（机械工程专业论文）基于tau+g2的状态基维修系统的分析与验证.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着传感器技术、计算机技术、故障诊断技术等科学技术的飞速发展和装备 复杂程度的增加，状态基维修技术( c b m ，c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e ) 越来越 受到人们的重视。c b m 系统是一个包含大量软硬件在内的复杂集成系统，研制开 发过程相当复杂。如何从c b m 系统方案论证、研制到部署应用保证其有效性，确 保系统能有效集成是人们在开发和应用c b m 技术面临的重要问题。论文以 o s a c b m 标准为指导，采用统一建模语言u m l 和体系建模分析验证工具t a u ( 3 2 ， 研究了c b m 系统的建模和验证问题，形成一个c b m 的快速原型系统，并以t b d 柴油机为对象进行了应用验证。论文的主要工作总结如下： 1 、分析了装备维修保障的几种典型方式，比较了状态基维修技术与传统维修 方式的优劣，研究了国内外c b m 技术的发展情况。 2 、以o s a c b m 标准为参照，研究了状态基维修系统的基本模型和工作流程， 对o s a c b m 标准提出的7 大模块进行结构分析及信号交互行为分析。 3 、采用u m l 语言对c b m 系统进行概念建模，包括数据采集、数据处理、 状态监测、健康评估、预诊断、决策支持等几个基本组成部分，描述c b m 系统的 结构、状态和行为，形成与实现无关的c b m 原型系统。 4 、基于t a ug 2 软件，以t b d 柴油机为对象，构造其c b m 原型系统，通过 输入不同的数据，对系统进行了模拟验证。 研究表明，通过利用u m l 语言的五种图：用例图、顺序图、结构图、状态图 和活动图，可以比较完整地描述c b m 系统的结构和工作过程，能比较完整的反映 c b m 系统与子系统之间的功能和接口，并可通过模型方法进行快速仿真验证。利 用t a ug 2 系统提供的自动代码生成能力，有助于形成从系统设计一软件开发一 代码自动生成一加载目标机的一体化c b m 系统设计开发过程，从而提高c b m 系 统的开发效能，确保集成效能，推进我军装备c b m 技术的应用水平。 主题词：状态基维修o s a c b m 标准快速原型系统建模验证 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s e dc o m p l e x i t yo fe q u i p m e n t s ，t h ec o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e ( c b m ) t e c h n o l o g yh a sb e e np a i dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n t l l e d e v e l o p m e n to fc b ms y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do fm a n yd i f f e r e n th a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，i su s u a l l yv e r yc o m p l e x h o wt oe n s u r ei t sv a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s si nt h e w h o l ed e v e l o p m e n tp h a s e s ，f r o mc o n c e p td e f i n i t i o nt od e p l o y m e n ta n da p p l i c a t i o n ，i sa g r e a tc h a l l e n g e i nt h i sp a p e r ，t h ea n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g yi si n v e s t i g a t e d b a s e do nu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( u m l ) a n ds y s t e mm o d e l i n ga n da n a l y s i s v e r i f i c a t i o nt o o lt a ug 2i no r d e rt oe s t