周圣林

（海軍裝備研究院，北京 100073）

1 OSA-CBM介紹

1.1 背景

現(xiàn)代飛機(jī)各方面性能獲得了全面提升，其平臺(tái)結(jié)構(gòu)本身包括機(jī)載設(shè)備也越來越復(fù)雜。而在使用中，傳統(tǒng)的做法是嚴(yán)格按照有關(guān)維護(hù)的規(guī)定進(jìn)行機(jī)務(wù)維護(hù)，對(duì)于有些重要部件，需要定期的拆解，來進(jìn)行檢查及判斷其工作狀態(tài)，往往由于頻繁的拆卸導(dǎo)致失效，同時(shí)對(duì)于某些“故障”的隱患又難以使用常規(guī)的檢查方法提前發(fā)現(xiàn)問題，從而導(dǎo)致用戶日常維護(hù)項(xiàng)目增多，故障的確定與定位的難度不斷增大，造成維護(hù)工作量大、時(shí)間過長(zhǎng)、出勤率低和維護(hù)成本高。這種傳統(tǒng)的維護(hù)方式，已不能適應(yīng)新一代飛機(jī)維修保障的要求。

近年來已提出了基于“狀態(tài)維修體制”（Condition Based Maintenance，CBM）。這種維修體制是以飛機(jī)的健康參數(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)預(yù)測(cè)到即將發(fā)生故障時(shí)，就立即進(jìn)行檢修，這就能夠確保系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生大的故障，同時(shí)還克服了維修過剩的缺點(diǎn)。這種維修體制作為一種改革現(xiàn)有航空業(yè)維修體制，已經(jīng)成為航空業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和迫切要求。

1.2 定義（術(shù)語與縮寫解釋）

OSA-CBM（Open System Architecture for Condition-based Maintenance）：此標(biāo)準(zhǔn)是由MIMOSA（Machinery Information Management Open Standards Alliance）維護(hù)的關(guān)于基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

OSA-EAI（Open System Architecture for Enterprise Application Integration）：此標(biāo)準(zhǔn)是由MIMOSA維護(hù)的關(guān)于企業(yè)系統(tǒng)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

TECH-CDE（Compound Document Exchange）定義OSA-EAI標(biāo)準(zhǔn)中CRIS數(shù)據(jù)庫的查詢、插入、更改以及刪除功能接口。

2 OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)適用性分析

2.1 OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)的基本介紹

OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)是以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 13374[3,4]為基礎(chǔ)制定，用于規(guī)范基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)（CBM系統(tǒng)）設(shè)計(jì)，以及各CBM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的開放標(biāo)準(zhǔn)。使用該標(biāo)準(zhǔn)可以有效的節(jié)省開發(fā)設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高系統(tǒng)的協(xié)作能力，增強(qiáng)產(chǎn)品及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ISO 13374標(biāo)準(zhǔn)中定義的各層進(jìn)行設(shè)計(jì)上的細(xì)化，同時(shí)提出層之間的數(shù)據(jù)交換接口，規(guī)定數(shù)據(jù)組織及交換方法，為CBM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)，并提供了很好的指導(dǎo)。OSA-CBM規(guī)范最初由美國海軍募資由MIMOSA、ARL以及多個(gè)CBM技術(shù)應(yīng)用企業(yè)（如波音）共同制定，由MIMOSA對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理。

ISO 13374是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)設(shè)備（或產(chǎn)品）的狀態(tài)監(jiān)控及診斷的規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)定義狀態(tài)監(jiān)控及診斷的信息系統(tǒng)應(yīng)遵循的一般綱領(lǐng)、數(shù)據(jù)處理方法、通訊要求、展現(xiàn)要求。在數(shù)據(jù)處理上，ISO13374規(guī)定通過6個(gè)層次來處理。

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取層（DA）

收集模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及手工數(shù)據(jù)，并把所模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)作為輸出結(jié)果。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理層（DM）

