基于云邊協(xié)同的新一代機載預(yù)測及健康管理架構(gòu)設(shè)計

周國強， 王宇健， 周子涵

航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所,遼寧 沈陽 110035)

下一代制空作戰(zhàn)裝備在未來我軍裝備體系中的一大重要定位是作為穿透性打擊的重要裝備擊破敵方體系，同時在未來可以預(yù)見的高烈度沖突下，戰(zhàn)爭節(jié)奏快，戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，火力猛烈精確，因此裝備要具有遠航久航、高殺傷力和強信息對抗等特點，這些新特點對機載故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)提出迫切的新需求，例如：遠航久航需要關(guān)鍵故障實時預(yù)測，避免長時間留空時設(shè)備性能退化影響裝備作戰(zhàn)效能；高烈度戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，對安全狀態(tài)感知提出了更高的自適應(yīng)能力要求；隨著戰(zhàn)爭節(jié)奏加快，當(dāng)作為獨立作戰(zhàn)系統(tǒng)時，裝備需要根據(jù)自身健康狀態(tài)快速給出輔助任務(wù)決策，通過智能化的手段減輕飛行員操作負擔(dān)。

根據(jù)上述需求分析，在傳統(tǒng)機載PHM通過增強故障診斷保證“飛行安全、任務(wù)可靠、保障便利”的基礎(chǔ)上，下一代制空作戰(zhàn)裝備機載PHM技術(shù)應(yīng)進一步增強智能化水平，提升信息融合處理能力，實現(xiàn)關(guān)鍵故障精準(zhǔn)預(yù)測、安全狀態(tài)全面感知、輔助任務(wù)決策快速生成。

目前，傳統(tǒng)機載PHM部分劃分為飛機級、區(qū)域級和成員級3個層次，強調(diào)通過增強故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測提升飛機診斷能力。而面向下一代制空作戰(zhàn)裝備機載PHM功能需求存在以下問題：一是面向新需求，傳統(tǒng)機載PHM具有的狀態(tài)監(jiān)測和增強故障診斷功能無法滿足，需要進行能力提升；二是新增能力需要采集更多的趨勢分析數(shù)據(jù)、壽命信息等，且機載設(shè)備數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長，預(yù)計會達到TB級別，大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸會占用大量總線帶寬；三是傳統(tǒng)機載PHM中區(qū)域級和飛機級管理器無論飛機有無故障都要一直處理數(shù)據(jù)、診斷推理，占用大量的計算資源，而新增能力需要運行機器學(xué)習(xí)等人工智能算法，復(fù)雜的運算邏輯將會占用更多的計算資源，影響機載計算資源余量；四是傳統(tǒng)架構(gòu)中一旦飛機級管理器故障，會導(dǎo)致全機健康狀態(tài)無法準(zhǔn)確感知。因此急需設(shè)計一種具備更高信息處理能力的機載PHM架構(gòu)，開展數(shù)據(jù)與模型混合驅(qū)動的機載系統(tǒng)處理、網(wǎng)絡(luò)、軟件的統(tǒng)一架構(gòu)設(shè)計，形成分布式智能系統(tǒng)全機統(tǒng)一架構(gòu)系統(tǒng)方案，實現(xiàn)將整個系統(tǒng)融為一個具有綜合高性能的柔性整體的無節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中心。

分級分布、靈活可組是下一代制空作戰(zhàn)裝備機載架構(gòu)的發(fā)展趨勢，云邊協(xié)同是一種可以支撐開放式統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)的典型方法。云計算服務(wù)是一種集中式服務(wù)，所有機載健康數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆朴嬎阒行倪M行處理[1]。然而，面對數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長，基于云計算模型的聚合性服務(wù)逐漸顯露出了其在實時性、網(wǎng)絡(luò)制約、資源開銷上的不足。邊緣計算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型，這里的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計算中心之間的任意資源，其操作對象包括來自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)。邊緣計算模型和云計算模型兩者是互補關(guān)系[2]，邊緣計算節(jié)點對海量機載健康數(shù)據(jù)的處理可對云計算中心進行支撐，而云計算中心強大的計算能力和海量存儲能力也可為邊緣計算提供支持。云邊協(xié)同的聯(lián)合式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在支撐開放式統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)的同時，可以有效減少機載健康數(shù)據(jù)傳輸并可合理地動態(tài)分配計算資源，因此本文提出了一種基于云邊協(xié)同的新一代機載PHM架構(gòu)。

