,提高研制效率,为系统设计工作提供支撑从PHM系统功能验证的角度为PHM系统研制提供支撑。     

Stakeholder-oriented systematic design methodology for prognostic and health management system: Stakeholder expectation definition

Prognostic and health management (PHM) describes a set of capabilities that enable to detect anomalies, diagnose faults and predict remaining useful lifetime (RUL), leading to the effective and efficient maintenance and operation of assets such as aircraft. Prior research has considered the methodological factors of PHM system design, but typically, only one or a few aspects are addressed. For example, several studies address system engineering (SE) principles for application towards PHM design methodology, and a concept of requirements from a theoretical standpoint, while other papers present requirement specification and flow-down approaches for PHM systems. However, the state of the art lacks a systematic methodology that formulates all aspects of designing and comprehensively engineering a PHM system. Meanwhile, the process and specific implementation of capturing stakeholders’ expectations and requirements are usually lacking details. To overcome these drawbacks, this paper proposes a stakeholder-oriented design methodology for developing a PHM system from a systems engineering perspective, contributing to a consistent and reusable representation of the design. Further, it emphasizes the process and deployment of stakeholder expectations definition in detail, involving the steps of identifying stakeholders, capture their expectations/requirements, and stakeholder and requirement analysis. Two case studies illustrate the applicability of the proposed methodology. The proposed stakeholder-oriented design methodology enables the integration of the bespoke main tasks to design a PHM system, in which sufficient stakeholder involvement and consideration of their interests can lead to more precise and better design information. Moreover, the methodology comprehensively covers the aspects of traceability, consistency, and reusability to capture and define stakeholders and their expectations for a successful design.     

基于模型的飞机电滑行系统设计与研究

详细介绍了基于模型的飞机电滑行系统的开发流程与方法,并对其进行了集成仿真分析。利用Matlab/Simulink建立了电滑行系统需求的行为模型,利用Simscape建立了电机物理模型,根据电滑行系统架构进行多专业的联合仿真,验证系统的功能、性能和接口信息等。通过模型的方式实现了对系统设计的分析和确认,实现系统的图形化设计与传递,以及系统需求、系统架构、仿真模型的可追踪与追溯性,在系统开发早期验证设计,能发现潜在问题,从而避免设计的迭代。应用集成仿真验证了模型在电滑行系统设计中的指导作用。     

基于PHM的数字化生产线健康管理体系结构研究

针对数字化生产线的自动化控制与诊断要求,结合当前的智能制造背景,以数字化生产线设备群为研究对象,对设备群健康管理体系结构做出分析,并设计开发了基于PHM的数字化生产线健康管理系统。首先借鉴了OSA-CBM的PHM技术体系结构,提出数字化生产线设备群PHM体系结构,然后应用组态技术在结构上对设备群监测系统进行设计研究,实现对异步、异构数据的集成应用,最后重点分析了对故障进行诊断的综合诊断平台和健康管理平台     

基于视情维修的电子装备PHM体系结构分析

为推行自主式保障理念,提高电子装备的综合保障能力,提出了一种基于视情维修的电子装备预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)构建方案。在分析PHM内涵和功能的基础上,从数据信息维、模型维和生命周期维3个维度研究了PHM系统结构,采用开放式PHM架构方式,建立了基于视情维修的电子装备PHM体系结构,并对其系统实现技术进行了探讨。通过对某型装备模拟训练与仿真测试系统PHM策略的设计,验证了所提方案的有效性。     

机载PHM系统软件设计与验证

针对现有PHM系统软件开发中存在的软件模块规范性差、复用率低和鲁棒性弱等问题,提出了一种基于OSA-CBM标准的构件化机载PHM系统软件设计方法,描述了机载PHM系统软件的构件化模型定义、功能框架、分层体系结构和软件控制流程;设计了机载PHM系统的构件接口和核心功能构件;实现了符合OSA-CBM规范接口的构件化软件。通过原型系统软件验证了构件化机载PHM系统软件设计和开发方法的正确性,表明了该方法能够提升软件的规范性、复用率、鲁棒性和可扩展性。     

面向复杂产品研制的MBSE体系架构及其发展趋势研究

基于模型的系统工程(model based systems engineering,MBSE)是一种将系统工程理论与数字化技术相结合的复杂产品研制技术,能够以系统工程思维有效驱动复杂产品研制流程,并以系统模型方式形式化地表达系统复杂交互作用.对此,首先以复杂产品研制背景、MBSE国内外发展状况为理论基础,总结并介绍目前MBSE在复杂产品研制过程中存在的问题;其次,以MBSE模型域、技术域、功能域、跨域支撑要素和应用域为研究层面,结合人工智能、数字孪生、数字主线等数字化技术综合考虑MBSE工程实践所需的关键要素,提出一种面向复杂产品研制的MBSE体系架构并进行详细论述;最后,基于该体系架构研判目前MBSE发展形势,并以数据模型为核心生产要素的角度进一步探讨未来MBSE的发展趋势.