羅昌俊， 鄭 娟， 馬永一， 王小飛， 杜有翔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 計算空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

風洞群中低速、高速、超高速風洞試驗所需的動力資源包括純水、電力、高壓空氣、中壓空氣、高真空、低真空、氫氣、氧氣、氮氣等[1]，而風洞群動力資源的集中保障依賴于動力資源生產(chǎn)、存儲、配送相關的設備，閥門、罐群和管線等系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱“動力系統(tǒng)”)。動力系統(tǒng)是風洞群試驗的“引擎”，其運行效率和穩(wěn)定性直接關系到風洞試驗能否順利開展。系統(tǒng)具有分布分散、結(jié)構(gòu)復雜、集成度高、保障任務重的特點，當前對于設備性能分析、故障預判、維修策略建議、危險源監(jiān)測等主要采用人工檢查和故障后維修方式，缺乏必要的手段對設備故障進行自動化預警，難以實現(xiàn)自動化、規(guī)范化的維修經(jīng)驗和知識的積累。目前，國內(nèi)很多大中型工業(yè)行業(yè)均采用了針對設備檢修的故障管理系統(tǒng)[2-5]，但缺乏對于設備健康狀況的評估和故障的自動預判[6-7]。為此，需要通過開展動力系統(tǒng)信息化建設，引入信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)思想，構(gòu)建覆蓋“狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精確執(zhí)行”[8]4個環(huán)節(jié)的全閉環(huán)保障體系架構(gòu)，以維修/保養(yǎng)工單為中心，形成一體化的動力系統(tǒng)綜合保障方案，提升風洞群動力系統(tǒng)的運行保障效率，滿足型號氣動試驗的動力保障需求。

1 CPS概述

1.1 CPS的基本概念

以人工智能AI、區(qū)塊鏈Block Chain、云計算Cloud Computing、大數(shù)據(jù)Big Data、邊緣計算Edge Computing、物聯(lián)網(wǎng)IoT為代表的信息技術高速發(fā)展，推動了CPS技術體系的出現(xiàn)，成為國內(nèi)外工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的新增長極。

CPS這一概念是2006年由美國科學家Helen Gill在美國國家科學基金會上提出的。由于領域和著眼點的不同，研究人員對CPS信息物理系統(tǒng)這一概念包括中文翻譯都有著不同的理解，但都體現(xiàn)了數(shù)據(jù)從采集、傳輸、存儲、分析到應用的全過程，是貫穿全鏈路的高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的融合，是信息化3.0時代的重要特征。

《信息物理系統(tǒng)白皮書》給出的定義：CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化[8]。

1.2 CPS核心功能

CPS的關鍵環(huán)節(jié)包括4個循環(huán)往復的環(huán)節(jié)，如圖1所示，即狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精確執(zhí)行，同時系統(tǒng)執(zhí)行的結(jié)果又重新被感知，從而進入新一輪循環(huán)。

圖1 CPS數(shù)據(jù)閉環(huán)圖

在狀態(tài)感知環(huán)節(jié)，將物理空間中的隱形數(shù)據(jù)經(jīng)過狀態(tài)感知形成顯性數(shù)據(jù)，并傳遞到信息空間，為后續(xù)的實時分析提供數(shù)據(jù)來源；在實時分析環(huán)節(jié)，利用聚類分析、機器學習、專家系統(tǒng)等相關數(shù)據(jù)處理分析技術對顯性數(shù)據(jù)進行再加工，挖掘其內(nèi)在的關系，成為可認知的信息；在科學決策階段，對直觀的可理解信息進行綜合，根據(jù)對現(xiàn)實的評估和對未來的預測，作出最佳的決策；在精確執(zhí)行階段，將信息空間的決策轉(zhuǎn)化為物理空間中實體裝備的可執(zhí)行的命令，以數(shù)據(jù)的形式作用于實體裝備上，真正實現(xiàn)科學決策。

1.3 CPS體系結(jié)構(gòu)

單元級CPS是CPS層級結(jié)構(gòu)中最小的、不可分割的基本單元，單元級CPS的實質(zhì)是通過物理硬件、自身嵌入式軟件及通信模塊對物理實體進行狀態(tài)感知、計算分析、科學決策并最終控制該物理實體，從而構(gòu)建最基本的數(shù)據(jù)自動流動的閉環(huán)，實現(xiàn)了物理世界(實體)和信息世界(虛體)的交互。