1 云邊協(xié)同概述及研究現(xiàn)狀

云邊協(xié)同的PHM架構(gòu)可以用較小的代價解決未來數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長以及現(xiàn)有機上PHM結(jié)構(gòu)實現(xiàn)新功能將需要占用大量計算資源的問題，因此研究云邊協(xié)同的PHM架構(gòu)是相當(dāng)必要的。首先簡要介紹一下云邊協(xié)同的含義，邊緣計算為云計算范式的延伸，它將資源和服務(wù)從云端的核心網(wǎng)絡(luò)中引入到設(shè)備端,是一個虛擬化的平臺，提供存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。邊緣計算在云計算的統(tǒng)一規(guī)劃下，遵照就近原則，節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間并減少占用帶寬資源，提高了系統(tǒng)的時效性且節(jié)省了成本，實現(xiàn)了裝備的“局部自治”；反過來云計算在邊緣計算的輔助配合下，將自身強大的計算能力充分發(fā)揮，為邊緣側(cè)分配對應(yīng)計算資源，保證體積小的邊緣計算節(jié)點也可以有足夠的能力處理設(shè)備數(shù)據(jù)。邊緣計算和云計算協(xié)同發(fā)揮自身的優(yōu)勢，互相彌補不足，為裝備機載PHM架構(gòu)的實現(xiàn)提供了一種全新的解決方案。

施耐德電氣與微軟Azure共同研發(fā)的Realift Rod Pump控制器在網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)了設(shè)備運行狀態(tài)實時分析和預(yù)測，目前已經(jīng)在油田行業(yè)中進行試點應(yīng)用。華為使用智能網(wǎng)關(guān)提供智能服務(wù)，對維護對象的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測和分析，預(yù)測維護對象可能出現(xiàn)的故障，并進行信息上報。云計算中心根據(jù)多個對象的綜合信息進行全面評估，并能不斷迭代和優(yōu)化邊緣節(jié)點運行的預(yù)測算法，實現(xiàn)動態(tài)部署[2，4]。GE公司在2012年推出了第一個為工業(yè)企業(yè)提供應(yīng)用和服務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析平臺——Predix平臺[5]，分為邊緣端、平臺端和應(yīng)用端3大部分。在2015年，GE公司將發(fā)動機的診斷數(shù)據(jù)遷移至Predix平臺，對發(fā)動機工作狀態(tài)進行監(jiān)控，通過準(zhǔn)確快捷的分析來捕捉更多有價值的數(shù)據(jù)，為發(fā)動機提供異常預(yù)警。

2 機載PHM功能架構(gòu)設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)機載PHM功能架構(gòu)設(shè)計

以F-35為代表的典型4代機PHM功能架構(gòu)采用基于狀態(tài)維修的架構(gòu)思想，將PHM系統(tǒng)工作原理劃分為7個邏輯層次，包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評價、故障預(yù)測、決策生成、接口/表達。其中機載PHM功能架構(gòu)如圖1所示，具體功能如下。

圖1 傳統(tǒng)機載PHM功能清單

① PHM數(shù)據(jù)采集、存儲：采集、存儲與PHM系統(tǒng)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，包含模型算法等。