負(fù)責(zé)信號(hào)處理（如數(shù)據(jù)過濾，傅立葉轉(zhuǎn)換FFT等）、同步或非同步平均、執(zhí)行物理模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法、提取特征，并最終輸出帶有時(shí)間及質(zhì)量指示的信息數(shù)據(jù)。這些信息包括提取的特征、時(shí)域到頻域的波形圖、算法計(jì)算的結(jié)果、虛擬傳感器數(shù)據(jù)、過濾后數(shù)據(jù)、時(shí)序數(shù)據(jù)（如采樣率）。

2.1.3 狀態(tài)檢測(cè)（SD）

負(fù)責(zé)從前兩層收集數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而得出各種特征數(shù)據(jù)的異常信息，包括是否超過警戒線，嚴(yán)重程度如何。同時(shí)SD會(huì)把特征數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)狀態(tài)指示信息、基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)等作為輸出數(shù)據(jù)提供給下一層。

2.1.4 健康評(píng)估（HA）

健康評(píng)估根據(jù)前面各層數(shù)據(jù)作出故障診斷，評(píng)估健康等級(jí)，定位故障件，產(chǎn)生維修建議，給出證據(jù)及解釋，并輸出結(jié)果。

2.1.5 故障預(yù)測(cè)（PA）

評(píng)估將來的健康等級(jí)、預(yù)測(cè)故障或失效、評(píng)估剩余使用時(shí)間（RUL）、產(chǎn)生維修或保養(yǎng)任務(wù)，并產(chǎn)生證據(jù)及解釋。

2.1.6 建議決策（AG）

根據(jù)前面各層的輸出信息產(chǎn)生操作維修決策、產(chǎn)生能力評(píng)價(jià)、產(chǎn)生推薦任務(wù)、產(chǎn)生證據(jù)及解釋。

OSA-CBM使用統(tǒng)一建模語言（UML）定義實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)所需要的6個(gè)功能模塊（與ISO 13374中的6層對(duì)應(yīng)）。OSA-CBM采用一種松耦合的多技術(shù)實(shí)現(xiàn)思想，型號(hào)總體單位、成品廠以及其它外協(xié)單位可以根據(jù)情況自行選擇自己希望實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。比如，總體單位可以實(shí)現(xiàn)用于診斷或決策的健康評(píng)估（HA）、故障預(yù)測(cè)（PA）、建議決策（AG）模塊，而成品廠實(shí)現(xiàn)與傳感器等硬件接合比較緊密的數(shù)據(jù)獲?。―A）、數(shù)據(jù)處理（DM）、狀態(tài)檢測(cè)（SD）模塊。各模塊分工協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修系統(tǒng)（CBM系統(tǒng)）。

2.2 OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)原理

為了減少基于狀態(tài)維修系統(tǒng)（CBM系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)定義了實(shí)現(xiàn)CBM系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)類。包括接口規(guī)范、信息規(guī)范兩大類。信息規(guī)范定義了數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)格式、模塊配置組織形式、基本數(shù)據(jù)類型；接口規(guī)范定義了數(shù)據(jù)交換的接口類及方法。

2.2.1 接口規(guī)范

OSA-CBM為各層之間的數(shù)據(jù)交換方法提供4種可選方法：同步訪問、異步訪問、數(shù)據(jù)服務(wù)以及數(shù)據(jù)事件服務(wù)。各種訪問方法對(duì)應(yīng)一個(gè)訪問接口，各接口通過不同的通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)相同的業(yè)務(wù)功能，可以根據(jù)應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)其中的一個(gè)或多個(gè)接口。各接口提供的業(yè)務(wù)功能包括數(shù)據(jù)事件（數(shù)據(jù)處理的結(jié)果）請(qǐng)求功能、配置信息請(qǐng)求功能、輸入數(shù)據(jù)請(qǐng)求功能、控制信息請(qǐng)求功能、應(yīng)用信息請(qǐng)求功能、錯(cuò)誤信息請(qǐng)求功能、控制變換通知功能、應(yīng)用變化通知功能。

