航天发射场地面设备健康管理系统方案设计

夏良华 XIA Liang-hua

（装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京 100072）

摘要：根据OSA-CBM，合理地划分了航天发射场地面设备健康管理系统的层次，描述了数据采集层、数据处理层、状态监测层、健康管理业务层和表示层；设计了状态监测、过程控制和管理运行等主线业务；说明了航天发射场地面设备的分系统，设计了分系统的基本架构。设备健康管理系统方案设计对于实现科学的设备维修管理具有重大作用。

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关键词 ：健康管理；基于状态的维修；航天发射场；原型系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0139-03

基金项目：总装某部科研资助项目（2010SY4308002）；中国博士后基金项目资助（2005038514）。

作者简介：夏良华（1970-），男，江西新建人，副教授，博士，主要研究方向为装备健康管理理论与应用。

0 引言

航天发射场测试发射地面设备是遂行各项试验任务的重要保障，特别是关键设备一旦发生故障，势必影响整个试验任务的顺利完成。建设航天发射场地面设备健康管理系统，可以有效地解决当前航天发射场设备管理中存在的三个方面问题，即设备管理知识与设备技术知识的融合问题，信息系统和技术设备的信息获取及融合问题，以及不同厂商的技术设备的信息融合问题，从而达成更全面的互联互通、更完整的信息获取、更深入的智能决策[1]，并实现全方位的设备健康管理目标。

1 原型系统的层次设计

1.1 原型系统的层次划分 根据OSA-CBM（Open System Architecture for Condition-Based Maintenance）的要求，融入云计算、物联网等现代信息化手段，论文采用从下至上（Down-Top）分层方法来设计航天发射场地面设备健康管理系统方案[2][3[4]，将航天发射场地面设备健康管理系统划分为五个层次，从下至上分别是数据采集层、数据处理层、状态监测层、健康管理业务层和表示层，如图1所示。

1.2 原型系统的层次描述 设备健康管理原型系统设计方案由传感器→信号处理器→健康状态评估服务器→设备综合健康管理机等组成设备健康管理系统。具体如下：①首先利用各种传感器（例如压力传感器、电流传感器、加速度传感器、温度传感器等）对各个分系统的组成设备进行数据采集。②利用信号处理器对采集到的数据进行处理。③处理之后的数据再经过健康状态评估推理机进行诊断推理。④如果设备的健康状态恶化严重，将触发健康状态报警装置，产生设备维修管理需求。这主要是实现OSA-CBM的数据采集、数据处理和状态监测三层的功能，而且每个设备的这三个功能都相对独立。⑤然后从状态监测层输出的数据经过交换机输入到设备健康管理系统中，在这个业务层里，结合历史数据信息、知识数据信息等，对设备进行剩余寿命预测、维修决策等，实现设备的健康管理功能。⑥表示层是直观展现给设备操作人员、维修人员、管理人员等的设备的各种信息，包括设备基本信息、健康状态信息、剩余寿命信息、维护信息等。

该方案的优点是：一是采用这种方案开发出来的设备健康管理系统，可靠性、可维护性以及可测试性好，这对于设备健康管理系统的有效运行非常必要；二是该方案不严格区分各个分系统的诊断和预测方法，各个诊断和预测方法都是以组件形式提供的，这样整个设备健康管理系统的规模将大大减小，提高了整个系统的效率；三是该方案可以实现设备状态信息数字化、设备健康管理现场清晰化、设备故障诊断智能和设备维修智能化等。

2 原型系统的主线业务设计

航天发射场地面设备健康管理系统设计方案中的五个层次（数据采集层、数据处理层、状态监测层、健康管理业务层和表示层），可以设计成由状态监测、过程控制和管理控制等主线业务贯穿而成。

2.1 状态监测业务设计 航天发射场地面设备健康管理系统的状态监测层由传感器→信号调理器→数据采集器→作业平台等构成。状态监测业务主要是运用传感器对航天发射场地面设备进行在线监测或离线检测，提取有效的设备健康状态数据。在状态监测层，在线监测业务应该做到：①实时监测设备关键部件的主要参数，实时掌握设备的健康状态，从而建立预知性维护模式、减少突发生性故障发生，提高设备可靠性，降低维护成本；②异常自动申报并触发任务，将任务推送到维护人员的交互界面，改变以往被动的工作模式；③通过对关键部件的实时监测，大幅减轻点巡检的工作量。

