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(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000; 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引 言

2.4米跨聲速風洞是一座大型暫沖式跨聲速風洞，也是目前國內(nèi)最大的高速風洞，具有試驗段尺寸大、試驗Re數(shù)高、模擬真實、試驗精度高等優(yōu)點，是我國大型飛機和先進武器型號的主力試驗風洞，其試驗裝備保障能力直接關(guān)系到型號研制的數(shù)據(jù)質(zhì)量和時間節(jié)點，是提高風洞試驗質(zhì)量效率的關(guān)鍵。

近年來，隨著我國武器裝備研制進程的加快，風洞的試驗任務也日益繁重。2.4米跨聲速風洞作為主力試驗風洞，承擔了大量先進型號的地面氣動力試驗任務，年運行試驗任務已經(jīng)遠遠超過了設(shè)計指標，風洞設(shè)備長期運轉(zhuǎn)，因設(shè)備疲勞、老化以及故障發(fā)現(xiàn)不及時帶來的維修耗時、經(jīng)濟損失呈逐年上升趨勢，以定期人工檢修為代表的“定期維修”和故障后開展修理工作的“事后維修”，已經(jīng)不能滿足風洞運行的需要。

在此背景下，為了加強對大型暫沖式風洞各試驗部段的性能監(jiān)測與診斷能力，提高試驗裝備的可靠性和穩(wěn)定性，本文應用了增強型的基于狀態(tài)維修(OSA-CBM+)的新型裝備維修模式[1]，從狀態(tài)監(jiān)控、信息共享、智能診斷、趨勢預測以及維修決策等方面，利用開發(fā)的軟硬件工具，設(shè)計了2.4米跨聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)并部署應用，很好的解決了風洞裝備維修及時性、預見性、有效性不足的難題，初步建立了視情維修保障體系，提高了風洞的試驗質(zhì)量和效率，并為其他類似高速暫沖式風洞自主式裝備維修系統(tǒng)建設(shè)打下了基礎(chǔ)。

1 風洞自主式維修保障系統(tǒng)需求

視情維修是一種基于對裝備的故障狀態(tài)進行提前預測、及時診斷、適度維修的保障技術(shù)，按照技術(shù)狀況作為維修時機控制標準，為發(fā)現(xiàn)潛在故障而進行的維修活動[2-3]。

開展大型暫沖式風洞自主式維修保障系統(tǒng)設(shè)計，需要重點滿足如下需求：

1)風洞在線監(jiān)控與實時預測需求。風洞屬于長期、多次、間歇運行裝備，其中的機械、機電設(shè)備故障受到工作載荷沖擊、疲勞影響，壽命呈遞減趨勢，因此風洞自主式維修保障系統(tǒng)應基于風洞中重點設(shè)備的在線監(jiān)控數(shù)據(jù)，實時開展故障診斷與預測，實現(xiàn)故障早發(fā)現(xiàn)、維修更及時;

2)開放式與兼容性要求。風洞是機電液氣多專業(yè)綜合的大型試驗裝備，其中涉及到的多種類型設(shè)備故障機理差異大，故障模式多種多樣，要求風洞自主式維修保障系統(tǒng)中的診斷、預測技術(shù)能夠適應多專業(yè)特點，具有開放性和兼容性；

3)可靠性要求。該系統(tǒng)與風洞測控系統(tǒng)同步運行、互不干涉；盡量選取現(xiàn)成或成熟的技術(shù)和設(shè)備，在投入運行后，能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地長期運行，利用備份、冗余等技術(shù)手段和措施，排除各種可能因素的干擾和影響，保證系統(tǒng)按設(shè)計要求發(fā)揮正常作用；

4)標準化和開放性：系統(tǒng)設(shè)計采用的技術(shù)和設(shè)備應符合國家標準或業(yè)界標準，為系統(tǒng)的擴展升級、與其他系統(tǒng)的互聯(lián)提供良好的基礎(chǔ)，為后續(xù)開展的裝備性能評估和壽命預測等工作預留接口。