2.2.2 數(shù)據(jù)交換格式

模塊與模塊或模塊與外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換是通過各模塊提供的接口服務(wù)實(shí)現(xiàn)的。交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括“數(shù)據(jù)事件集合”（DataEventSet）、“配置信息”（Configuration）、“輸入數(shù)據(jù)”（Explanation）、“控制信息”（ControlInfo）、“應(yīng)用信息請(qǐng)求功能”（AppInfo）、“錯(cuò)誤信息請(qǐng)求功能”（ErrorInfo）等。

數(shù)據(jù)事件集合（DataEventSet）包含一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)事件（DataEvent）類型的對(duì)象。數(shù)據(jù)事件（DataEvent）是各模塊數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，由于各層對(duì)應(yīng)的模塊輸出的參數(shù)形式內(nèi)容都不相同，所以O(shè)SA-CBM針對(duì)各層均對(duì)數(shù)據(jù)事件（DataEvent）做了擴(kuò)展。

為了提高數(shù)據(jù)分析的置信度，各模塊不僅僅請(qǐng)求上層各模塊的處理結(jié)果，還請(qǐng)求用于產(chǎn)生上層各模塊處理結(jié)果的參數(shù)數(shù)據(jù)以及條件數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的交換通過Configuration、Explanation、ControlInfo、AppInfo、ErrorInfo等類型（參見OSACBM標(biāo)準(zhǔn)）來規(guī)范。

2.3 OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)的基本特征

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化

作為一種新興的維修方式，由于各型號(hào)或設(shè)備的CBM系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上參差不齊，成熟的數(shù)據(jù)處理邏輯不能重用，積累的歷史數(shù)據(jù)無法共享，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大。據(jù)此，賓夕法尼亞州的MIMOSA（Machinery Information Management Open System Aliance）等組織經(jīng)過研究，聯(lián)合提出CBM開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架（OSA-CBM，Open System Architecture for Condition Based Maintenance）用于規(guī)范基于狀態(tài)維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

OSA-CBM從軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上對(duì)OSA-CBM的功能、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、功能模塊重用以及企業(yè)集成等多方面進(jìn)行規(guī)范，旨在降低企業(yè)研發(fā)的工作量，提高OSA-CBM產(chǎn)品的互通性、可移植性、健壯性、開放性、可靠性以及功能的完整性。OSA-CBM定義了6個(gè)功能模塊，用于對(duì)基于狀態(tài)維修系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集到?jīng)Q策建議等功能進(jìn)行規(guī)范；定義了接口規(guī)范、服務(wù)方法、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成以及數(shù)據(jù)處理基本過程以規(guī)范OSACBM產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)交換及共享以及模塊的共享。

2.3.2 體系結(jié)構(gòu)開放

MIMOSA是一個(gè)由供應(yīng)商（包括生產(chǎn)企業(yè)總體單位、備件設(shè)備工具供應(yīng)商）和終端用戶組成的一個(gè)非盈利性商業(yè)協(xié)會(huì)。該協(xié)會(huì)研發(fā)了開放的企業(yè)集成標(biāo)準(zhǔn)OSA-EAI，并公開該標(biāo)準(zhǔn)。OSA-EAI標(biāo)準(zhǔn)解決工程、維修、操作、可靠性等信息之間的信息孤島問題。OSA-CBM是對(duì)OSA-EAI開放標(biāo)準(zhǔn)中的“開放資產(chǎn)健康及使用管理（Open Asset Health and Usage Management）”的細(xì)化，也是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)。OSA-CBM不僅公開對(duì)外數(shù)據(jù)接口，還公開CBM系統(tǒng)設(shè)計(jì)需遵循的體系結(jié)構(gòu)，包括功能模塊組成、通訊方法、算法組織、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型以及從信號(hào)采集到任務(wù)建議的數(shù)據(jù)處理流程的規(guī)定。CBM系統(tǒng)開發(fā)商可以免費(fèi)選擇實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的部分或全部功能，從而節(jié)省研發(fā)成本，提高產(chǎn)品或數(shù)據(jù)的規(guī)范性、互通性、兼容性、可集成性。

