基于云服务的指挥控制装备PHM体系结构

CommandInformationSystemandTechnology

指挥信息系统与技术

Vol. 7 No. 6

Dec. 2016

•实践与应用• doi: 10. 15908/j. cnki. cist. 2016. 06. 017

基于云服务的指挥控制装备

PHM体系结构

游凤芹张銮于荣

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

摘要：先进的故障预测与健康管理（PHM)技术是实现复杂装备基于状态维修（CBM)和自主式 保障的关键技术。分析了基于状态维修的开放体系（OSA-CBM)等典型的PH

M

体系结构，明确了

PHM

系统功能，结合云计算技术和指挥控制装备特征，采用分层透明和功能解耦的思路，设计了

面向云服务的指挥控制装备PH制和建设提供参考。

M

系统体系结构，阐述了其技术架构、功能组成、关键技术及实现

途径。该体系结构具有开放性、分布性和重构性等特点，可为指挥控制装备PH关键词：故障预测与健康管理；基于状态维修；云服务中图分类号：TP206. 3;

M

系统的设计、研

TP301 文献标识码：A 文章编号：1674-909X(2016)06-0087-06

Command and Control Equipment PHM Architecture

Based on Cloud Service

YOU Fengqin ZHANG Yin YU Rong

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

Abstract： The advanced prognostics and health management

(PHM) technology is the key tech­nology of condition based maintenance (CBM) and autonomic logistics for complex equipment. Typical architectures, such as the open system architecture for CBM (OSA-CBM) are analyzed. The function of PHM system is stated. By layer transparent and function decoupling method, in combination with cloud computing and command and control equipment characteristic, the com­mand and control equipment PHM architecture based on cloud service is designed. Its technical framework, components, key technologies and implementation approaches are analyzed. The ar­chitecture has open, hierarchical and reconfigurable characteristics, thus providing a reference for design, development and construction of the command and control equipment PHM system.Key words： prognostics and health management (PHM) ； condition based maintenance (CBM)； cloud service

〇引言

21世纪初，信息化指挥控制装备建设得以快速 发展，已广泛应用于总部及各兵种基层部队。指挥 控制装备是现代战争核心装备，具备使命重要、结构 复杂、技术含量高、维修难度大和保障任务重等特 点，与一般武器装备维修保障相比，具有更高要求。 目前，指挥控制装备保障方式以事后维修和定期维

收稿日期：2016-07-13

修为主，从故障报修到人员到达现场等待时间长、备 件不充分、故障排除慢且经济成本高，无法满足现代 战争和武器装备对装备保障的需求，因此需由基于

状态维修（CBM)取代。故障预测与健康管理 (PHM)技术是实现复杂装备基于状态维修和自主 式保障的关键技术，可诊断装备健康状态，有效预防 故障发生，科学制定维修决策，以便预先消除故障， 确保训练和作战任务顺利完成[1]。

88指挥信息系统与技术2016年12月

目前，PHM技术已广泛应用于英、美、加拿大 和以色列等国家，且形成了专业的PHM —体化软 件平台。美国Impact Technologies公司的PHM Design、Expert Microsystems 公司白勺 SureSense、 VSE公司的VSE-PHM和SMI公司的iTrend等典 型软件平台已应用于美国国家航空航天局（NASA) 和国防部下属的多个重点项目，如F-35战斗机[2]。 PHM Design是用于设计、开发、评估和发布PHM 系统的专业软件工具集，应用于美国F/A-18军用 飞机的多个PHM系统;SureSense支持开放式系统 架构（OSA)，支持机械、液压、电子、电气和结构等 专业的PHM软件设计与开发，应用于美国航天、航 空和船舶等行业；VSE-PHM是基于模型推理的专 家系统软件，应用于美国陆军综合防空作战项目、 SPS-48E雷达系统以及F-15监视系统；iTrend是基 于Web的远程PHM软件系统，应用于波音公司及 美国空军后勤中心飞机PHM系统。

国内的PHM技术研究起步较晚，目前正处于 起步和探索阶段，尚未推出成熟的PHM开发平台。 PHM系统可有效预防故障发生和科学管理维修活

动，对提高保障效能和降低保障费用具有重要作用。

因此，研究PHM技术并开发指挥控制装备PHM 平台意义重大。本文提出了基于云服务的指挥控制 装备PHM体系结构，旨在为指挥控制装备PHM 系统的研制和建设提供理论指导和参考。1 典型1.1