2 總體設(shè)計

2.1 層次架構(gòu)

大型暫沖式風洞自主式維修保障系統(tǒng)按照CBM+體系結(jié)構(gòu)的7個功能層次，結(jié)合2.4米跨聲速風洞的具體特點，建立了開放式的自主式維修保障系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，定義了不同層次間的數(shù)據(jù)接口和通訊協(xié)議，主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層、綜合應用層三個層次架構(gòu)。如圖1。

圖1 系統(tǒng)層次架構(gòu)

三個層次的功能分別為：

1)數(shù)據(jù)采集層。

數(shù)據(jù)采集層是自主式維修保障系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使用了標準的和適配的數(shù)據(jù)接口，完成對底層傳感器數(shù)據(jù)和其他監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集功能，為分析、診斷、預測等上層業(yè)務提供了可靠和準確的數(shù)據(jù)。此外還需結(jié)合2.4米風洞的運行特點，對重要部件的振動、轉(zhuǎn)速、溫度和其他電信號數(shù)據(jù)選擇適合的傳感器和相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。針對無法使用傳感器進行采集的數(shù)據(jù)則可支持通過交互式電子終端(IETM平臺)來實現(xiàn)信息采集、拍照和記錄。

2)數(shù)據(jù)分析層。

數(shù)據(jù)分析層是整個系統(tǒng)的核心，通過本地數(shù)據(jù)管理中心實現(xiàn)對風洞相關(guān)數(shù)據(jù)的可靠接收、存儲和管理，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建風洞自主式維修保障系統(tǒng)的上層業(yè)務，包括狀態(tài)監(jiān)測、性能評估、壽命預測和輔助決策支持四種功能。其中：

狀態(tài)監(jiān)測：通過對組態(tài)軟件對界面和模型開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果、相關(guān)統(tǒng)計信息、預測結(jié)論以及維修保障決策等豐富信息的展示和便捷直觀的人機交互體驗。

性能評估：對采集到的被測對象的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)進行分析評估，包括采用故障推理機進行推理、建立各試驗裝備故障診斷模型、對設(shè)備故障進行實時診斷和具體定位等。

壽命預測：建立大型暫沖式風洞重要部件的壽命模型，并使用基于歷史數(shù)據(jù)預測引擎和預測算法實現(xiàn)對風洞系統(tǒng)主要部件的壽命預測。

輔助決策支持：在性能評估和故障診斷、預測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與風洞業(yè)務流程相結(jié)合的多要素綜合維修決策，根據(jù)具體維修要求形成最佳維修策略。

此外，結(jié)合該風洞領(lǐng)域豐富的專家經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，形成具有更強針對性、適應性、功能完善的專家知識庫和診斷、預測、決策算法庫，是搭建滿足大型暫沖式風洞實際需求的自主式維修保障系統(tǒng)的重點之一。

3)綜合應用層。

綜合應用層為整個系統(tǒng)的表示層，該層主要由大型暫沖式風洞裝備管理保障信息化平臺構(gòu)成，面向三種試驗人員的提供不同和多種功能使用。

(1)對風洞試驗管理員提供試驗過程的全程管理，包括：獲取試驗數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析裝備狀態(tài)、處理并上報應急事件等；

(2)對風洞運行工程師提供試驗的運行狀態(tài)進行收集和管理，包括：配置系統(tǒng)的功能及參數(shù)、獲取風洞實時運行狀態(tài)、查看歷史數(shù)據(jù)、診斷分析故障等；

(3)對風洞試驗的裝備管理員提供試驗裝備的維修、維護過程進行全面管理等業(yè)務功能。

2.2 拓撲結(jié)構(gòu)

大型暫沖式風洞自主式維修保障系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，功能實體分別部署在測控局域網(wǎng)、自主維修保障系統(tǒng)局域網(wǎng)和科研網(wǎng)。

系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 2.4米跨聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