圖2給出了裝備故障診斷與健康單元級CPS體系架構(gòu)，主要包括物理裝置和信息殼。物理實體包括設備、人和傳感器、執(zhí)行器以及其與外部交互的接口，是物理過程的實際操作部分。傳感器用于監(jiān)測、感知物理實體的信號、狀態(tài)；執(zhí)行器實施對決策的反饋響應；信息殼主要包括感知、計算、控制和通信等功能。動力設備的本地監(jiān)控系統(tǒng)軟件可類比為信息殼，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以進行設備使用情況日志采集、分析與控制，同時通過與中心管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

圖2 單元級CPS體系架構(gòu)

2 基于CPS的風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)總體架構(gòu)

一體化保障系統(tǒng)要實現(xiàn)對動力系統(tǒng)的精確保障，要解決動力設備何時修(合理確定維修時機)、如何修(快速進行故障診斷和維修方案的制定與生成)、精益修(合理安排人員和備件)的“三修”問題，而這些需求正是CPS系統(tǒng)狀態(tài)感知、實時分析、科學決策和精確執(zhí)行的核心功能，基于這一認識，本文開展了基于CPS的風洞群動力系統(tǒng)一體化保障研究。

2.1 主要思路

遵循CPS數(shù)據(jù)流動和實體虛體交互的核心理念，開展風洞群動力系統(tǒng)的一體化保障體系架構(gòu)設計，主要思路如下：① 實時獲取動力設備現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，評估設備運行狀態(tài)；② 進行數(shù)據(jù)的實時分析，對故障進行預判和定位；③ 科學地制訂維修維護策略；④ 通過信息化輔助手段，支撐現(xiàn)場精確執(zhí)行維修維護；⑤ 實現(xiàn)物理空間到網(wǎng)絡空間的轉(zhuǎn)換，將現(xiàn)場的維修維護經(jīng)驗積累為知識(規(guī)則表、事實表和故障表)，對設備故障模型進行不斷迭代，并對下一次故障處理進行指導。

2.2 主要流程

風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)流程概述如圖3所示。

圖3 風洞群動力系統(tǒng)一體化保障主要流程

① 狀態(tài)監(jiān)測與CPS數(shù)據(jù)上傳分系統(tǒng)實時監(jiān)測設備測點實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，基于健康診斷規(guī)則得出設備健康狀態(tài)。

② 設備健康管理與維修分系統(tǒng)向設備信息管理分系統(tǒng)發(fā)送設備運行記錄、故障記錄、保養(yǎng)記錄、巡檢記錄，形成設備履歷信息，便于用戶查詢；并發(fā)送備件需求清單給設備信息管理分系統(tǒng)，便于合理安排出庫計劃。

③ 當狀態(tài)監(jiān)測發(fā)出設備報警后，在風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)中，通過人機交互方式獲取知識庫中的故障知識庫和診斷規(guī)則，定位故障原因；當生成維修工單時，會自動獲取該分系統(tǒng)維修知識庫中維修內(nèi)容、工具、工時、工種等信息，并獲取設備信息管理分系統(tǒng)備件庫存量和工機具信息，為制定維修方案提供數(shù)據(jù)支撐，以實現(xiàn)CPS系統(tǒng)實時分析、科學決策的核心功能。

④ 設備健康管理與維修效果評估模塊獲取現(xiàn)場維修記錄、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進行量化統(tǒng)計分析，同時將統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)送給維修知識庫，使維修知識庫不斷更新，實現(xiàn)設備故障模型的不斷迭代。

⑤ 風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)支持向便攜式維修輔助終端發(fā)送維修工單、保養(yǎng)工單、巡檢工單，同時可接收便攜式維修輔助終端上的維修記錄、保養(yǎng)記錄、巡檢記錄，以支持形成CPS的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

2.3 總體設計

風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)包括6大功能模塊，分別為設備健康評估模塊、故障診斷模塊、維修維護模塊、維修效果評估模塊、設備健康管理知識庫和便攜式維修輔助終端，每個模塊又包括若干子模塊，具體組成如圖4所示。

圖4 風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)功能模塊

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 狀態(tài)監(jiān)測與CPS數(shù)據(jù)上傳

狀態(tài)監(jiān)測與CPS數(shù)據(jù)上傳分系統(tǒng)主要負責水、電、氣等動力系統(tǒng)本地監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲，為整個CPS信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務。