a b l i s hav i r t u a lr a p i dp r o t o t y p ep l a t f o r mf o rc b m s y s t e md e v e l o p m e n t a n di t sa p p l i c a t i o nf o rc b m o fa na i r c r a f tr e t r a c t a b l el a n d i n gg e a r h y d r a u l i cs y s t e mi sa l s ob e e ns t u d i e d 1 f 1 圮m a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w s ： 1 m a i nm a i n t e n a n c e s t r a t e g i e si n c l u d i n gc o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ，s c h e d u l e d m a i n t e n a n c ea n dc b ma r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t ei s o u t l i n e d 2 r e f e r r e dt oo s a - c b ms t a n d a r d ，t h es t r u c t u r ea n dw o r k f l o wm o d e lo fc b m s y s t e mi ss t u d i e df o c u s i n go nt h ei n f o r m a t i o ns t r u c t u r ea n di n t e r a c t i v eb e h a v i o ro f c b m se l e m e n t s 3 1 h cc o n c e p t u a lm o d e lo fc b m s y s t e mi se s t a b l i s h e db yu t i l i z i n gu m ll a n g u a g e ， i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t am a n i p u l a t i o n , c o n d i t i o nm o n i t o r , h e a l t ha s s e s s m e n t ， p r o g n o s t i c sa s s e s s m e n t ，d e c i s i o ns u p p o r ta n ds e v e r a lo t h e re s s e n t i a lc o m p o n e n t s t h e m o d e li sa l la b s t r a c t i m p l e m e n t a t i o no fc b ms y s t e mt ok e e pi n d e p e n d e n to fr e a l s y s t e m s 4 av i r t u a lr a p i dp r o t o t y p ep l a t f o r mf o rc b mi sc o n s t r u c t e di nt a ug 2s o f t w a r e e n v i r o n m e n tb a s e do nt h ep r e v i o u sm o d e l b a s e do nt h ep l a t f o r m ，av i r t u a lc b m p r o t o t y p eo fr e t r a c t a b l el a n d i n gg e a ro fa i r c r a f th y d r a u l i cs y s t e mi se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e d t h es t u d i e ss h o w st h a tc b m s y s t e m sc a l lb ed e s c r i b e de f f e c t i v ea n df u l l yb yu m l l a n g u a g e ，i n c l u d i n g c a s ed i a g r a m s ，s e q u e n c ed i a g r a m s ，s t r u c t u r ed i a g r a m s ，s t a t e d i a g r a m sa n