2.3.3 與EAI標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合

OSA-CBM設(shè)計(jì)考慮了與OSA-EAI的整合問題，OSA-CBM并不提供獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而是通過調(diào)用OSA-EAI的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在OSA-EAI的企業(yè)應(yīng)用綜合數(shù)據(jù)庫中。OSA-CBM定義的功能是OSA-EAI標(biāo)準(zhǔn)功能的一部分，OSA-CBM系統(tǒng)是OSA-EAI的一個(gè)子系統(tǒng)，所以O(shè)SA-CBM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是對(duì)OSA-EAI企業(yè)集成系統(tǒng)的部分實(shí)現(xiàn)。OSA-EAI的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)使OSA-CBM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)化程度上得到進(jìn)一步的提高，使OSA-CBM數(shù)據(jù)不僅僅局限于基于狀態(tài)維修層面的規(guī)范，而是上升為企業(yè)應(yīng)用及的規(guī)范。

2.4 OSA-CBM的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1 OSA-CBM的優(yōu)點(diǎn)

2.4.1.1 降低費(fèi)用

由于使用OSA-CBM可以使系統(tǒng)集成商或開發(fā)商不必花費(fèi)大量的時(shí)間去建立新的私有系統(tǒng)架構(gòu)，可以節(jié)省大筆架構(gòu)費(fèi)用。由于標(biāo)準(zhǔn)把CBM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分成了多個(gè)功能組件，開發(fā)商不必完成完整的CBM系統(tǒng)，從而節(jié)省重復(fù)開發(fā)的費(fèi)用。

2.4.1.2 專業(yè)化

使用OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)后可以把開發(fā)商從業(yè)務(wù)復(fù)雜、專業(yè)分工多、參與單位多的完整的CBM系統(tǒng)的研發(fā)中解放出來，可以集中精力實(shí)現(xiàn)一個(gè)或少量的幾個(gè)領(lǐng)域的功能模塊。專業(yè)化的分工可以提供更好的算法核技術(shù)支撐。沒有條件研發(fā)出完整CBM系統(tǒng)的小公司，在應(yīng)用OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)后也可以致力于一個(gè)或多個(gè)的功能模塊。

2.4.1.3 加強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)

OSA-CBM允許所有的開發(fā)商使用相同輸入和輸出接口。CBM系統(tǒng)功能的分離使得可以直接使用功能進(jìn)行比較。競(jìng)爭(zhēng)不再是系統(tǒng)級(jí)，而是功能級(jí)。

2.4.1.4 增強(qiáng)協(xié)作

不僅僅加強(qiáng)了研發(fā)商之間的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也加強(qiáng)了研發(fā)商之間的協(xié)作。把CBM系統(tǒng)劃分成不同的獨(dú)立模塊后，將允許多開發(fā)商協(xié)作完成整個(gè)CBM系統(tǒng)。一旦開發(fā)商都采用OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)，各模塊之間將可以無縫進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

2.4.2 OSA-CBM的缺點(diǎn)

2.4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)資源少

OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)從開始研發(fā)到現(xiàn)在已經(jīng)有十幾年歷史，然而與OSA-CBM相關(guān)的資料、樣例較少。國內(nèi)也沒有該標(biāo)準(zhǔn)的成功案例。關(guān)于OSA-CBM的研究報(bào)告都比較簡(jiǎn)單，不能用于指導(dǎo)CBM系統(tǒng)的研發(fā)。