風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)上行傳輸路徑如圖5所示。

圖5 終端數(shù)據(jù)上行數(shù)據(jù)流設計

設備健康管理數(shù)據(jù)分為兩類：振動量數(shù)據(jù)和工藝量數(shù)據(jù)，其中振動量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)器采集振動傳感器數(shù)據(jù)后發(fā)送至裝置級中間件處理，并通過數(shù)據(jù)同步助手發(fā)送至中心級；工藝量數(shù)據(jù)由動力系統(tǒng)已有的相應傳感器及PLC進行采集并經(jīng)通信PLC發(fā)送至OPCServer，然后OPCServer對外提供OPC協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)OPC客戶端進行讀取轉(zhuǎn)發(fā)。氫氣系統(tǒng)由本地測控系統(tǒng)WinCC提供OPC協(xié)議數(shù)據(jù)。

3.2 健康評估

設備健康狀態(tài)評估根據(jù)傳感器測量的數(shù)據(jù)、故障和運行歷史數(shù)據(jù)等進行綜合分析，利用評估算法對設備健康狀態(tài)進行評估，并對設備部件剩余壽命進行預測,包括實時預測與報警和設備健康狀態(tài)統(tǒng)計分析兩個子模塊。狀態(tài)評估閾值設定如圖6所示。

圖6 狀態(tài)評估閾值設定

3.3 故障診斷

(1)動態(tài)閾值報警。

通過對設備在不同負荷下的振動和工藝量參數(shù)進行自動學習，針對監(jiān)測設備在某一特定負荷下的振動和工藝量參數(shù)特征，完成智能動態(tài)閾值報警。

(2)智能快變報警。

在一定時間內(nèi)，某一參數(shù)(如振動等)出現(xiàn)一定幅度變化，及時報警。當出現(xiàn)報警情況，一旦被判定為關鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動加密數(shù)據(jù)保存間隔。

(3)具備篩選或減少反復穿越引起的誤報功能。

具備報警事件識別功能，防止針對同一報警事件進行重復報警。

防止反復穿越技術是在定值報警基礎上做出的優(yōu)化。定值報警：通過系統(tǒng)設置報警方式后，正常未報警設備中任意一個測點超過報警線，設備報警，設備處于報警狀態(tài)時，根據(jù)報警時間長短，開始密集保存，之后保存間隔加長。反復穿越報警，但總體平穩(wěn)時，設備報警只有一次。反復報警的測點，只有報警值比上一次報警值大15%以上時，設備才再次產(chǎn)生新的報警事件。

故障診斷的本質(zhì)是專家系統(tǒng)，其基本的技術架構(gòu)通常包括設備結(jié)構(gòu)樹、故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、診斷知識庫、診斷推理機和人機交互界面或接口。通過對設備結(jié)構(gòu)的分解、設備參數(shù)的分析、故障現(xiàn)象的研究和歷史故障與維修數(shù)據(jù)的梳理，利用已有的理論知識和專家經(jīng)驗，通過數(shù)學模型的定量分析和歷史數(shù)據(jù)的對比分析進行故障點的定位。

如圖7所示，故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括故障特征自動獲取模塊、故障推理模塊、人機交互模塊、案例庫模塊等部分。

圖7 故障診斷專家系統(tǒng)的架構(gòu)

故障推理模塊包含知識庫(規(guī)則庫、事實表和故障表)和規(guī)則推理引擎。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，是以機組診斷經(jīng)驗為基礎，將專家經(jīng)驗形象化，建立常見故障表、故障特征事實表、故障推理規(guī)則表，并結(jié)合現(xiàn)場不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識庫；故障推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實表中的相應事實屬性，最終推出基于該事實的結(jié)論。規(guī)則表和事實表可通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行積累，這也反映了CPS能夠不斷自我完善的思想。

3.4 維修維護

經(jīng)故障診斷確定故障源，發(fā)出維修請求后，系統(tǒng)會自動生成維修工單，觸發(fā)維修請求，這時系統(tǒng)會自動調(diào)用設備健康管理知識庫中關于該故障的維修信息，包括維修內(nèi)容、維修工種、維修工時、所需備件，系統(tǒng)會自動關聯(lián)設備信息管理中該備件的庫存余量，形成維修方案；同時，將所需備件清單發(fā)送給庫管，作為維修人員領取備件的依據(jù)，然后進行維修活動的調(diào)度和維修任務的執(zhí)行，最終完成完工確認，并填寫維修記錄，為維修效果評估提供數(shù)據(jù)源。