② 狀態(tài)監(jiān)測：基于飛機狀態(tài)信息，判斷目前狀態(tài)與預(yù)期是否一致，從而實現(xiàn)故障/異常檢測的目的。

③ 增強故障診斷：在成品BIT能力有限的情況下，強調(diào)系統(tǒng)級、飛機級的診斷能力，通過增強故障診斷實現(xiàn)故障診斷和抑制虛警的目的。

④ 消耗品和故障信息回傳：在飛機返航階段，將消耗品使用情況和故障信息提前回傳至地面，觸發(fā)保障系統(tǒng)提前準(zhǔn)備。

傳統(tǒng)機載PHM功能架構(gòu)存在的問題包括：① 只進行了增強故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測，未進行故障預(yù)測和設(shè)備故障影響分析，無法實時評估飛機剩余任務(wù)能力和健康狀態(tài)，以及響應(yīng)故障狀態(tài)進行輔助任務(wù)決策；② 區(qū)域級管理器中故障診斷模型是固定不變的，不能根據(jù)外部環(huán)境、工況和飛機執(zhí)行任務(wù)動態(tài)調(diào)整，診斷能力有進一步提升的空間。

2.2 新一代機載PHM功能架構(gòu)設(shè)計

為在未來高烈度戰(zhàn)場環(huán)境和資源有限的地勤保障環(huán)境下保障航空裝備飛行員和飛機的生存能力，滿足未來先進航空裝備智能檢測與健康管理需求，具備在產(chǎn)品性能惡化前故障動態(tài)管理、故障條件下軟硬件資源在線重構(gòu)能力，以及裝備健康狀態(tài)和剩余任務(wù)能力綜合評估能力，支持未來先進航空裝備故障在線管理、智能化自主作戰(zhàn)、敏捷保障等作戰(zhàn)使用要求，新一代機載PHM功能補充了故障預(yù)測、健康評價、輔助任務(wù)決策能力，具體如下。

① 故障預(yù)測能力：實時給出設(shè)備故障預(yù)測發(fā)生時間，及時對故障進行管理控制，同時便于地面準(zhǔn)備保障資源，減少再次出動準(zhǔn)備時間。

② 健康評價能力：依據(jù)飛機裝備功能原理與故障機理，以增強故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測等設(shè)備級狀態(tài)信息為輸入，分析機載健康狀態(tài)傳遞關(guān)系，實時感知設(shè)備級健康狀態(tài)對裝備級功能狀態(tài)的影響。

③ 輔助任務(wù)決策能力：通過動態(tài)分析各分系統(tǒng)之間的容錯和重構(gòu)策略，準(zhǔn)確感知系統(tǒng)健康狀態(tài)，以最大限度保全飛機安全運行、最高任務(wù)的完成度等作為輸入信息，綜合評估飛機的剩余任務(wù)能力，支持作戰(zhàn)任務(wù)動態(tài)決策和機務(wù)準(zhǔn)備放飛決策。

基于云邊協(xié)同機載PHM系統(tǒng)功能邏輯層次如圖2所示，主要包括物理資源層、虛擬資源層、邊緣計算層、云計算層和用戶層[6-7]。

圖2 基于云邊協(xié)同的機載PHM系統(tǒng)功能邏輯層次

其中，物理資源層主要提供面向PHM的知識、軟件和硬件資源；虛擬資源層通過將物理資源云端化、虛擬化封裝，將資源轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_可識別的形式，為后續(xù)邊緣計算和云計算的調(diào)用提供支撐；邊緣計算層主要具備數(shù)據(jù)處理、故障預(yù)測等基礎(chǔ)PHM能力，可將診斷、預(yù)測等結(jié)果上傳至云計算層，有效減少機載健康數(shù)據(jù)傳輸，同時接收云計算層下傳的控制指令；云計算層具備健康評價、輔助任務(wù)決策、動態(tài)統(tǒng)籌規(guī)劃等頂層PHM能力，接收邊緣節(jié)點診斷、預(yù)測等結(jié)果進行綜合處理得到健康評價結(jié)果等，上傳至用戶層，同時接收用戶層下傳的操作、指令，并處理形成如資源調(diào)度、診斷策略優(yōu)化等控制指令進一步下傳至邊緣節(jié)點，合理動態(tài)分配計算資源；用戶層則為用戶提供人機交互界面，主要面向飛行員、地勤人員等，接收云計算層健康評價結(jié)果，輔助任務(wù)決策結(jié)果等，做出判斷并進行操作、指令等，下傳至云計算層[8]。

