基于CPS 的裝備故障預測與健康管理體系架構

邵璐璐，牛 侃，于志超

（1.戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學，鄭州 450001；2.31007 部隊，北京 101309）

0 引言

隨著我軍信息化的不斷深入，越來越多的先進武器裝備配發(fā)部隊，極大地提高了我軍的信息化作戰(zhàn)能力，為“能打仗、打勝仗”奠定了夯實的現(xiàn)實基礎。然而，裝備的健康狀況是影響信息作戰(zhàn)能力的關鍵因素。傳統(tǒng)的裝備故障檢測集中于提取裝備的性能參數(shù)和錯誤日志，根據(jù)故障特征和錯誤日志中記錄的異常運行返回碼來進行分析、診斷。但現(xiàn)代戰(zhàn)爭是以聯(lián)合作戰(zhàn)為基礎的高科技戰(zhàn)爭，武器裝備是朝著復雜化、智能化、系統(tǒng)化和集成化發(fā)展的，故障的產生涉及各方面因素而不僅僅在于武器裝備本身，且每個故障都有可能產生嚴重的危害，給裝備的健康管理帶來極大地挑戰(zhàn)。因此，裝備的健康管理已然成為一個亟待解決的問題。

近年來，信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）這一新興研究方法成為各國關注的焦點[1]。信息化武器裝備具有復雜性、智能性、系統(tǒng)性和集成性等特點，利用CPS 技術可實現(xiàn)裝備健康管理科學性、實用性和高效性。依據(jù)CPS 的內涵和本質要求，對于裝備健康管理可構建“一硬、一軟、一網和一平臺”，即：感知和自動控制硬件、裝備健康管理軟件，武器裝備健康管理網絡和武器裝備健康管理智能平臺，從而形成一個閉環(huán)賦能體系。從CPS 技術的四大核心要素來考慮裝備的健康狀況，為裝備的故障診斷與維修提供新方法和新思路。

1 CPS 概述

1.1 CPS 的基本概念

CPS 最早由美國國家航空航天局于1992年提出[2]。由于CPS涉及多個學科且較為復雜，并且不同領域的學者對CPS 認識也有所偏差。因此，還沒有一個得到公認的定義。本文以文獻引用率為基準，列舉多個比較有代表性的定義。

Edware.A.Lee[3]等人在研究中發(fā)現(xiàn)，CPS 能夠集成不同的物理進程組件以及計算進程組件，進而對物理實體的運行過程進行核心監(jiān)控，在這個過程中，計算組件和網絡組件又能夠為物理實體所用，幫助其更好的感知和控制環(huán)境。

Shankar Sastrd[4]等人認為，CPS 的存儲能力、通信能力和計算能力過硬，這是其能夠對物理世界各類實體進行穩(wěn)定高效監(jiān)控的主要原因，其本質為網絡化的計算機系統(tǒng)。

美國科學家Baheti 和Gill 在文獻[5]中也給出了CPS 的基本概念，即CPS 是通過計算核心實現(xiàn)感知、控制、集成的物理、生物和工程系統(tǒng)。他認為，CPS 是融合計算與物理能力，能通過多種方式與人類進行互動的新一代系統(tǒng)。

《信息物理系統(tǒng)白皮書2017》則認為：CPS 就是信息技術和自動控制技術的集合，是一個能夠實現(xiàn)不同要素（如人、機、環(huán)境等）高效協(xié)同和相互交互的復雜系統(tǒng)，這些要素來自于信息空間和物理空間，完成了不同空間中各項資源的合理配置，同時能夠按照需求進行快速迭代和動態(tài)優(yōu)化。CPS 系統(tǒng)的實質就是構建一個基于數(shù)據(jù)自動流轉的閉環(huán)賦能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成信息空間和物理空間之間的實時分析、科學決策和精準執(zhí)行功能，進而有效規(guī)避復雜性因素和不確定性因素對系統(tǒng)運行產生的影響，最終達到提升資源配置效率、資源優(yōu)化的目的。

本文認為，CPS 是一種在多種信息技術的基礎上，能夠對海量異構數(shù)據(jù)進行處理和融合，具備高度協(xié)調性和自制能力的新一代智能網絡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依托于物聯(lián)網以及無線傳感器網絡等基礎設施，可以更好的適應復雜的環(huán)境，完成對海量異構數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高效處理。