da c t i v i t yd i a g r a m s b o t ht h ef u n c t i o n sa n di n t e r f a c e sb e t w e e nd i f f e r e n t c b me l e m e n t sc a nb ep e r f e c t l ya b s t r a c t e da n dm o d e l e d b a s e do nt a ng 2 sc a p a b i l i t i e s o fa u t o m a t i cc o d eg e n e r a t i o n ，av i r t u a lv e r i f i c a t i o np r o t o t y p ec a l lb er a p i d l ye s t a b l i s h e d f o rm a k et h ed e v e l o p m e n to fc b mm o r ee f f e c t i v e a l l0 1 1 1 w o r k sp r o v i d ean e w m e t h o d o l o g ya n dv i e w p o r tf o rc b md e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e ；t h eo s a c b ms t a n d a r d ；r a p i d p r o t o t y p i n gm o d e l ； e s t a b l i s hm o d e la n dv e r i f y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1i c a s 系统机内机外功能5 表1 2i c a s 系统诊断与预测功能5 表1 3a d i p 系统机内机外功能7 表1 4a d i p 系统诊断与预测功能7 表1 5j s f p h m 系统机内机外功能。8 表1 6j s f p h m 系统诊断与预测功能8 表3 1 信息矩阵。2 9 表4 1t b d 2 3 4 t b d 柴油机常见故障模式4 3 表4 2t b d 2 3 4 t b d 柴油机常见故障征兆及测试4 3 表4 3 信息融合表。5 l 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目录 图1 1 三种维修方式费用图1 图1 2c b m 系统框图4 图1 3i c a s 系统框架5 图1 4a d i p 系统框图6 图1 5j s f p h m 系统框图8 图1 6 典型c b m 系统模型1 0 图2 1c b m 相关标准间的概念性联系1 6 图2 2c b m 系统框架及组成体系1 7 图2 3c b m 具体工作流程图1 8 图2 4c b m 组成模块1 9 图2 5 数据交互图2 1 图2 6 数据流通图2 2 图3 1u m l 类图一2 4 图3 2t a ug 2 模型执行过程2 5 图3 3t a ug 2 建模界面2 6 图3 4 用例模型2 7 图3 5 组织关系模型2 8 图3 6 组织结构模型3 0 图3 7 数据采集模型3 2 图3 8 数据处理模型3 3 图3 9 状态监测模型3 4 图3 1 0 健康评估模型3 5 图3 1 l 预诊断模型3 6 图3 1 2 决策支持模型3 7 图3 1 3 数据模型3 8 图3 1 4 算法模型3 9 图3 1 5 报警模型4 0 图4 1t b d 柴油机结构图4 2 图4 2 柴油机状态基维修系统硬件系统4 5 图4 3t b d 柴油机状态基维修软件系统模型4 6 图4 4 历史数据库融合方式4 7 图4 5 系统验证流程4 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图4 6 数据采集状念机模型4 9 图4 7 数据处理状态机模型4 9 图4 8 状态监控状态机模型。5 0 图4 9 健康评估状态机模型5 2 图4 1 0 预诊断状态机模型5 2 图4 1 1 决策支持状态机模型5 3 图4 12 验证用数据采集状态机图5 4 图4 13 验证用状态监测状态机图5 5 图4 14 验证用健康评估状态机图。5 6 图4 1 5 验证用预诊断状态机图5 6 图4 16 验证用决策支持状态机图5 7 图4 17 模型验证5 8 图4 1 8 数据采集模块信号结果5 8 图4 1 9 状态监测模块信号结果。5 9 图4 2 0 健康评估模块信号结果6 0 图4 2 1 预诊断模块信号结果。6 1 图4 2 2 决策支持模块信号结果。6 2 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基王! 