PHM体系结构

开放式

OSA-CBM体系结构是由美国波音公司牵头

10多家组织机构，综合各类PHM系统的设计思 想、应用技术和方法联合制定的，可用于指导机械、 电子和结构等应用领域PHM系统构建。目前，该 体系结构已在美国的舰船系统、飞机、民用车辆以及 其他工业领域中得以初步应用验证[3]。OSA-CBM 体系结构如图1所示。该体系结构将CBM系统分 解为数据采集传输、数据处理、状态监测、健康评估、 故障预测、决策支持和接口 7个层次，并定义了不同 层次间数据接口和通信协议，从而确保CBM系统 内部不同层次模块的互操作性和互换性。图中， BIT为机内自测试。

u

复杂系统

DDDr

图1

OSA-CBM体系结构

1.2集中式

集中式体系结构指PHM系统信息处理核心是 一个将信息收集、交换、处理、解释和应用集中于一 体的中央故障管理控制器或处理器。该体系结构适 用于小型的简单装备/设备，而对于组成结构复杂且 模块部件数量大的复杂装备不适用，原因为：1)随 着系统检测部件数与信号量增加，监测信号的收集、 分类和解释变得十分复杂；2)随着系统复杂性增 加，PHM系统的健康评估和故障预测不断增大，导 致执行效率下降[5]。1.3分布式

分布式体系结构指装备的各子系统(部件)独立 完成状态监测、故障检测和故障隔离等任务，并将各 自的健康状态信息直接传递给综合显示控制系 统[5]。该体系结构优点为：在子系统级实现健康状

数据采集传输模块对装备系统、子系统和部件 状态信息进行实时采集，获取监测对象的状态特征 参数，并进行简单的数据转换与传输;数据处理模块 对采集数据进行信号处理和特征提取，并将数据格 式处理成后继模块需要的格式；状态监测模块将采 集数据与预设阀值比较，并对故障进行报警;健康评 估模块接收状态监测模块数据，评估被测系统健康 状态，形成评估报告;故障预测模块综合利用各模块 数据，对被监测系统健康状况和剩余寿命进行预测； 决策支持模块根据健康评估和故障预测结果，通过 推理决策提出维修建议以及相应维修方案；接口模 块包括人-机和机-机接口，用于状态监测、健康评 估、故障预测和决策支持等模块信息显示，以及

P H M系统模块间、系统与其他系统间的数据信息 传递[4]。

第7卷第6期游凤芹，等：基于云服务的指挥控制装备

PHM体系结构

89

态信息的获取、处理、再生与决策，从而有效提高子

系统故障管理执行效率，降低系统级别的开销；缺点 为：各子系统测试结果未有效集成，无法有效利用健 康状态信息间的冗余信息，导致系统级诊断/预测的 可信度降低。

1.4集中分布式

集中-分布式体系结构综合了集中式和分布式 体系结构，设计时基于子系统考虑了 PHM能力和 集成融合问题，各子系统收集和解释用于系统状态 评估的信号，并将诊断/预测结果集中交由中央故障 管理控制器进行管理和决策。该体系结构可全面利 用冗余状态信息，有效降低了系统虚警率[5]。该体 系结构适用于结构复杂、产品层次多和模块部件多 的大型装备。2

指挥控制装备

PHM体系结构

2.1云服务

云计算是一种基于互联网的计算方式，可根据

用户需求动态提供IT资源。全球技术研究和咨询 公司将云计算描述为：一种新的运算方式，将可扩展 的和富有弹性的IT功能作为一种服务提供，以获 得更好的技术共享、增强自动化、快速动态改变、政 策驱动及面向服务、降低的复杂性以及自动响应。 云计算可有效降低成本、增加灵活性和提高可靠性， 使软件供应商能专注于提升业务价值[6]。

云服务是基于云计算技术提供的按需分配和可 计量的IT服务，可用于替代用户本地自建的IT服 务。云服务包括基础设施即服务（IaaS)、平台即服 务(PaaS)、软件即服务（SaaS)3种服务：1) IaaS提 供基本的计算、存储和网络服务；2) PaaS提供集成 开发环境和服务器平台等服务；3) SaaS基于Web 软件提供在线软件服务。

利用云服务技术可为指挥控制装备PHM系统 提供强大的计算、数据存储及资源共享能力。同时， 利用大数据分析和挖掘技术，提取指挥控制装备使 用运行、故障发生和保障资源消耗规律，对指挥控制 装备的健康状况和剩余寿命进行预测，为指挥控制 装备保障管理部门提供科学依据和决策支持。

2.2体系结构

基于云服务的指挥控制装备PHM体系结构基 于全军共用信息基础设施，利用云计算、物联网和移 动通信等技术，实现人、装备和计算机间的互连互 通，实时感知装备状态参数，为维修人员提供故障诊 断、健康评估和决策支持服务[7]，体系结构示意图如