1.2 CPS 關鍵環(huán)節(jié)

CPS 的關鍵環(huán)節(jié)包括四個環(huán)節(jié)[1]，即狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精確執(zhí)行，如圖1所示。

圖1 CPS環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)閉環(huán)圖

在物理空間中的隱性數(shù)據(jù)需要經過狀態(tài)感知從而形成顯性數(shù)據(jù)并傳遞到信息空間；在信息空間中的顯性數(shù)據(jù)在進行計算分析后進一步形成有價值的重要信息；大量的信息經過集中處理形成對外部變化的科學決策，將信息轉化為知識；最終這些知識以優(yōu)化數(shù)據(jù)的方式作用于物理空間，完成數(shù)據(jù)的閉環(huán)流動。

1.2.1 狀態(tài)感知環(huán)節(jié)

狀態(tài)感知是指利用相關技術手段實現(xiàn)物理世界中隱性數(shù)據(jù)顯性化。在裝備健康管理這一過程中蘊含著大量的隱性數(shù)據(jù)，比如裝備指示燈、裝備運行時的溫度、裝備的運行機理、裝備運行的外部環(huán)境，等等。利用傳感器和物聯(lián)網等數(shù)據(jù)獲取與采集技術，狀態(tài)感知就能夠將隱藏在裝備后的隱性數(shù)據(jù)傳到信息空間，成為顯性數(shù)據(jù)，這也為后續(xù)的實時分析階段提供了數(shù)據(jù)來源。

1.2.2 實時分析環(huán)節(jié)

實時分析是指利用相關數(shù)據(jù)處理分析技術對顯性數(shù)據(jù)進行再加工，成為可認知的信息的過程。實時分析能夠探索物理實體狀態(tài)和邏輯域、時空域之間的相關性，并能夠找到物理實體狀態(tài)和這二者之間的因果聯(lián)系。由于大量的原始顯性數(shù)據(jù)并不能真正體現(xiàn)物理實體的內在聯(lián)系，因此，通過實時分析環(huán)節(jié)可挖掘其內在關系。在處理數(shù)據(jù)時，采用聚類分析法、深度學習法、數(shù)據(jù)挖掘法和機器學習法，能夠獲得更加透明化的顯性數(shù)據(jù)，便于人們更加直觀科學的理解這些顯性數(shù)據(jù)中所隱藏的信息。

1.2.3 科學決策環(huán)節(jié)

科學決策是指對直觀的可理解信息的綜合。科學決策在歷史經驗的基礎上，結合實際情況后，為了達到一定的目標，根據(jù)對現(xiàn)實的評估和對未來的預測后所做出的最佳決策。該環(huán)節(jié)是CPS的關鍵步驟，形成最佳決策用以對物理空間實體進行控制。科學決策是對實時分析得到信息后的科學判斷，隨后將已經得到的信息轉化為知識，這些知識經過層層迭代將會構成知識庫。

1.2.4 精確執(zhí)行環(huán)節(jié)

精確執(zhí)行才能夠真正實現(xiàn)科學決策。在信息空間中所得到的決策只有通過精確執(zhí)行環(huán)節(jié)，才能夠真正實現(xiàn)于物理空間中，而信息空間中的科學決策，也需要以數(shù)據(jù)的形式作用于實體裝備上。由此可見，信息空間的決策轉化為物理空間中實體裝備的可執(zhí)行命令，必須依賴精確執(zhí)行，進而實現(xiàn)最高層次的要求。

2 基于CPS 的故障預測和健康管理體系結構

2.1 單元級CPS

單元級CPS 是CPS 層次結構中最小的、不可分割的基本單元。單元級CPS 的實質是通過物理硬件、自身嵌入式軟件及通信模塊對物理實體進行狀態(tài)感知、計算分析、科學決策并最終控制該物理實體，從而構建最基本的數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)，實現(xiàn)了物理世界和信息世界的交互。