維修維護主要包括維修工單(圖8、圖9)、維護保養(yǎng)(圖10)和巡檢日志(圖11)3部分功能模塊。

圖8 申請維修工單樣例圖

圖9 工單跟蹤示例

圖10 上傳到系統(tǒng)中的保養(yǎng)記錄示例

圖11 上傳到系統(tǒng)中的巡檢記錄示例

主要的設計方法和過程如下。

(1) 維修方式的確定。

維修方式的確定可以通過對設備進行故障模式及影響分析(即FMEA)或以可靠性為中心的維修分析(RCM)等技術手段，從安全、環(huán)境、經(jīng)濟性等多方面進行評估，確定設備的重要度，從而確定設備的維修方式，一般關鍵設備建議采用狀態(tài)維修和定期維修結(jié)合的方式，重要設備采取定期維修方式，一般設備可采取事后維修結(jié)合的方式。

(2) 維修方案的確定。

當生成維修工單時，系統(tǒng)會優(yōu)先自動獲取設備健康管理知識庫中與本次故障相關的維修方案，如檢修內(nèi)容、所需備件、工具、工種、建議維修公式，同時從設備信息管理-庫存管理中自動獲取所需備件的庫存信息等；如果設備健康管理知識庫中沒有與本次故障相關的維修方案，則需要人工錄入。

(3) 精確保障。

綜合考慮備件/工具存量和人員負荷等因素，實現(xiàn)保障物資的“按需供給”和“主動配備”。

備件/工具調(diào)度：當維修工單中所需備件/工具確定后，系統(tǒng)會自動將所需的備件/工具清單推送給庫房管理員，如果滿足要求，維修人員按照清單領取備件/工具；如果不滿足要求，庫房管理員根據(jù)系統(tǒng)提示缺貨信息申請采購，進入采購流程；當倉庫補貨后，再通知維修人員領取。

人員調(diào)度：維修方案中給出維修工種需求，調(diào)度人員直接將維修任務發(fā)送給維修單位負責人，由其根據(jù)實際在崗人員和負荷進行任務安排。

3.5 維修效果評估

維修效果評估主要是通過建立關鍵指標體系，以及指標體系與業(yè)務數(shù)據(jù)之間的關系，對各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與提煉，向各級業(yè)務領導提供決策支持報表及分析圖表，便于實時了解設備健康狀況和維修績效水平。

(1) 故障統(tǒng)計。

根據(jù)不同分類進行故障統(tǒng)計，可按照設備類型、原因歸類等進行統(tǒng)計。

(2) 維修費用統(tǒng)計。

對設備維修費用進行統(tǒng)計，按照時間進行查詢，可導出?？砂凑胀馕M用和單位內(nèi)部維修費用占用比進行統(tǒng)計。

(3) 維修時間統(tǒng)計。

3.6 便攜式維修輔助終端和交互式電子手冊IETM

便攜式維修輔助終端提供IETM輔助、動力設備維修保養(yǎng)、現(xiàn)場巡檢等功能，包括PMA現(xiàn)場巡檢終端和IETM終端兩種類型，以信息化輔助手段，支撐動力系統(tǒng)現(xiàn)場維修維護策略人機融合的精確執(zhí)行。

系統(tǒng)以IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)為基礎，將其作為便攜式輔助維修終端PMA的系統(tǒng)服務；同時與健康管理分系統(tǒng)PHM、設備信息管理分系統(tǒng)、倉庫管理分系統(tǒng)進行集成；PHM系統(tǒng)實現(xiàn)故障診斷和維修工單下發(fā)；設備信息管理系統(tǒng)提供設備全壽命周期的動態(tài)履歷；倉庫系統(tǒng)提供備品備件的精細化和規(guī)范化管理；IETM數(shù)據(jù)系統(tǒng)為最終用戶提供一個無紙化、向?qū)偷慕换ナ叫畔⒒Ｕ檄h(huán)境；PMA負責維修任務的接受、執(zhí)行與記錄，IETM手冊的瀏覽查詢。

(1) PMA巡檢終端。

主要用于現(xiàn)場巡檢時便攜應用，包括開機巡檢和運行巡檢。采用帶5～7 in電容式觸摸屏幕的手持式設備，便于攜帶和單手操作，具有較強的防震、防水、防塵等防護措施及較長的移動續(xù)航時間(連續(xù)使用不低于6 h)，采用帶有OTG功能的USB網(wǎng)卡實現(xiàn)接入。USB網(wǎng)卡通過交換機與現(xiàn)場工作機連接，再通過工作機訪問應用服務器，進行數(shù)據(jù)交換。