如圖2，測控局域網(wǎng)實現(xiàn)將2.4米跨聲速風洞測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)阶灾魇骄S修保障系統(tǒng)，已達到充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)、實現(xiàn)綜合診斷的目的。目前風洞測控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)主要采用PLC90-30、PLC90-70以及PAC3i設(shè)備，將各個閥門控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、充氣密封系統(tǒng)等過程控制參數(shù)、反饋參數(shù)，通過標準OPC接口上傳，由自主式維修保障系統(tǒng)局域網(wǎng)中的實時數(shù)據(jù)庫進行接收管理。

自主維修保障系統(tǒng)局域網(wǎng)提供全部現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)據(jù)接口、存儲、分析與管理功能。具體包括通過振動、應變、電參量、聲發(fā)射等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對風洞洞體、閥門等結(jié)構(gòu)、機械類設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；并提供基于網(wǎng)絡存儲的本地數(shù)據(jù)中心，提供開發(fā)與運行平臺，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)的診斷、預測和輔助決策業(yè)務，實現(xiàn)基于狀態(tài)驅(qū)動的技術(shù)狀態(tài)管理功能；部分診斷、預測數(shù)據(jù)以及輔助決策的結(jié)論通過防火墻上傳至科研網(wǎng)。

在科研網(wǎng)，除了利用原有的質(zhì)管平臺(TDM)、資源管理平臺(EKP)，實現(xiàn)業(yè)務權(quán)限與業(yè)務數(shù)據(jù)的管理外，為了服務于視情維修體系，還針對性設(shè)計了自主維修保障業(yè)務管理平臺，通過接收診斷、預測以及維修決策結(jié)論，自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)與決策過程的自動流轉(zhuǎn)，提醒相關(guān)人員進行狀態(tài)核驗、備品備件準備、采購與入庫管理、設(shè)備維修信息查詢，實現(xiàn)維修的完整過程。

3 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝備狀態(tài)檢測與管理

從大型暫沖式風洞的特點和運行經(jīng)驗來劃分，可將2.4米×2.4米跨聲速風洞分為洞體結(jié)構(gòu)、閥門系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四大保障對象。自主式維修保障系統(tǒng)對各大保障對象分別設(shè)計了相應的狀態(tài)采集方式和采集設(shè)備，并依靠自主開發(fā)的狀態(tài)檢測軟件[4]，完成對洞體結(jié)構(gòu)、閥門系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)接收、處理、顯示功能，同時將相應數(shù)據(jù)分發(fā)給故障診斷模塊和預測模塊，并將生成的故障診斷結(jié)果、預測結(jié)果、試驗運行狀態(tài)交由組態(tài)軟件進行展示。

狀態(tài)監(jiān)測軟件依靠WonderWare的組態(tài)軟件平臺實現(xiàn)與前端測量設(shè)備與自主式維修保障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接、實時數(shù)據(jù)顯示、采集數(shù)據(jù)的存儲功能。其采用的是Device Integration Server采集數(shù)據(jù)，并使用工業(yè)標準的OPC傳輸協(xié)議獲取各監(jiān)測點狀態(tài)數(shù)據(jù)，最終存儲到實時和歷史數(shù)據(jù)庫中。在操作員站和工程師站，則使用配置好的InTouch組態(tài)軟件客戶端接收并顯示來自數(shù)據(jù)庫和業(yè)務層軟件模塊的數(shù)據(jù)。

狀態(tài)監(jiān)測軟件界面如圖3所示。

圖3 狀態(tài)檢測軟件界面

3.2 故障診斷、預測

故障診斷與預測功能是實現(xiàn)"基于狀態(tài)的維修模式"的核心技術(shù)。針對采集到的各種參數(shù)，提取表征設(shè)備故障/故障征兆的特征參數(shù)，采用多種診斷和預測技術(shù)，實現(xiàn)形象直觀的狀態(tài)顯示、自動化的故障診斷和預測功能。