图2所示。服务提供者通过服务注册和资源上传等 方式向平台提供资源和服务，服务使用者通过服务

查询和调用等方式获取服务。服务使用者需要在线 服务时，接入指挥控制装备，按需部署软件监测代理

和硬件监测设备，使平台能够采集到装备状态信息， 平台根据装备状态信息提供故障诊断、健康评估、状 态预测和决策支持等服务。服务提供者和使用者也 可通过平台进行协同诊断。平台运维者负责平台的 运维管理，包括用户管理、权限管理及资源调度等。

1服务提供者1服务使用者1

1平台运维者结构觀

/状态监测服务

诊断方法 故障预测服务11

用户管理 经验知识 健康评估服务

权限管理 /故障案例

决策支持信息

资源调度

服务注册 协同诊断服务查询 资源上传服务调用_

运维管理/

信舰务

时空基准

本软硬件1 F

软硬件.

丨状态信息! ：状态信息：

软件监测 硬件监测软件监测 硬件监测代理，6理丨设名採备 代理设备

固定指挥所

机动指挥所

图2体系结构示意图

2.3技术架构

从网络中心和面向服务技术实现与应用角度出 发，采用分层透明和功能解耦思路，构建开放、协同

和按需服务的指挥控制装备PHM体系架构，技术 架构示意图如图3所示，依托全军共用信息基础设 施建立指挥控制装备PHM平台，全军共用信息基 础设施集成了各类通信、信息和计算资源，承载了各 种军事信息和业务处理，是全军信息系统运行基础。 该技术架构采用5层2面结构，包括数据采集、数 据、支撑、服务和应用5层，以及安全保密和标准规 范两大保障体系。

1)

应用层：该层为实现基于服务的应用软件，为装备维护用户提供人机交互界面。用户可通过调 用平台服务构建各类应用软件，包括状态监测、故障 预测、维修决策和模型管理等软件;用户也可向平台 提供自身知识资源，充实平台资源库。

2) 服务层：该层为PHM运行提供服务，包括 数据处理、状态监测、健康评估、故障预测和决策支 持等服务，同时提供云服务平台运行环境的基础服 务和核心软件，包括计算、数据、信息、软件和通信等 服务，以及动态接入、资源注册、资源发现、资源调度 和运行支撑环境等核心服务。

(1)数据处理：该服务接收来自数据采集层的

90指挥信息系统与技术2016年12月

应用层

服务层

信安全

支撑层

数据处理服务计算服务

状态监测服务数据服务

健康评估服务信息服务

故障预测服务软件服务

决策支持服务通信服务

标准规

核心服务:动态接入服务、资源注册服务、资源发现服务、资源调度服务、运行支撑环境……故障诊断模型 健康评估模型

|预测模型 |辅助决策模型

|仿真模型 ~~专家规则~~

|技术资料管理 ~~案例管理~

|用户管理 ~权限管理~

数据采集层

If

韻

信息服务设施通信网络设施时空基准设施安全保密设施综合管理设施

图3 技术架构示意图

指挥控制装备软件状态、设备b

it

及传感器等数

标，统一数据资源分类和规范数据模型标准，由部署 于平台存储资源、应用业务和应用系统中的各类数

据(模型)组成，包括装备、传感器、BIT、软件运行状 非结构化和半结构化数据资源。

5) 数据采集层：综合运用软件故障检测与定 位、BIT、有源/无源射频识别（RFID)和智能感知等

据，通过格式转换、数据分析及特征提取等方法将其

处理成后续状态监测和健康评估服务所需格式。

(2) 状态监测：该服务接收来自数据处理及其 态、故障案例、维修计划和技术资料等各种结构化、 他状态监测模块数据，将数据与预设阈值进行比较 以监测装备当前状态，并根据预定规则和方法进行

故障报警[8]。(3) 健康评估：该服务接收来自状态监测服务 技术以及传感网络，对指挥控制装备软件、子系统和 或其他健康评估模块数据，基于健康评估模型和算 法，对系统健康状态进行分级和估计，评估设备部件

部件状态数据进行实时采集，实现装备状态的全时 感知，为装备全寿命健康管理提供感知数据支撑[9]。

或系统发生故障的可能性，并生成健康评估报告。另外，平台提供感知信息适配器和综合接入网关设 (4) 故障预测：该服务综合状态监测和健康评 备，实现了指挥控制装备监测信息的短距离汇聚、数 估等服务数据，基于故障预测模型，对装备的部件、 子系统未来故障发生概率、故障发生时间及剩余寿