3 機載PHM物理架構(gòu)設(shè)計

3.1 傳統(tǒng)機載PHM物理架構(gòu)設(shè)計

以空客A340為代表的民機中央維護系統(tǒng)普遍采用集中式機載PHM架構(gòu)，飛行管理系統(tǒng)將功能失效信息發(fā)送至中央維護計算機(Central Maintenance Computer,CMC)，CMC同時還接收操作數(shù)據(jù)、綜合參數(shù)和維護數(shù)據(jù)，進行綜合處理后得出的LRU故障結(jié)果[9]。空客A340中央維護系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 空客A340中央維護系統(tǒng)架構(gòu)

以F-35為代表的軍機普遍采用集中-分布式架構(gòu)，成員層將有關(guān)信息直接交給區(qū)域級管理器，各區(qū)域級管理器將區(qū)域故障信息經(jīng)過整理后傳送給飛機級管理器，綜合確認并隔離故障，最終形成維修信息和供飛行員使用的知識信息[10]。F-35機載PHM物理架構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 F-35機載PHM物理架構(gòu)

3.2 基于云邊協(xié)同的機載健康管理物理架構(gòu)設(shè)計

為了保證不同任務(wù)層級的數(shù)字化裝備能夠順利地完成組網(wǎng)、資源分配、協(xié)同計算等服務(wù)，并滿足各種類型的作戰(zhàn)任務(wù)需求，在F-35機載PHM物理架構(gòu)基礎(chǔ)上，將區(qū)域?qū)尤∠M行扁平化處理，根據(jù)不同故障診斷和故障預(yù)測需求在設(shè)備、子系統(tǒng)或分系統(tǒng)處設(shè)置邊緣計算節(jié)點，并將飛機級管理器替換為云端健康管理模塊，基于云邊協(xié)同的機載PHM物理架構(gòu)如圖5所示[11-12]，圖5中列舉了典型的邊緣側(cè)計算節(jié)點，部分邊緣計算節(jié)點間可共享健康數(shù)據(jù)，如供電-發(fā)動機-液壓及供電-任務(wù)等，各邊緣計算節(jié)點將故障診斷及預(yù)測信息整理后發(fā)送給云計算層。云計算層通過對接收信息進行處理分析，綜合生成控制指令再反饋給對應(yīng)邊緣節(jié)點，快速生成供飛行員使用的輔助任務(wù)決策并將故障信息等傳送給地面PHM系統(tǒng)。

圖5 基于云邊協(xié)同的機載PHM物理架構(gòu)

針對上文所描述的集中式、集中分布式和基于云邊協(xié)同3種機載PHM物理架構(gòu)進行對比，如表1所示。

表1 機上PHM物理架構(gòu)對比

綜合來說，在可合理設(shè)置邊緣計算節(jié)點位置和分配計算資源的條件下，為滿足機載復(fù)雜邏輯運算和大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸需求，基于云邊協(xié)同的機載PHM物理架構(gòu)比較有優(yōu)勢且適用于下一代制空作戰(zhàn)裝備。

4 新一代機載PHM關(guān)鍵功能運行邏輯設(shè)計

新一代機載PHM系統(tǒng)的運行基于飛機裝備健康數(shù)據(jù)的高效處理，依托云邊協(xié)同的機載架構(gòu)，具備“實時狀態(tài)感知能力強、全機敏捷協(xié)同工作效率高、動態(tài)調(diào)整環(huán)境適應(yīng)性好”等特點，重點針對輔助任務(wù)決策、增強故障診斷和故障預(yù)測等典型功能運行邏輯進行規(guī)劃。

4.1 輔助任務(wù)決策運行邏輯

為方便說明輔助任務(wù)決策運行邏輯，將圖5簡化為圖6所示的基于云邊協(xié)同的機載PHM物理架構(gòu)。

圖6 基于云邊協(xié)同的機載PHM物理架構(gòu)

