基于MBSE的PHM開發(fā)平臺設計

王生龍，景 博，焦曉璇，潘晉新，崔展博

(空軍工程大學航空工程學院，陜西 西安 710051)

0 引言

故障預測與健康管理(prognostic health management,PHM)系統(tǒng)涉及大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信、人機交互、多系統(tǒng)交聯(lián)等多學科技術，具有復雜性、綜合性、信息化的特點[1]。隨著智能化時代物聯(lián)網(wǎng)、深度學習、大數(shù)據(jù)云計算等技術的出現(xiàn)，PHM系統(tǒng)的理論框架與功能結構有了新的發(fā)展[2]。然而PHM技術的集成與熟化仍然缺乏實踐與經(jīng)驗，對PHM技術的應用推廣非常不利。應用基于模型的系統(tǒng)工程(model based systems engineering， MBSE)以其模型化系統(tǒng)建模的優(yōu)勢，可以有效解決PHM開發(fā)平臺在設計階段面臨的瓶頸問題。MBSE方法論指導PHM開發(fā)平臺設計，可以有效降低設計難度，提高設計效率。

1 PHM開發(fā)平臺研究現(xiàn)狀

PHM開發(fā)平臺將PHM關鍵技術融合在硬件平臺中，集成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壽命預測等功能，針對不同設備對象、不同應用需求給出相應的解決方案，具有多功能、通用性的特點。

目前，國內外在PHM開發(fā)平臺上的研究多集中于算法仿真，PHM技術熟化程度不足。其中，周長紅[3]等使用LabVIEW與Matlab軟件建立了PHM仿真驗證平臺，可在軟件仿真層實現(xiàn)對不同民機架構的驗證評價；He[4]等針對醫(yī)療設備建立了PHM流程框架，在框架下以仿真的方法實現(xiàn)了設備軸承故障診斷，并給出了模型置信度；KWON[5]等提出基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的PHM架構，然而目前沒有相關標準對基于物聯(lián)網(wǎng)的PHM平臺提供支持。針對不同應用環(huán)境，國內外學者搭建了相應的PHM開發(fā)平臺。然而其在PHM開發(fā)平臺搭建上，僅聚焦局部功能，PHM平臺架構不夠完整，具有很大局限性。郭文浩[6]等使用LabVIEW設計PHM試驗平臺綜合控制器。該平臺功能僅局限于數(shù)據(jù)采集，沒有具備完備的PHM流程。Zhou[7]等提出一種故障診斷方法“CMFDK-MT”與相應的PHM架構。該研究僅針對機床設備多的故障診斷，缺乏通用性。

PHM開發(fā)平臺的設計與應用面臨許多困難阻礙，目前，PHM開發(fā)平臺的研究面臨以下問題。

①應用對象差異大。PHM技術廣泛應用在交通運輸、航空航天、網(wǎng)絡通信、工業(yè)能源等多個領域的多種對象設備中，如汽車、衛(wèi)星、軸承、海堤、機床、油井等。不同對象工作特性差別大，導致故障模型獲取難度大、模型驗證困難。

②應用環(huán)境變量多。不同設備的工況與應用背景有差別，其目的功能、應用空間、計算資源各有限制與需求，基于文檔的描述方式難以將具體需求與設備功能、系統(tǒng)結構緊密聯(lián)系，邏輯梳理不夠清晰，難以建立通用性的解決方案。

③PHM開發(fā)平臺系統(tǒng)復雜。PHM開發(fā)平臺具有功能豐富、結構復雜、交互性強的特點，結構化、半結構化、非結構化的多元、異構數(shù)據(jù)的傳輸、處理缺乏標準約束[8]。

針對設計中存在的問題，本文選擇應用MBSE方法論建立一個功能完善、通用性高、應用性強的PHM開發(fā)平臺體系架構模型[9]。與傳統(tǒng)的基于文本的系統(tǒng)設計方法相比，以MBSE指導平臺設計具有以下特點[10]。

①MBSE擺脫了傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法，采用集成的、清晰一致的系統(tǒng)模型描述設計開發(fā)全生命周期過程。MBSE模型之間有明確通信接口，模型內容具有一致性，設計更改方便，增強了系統(tǒng)設計文件的可讀性，提高了系統(tǒng)設計效率。