状态监测业务可以运用数据分析软件对获取的数据进行状态分析，得到比较准确的分析结果，对地面设备的运行状态整体掌控，为地面设备的维修、保养提供有力依据。状态分析应该做到：提供设备状态分析工具，通过时域图、频域图、过程数据帮助技术人员分析设备劣势倾向，从而进行针对性的维护、维修，将故障消除在萌芽状态。

2.2 过程控制业务设计 过程控制业务主要是对两大类过程进行控制：一是管理过程；二是执行过程[1]。

2.2.1 管理过程控制 管理过程控制的主体是相关部门负责人和设备管理人员，目的是及时掌握地面设备健康状态、维护保养情况及相关反馈信息。在管理过程控制中，相关部门负责人和设备管理人员可及时、直观地监控地面设备的运行状态，并通过图表直观地分析备劣化倾向及设备效能变化，为设备使用、维修决策提供准确的数据支撑；及时掌握现场作业人员的设备操作、检测、维护保养等情况及相关反馈信息。可在管理过程界面选择所需要的信息（如：油液信息、振动信息），及时掌握地面设备的最新状态，并可通过图形分析工具对设备状态进行分析，以便快速作出正确的决策。

2.2.2 执行过程控制 执行过程控制的主体是设备操作人员、设备监（检）测人员和设备维修人员，目的是直观、及时、高效地发现和解决地面设备出现的健康状态问题。在执行过程控制中，对于操作人员来说，应该工作任务一目了然（例行保养、试验任务）、作业标准化、操作信息与管理层对接、操作进程实时显示等，特点是：直观、标准作业化、工作进程目视化；对于监（检）测人员来说，应该点检任务清晰展示，通过在线监测设备重点部位大幅减少其工作内容，岗位工作能力要求可降低、工作周期可延长，特点是：直观、简单、精简人员配置；对于维修人员来说，应该工作任务实时更新，工单现场录入，提高工作效率，执行结果及时反馈，特点是：简洁、直观、智能。在执行过程控制界面，不同角色的操作者以刷卡触发的形式，进入各自的任务界面，根据系统提示的工作内容进行实际工作。在页面中操作者可查询调用到工作需要的指导性文件，也可查询工作进度和历史记录，当工作中发现异常情况时可及时利用所设置功能进行异常报送。各类作业平台，应方便各岗位工作开展，建立有序、标准、便捷、高效的现场作业模式，同时将现场工作人员的日常工作与知识体系紧密融合，为航天发射场设备健康管理系统过程控制获取有效的基础数据。

2.3 管理运行业务设计 管理实施业务的主体是高层管理者和系统设计人员，目的是通过信息技术，构建有机、集成的航天发射场地面设备健康管理信息体系，将设备健康管理所涉及的计划、标准、安全、关键资源等航天发射场管控关注的对象统一管理[1][4]；全面掌握航天发射场地面设备的基本现状和使用情况，规范并加强设备基础管理，促进设备健康管理经验的积累与交流，同时支撑和实现设备管理绩效评价，为航天发射场地面设备健康管理的科学决策提供信息依据。

管理运行业务主要包括：再造与优化设备健康管理流程，达到设备健康管理流程标准化、规范化和精细化，提高设备健康管理效率；建立设备健康管理基础及其过程数据库，实现信息共享，便于查询、统计和分析，避免因人员变动等造成的资料和数据的缺失；提高设备可靠性和可利用率，减少设备故障停机时间，提升设备的综合效率；合理整合与配置航天发射场技术资源、人力资源、资金资源、备件资源等，达到资源利用最大化，提高维修工作的效能；借助信息系统及工具加强现场工作管控，实时掌握设备健康状态，全面跟踪记录维护维修过程，为设备健康管理提供准确及时的维护维修信息分析；利用信息系统实现备件库存预警机制实现采购——库存——消耗联动，降低备件库存及其备件成本；利用信息系统的数据处理能力，为航天发射场高层管理者决策提供科学依据；对设备健康管理业务体系内容进行分析，配置航天发射场设备健康管理门户，设计管理导航舱，展示工作流程，图形化工作指引等；提供数据建模工具、流程管理工具、功能开发工具、报表设计工具、系统集成工具等。