規(guī)劃基于云邊協(xié)同的機載PHM輔助任務(wù)決策運行邏輯如圖7所示[4,13]。

圖7 基于云邊協(xié)同的機載PHM輔助任務(wù)決策運行邏輯圖

所有邊緣計算節(jié)點都運行診斷程序，并將結(jié)果傳向云端健康管理模塊；當(dāng)有邊緣計算節(jié)點檢測到故障征兆時，進行故障預(yù)測，并將結(jié)果上傳至云端，云端開始輔助任務(wù)決策，預(yù)測剩余任務(wù)能力，提前進行故障管理，避免故障蔓延，合理規(guī)劃后續(xù)任務(wù)執(zhí)行；當(dāng)有邊緣計算節(jié)點上報故障時，云端控制系統(tǒng)響應(yīng)失效開展故障管理，例如進行系統(tǒng)重構(gòu)、故障恢復(fù)等操作；云端下達控制指令，相關(guān)邊緣計算節(jié)點協(xié)同工作，保證飛機安全與任務(wù)執(zhí)行，同時云端收集機載健康數(shù)據(jù)，評估失效影響，分析剩余任務(wù)能力，輔助決策是否繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

4.2 增強故障診斷及故障預(yù)測運行邏輯

云邊協(xié)同模式下，可以動態(tài)調(diào)整邊緣側(cè)增強故障診斷和故障預(yù)測模型，使診斷和預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，同時也會使健康評價結(jié)果更加精準(zhǔn)。以典型系統(tǒng)為對象，規(guī)劃基于云邊協(xié)同增強故障診斷運行邏輯如圖8所示[14-15]。

圖8 基于云邊協(xié)同的增強故障診斷運行邏輯圖

發(fā)動機邊緣計算節(jié)點收集轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，在邊緣計算層首先進行數(shù)據(jù)處理，然后進行數(shù)據(jù)分析，如果發(fā)動機進口溫度等參數(shù)符合當(dāng)前故障診斷模型，則邊緣層進行增強故障診斷，并給出結(jié)果；否則將發(fā)動機相關(guān)參數(shù)傳到云計算層，同時云計算層收到從飛控系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)上傳的環(huán)境、工況及任務(wù)信息，進行數(shù)據(jù)處理，以及環(huán)境、工況及任務(wù)綜合分析，生成控制指令更新邊緣增強故障診斷模型，給出故障診斷結(jié)果，并將故障信息和消耗品回傳至地面PHM系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

下一代制空作戰(zhàn)裝備機載PHM需求由機載增強故障診斷保證任務(wù)可靠、保障便利向飛機剩余任務(wù)能力實時評估、輔助任務(wù)決策快速生成轉(zhuǎn)變，而目前傳統(tǒng)機載PHM架構(gòu)為滿足新需求存在機載健康數(shù)據(jù)傳輸會占用大量總線帶寬和關(guān)鍵功能占用大量的計算資源的問題。云邊協(xié)同是一種可以支撐開放式統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)的典型方法，符合下一代制空作戰(zhàn)裝備機載架構(gòu)的發(fā)展趨勢，可以有效減少機載健康數(shù)據(jù)傳輸并可合理動態(tài)分配計算資源。在傳統(tǒng)機載PHM的基礎(chǔ)上，筆者提出了一種基于云邊協(xié)同的新一代機載PHM功能及物理架構(gòu)，進行對比分析，并闡述關(guān)鍵功能運行邏輯。

下一步的研究重點工作包含以下幾個方面：

① 設(shè)計適應(yīng)邊緣計算特點的虛擬化技術(shù)。邊緣計算的能力有限，虛擬化技術(shù)應(yīng)最大化資源利用率，使有限的資源在同一時間內(nèi)滿足更多的需求。

② 基于邊緣技術(shù)的傳輸優(yōu)化技術(shù)研究與實現(xiàn)。利用邊緣計算網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，針對不同類型的設(shè)備和應(yīng)用場景，提供靈活的接入方式與精細化的管理能力。

③ 云邊協(xié)同的算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與實現(xiàn)。將分布在不同位置的邊緣節(jié)點與云層連接起來，實現(xiàn)全網(wǎng)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)配，形成算力網(wǎng)絡(luò)。