据交换和远程数据上传，增加了指挥控制装备的全

寿命感知能力。

6) 安全保密：安全保密机制确保了信息在获 命进行预测。

(5) 决策支持:该服务接收来自状态监测、健康 取、传输、处理、共享、分发和使用等环节中的机密 评估及故障预测服务数据，基于辅助决策模型，通过 推理决策给出维修方案和建议，为用户提供决策支 持服务[7]。用户还可通过检索故障案例库和技术资

性、完整性、鉴别性、可用性和不可抵赖性，以及信息 系统的安全运行，由部署于各系统中的密码保密、安 全防护和认证授权等功能要素组成。

7) 标准规范:PHM作为不断发展的前沿技术，

料库获取决策知识。

3) 支撑层:该层为平台服务运行提供技术支撑 在实际应用中的标准化问题日渐突出，已成为制约

PHM技术开发应用的瓶颈[1°]。按照指挥控制装备 和运维管理，包括各种模型（诊断、健康、仿真、计算 和预测等模型）、专家规则、技术标准、故障案例和平 台运维技术(用户和权限管理等）。

4) 数据层：以数据资源有序组织和共享为目

PHM体系结构需求，基于现有国际和国家标准，在

分析研究我军后勤信息化和军事装备技术等标准体

系基础上，研究制定了相应的技术标准，以确保指挥

第7卷第6期游凤芹，等：基于云服务的指挥控制装备

PHM体系结构

91

控制装备PHM体系结构的技术统一、数据共享建 设规范和运转顺畅。该类标准规范涵盖了通用指南、 技术指南、接口规范、数据交换、测试和诊断等标

准[11]。

2.4应用模式

运用示意图如图4所示。连级机动作战力量部署 PHM系统，实现本级PHM功能，同时向上级指挥机 构上报故障诊断、健康评估及维修决策信息，供营级 指挥机构参考。营级机动作战力量部署PHM系统， 实现本级PHM功能，并向上级指挥机构上报故障诊 断、健康评估信息及维修决策信息，供师旅级指挥机 构参考。

故障诊断、健康评估

指挥控制装备PHM系统部署按照按需部署和 授权使用的原则，分为师旅-营-连3级部署，典型组织

图4典型组织运用示意图

3关键技术

确性和有效性的关键技术。4

结束语

本文研究了 PHM体系结构，通过分析典型 PHM体系结构，结合云计算及指挥控制装备特征，提 出了一种面向云服务的指挥控制装备PHM体系结 构。该体系结构依托全军共用信息基础设施，将各 PHM功能模块封装为可直接调用的服务。与传统 PHM体系结构相比，基于网络和面向服务的设计原 则上确保了系统的共享性、协同性和可扩展性。采用 分层透明和功能解耦设计思路，减小了复杂系统的耦 合程度，降低了系统开发复杂度。后续将基于本文体 系结构，研究指挥控制装备软硬件状态监测与诊断定 位、健康评估、决策支持及验证与评估技术，开发典型 的指挥控制装备PHM系统，以便对本文体系结构进 行应用验证。

参考文献(References):

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3.1软硬件故障诊断

指挥控制装备是典型的软件密集型装备，软件故 障直接影响装备状态。当前，我军装备保障对象仍以 硬件为主，软件保障手段较匮乏。鉴于指挥控制装备 在故障发生时需快速排除故障并恢复使用的特点，结 合设计信息、监测检测数据和维修人员经验，进行软 硬件故障诊断研究具有重要意义。软件故障诊断方 面，需研究软件故障动态诊断定位技术，突破对设立 插粧的关键点进行系统优化和设计，实现故障动态诊 断定位，同时减少程序运行时间和存储空间。硬件故 障诊断方面，需将被测对象分成若干单元，依据失效

模式与影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)、子系 统/设备可靠性数据指标等信息，分析指挥控制装备 结构、功能、行为与故障的内在联系，建立功能有向图 模型以便快速进行故障诊断。

3.2

PHM系统验证与评估

PHM系统验证与评估是确定PHM系统准确实

现并满足设计需求的过程[1]。鉴于指挥控制装备系 统结构复杂且成本较高，难以对PHM系统设计方法 及算法的正确性进行实物验证，从而阻碍了 PHM技 术研究及其应用。因此，PHM系统验证与评估技术 成为确保PHM体系结构、故障诊断及预测算法的正

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作者简介：

游凤芹，女（1983—），工程师，研究方向为信息系统总 体技术。

张I，男（1989—），助理工程师，研究方向为嵌入式系 统与信息处理。

于荣，男（1981—），高级工程师，研究方向为指挥信息系统。

(本文编辑：马

岚）

体

知