OSA-CBM標準適用性分析和航空應用探討

周圣林

（海軍裝備研究院，北京 100073）

1 OSA-CBM介紹

1.1 背景

現代飛機各方面性能獲得了全面提升，其平臺結構本身包括機載設備也越來越復雜。而在使用中，傳統的做法是嚴格按照有關維護的規定進行機務維護，對于有些重要部件，需要定期的拆解，來進行檢查及判斷其工作狀態，往往由于頻繁的拆卸導致失效，同時對于某些“故障”的隱患又難以使用常規的檢查方法提前發現問題，從而導致用戶日常維護項目增多，故障的確定與定位的難度不斷增大，造成維護工作量大、時間過長、出勤率低和維護成本高。這種傳統的維護方式，已不能適應新一代飛機維修保障的要求。

近年來已提出了基于“狀態維修體制”（Condition Based Maintenance，CBM）。這種維修體制是以飛機的健康參數指標為基礎，實時監測系統的狀態，當預測到即將發生故障時，就立即進行檢修，這就能夠確保系統不會發生大的故障，同時還克服了維修過剩的缺點。這種維修體制作為一種改革現有航空業維修體制，已經成為航空業的發展趨勢和迫切要求。

1.2 定義（術語與縮寫解釋）

OSA-CBM（Open System Architecture for Condition-based Maintenance）：此標準是由MIMOSA（Machinery Information Management Open Standards Alliance）維護的關于基于狀態的維修系統設計的標準規范。

OSA-EAI（Open System Architecture for Enterprise Application Integration）：此標準是由MIMOSA維護的關于企業系統集成系統設計的標準規范。

TECH-CDE（Compound Document Exchange）定義OSA-EAI標準中CRIS數據庫的查詢、插入、更改以及刪除功能接口。

2 OSA-CBM標準適用性分析

2.1 OSA-CBM標準的基本介紹

OSA-CBM標準是以國際標準化組織的ISO 13374[3,4]為基礎制定，用于規范基于狀態的維修系統（CBM系統）設計，以及各CBM系統之間數據交換的開放標準。使用該標準可以有效的節省開發設計費用，提高系統的協作能力，增強產品及企業競爭力。標準對ISO 13374標準中定義的各層進行設計上的細化，同時提出層之間的數據交換接口，規定數據組織及交換方法，為CBM系統的設計奠定了良好的基礎，并提供了很好的指導。OSA-CBM規范最初由美國海軍募資由MIMOSA、ARL以及多個CBM技術應用企業（如波音）共同制定，由MIMOSA對標準進行管理。

ISO 13374是國際標準化組織對設備（或產品）的狀態監控及診斷的規范。該標準定義狀態監控及診斷的信息系統應遵循的一般綱領、數據處理方法、通訊要求、展現要求。在數據處理上，ISO13374規定通過6個層次來處理。

2.1.1 數據獲取層（DA）

收集模擬信號、數字信號以及手工數據，并把所模擬信號轉換成數據信號作為輸出結果。

2.1.2 數據處理層（DM）

負責信號處理（如數據過濾，傅立葉轉換FFT等）、同步或非同步平均、執行物理模型、神經網絡等算法、提取特征，并最終輸出帶有時間及質量指示的信息數據。這些信息包括提取的特征、時域到頻域的波形圖、算法計算的結果、虛擬傳感器數據、過濾后數據、時序數據（如采樣率）。

2.1.3 狀態檢測（SD）

負責從前兩層收集數據，并把這些數據與標準的基準線數據進行對比，從而得出各種特征數據的異常信息，包括是否超過警戒線，嚴重程度如何。同時SD會把特征數據、特征數據狀態指示信息、基準線數據等作為輸出數據提供給下一層。

2.1.4 健康評估（HA）

健康評估根據前面各層數據作出故障診斷，評估健康等級，定位故障件，產生維修建議，給出證據及解釋，并輸出結果。

2.1.5 故障預測（PA）

評估將來的健康等級、預測故障或失效、評估剩余使用時間（RUL）、產生維修或保養任務，并產生證據及解釋。

2.1.6 建議決策（AG）

根據前面各層的輸出信息產生操作維修決策、產生能力評價、產生推薦任務、產生證據及解釋。

OSA-CBM使用統一建模語言（UML）定義實現基于狀態的維修系統所需要的6個功能模塊（與ISO 13374中的6層對應）。OSA-CBM采用一種松耦合的多技術實現思想，型號總體單位、成品廠以及其它外協單位可以根據情況自行選擇自己希望實現的內容。比如，總體單位可以實現用于診斷或決策的健康評估（HA）、故障預測（PA）、建議決策（AG）模塊，而成品廠實現與傳感器等硬件接合比較緊密的數據獲取（DA）、數據處理（DM）、狀態檢測（SD）模塊。各模塊分工協作共同實現基于狀態的維修系統（CBM系統）。