圖2 單元級CPS體系架構

圖2 給出了武器裝備故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）單元級CPS 體系架構。該單元級CPS 架構主要可細分為兩大部分：其一是物理裝置；其二是信息殼。物理實體包括武器裝備和人及裝備電子標簽、傳感器和與外界交互的裝置等，是物理過程的實際操作部分。裝備電子標簽用以定位裝備型號、編號及配發(fā)單位番號；傳感器用來檢測、感知外界的信號、物理條件及化學組成。信息殼的功能主要體現(xiàn)在感知、控制、計算、通信等方面。信息殼是物理世界中重要的接口，該接口滿足信息世界與物理裝置的連接需要。武器裝備配發(fā)的管理軟件可類比為信息殼的作用，通過管理軟件可進行裝備使用情況日志采集、分析與控制，同時通過與中心管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

2.2 系統(tǒng)級CPS

圖3給出了武器裝備故障預測與健康管理系統(tǒng)級CPS 體系架構。每一個單元級CPS 可類比為一個作戰(zhàn)單位，多個單元級CPS 通過網絡，可以實現(xiàn)更大范圍、更寬領域的數(shù)據(jù)自動流動，實現(xiàn)了多個單元級CPS 的互聯(lián)互通，提高了資源配置的廣度、深度和精度。因此，通過CPS 總線可以將多個作戰(zhàn)單位集成在一起，形成系統(tǒng)級CPS 體系結構。同時該體系結構的功能還包括協(xié)同控制、數(shù)據(jù)互操作、邊緣網關、互聯(lián)互通等。其中數(shù)據(jù)互操作、邊緣網關、互聯(lián)互通的作用主要體現(xiàn)在異構集成單元級CPS 等方面；協(xié)同控制，即聯(lián)富力城、協(xié)同控制各個單元CPS；監(jiān)視與診斷的作用是實時監(jiān)控、診斷單元級CPS 以判斷其是否具備相關能力。

圖3 系統(tǒng)級CPS體系架構

在武器裝備故障預測與健康管理這個問題上，每一個作戰(zhàn)單位根據(jù)單元級CPS 狀態(tài)感知、計算分析和科學決策，可以初步判斷裝備故障所在，從而進行精準執(zhí)行，消除故障，這樣實現(xiàn)了局部的自組織、自配置、自決策和自優(yōu)化；由于技術限制和實際情況，一旦故障沒有解決，大單位的系統(tǒng)級CPS 的監(jiān)視與診斷功能發(fā)現(xiàn)該作戰(zhàn)單位這一級的單元CPS 沒有能力解決，發(fā)出向上傳遞指令，該單元級CPS 通過網絡將故障分析報告向上傳遞給大單位，即通過CPS 總線傳遞到系統(tǒng)級CPS，系統(tǒng)級CPS 進行分析決策，通過遠程診斷和維護，保障武器裝備的健康情況。

2.3 體系級CPS

圖4給出了武器裝備故障預測與健康管理體系級（System of System，SoS）CPS 體系架構。多個系統(tǒng)級CPS 的有機組合構成了SoS 級CPS。SoS 級CPS 主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚，其中包含十分豐富的功能，比如大數(shù)據(jù)分析、分布式計算、數(shù)據(jù)存儲，等等。此外，還可基于數(shù)據(jù)服務進行故障診斷、進行裝備健康性能管理。與此同時SoS 級CPS 還可基于大數(shù)據(jù)平臺，促進跨平臺、跨系統(tǒng)的并聯(lián)與互通，集成多源異構數(shù)據(jù)、促進數(shù)據(jù)共享、交換且可構成完整的閉環(huán)自動流動。在武器裝備故障預測與健康管理這個問題上可全面感知深度分析信息，實現(xiàn)科學決策、精準執(zhí)行。針對無法利用大單位解決的故障問題，向最高級的CPS 進行傳遞，由總部專家進行分析判定，從而給出問題關鍵所在。

圖4 SoS級CPS體系架構

3 結束語

本文從CPS 的概念、特性和關鍵環(huán)節(jié)等方面對CPS 進行介紹，詳細討論了基于CPS 的裝備故障預測與健康管理的體系結構，分別從單元級CPS、系統(tǒng)級CPS 和SoS 級CPS 進行了分析，在此基礎上，給出了該架構在電子信息裝備方面的應用案例，并指出了應用中的關鍵點。本文提出將CPS 引入電子信息裝備的健康管理中來，但也只是給出了基于CPS 的PHM 體系結構，下步的工作重點在于通過實地調研，收集電子信息裝備保障各要素的技術需求，詳細設計該平臺的功能模塊，并進行平臺測試。