垒坚鱼2 鲍迭奎基丝堡丞统佥盘量验适 学位论文作者签名：壅丝茏 日期： 砷年，厂月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王! 垒坚鱼2 的迭查基丞统丝堡金盘生坠垂 学位论文作者签名：邀蕴 作者指导教师擀：船 日期：砷年厂月夕日 嘲：叩年，夕日 。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 装备维修担负着排除装备故障、确保装备使用寿命、减少使用成本和提高使 用效率等任务，是装备使用和发展的重要课题。当前，现代化装备越来越体现出 多学科、多技术复合的趋势，对装备维修的要求也越来越高。从某种意义上说， 装备维修技术发展的水平也代表着一个国家的科学技术发展水平。 通常，按照维修的目的与时机，维修可以分为修复性维修、预防性维修和改 进性维修三大类【l 巧】。随着装备结构和技术复杂程度的提高，人们更加强调预防性 维修，在发生故障之前，发现并消除潜在故障，避免故障产生严重后果，危及安 全或任务完成，导致产生较大经济损失。 近年来，随着传感器技术、计算机技术、故障诊断技术等科学技术的飞速发 展，状态基维修( c o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c e ，c b m ) 这种先进的预防性维修方 式引起了人们广泛的关注。所谓c b m ，是指通过采用各种合适的传感器，对装备 运行状态进行监测，据此预测潜在故障或装备剩余寿命来制定维修策略的一种先 进维修方式。c b m 集装备状态监测与故障诊断、维修决策和维修活动于一体，通 过状态监测与故障诊断，对装备的状态进行评估，对装备的故障或剩余寿命做出 预测；再根据装备的使用信息，通过维修决策系统，对维修时机、维修工作、维 修级别以及维修保障资源等做出决策，形成维修策略，从而在保证装备安全、可 靠工作的条件下，最大限度地发挥装备的使用寿命，减少或消除不必要的维修， 大大降低维修费用。同传统维修方式相比，状态基维修具有如下的优势： ( 1 ) 降低了总费用。从图1 1 可以看出费用比情况。在预防维修、事后维修 和状态基维修三种维修方式中，状态基维修的总费用最少。 用 维修方式 图1 1 三种维修方式费用图 ( 2 ) 提高装备可靠性。状态基维修是基于装备的运行状态来诊断和预测设备 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 未来的有效工作周期，合理安排设备未来的维修时间，避免了维修过剩和维修不 足的情况，提高了装备的可靠性。 ( 3 ) 维修的针对性强。根据每台设备的具体运行状况和状态，评估结果能够 确定故障部位，以及是否维修，使维修工作具有更强的针对性 ( 4 ) 维修具有更多的灵活性。通过状态监测、故障诊断技术，维修人员根据 设备状态诊断综合对设备的运行状态进行监测考虑企业的生产计划、备品备件、 维修力量等各方面因素，在设备发生故障之前对设备进行维修。 由于c b m 对装备维修保障的重要优势，美、欧等早在2 0 世纪8 0 年代就着手 研究状态基维修。经过多年的努力，美军开发和应用了很多c b m 系统【6 。7 j ，比如 海军的集成状态评估系统i c a s 、陆军的诊断改革项目a d i p 、空军的联合攻击机 预诊断健康管理系统j s f p h m ，并取得了很好的成效。 相对于外军发展情况，我军目前仍普遍沿用传统的定时计划维修模式，很多 所谓的状态基维修系统【8 以3 1 ，实质上仍只是在线状态监控系统或故障诊断系统，能 对装备状态进行有效评估、并对装备故障或剩余寿命做出预测的还不多。状态基 维修技术的推广和应用仍面临不少挑战。 从系统构成上看，c b m 系统是由大量软硬件构成的复杂系统【1 4 d5 1 ，成功实施 c b m ，必然需要将大量的硬件系统、算法软件高效集成起来，形成有机整体。首 先，随着传感器技术、计算机技术和故障预测诊断技术的不断成熟，采用大量商 用的货架产品( c o t s ) 代替过去专用的硬件和软件成为系统开发和研制的主流模 式，如何保证这些软硬件货架产品能真正能有效集成一起，是c b m 开发过程中必 须解决的问题。其次，现有在线状态监控系统或故障诊断系统如何升级改造，使 其胜任c b m 系统任务也是当前装备维修保障技术关注的重要问题。 上述问题表明，在开发、部署和应用实际的c b m 系统之前，需要形成一个原 型以对实际的c b m 系统的功能、性能、指标、集成效果等进行验证和演示，并根 据反馈信息快速重新修改，中间建立的模型、文档等为展开具体产品设计提供依 据。 本文针对上述问题开展研究。在分析研究国际开放系统组织o s a c b m 标准 的基础上，采用统一建模语言u m l 和体系建模分析验证工具t a ug 2 ，研究了c b m 系统的建模和验证问题。