②MBSE在復雜系統(tǒng)設計中建立了標準的設計規(guī)范，提高了設計描述的準確性，打通不同設備、交叉學科之間的聯(lián)系，提高了復雜系統(tǒng)集成性，有效解決部件級、分系統(tǒng)級的功能、結構交聯(lián)描述不清晰的問題。

③MBSE采用一種面向對象的設計方法，統(tǒng)一的方法、參數(shù)、事件定義提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的可重用性，在不同應用場景下可靈活配置，提升了方案的通用性。

應用MBSE建模流程搭建的PHM開發(fā)平臺模型能夠從需求端出發(fā)，充分考慮不同應用場景需求，使利益相關者需求具有較強的追溯性。從不同角度對平臺具體細節(jié)進行詳細建模，對資源進行統(tǒng)一調度，避免了基于文本的系統(tǒng)工程方法帶來的定義模糊化缺陷。

2 基于模型的系統(tǒng)工程理論

基于模型的系統(tǒng)工程是一種應用建摸方法的方式，用于支持系統(tǒng)需求、設計、分析、檢驗和驗證活動。這些活動從概念設計階段開始，以模型為技術基線的一個組成部分，貫穿整個開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段[11]。MBSE在工程實踐中包含三大支柱:建模語言、建模方法以及建模工具[12]。

2.1 建模語言

建模語言是在建模過程中用于定義模型、表述模型關系的一種描述方法。SysML是一種標準化的圖形建模語言，由對象管理組織OMG 在統(tǒng)一建模語言UML2.0 的基礎上提出.SysML是UML的子集，并對UML2.0進行相關重構。

SysML圖[13]分類如圖1所示。

圖1 SysML圖分類

包圖(pkg):以包含模型元素的包的形式描述模型的組織結構與包含關系。

需求圖(req):描述基于文本的需求與其他需求、設計元素、測試用例之間的邏輯關系。

活動圖(act):基于行為模塊的輸入、輸出、控制信號描述工作流。

序列圖(sd):基于系統(tǒng)、分系統(tǒng)間信息交換順序建立描述特定行為的工作流。

狀態(tài)機圖(stm):描述事件觸發(fā)的一系列實例狀態(tài)轉換。

用例圖(uc):通過描述外部用例對系統(tǒng)的操作行為展示系統(tǒng)功能。

模塊定義圖(bdd):描述系統(tǒng)結構模塊的組成與分類。

內部塊圖(ibd):描述模塊之間的接口和交聯(lián)關系。

參數(shù)圖(par):通過等式與不等式定義屬性值的約束。

在系統(tǒng)工程實踐中，SysML旨在以圖形化的語言詳細描述系統(tǒng)結構以及內部模塊結構，采用MBSE方法建立一致性強、耦合度高的系統(tǒng)模型。

2.2 建模方法

建模方法是指導MBSE整體建模過程的理論與方法。定義了一套覆蓋系統(tǒng)設計開發(fā)全生命周期的建模流程。目前主要的MBSE建模方法論如下。

①HarmonySE。

HarmonySE是嵌入式軟件開發(fā)公司I-Logix提出的，用于大型綜合系統(tǒng)開發(fā)的建模方法。Harmony采用“服務請求驅動”的建模方法[14]，強調對功能和基于狀態(tài)的行為的確定和分配，而不強調功能的行為細節(jié)。(基于模型的系統(tǒng)工程最佳實踐)Harmony建模過程主要分為需求分析、功能分析、設計綜合三個步驟[15]。

②VItech。

VItech MBSE建模方法由四個并行的活動組成，分別為需求分析、屬性分析、架構綜合以及系統(tǒng)驗證。四個活動與系統(tǒng)總體設計庫連接，為總體設計提供設計模型，并維護系統(tǒng)設計庫的運行[16]。VItech方法強調模型的一致性與可執(zhí)行性，對建模流程進行分層處理，在完成每一層的模型分析設計后垂直進行下一層級模型的建立，確保了模型的整體性與收斂性[17]。

③OOSEM。

面向對象的系統(tǒng)工程方法(object-oriented system engineering method,OOSEM)由INCOSE公司于2000年建立，采用OMG SYSML自頂向下，基于模型的方法[18]。應用面向對象的思想及SysML語言進行系統(tǒng)建模，在對系統(tǒng)邏輯進行分解隔離及相關性分析的基礎上，將每個系統(tǒng)模塊視為對象進行繼承、封裝等操作。因此，OOSEM方法構建的系統(tǒng)模型重用性強，靈活度高的優(yōu)勢。OOSEM建模方法如圖2所示。OOSEM方法的系統(tǒng)開發(fā)流程主要分為需求分析、系統(tǒng)需求定義、邏輯架構定義以及設計架構綜合。