2.4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)難度大

另外，標(biāo)準(zhǔn)體系龐大，與OSA-EAI關(guān)系密切。特別OSA-CBM沒有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，需要使用OSAEAI企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)庫。所以在研究OSA-CBM的同時(shí)需要研究結(jié)構(gòu)體系更龐大的OSA-EAI標(biāo)準(zhǔn)。

3 OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)在型號(hào)飛機(jī)中的使用建議

目前，OSA-CBM已經(jīng)在國外擁有包括軍民在內(nèi)的多家用戶，如波音、美國海軍。從1994年OSA-CBM開始研發(fā)以來版本已經(jīng)經(jīng)過多次更新，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)比較完善。在國內(nèi)OSA-CBM依然在起步階段，近幾年有些單位正在研究該標(biāo)準(zhǔn)，但并沒有形成產(chǎn)品。而且基于狀態(tài)的維修在國內(nèi)也屬起步階段，基于狀態(tài)的維修設(shè)計(jì)內(nèi)容廣，學(xué)科多，周期長(zhǎng)，參與單位多，原理復(fù)雜，需要研究攻克的技術(shù)難點(diǎn)多，所以在使用OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需要做好充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或項(xiàng)目可行性分析。

在新型號(hào)飛機(jī)研制中，OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)處理過程上6個(gè)功能模塊建議分別采用以下實(shí)現(xiàn)途徑。第1個(gè)模塊（DA），它直接與傳感器相連，一般情況直接集成在飛機(jī)上，由設(shè)備或成品廠負(fù)責(zé)完成。第2個(gè)模塊（DM）需要做特征的選擇，會(huì)依賴歷史數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)、觀察報(bào)告等信息，建議由地面CBM系統(tǒng)來完成，可以由設(shè)備或成品廠或一些具備相應(yīng)技能的單位實(shí)現(xiàn)。第3個(gè)模塊（SD）需要做模糊判斷，比如使用模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來判斷信號(hào)狀態(tài)。第4個(gè)模塊（HA）需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的支持。第5個(gè)模塊（PA）是6個(gè)模塊中最復(fù)雜，最難的模塊，主要實(shí)現(xiàn)故障或剩余使用時(shí)間的預(yù)測(cè)，并給出維修或保養(yǎng)任務(wù)。需要針對(duì)各行業(yè)（機(jī)械、機(jī)電、電子等）尋找對(duì)產(chǎn)品的實(shí)效機(jī)理或物理模型有研究背景的單位負(fù)責(zé)給出預(yù)測(cè)算法。第6個(gè)模塊（AG）是建議決策模塊，主要對(duì)HA模塊與PA模塊生成的維修保養(yǎng)任務(wù)再結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)等外部因素生成維修方案。上述第3至第6個(gè)模塊對(duì)IT技術(shù)的要求較高，建議由專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和IT公司參與完成。

4 結(jié)束語

雖然OSA-CBM已經(jīng)誕生了十幾年，國內(nèi)有關(guān)OSA-CBM的技術(shù)資料并不豐富，標(biāo)準(zhǔn)本身也不提供樣例程序，研發(fā)工作進(jìn)展緩慢，目前有關(guān)OSA-CBM成功案例并不多?，F(xiàn)代飛機(jī)以基于狀態(tài)的維修體制是航空業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和必然要求，飛機(jī)健康管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修體制的技術(shù)手段，OSACBM標(biāo)準(zhǔn)是飛機(jī)健康管理系統(tǒng)研制的技術(shù)基礎(chǔ)，它提供了程序研發(fā)的框架以及標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)兼容性設(shè)計(jì)規(guī)范，可以極大降低研發(fā)費(fèi)用，提高專業(yè)分工和協(xié)作中工作效率，縮短開發(fā)周期。因此航空工業(yè)應(yīng)積極推動(dòng)OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用和OSA-EAI企業(yè)系統(tǒng)集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)，發(fā)揮行業(yè)作用。

[參考資料]

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[4] ISO 13374-2：2007 Condition monitoring and diagnostics of machines — Data processing, communication and presentation — Part 2：Data processing[S].