试图利用u m l 语言的描述能力和t a u ( 3 2 系统的仿真能 力，形成一个c b m 系统的分析、验证的快速原型系统，并以t b d 柴油机为对象， 通过建立状态基维修方案，开展应用验证。 作为一种可视化的构造语言，u m l 可以帮助我们按照实际情况或需要的样式 对系统进行可视化描述，允许详细说明系统的结构、状态和行为，形成构造系统 的一个模板。采用u m l 语言对系统建模的过程，也是建造系统体系结构的过程。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 t a ug 2 ( t e l e l o g i ct a ug e n e r a t i o n 2 ) 软件是一个用于系统与软件的设计、分析与 开发大的可视化系统工程工具，主要用对大型复杂系统进行全方位的建模。它支 持可视化语言u m l 2 0 ，能在设计系统结果的同时规划系统的行为，并可以通过仿 真来验证系统模型的有效性。因此，利用u m l 语言和t a ug 2 工具，可以在研究 构造c b m 系统模型的基础上，从系统的层面对c b m 系统的控制逻辑和数据流进 行分析检查，验证系统的功能、性能和集成效果。同时，由于采用u m l 语言进行 建模，可以更好地将系统的设计和相应的软件开发进行衔接，利用t a ug 2 的代 码自动生成能力，将模型生成的代码可以直接加载到目标计算机中，形成快速原 型系统，检验系统效果，加快c b m 系统的实施。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外状态基维修技术研究现状 由于状态基维修的巨大优势，美欧早就着手进行了研究。目前，美军研究的 c b m 系统主要包括3 个方面【6 j ： ( 1 ) 机内机外功能 机内和机外功能单元描述了状态监控数据怎样收集以及何时收集。状态基维 修是通过对设备工作状态和工作环境的实时监测，借助人工智能等先进的计算方 法，诊断和预测设备未来的有效工作周期，合理安排设备的维修调度时间。从定 义知道，c b m 理念的实行，最基本的问题是如何感知装备状态。一般获取当前装 备运行状态的方法有以下三种：1 ) 使用嵌入式传感器或计算机获取装备或被监控 对象的状态信息；2 ) 使用与装备预留接口相配和的便携式感知设备读取嵌入式传 感器数据或者直接在装备外使用传感器，来得到诸如装备磨损数据等状态信息；3 ) 使用规则手册来判定装备状态情况。从机内和机外单元的角度看，基本的c b m 功 能有： 在机内，要有用于连续监控的在线传感器，感知装备状态。 在机外，要有离线维修管理系统软件，用于对所采集数据的概率分析，得到 所需的故障数据，便于以后进行故障查询。 此外，从机内机外功能上看，基于趋势数据的故障自主预测功能可有可无。 ( 2 ) 诊断和预测功能单元 诊断和预测功能模块描述c b m 系统所能完成的故障处理能力。从诊断和预测 功能看，结合o s a c b m 标准来看，基本的c b m 功能有： 1 ) 故障检测。对装备的状态进行监测，主要还是通过数据采集，数据处理， 状态监测来进行故障检测。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 ) 故障评估和发现；通过健康评估，故障诊断对装备的故障信息进行定位， 确定故障模式。 3 ) 触发决策。根据故障模式，选择合适的维修策略。 4 ) i e t m ( 交互式电子技术手册) 。现场指导部队对装备进行故障隔离与简 单维修，必要可以远程协助指导维修。 ( 3 ) 硬件和软件模块 硬件和软件模块使我们对系统总体框架的要点有全面了解，可以对系统的关 键部分进行阐述。以武器系统为例，图1 2 为武器系统的c b m 软硬件框架图。嵌 入传感器采集各种数据。内嵌计算机对数据进行处理，得出武器的状态，确定故 障模式，通过便携式维修终端进行维修。故障比较大，现场无法排故时，通过在 线维修工作站进行维修。当故障仍然无法解决时，可以通过离线计算机维修管理 系统，调查历史数据库寻求帮助。出现以前没接触的故障时，将这种故障加入到 故障数据库中。因此基本的c b m 系统软硬件一般有：数据总线、总线上的消息、 嵌入式传感器、嵌入式计算机、离线计算机维修管理系统( c m m s ) 、便携式辅 助维修设备( 如p m a 、正t m ) 、数据库等。 武器维修系统 图1 2 c b m 系统框图 而且目前美军拥有成型的已投入使用的c b m 系统，主要有： 1 ) 海军的集成状态评估系统i c a s 。其软硬件框图如1 3 ，i c a s 系统【1 5 1 7 1 是计 算机化的工程工具，能提供监测，追踪完整的机器状态评估，通过专家诊断实现 状态基维修。其数据收集、状态预测、以及诊断都在船上完成。