2.2 OSA-CBM標準的實現原理

為了減少基于狀態維修系統（CBM系統）設計的復雜性，OSA-CBM標準已經定義了實現CBM系統所需的基礎類。包括接口規范、信息規范兩大類。信息規范定義了數據交換的數據格式、模塊配置組織形式、基本數據類型；接口規范定義了數據交換的接口類及方法。

2.2.1 接口規范

OSA-CBM為各層之間的數據交換方法提供4種可選方法：同步訪問、異步訪問、數據服務以及數據事件服務。各種訪問方法對應一個訪問接口，各接口通過不同的通訊技術實現相同的業務功能，可以根據應用需要實現其中的一個或多個接口。各接口提供的業務功能包括數據事件（數據處理的結果）請求功能、配置信息請求功能、輸入數據請求功能、控制信息請求功能、應用信息請求功能、錯誤信息請求功能、控制變換通知功能、應用變化通知功能。

2.2.2 數據交換格式

模塊與模塊或模塊與外部系統之間的數據交換是通過各模塊提供的接口服務實現的。交換的數據內容包括“數據事件集合”（DataEventSet）、“配置信息”（Configuration）、“輸入數據”（Explanation）、“控制信息”（ControlInfo）、“應用信息請求功能”（AppInfo）、“錯誤信息請求功能”（ErrorInfo）等。

數據事件集合（DataEventSet）包含一個或多個數據事件（DataEvent）類型的對象。數據事件（DataEvent）是各模塊數據處理的結果，由于各層對應的模塊輸出的參數形式內容都不相同，所以OSA-CBM針對各層均對數據事件（DataEvent）做了擴展。

為了提高數據分析的置信度，各模塊不僅僅請求上層各模塊的處理結果，還請求用于產生上層各模塊處理結果的參數數據以及條件數據。這些數據的交換通過Configuration、Explanation、ControlInfo、AppInfo、ErrorInfo等類型（參見OSACBM標準）來規范。

2.3 OSA-CBM標準的基本特征

2.3.1 標準化

作為一種新興的維修方式，由于各型號或設備的CBM系統在設計上參差不齊，成熟的數據處理邏輯不能重用，積累的歷史數據無法共享，系統實現難度大。據此，賓夕法尼亞州的MIMOSA（Machinery Information Management Open System Aliance）等組織經過研究，聯合提出CBM開放系統結構框架（OSA-CBM，Open System Architecture for Condition Based Maintenance）用于規范基于狀態維修系統的設計。

OSA-CBM從軟件系統設計上對OSA-CBM的功能、體系結構、數據交換、數據存儲、數據共享、功能模塊重用以及企業集成等多方面進行規范，旨在降低企業研發的工作量，提高OSA-CBM產品的互通性、可移植性、健壯性、開放性、可靠性以及功能的完整性。OSA-CBM定義了6個功能模塊，用于對基于狀態維修系統從數據采集到決策建議等功能進行規范；定義了接口規范、服務方法、存儲結構、系統組成以及數據處理基本過程以規范OSACBM產品的體系結構、數據交換及共享以及模塊的共享。

2.3.2 體系結構開放

MIMOSA是一個由供應商（包括生產企業總體單位、備件設備工具供應商）和終端用戶組成的一個非盈利性商業協會。該協會研發了開放的企業集成標準OSA-EAI，并公開該標準。OSA-EAI標準解決工程、維修、操作、可靠性等信息之間的信息孤島問題。OSA-CBM是對OSA-EAI開放標準中的“開放資產健康及使用管理（Open Asset Health and Usage Management）”的細化，也是一個開放的標準。OSA-CBM不僅公開對外數據接口，還公開CBM系統設計需遵循的體系結構，包括功能模塊組成、通訊方法、算法組織、數據結構、數據類型以及從信號采集到任務建議的數據處理流程的規定。CBM系統開發商可以免費選擇實現標準要求的部分或全部功能，從而節省研發成本，提高產品或數據的規范性、互通性、兼容性、可集成性。

2.3.3 與EAI標準結合

OSA-CBM設計考慮了與OSA-EAI的整合問題，OSA-CBM并不提供獨立的數據存儲器，而是通過調用OSA-EAI的數據存儲服務把數據存儲在OSA-EAI的企業應用綜合數據庫中。OSA-CBM定義的功能是OSA-EAI標準功能的一部分，OSA-CBM系統是OSA-EAI的一個子系統，所以OSA-CBM系統的實現實際上是對OSA-EAI企業集成系統的部分實現。OSA-EAI的數據存儲結構使OSA-CBM的數據結構在標準化程度上得到進一步的提高，使OSA-CBM數據不僅僅局限于基于狀態維修層面的規范，而是上升為企業應用及的規范。