圖2 OOSEM建模方法

2.3 建模工具

建模工具是建模語言以及建模方法的載體，定義了建模語言使用的規(guī)則，為工程師提供友好的建模過程，便于工程師高效的建立系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)模型設計過程中，建模工具在底層將模型進行關聯(lián)定義。當模型元素變更時，建模工具將自動調整項目中所有模型元素。目前常用的建模工具包括:IBM Rational Rhapsody、MagicDraw、UModel[12]等。

2.4 小結

PHM開發(fā)平臺具有結構功能復雜的特點，對模型的重用性、靈活性提出了較高的要求。為使搭建的模型具有更廣泛的適用性、降低模型推廣難度，本文采用普及度較高的IBM Rational Rhapsody建模工具，使用標準化的SysML語言在面向對象的OOSEM方法指導下進行系統(tǒng)建模。

3 PHM開發(fā)平臺需求分析與定義

本節(jié)通過對利益相關者需求進行分析，導出系統(tǒng)PHM開發(fā)平臺的系統(tǒng)需求，并通過需求分析確定該模型中的用例與功能。

3.1 需求分析

PHM開發(fā)平臺為設備健康管理提供解決方案，將PHM技術理論研究具體應用在工程實踐中。PHM平臺操作流程如圖3所示。

PHM開發(fā)平臺操作流程可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、輔助決策三個階段。每個階段由設備管理者參與操作。設備管理者作為平臺操作者(即利益相關者)，對平臺的操作性能與應用功能具有相應的需求。

圖3 PHM平臺操作流程圖

①接收設備所搭載的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)通信暢通，支持相應數(shù)據(jù)傳輸接口。

③數(shù)據(jù)存儲能力強、存儲速度快、存儲可靠性高。

④數(shù)據(jù)處理準確度高，速度快。

⑤不影響原設備正常工作，盡量降低對原設備的改動。

⑥直觀展示設備健康狀態(tài)，操作簡潔。

經(jīng)過對PHM操作流程[17-18]以及利益相關者需求的分析，得到PHM開發(fā)平臺的系統(tǒng)需求。

PHM開發(fā)平臺的一級功能需求包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、可視化顯示三個模塊。數(shù)據(jù)處理的二級功能需求包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)預處理、故障診斷以及壽命預測模塊，功能需求模型表達了PHM功能的基本內涵。其接口需求“傳感器類型”“通信接口”，以及物理需求“采集通道”“配置方式”均體現(xiàn)了PHM開發(fā)平臺高靈活性、強通用性的特點。

分析得到的系統(tǒng)需求與利益相關者需求緊密關聯(lián)，并完全覆蓋其需求。

3.2 功能分析

PHM開發(fā)平臺需求圖對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、可視化顯示提出了具體需求。

用例圖展示了平臺系統(tǒng)級功能以及其與外界的信息交互。其中，外部輸入源包含發(fā)送指令的操作者以及傳輸設備檢測數(shù)據(jù)的傳感器，平臺內部的重要執(zhí)行機構為計算機的CPU。基于用例，對PHM開發(fā)平臺進行功能分析，并將PHM開發(fā)平臺功能在黑盒中進行表述，得到系統(tǒng)用例圖。

PHM開發(fā)平臺在接收到外部用例傳輸?shù)男畔⒑髨?zhí)行相應操作，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預測、模型訓練等主要功能。

4 PHM開發(fā)平臺架構定義與綜合

OOSEM建模方法遵循自頂向下的系統(tǒng)設計規(guī)律，在系統(tǒng)需求分析的基礎上得到了系統(tǒng)級用例及系統(tǒng)功能。下一步將對系統(tǒng)模塊內部與模塊之間的關系進行邏輯分析與綜合定義。

4.1 邏輯結構定義

根據(jù)以上設計分析，PHM開發(fā)平臺包括三個功能模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及可視化顯示模塊，數(shù)據(jù)流及命令流通過模塊之間的接口進行傳輸，以實現(xiàn)特定PHM功能。