数据总线可有可 无，可根据外部需要设置，在船上维修时，没有长距离的通讯，整套系统是个自 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 包容的系统。在舰船靠岸时，可以实现故障数据与舰队技术支持中心共享，对船 舰故障可以通过有线网络远程指挥维修，或者通过网络数据服务器，查找数据库， 得到故障模式和维修方案 调訾叫 器 | 维修工作站 图1 3i c a s 系统框架 对c b m 系统机内机外功能，可以得到下面的表1 1 ，在机内i c a s 系统只做 到了状态监控功能，在机外则完成数据的舰队内部通讯和对故障的监测与隔离。 ( 表示满足此项功能，表示部分实现此项功能，o 表示没有满足此项功能) 表1 1i c a s 系统机内机外功能 机内 状态监控数据采集数据通讯故障检测与故障原因识后勤报警触 隔离别发器 ooooo 机外 状态监控数据采集数据通讯故障检测与故障原因识后勤报警触 隔离别发器 ooo 从诊断和预测功能上看，可以得到表1 2 ，i c a s 系统能够实现故障监测和故 障报告，通过交互式电子手册对故障进行隔离，能部分实现故障预测功能。 表1 2i c a s 系统诊断与预测功能 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 功能基本的c b m 功能 故障监测 故障隔离 i e t m 故障预测 故障报告 故障排除。 故障评估 。 传感器网络i e t mo 后勤触发器 。 于许多系统的共性技术改进陆军武器装备的诊断和预测能力，可以适用于陆军任 何装备。它的传感器网络可以使用商业柴油发动机传感器，利用p m a 作为最基本 的数据收集和通讯工具获取机内数据，而且p m a 可进行传感器健康检查，并有和 传感器相配的i e t m ，可自动收集数据并把他们传送给g c s s - a r m y ，g c s s - a r m y 与数据库相连，可以通过查找数据库来对装备故障进行诊断和维修。装备可能没 有数据总线，只能依靠便携辅助工具起中心感知作用。另外装备可以通过卫星， 实现实时的机内数据获取及健康监控( 辅助p m a 的数据获取) ，对装备进行遥控 维修，其效果类似于j s f 的自主后勤。 图1 4 a d i p 系统框图 对应c b m 系统机内机外功能，可以得到下面的表1 3 ，在机内通过传感器可 以实现数据采集功能，对装备的状态能够进行状态监控，而在机外对状态监控、 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数据采集、故障隔离与诊断、故障原因识别以及后勤报警触发器都能实现，而数 据通讯功能只是部分实现。 表1 3a d i p 系统机内机外功能 机内 故障检测与故障原因识后勤报警触 状态监控数据采集数据通讯 隔离别发器 ooo 机外 故障检测与故障原因识后勤报警触 状态监控数据采集数据通讯 隔离 别 发器 在诊断和预测功能体现上，可以得到表1 4 ，相比直升机，地面装备的诊断与 预测功能多了传感器网络i e t m 和后勤触发功能。基本也能做到故障监测、故障 预测和故障报告。通过i e t m 也能对故障进行隔离。 表1 4a d i p 系统诊断与预测功能 基本的c b m 功能 功能 地面装备 直升机 故障监测 故障隔离 i e t m i e t m 故障预测 故障报告 故障排除oo 故障评估oo 传感器网络i e t m o 后勤触发器 o 3 ) 空军的联合攻击机预诊断健康管理系统j s f p h m 。结构框图如1 5 ，j s f p h m 系统【1 9 - 2 2 1 能诊断飞机自身的健康状况，在事故发生前进行预测，还可以确定分系 统故障的根本原因及其对主系统的影响，真正做到基于状态的维修。它拥有丰富 复杂的机内传感器网络，含有基于模型故障原因识别软件( 根据多信息融合) 和 决策触发器，可实现机内预诊断；使用便携式维修设备，通过与维修面板的连接 实现对故障的隔离和排除；使用无线网络通讯可以外部连接联合分布式信息系统 j d i s 。它主要优势在于超强的机内测试预诊断能力。几乎没有一个武器系统能够 和这种复杂的机内健康管理系统媲美。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 5j s f p h m 系统框图 对应c b m 系统机内机外功能，可以得到下面的表1 5 ，在机内和机外对c b m 的基本功能都能够满足。 表1 5j s f p h m 系统机内机外功能 机内 故障检测与故障原因识后勤报警触 状态监控数据采集数据通讯 隔离别发器 机外 故障检测与故障原因识后勤报警触 状态监控数据采集数据通讯 隔离别 发器 从诊断和预测功能体现上看，可以得到表1 6 ，对于诊断和预测功能，f s f p h m 都能够很好的实现。 