2.4 OSA-CBM的優缺點

2.4.1 OSA-CBM的優點

2.4.1.1 降低費用

由于使用OSA-CBM可以使系統集成商或開發商不必花費大量的時間去建立新的私有系統架構，可以節省大筆架構費用。由于標準把CBM系統的實現分成了多個功能組件，開發商不必完成完整的CBM系統，從而節省重復開發的費用。

2.4.1.2 專業化

使用OSA-CBM標準后可以把開發商從業務復雜、專業分工多、參與單位多的完整的CBM系統的研發中解放出來，可以集中精力實現一個或少量的幾個領域的功能模塊。專業化的分工可以提供更好的算法核技術支撐。沒有條件研發出完整CBM系統的小公司，在應用OSA-CBM標準后也可以致力于一個或多個的功能模塊。

2.4.1.3 加強競爭

OSA-CBM允許所有的開發商使用相同輸入和輸出接口。CBM系統功能的分離使得可以直接使用功能進行比較。競爭不再是系統級，而是功能級。

2.4.1.4 增強協作

不僅僅加強了研發商之間的競爭，同時也加強了研發商之間的協作。把CBM系統劃分成不同的獨立模塊后，將允許多開發商協作完成整個CBM系統。一旦開發商都采用OSA-CBM標準，各模塊之間將可以無縫進行數據通訊。

2.4.2 OSA-CBM的缺點

2.4.2.1 標準資源少

OSA-CBM標準從開始研發到現在已經有十幾年歷史，然而與OSA-CBM相關的資料、樣例較少。國內也沒有該標準的成功案例。關于OSA-CBM的研究報告都比較簡單，不能用于指導CBM系統的研發。

2.4.2.2 標準難度大

另外，標準體系龐大，與OSA-EAI關系密切。特別OSA-CBM沒有獨立的數據庫，需要使用OSAEAI企業級的數據庫。所以在研究OSA-CBM的同時需要研究結構體系更龐大的OSA-EAI標準。

3 OSA-CBM標準在型號飛機中的使用建議

目前，OSA-CBM已經在國外擁有包括軍民在內的多家用戶，如波音、美國海軍。從1994年OSA-CBM開始研發以來版本已經經過多次更新，在設計上已經比較完善。在國內OSA-CBM依然在起步階段，近幾年有些單位正在研究該標準，但并沒有形成產品。而且基于狀態的維修在國內也屬起步階段，基于狀態的維修設計內容廣，學科多，周期長，參與單位多，原理復雜，需要研究攻克的技術難點多，所以在使用OSA-CBM標準進行系統設計前需要做好充分的風險評估或項目可行性分析。

在新型號飛機研制中，OSA-CBM標準在數據處理過程上6個功能模塊建議分別采用以下實現途徑。第1個模塊（DA），它直接與傳感器相連，一般情況直接集成在飛機上，由設備或成品廠負責完成。第2個模塊（DM）需要做特征的選擇，會依賴歷史數據、專家經驗、觀察報告等信息，建議由地面CBM系統來完成，可以由設備或成品廠或一些具備相應技能的單位實現。第3個模塊（SD）需要做模糊判斷，比如使用模糊邏輯或神經網絡的方法來判斷信號狀態。第4個模塊（HA）需要復雜的計算機軟件來實現對業務的支持。第5個模塊（PA）是6個模塊中最復雜，最難的模塊，主要實現故障或剩余使用時間的預測，并給出維修或保養任務。需要針對各行業（機械、機電、電子等）尋找對產品的實效機理或物理模型有研究背景的單位負責給出預測算法。第6個模塊（AG）是建議決策模塊，主要對HA模塊與PA模塊生成的維修保養任務再結合作戰任務等外部因素生成維修方案。上述第3至第6個模塊對IT技術的要求較高，建議由專業研究機構和IT公司參與完成。

4 結束語

雖然OSA-CBM已經誕生了十幾年，國內有關OSA-CBM的技術資料并不豐富，標準本身也不提供樣例程序，研發工作進展緩慢，目前有關OSA-CBM成功案例并不多。現代飛機以基于狀態的維修體制是航空業的發展趨勢和必然要求，飛機健康管理系統是實現基于狀態的維修體制的技術手段，OSACBM標準是飛機健康管理系統研制的技術基礎，它提供了程序研發的框架以及標準化和數據兼容性設計規范，可以極大降低研發費用，提高專業分工和協作中工作效率，縮短開發周期。因此航空工業應積極推動OSA-CBM標準應用和OSA-EAI企業系統集成系統設計的標準規范建設，發揮行業作用。

[參考資料]

[1] Open Systems Architecture for Condition-based Maintenance. Version3.2.1[S].

[2] MIMOSA's Open System Architecture for Enterprise Application Integration (OSA-EAI). Version 3.2[S].

[3] ISO 13374-1：2003 Condition monitoring and diagnostics of machines — Data processing, communication and presentation — Part 1：General guidelines[S].

[4] ISO 13374-2：2007 Condition monitoring and diagnostics of machines — Data processing, communication and presentation — Part 2：Data processing[S].