數(shù)據(jù)采集模塊通過數(shù)據(jù)采集器與設備傳感器連接，在數(shù)據(jù)采集控制器的調度下實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實時采集，并將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的方式存入數(shù)據(jù)處理模塊中的數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)處理模塊要求在可視化顯示模塊接收到用戶下達的指令后，平臺執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)挖掘操作。其中，在線邊緣計算由配置在數(shù)據(jù)采集前端的邊緣計算卡執(zhí)行，且計算卡因其小型化、嵌入式的特點可進行分布式部署；離線數(shù)據(jù)挖掘由大數(shù)據(jù)平臺中的云計算模塊進行資源調度與算法實現(xiàn)。

可視化顯示模塊要求在可視化軟件中給予操作者友好的顯示與操作接口，以圖形化的設計對狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、故障診斷、壽命預測、算法訓練子模塊進行顯示。

根據(jù)以上任務要素的分析，得到以塊定義圖表示的系統(tǒng)結構圖，以內部模塊定義圖表示的系統(tǒng)功能流圖。

在完成系統(tǒng)結構與功能邏輯的分析后，按照數(shù)據(jù)流邏輯對功能活動進行建模。首先對系統(tǒng)中涉及到的參數(shù)進行定義，對活動圖中涉及的具體模型參數(shù)進行支持。在獲得模型參數(shù)后，對數(shù)據(jù)采集、邊緣計算、大數(shù)據(jù)挖掘等活動的具體流程進行建模。

大數(shù)據(jù)挖掘模塊在實現(xiàn)PHM功能中起到中心節(jié)點的作用，數(shù)據(jù)流、命令流傳輸頻繁，與外界信息交換接口復雜，故此處對大數(shù)據(jù)平臺進行內部模塊定義。

可視化軟件模塊是PHM平臺與操作者的應用接口，其軟件功能涵蓋了PHM開發(fā)平臺的所有功能，是用戶命令的發(fā)送源。其信號交聯(lián)、邏輯結構較為復雜。

4.2 系統(tǒng)架構綜合

經(jīng)過需求分析、功能模塊定義以及邏輯架構定義，PHM開發(fā)平臺的具體模塊功能運行邏輯已經(jīng)清晰。對獨立的功能模塊進行整合，得到PHM開發(fā)平臺整體工作流程圖。加入時間軸，分別對狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、壽命預測以及算法訓練進行序列圖的建模。

狀態(tài)監(jiān)控序列由用戶發(fā)起，通過點擊可視化軟件按鈕向數(shù)據(jù)采集器發(fā)出指令，由數(shù)據(jù)采集控制器對數(shù)據(jù)采集活動進行配置，設置采樣率、采集通道、存儲方式等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集活動開始后，可視化軟件接收數(shù)據(jù)采集器實時傳回的原始數(shù)據(jù)，并以圖表形式展示出來。

故障診斷/壽命預測序列由用戶通過可視化軟件發(fā)起，在軟件中對邊緣計算卡進行配置，選擇在線故障診斷/壽命預測算法模型以及數(shù)據(jù)通道；邊緣計算卡通過I/O接口接收，解析用戶命令，并調用計算卡存儲器中相應模型進行在線故障診斷/壽命預測。

算法訓練序列由用戶發(fā)起，在可視化軟件算法訓練子模塊中選擇離線訓練數(shù)據(jù)及智能算法文件后，發(fā)出模型訓練指令；大數(shù)據(jù)存儲模塊接收指令提取相應數(shù)據(jù)及算法文件，由云計算資源管理工具對計算資源及數(shù)據(jù)進行調度，實現(xiàn)離線分布式計算；在物理服務器上完成模型訓練與驗證后，更新大數(shù)據(jù)存儲模塊中的算法模型文件，并通過可視化軟件提示用戶；用戶可下達指令更新邊緣計算卡中相應的算法模型。

5 結論

本文通過OOSEM方法對PHM開發(fā)平臺關鍵要素建立模型。該過程包括需求分析、功能分析、邏輯結構定義以及系統(tǒng)架構綜合。使用SysML語言建立的圖形化模型具有直觀、清晰的優(yōu)點，面向對象的編程方式賦予模型以靈活性與可重用性。本文搭建的PHM開發(fā)平臺模型滿足設備操作者對設備健康管理的需求，功能豐富，具有嵌入式、分布式、小型化的特點，適用于多種應用環(huán)境，為PHM技術熟化提供了方法論支撐。