表1 6j s f p h m 系统诊断与预测功能 功能基本的c b m 功能 故障监测 故障隔离 故障预测 故障报告 故障排除 故障评估 传感器网络i e t m 后勤触发器 目前大多数c b m 系统都是没有和后勤保障链自动相接的，为了实现端对端的 后勤保障，美军发展了增强型基于状态的维修理念 6 1 。“增强型基于状态的维修 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 是利用原位诊断功能和原位离位预测功能，对武器系统的状态进行监控，并在此 基础上采用适当的维修活动，从而提高部件的可靠性，缩减维修工时，减少意外 和事故。在战略级，c b m + 是指对装备的状态进行实时或近实时进行评估的基础上 采取一系列维修行动。装备状态数据通过嵌入式传感器、外部测量设备或从便携 式设备测试中获得。从“状态或使用监控系统 或便携式设备上收集的数据转化 为预测趋势和指标，这些趋势和指标能在实际操作环境的基础上预测部件何时出 现故障。在企业级，这种预测性方法能够实现预先保障，及在部件出现故障之前， 提前采办并交付所需的维修部件。在战役战术级，c b m + 可将装备的状态数据和 使用状况化为主动维修行为，从而使维修人员实现并保持较高的装备使用可用度。 1 2 2 国内状态基维修技术研究现状 目前我军比较通用的维修方法还停留在传统维修手段上。传统的维修方式 2 2 1 主要可分为定期预防性维修( p e r i o d i cp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ) 和修复性维修 ( c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 。 定期预防性维修发生故障之前，使设备保持在规定状态所进行的各种维修活 动，其目的是发现并消除潜在故障，或避免故障的严重后果而防患于未然。预防 性维修缺点是不能充分利用设备，容易发生维修过剩或者维修不足的情况，而且 在频繁地维修的同时，容易带入新的其他故障，降低装备的可靠性。 修复性维修是设备或其部分发生故障或遭到损坏后，使其恢复到规定技术状 态所进行的维修活动，属于事后维修。其缺点是一旦发生故障，造成的停机时间 很长，停机费用很高，影响正常的工作。 相对于我军，目前国内的企业在状态基维修方面已有了简单的应用【3 】。目前罗 克韦尔新一代设备状态监测系统落户武钢。罗克韦尔自动化公司投入三年多时间 研发。并率先在业界推出e n t e kx m 新一代设备状态监测系统凭借对关键设备振动 状况的有效监测及运行危害预警方面的出色表现，成功通过武汉钢铁集团公司的 测试试用，产品包括x m l 2 0 ，x m 4 4 1 ，1 9 0 0 传感器，9 2 0 0 传感器及相关软件。 这可以算是c b m 在工业领域的应用。 对比美军，我军的装备维修技术远远落后，传统的维修模式带来了很多弊端。 而目前正使用的为数不多c b m 系统，由于标准的不统一，造成在信息共享，维修 数据集成等方面存在诸多不便，不能实现整个装备维修系统的有机集成。因此要 想提高装备使用率、提高装备使用安全性、减少装备维修费用、增加装备使用寿 命，就要发展状态基维修技术，并将其标准化，实现与装备维修系统的有机集成。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 本课题研究内容及本文主要内容 1 3 1 状态基维修的总体技术方案 本课题所建立的典型c b m 系统模型如图1 6 所示，从图中可以看出c b m 系 统工作流程：首先从复杂装备的传感器上收集数据，然后对收集的数据进行处理， 通过阈值比较和模糊逻辑，对处理过的信息进行状态监视，根据监视的结果进行 健康评估，并根据装备的全周期寿命分布规律，基于特征( 或模型) 对所监测的 复杂装备进行装备寿命预测，最后根据预测进行决策。从模块流程中拟确定出的 c b m 模型关键影响因子为数据采集模块传输的信号、状态监视模块的阈值比较或 者模糊逻辑分析结果、预测模块的装备残余寿命分析结果等。对于模块内部的流 程，通过对c b m 静态模型的分析建立。但在不同的应用场合、不同的工作环境中， c b m 的流程是不一样。需要根据实际情况来确定c b m 具体工作流程，实现c b m 的功能要求。 复杂 系统 数据获取 数据处理li 状态监视 然h 阈值比较 篓篓墨娶ii 器茹窆薯 信号特征il “” 物理模型 预测 健康评估j 徽蠹h 黼 蓑篆删1 萎莩逊 诊断处理ll 荃 偎坐 l 的预测 自动化决l 策和推理l ，一 数据融合吲人机交互 分类i l 一 决策产生l 任务安排 图1 6 典型c b m 系统模型 结合o s a - c b m 标准，本论文主要从7 个模型层分析c b m 系统。