PMA終端將部署便攜式維修終端程序，包括IETM瀏覽模塊、維修工單管理模塊、巡檢工單管理模塊、設備履歷管理模塊、設備二維碼識別模塊等。

PC端部署數(shù)據(jù)交換程序，用于同步設備健康管理下發(fā)的工單到PMA終端和上傳巡檢、維修和保養(yǎng)結(jié)果。

PMA終端開機巡檢功能通過新增開機巡檢任務，保存巡檢記錄表，上傳巡檢報告完成巡檢操作；運行巡檢功能通過獲取巡檢規(guī)則，根據(jù)開啟設備與巡檢規(guī)則，進行半點、整點任務巡檢，提交巡檢報告，完成巡檢操作，如圖12所示。

圖12 PMA終端-維修保養(yǎng)工單

(2) IETM終端。

IETM終端不僅具有PMA終端的全部功能，還安裝了交互式電子手冊(IETM)，可實現(xiàn)離線資料查詢及維護檢修輔助，如圖13所示。

圖13 IETM終端-現(xiàn)場IETM瀏覽

3.7 設備健康管理知識庫

設備健康管理知識庫主要是建立故障診斷模型庫、維修規(guī)則庫、維修方案庫、設備健康與維修關鍵指標體系等，并在數(shù)據(jù)積累中對過程進行不斷優(yōu)化，為持續(xù)提升設備的精確保障能力提供技術和數(shù)據(jù)支撐。

故障推理模塊包含知識庫(規(guī)則表、事實表和故障表)和規(guī)則推理引擎。知識庫是專家系統(tǒng)的核心，以機組診斷經(jīng)驗為基礎，將專家經(jīng)驗形象化，建立常見故障表、故障特征事實表、故障推理規(guī)則表，并結(jié)合現(xiàn)場不斷更新的故障案例，豐富完善已有的知識庫。規(guī)則推理引擎是故障診斷專家系統(tǒng)的關鍵，規(guī)則推理過程通過模式匹配完成，由已獲得的故障特征匹配事實表中的相應事實屬性最終推出基于該事實的結(jié)論。規(guī)則表與事實表可通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)累積進行豐富。目前專家系統(tǒng)內(nèi)置40個故障診斷規(guī)則，主要涉及離心式壓縮機、羅茨真空泵、活塞機、螺桿式壓縮機、干燥器等設備。

前端故障診斷規(guī)則文件采用Drools格式。規(guī)則文件按照規(guī)則引擎的規(guī)范和語法，記錄處理邏輯和操作，并按引擎的算法來觸發(fā)符合規(guī)則的故障處理，支持對故障診斷規(guī)則的前端在線編輯與更新；同時支持故障診斷邏輯圖(JPG或PNG格式)的上傳或下載，便于用戶修改診斷邏輯或閾值，如圖14、圖15所示。

圖14 故障診斷邏輯圖示例

圖15 故障診斷規(guī)則文件

4 系統(tǒng)應用

風洞群動力系統(tǒng)一體化保障系統(tǒng)接收狀態(tài)感知與監(jiān)測管理模塊采集的設備狀態(tài)信息，進行必要的信號處理和特征提取后，基于建立的設備健康診斷規(guī)則定性診斷或定量識別設備當前的健康狀況，并進一步預測設備狀態(tài)趨勢及剩余壽命；如果設備的健康狀況達到需要維修的臨界值，將利用診斷工具進行故障點定位并制定維修方案，生成維修工單與計劃，同時觸發(fā)維修請求，然后進行維修活動的調(diào)度與維修過程的準備和執(zhí)行監(jiān)督，最終完成完工確認和維修后效果評估。該模塊在運行過程中需要不斷積累任務數(shù)據(jù)，持續(xù)更新各種知識庫和健康診斷規(guī)則，實現(xiàn)事后維修向基于狀態(tài)的預測性維修的轉(zhuǎn)變。

5 結(jié)束語

開展基于CPS的風洞群動力系統(tǒng)一體化保障建設，提升動力保障系統(tǒng)自身信息化及智能化水平，實現(xiàn)系統(tǒng)與試驗及計算任務管理信息系統(tǒng)的深度融合，逐步形成以科研任務計劃及需求為導向、以動力設備狀態(tài)監(jiān)控及健康診斷為基礎、以高效管理及精準保障為目標的現(xiàn)代動力保障模式，達到提高動力保障效率、提升試驗質(zhì)量效益的建設目標。