3 分系统的方案设计

3.1 分系统描述 航天发射场地面设备由许多子系统组成，子系统在功能上彼此相对独立，因此，可在每个子系统内部署单独的设备健康管理分系统，各分系统都与上层的设备健康管理系统有统一的接口。这样的设计可以隐藏各分系统的细节，使得设备健康管理分系统在“检查”各子系统的健康状态时，不必关心各子系统的内部机制。而各子系统内部的结构或健康管理算法发生变化时，只要保持接口不变，就不需要更改设备健康管理系统的软件程序。通过接口，这些分系统可以综合成一个整体，这种设计方法将设备健康管理系统的变化隔离到了各子系统的内部，对于不同的设备子系统来说，其健康管理分系统还可以进行进一步的分析和分离。

3.2 分系统基本架构设计 参考OSA-CBM思想，航天发射场地面设备健康管理系统的各个分系统按模块化思想设计基本架构[5][6][7][8]，充分考虑分系统与主系统、分系统之间的信息共享，预留通信接口。各个设备健康管理分系统基本架构包括传感器信号采集层、数据处理转化层、状态信息融合层和决策支持层，各层都能通过表示层显示相关内容，如图2所示。

设备健康管理分系统从下至上传递的是数据流，各种原始数据被逐渐抽象和融合后形成了可代表系统健康状态的信息；控制信号从上至下传递，用来获取越来越具体化的健康信息，以及在出现故障时，依照健康管理相关算法产生的或管理人员输入的维护策略对系统进行维修保养。

图2中，传感器1~传感器n位于子系统的各关键部位，用于采集环境温度、湿度等外界信息，以及电压值、电流值、功率值、振动、加速度、油液等内在信息。这些信息通过定义好的接口送至数据处理转化层，该层将不同传感器的原始信号进行转换与处理，并通过数据处理转化层提供给状态信息融合层。每一个传感器对应一个对象，我们用类和属性的方式来表示，系统通过相应的接口进行访问。当传感器更换或布局变化时，只需修改相应的类对象即可。在状态信息融合层中，封装各种不同的故障诊断、信息融合、健康状态评估、和剩余寿命预测等算法，算法的输入为通过处理与转化后的传感器数据，输出为经过推理计算后得到的当前设备部件的健康状态。状态信息融合层只向上层提供算法结果，至于具体的算法实现方法被隐藏在了对象内。当算法进行更改或调试时，只需要修改或重写相应的状态信息融合层中的类对象即可，不会影响到设备健康管理分系统的其它方面。

决策支持层根据当前的健康状态和剩余寿命预测信息来产生维修方案，如果在自主维修可以解决问题的范围内，则发送控制信号进行自主维修，如隔离故障点、启动冗余设备等。若故障程度已经危及任务的完成和人员的安全时，必须立刻发送信息通知操作人员，同时采取启动应急措施以最大程度地保证人员安全。

表示层不同于其它层，它可以与各层直接通讯，这样的好处是操作人员可以根据需要获取各种原始的信息，并直接对各层发送指令。为保证当各层数据结构出现变更时，表示层代码不改变。

航天发射场地面设备系统由各种不同的设备子系统组成，可以根据各设备子系统的健康状态来确定当前整个地面设备系统的健康状态。各个分系统中的决策支持层负责与设备健康管理总系统进行通讯，发送本分系统的健康状态，并接收总系统的维修指令。在数据交换时，系统采用XML对数据进行格式化，以确保数据的平台无关性。

航天发射场地面设备系统的各个分系统进行健康状态评估和剩余寿命预测时，还要构建CDatabase类和CKnowledge-base类来访问知识库和经验库，然后通过封装好的算法类进行整个地面设备系统的健康状态评估以及剩余寿命预测，并分析任务完成可能性和操作人员安全风险性，最后将评估、预测和分析结果发送到航天发射场地面设备系统的决策支持层，辅助高层管理者判断决策。

4 结束语

随着航天发射场发射任务的增多，设备健康管理的精细化程度要求越来越高，设备管理部门必须在航天发射场的统一战略部署下，建立适合航天发射场自身特点的设备健康管理系统，使设备健康管理从粗放型向精细化转变，实现航天发射场设备管理更高的安全性、可靠性。航天发射场地面设备健康管理原型系统的层次设计、主线业务设计以及分系统的方案设计，对于实现和优化设备健康管理活动、辅助维修决策以及推进航天发射场设备管理信息化建设具有重要意义。

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参考文献：

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