从底层到上 层分为：数据采集层( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a ) 、数据处理层( d a t am a n i p u l a t i o n ，d m ) 、 状态监测层( c o n d i t i o nm o n i t o r ，c m ) 、健康评估层( h e a l t ha s s e s s m e n t ，h a ) 、预诊 断层( p r o g n o s t i c sa s s e s s m e n t ，p a ) 、决策支持层( d e c i s i o ns u p p o r t ) 和表示层 ( p r e s e n t a t i o n ) ，并分析建立相应的概念模型 论文利用可视化的系统分析设计软件t a ug 2 来验证系统的功能性。它拥有开 放的体系结构，是基于模型的开发软件，可以简化系统工程和软件开发流程，可 以实现对c b m 体系结构的建模和分析。结合某型t b d 柴油机，建立c b m 系统 动态模型，并通过验证过程，修正模型，最终对建立系统的功能性进行验证。 1 3 2 论文主要研究内容和文章结构 根据状态基维修的总体技术方案，论文介绍了状态基维修概念，在对c b m 标 第1 0 页 器 器 器 感 感 感 传 传 传 d 叫川刊 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 准介绍上进行了整合，确定了统一的c b m 标准，并对o s a - c b m 标准进行了分析， 建立了状态基维修系统的概念模型。 本文重点研究工作是在t b d 柴油机统为对象，建立一套可以使用的c b m 系 统理论模型，并基于t a ug 2 软件，通过输入温度和转速信号，对状态监测的故障 诊断的过程进行模拟，验证系统的功能性和有效性。 结合研究内容，本文的文章结构如下： 第一章、绪论。介绍课题研究背景，分析国内外状态基维修技术研究现状， 提出论文的研究目标。 第二章、状态基维修系统分析与标准化。对c b m 的基本组成进行深入阐述； 分析目前国内外主流的几种标准，进行分析对比，为状态基维修与装备维修系统 的有机集成打下坚实基础。建立c b m 系统模型，并对其工作流程进行了分析，从 总体上对c b m 系统的结构、功能以及数据交互进行了研究。 第三章、基于u m l 对状态基系统进行建模。利用u m l 语言，在t a ug 2 软 件中对c b m 系统进行建模，分析各个模块的建模思路和意义。 第四章、基于t a ug 2 的状态基维修系统验证。介绍t a ug 2 软件，并结合t b d 柴油机，建立动态模型，通过模型验证工具，建立顺序图跟踪，执行轨迹跟踪以 及文本跟踪，对比分析，找出模型的不足，做出修正。最终验证建立系统的功能。 第五章、总结展望。对本文进行总结，并对后续研究工作进行展望。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章状态基维修系统分析 状态基维修系统是一个包含大量软硬件的系统，要在了解其基本构成的基础 上，才能对其模型和工作流程进行分析。而要建立和推广状态基维修系统，规范 化的系统结构、接口和通信协议也是必不可少的，所以需要以一定的标准来指导 搭建通用的c b m 系统。 2 1 状态基维修系统基本构成 状态基维修( c b m ，c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ) 通过对设备工作状态和工 作环境的实时监测，借助人工智能等先进的计算方法，诊断和预测设备未来的有 效工作周期，合理安排设备的维修调度时间。该方法根据设备的实际运行状态确 定设备的最佳维护时间，降低设备全寿命周期费用，增加设备的稳定性。简单的 说，状态基维修技术就是根据已有的运行数据计算设备的生命周期，预测设备的 维护时间。c b m 以设备当前的实际工作情况为依据，而非传统的以设备使用时间 为依据，通过先进的状态监控与诊断识别故障的早期征兆，对故障部位、故障程 度和发展趋势做出判断，根据诊断结果来决定对其进行更换或维修的过程。主要 特点是修理的预知性、针对性、及时性和维修方案的灵活多变。 状态基维修技术含量高，涉及到技术、管理、组织、成本核算等诸多方面， 是一项复杂的系统工程。其实施基础【2 m 5 j 包括：( 1 ) 组织保障基础。状态维修的 实施涉及各个方面，应有健全的组织机构和相应的规章制度，明确个部门的职责 是保证c b m 顺利推行的基础。( 2 ) 技术保障基础。c b m 是一项技术性较强的维 修方法，涉及的关键技术主要有状态检测技术、信号处理技术、故障诊断技术、 故障预测技术、数据库以及网络技术等。( 3 ) 管理保障技术。目前多数的设备管 理仍然沿用传统的计划维修机