結(jié)合2.4米跨聲速風洞設(shè)備種類多、故障模式復雜的特點，設(shè)計采用基于狀態(tài)參數(shù)評估的規(guī)則診斷、故障模型診斷和案例診斷相結(jié)合的方式，來實現(xiàn)對風洞監(jiān)測對象的實時故障診斷與定位[5]。

故障診斷軟件平臺的功能框圖如圖4所示。

圖4 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷功能框圖

1)規(guī)則診斷：基于專家知識，形成診斷規(guī)則，當數(shù)據(jù)經(jīng)過規(guī)則推理機推理，滿足規(guī)則限制的條件時，表明出現(xiàn)故障情況，輸出診斷結(jié)論并報警；

2)故障模型診斷：對于專家知識難以描述的復雜故障，通過對故障現(xiàn)象的綜合表述、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，設(shè)計故障模型對故障加以描述，利用監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對故障模型進行匹配分析，形成復雜故障的識別與診斷結(jié)論；

3)案例診斷：對于使用中曾經(jīng)發(fā)生過的，并且得到了很好解決的故障，建立故障案例庫，故障診斷時，采用模糊匹配的方法進行搜索，快速得出故障結(jié)論。

故障預測針對試驗裝備的潛隱性故障，通過深入研究故障原因、現(xiàn)象和規(guī)律，利用檢測到的相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，并進行故障的實時預測[6]。

故障預測軟件平臺的功能框圖如圖5所示。

圖5 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷功能框圖

針對大型暫沖式風洞試驗現(xiàn)場設(shè)備特性，提供數(shù)據(jù)信號處理、振動趨勢分析、特征值計算、故障預報以剩余壽命計算等功能。具體包括運行控制管理和實時預測服務兩部分。其中，運行控制管理模塊主要實現(xiàn)實時預測服務的啟動、停止和狀態(tài)監(jiān)控；新算法模型的加載與調(diào)試；全部模型(衰退模型和預測模型)的查詢與管理等功能；實時預測服務主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)預處理、特征值提取、故障預測、剩余壽命值計算、趨勢分析以及精度計算等功能。

目前，應用與不同類型設(shè)備的預測算法比較多，考慮到風洞中大部分故障預測過程均為將近變換，在2.4米跨聲速風洞中主要采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測算法。

3.3 裝備輔助維修

輔助維修決策模塊建立維修決策模型和決策優(yōu)化參數(shù)指標，實現(xiàn)與風洞業(yè)務流程相結(jié)合的多要素綜合維修決策，形成最佳維修決策，實現(xiàn)維修決策業(yè)務的自動化和智能化。

輔助維修決策是直接與自主式維修保障系統(tǒng)效能相關(guān)。通過對最佳優(yōu)化參數(shù)的配置，結(jié)合風洞具體業(yè)務流程，以及其他要素(如備品備件、預計經(jīng)費、維修方式、維修人力等)，通過建立維修決策模型，制定維修策略，并實現(xiàn)維修決策過程的過程自動化，大大提高了裝備保障的效率，此外，在生成維修報告后，業(yè)務管理模塊通過訪問裝備數(shù)據(jù)庫及時掌握裝備動態(tài)信息。在裝備數(shù)據(jù)庫中的備品備件數(shù)據(jù)庫、試驗計劃等的支持下，裝備管理員上報維修需求并進入流程，從而組織維修過程的實施。

輔助維修決策模塊的功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 維修決策模塊的功能及工作原理

3.4 自主式維修保障業(yè)務管理平臺

自主式維修保障業(yè)務管理平臺是該項目建設(shè)的重要組成部分，系統(tǒng)平臺遵循一體化設(shè)計的思路，采用MVC+LINQ 三層架構(gòu)，即模型層(Model)、視圖層(View)和控制層(Controller)。模型層(Model)是實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的業(yè)務邏輯以及數(shù)據(jù)庫的交互，它包括BLL、DAL及Model；視圖層(View)用于顯示數(shù)據(jù)和提交數(shù)據(jù)；控制層(Controller)收集View提供的用戶數(shù)據(jù)，傳遞給Model，同時返回Model處理后的數(shù)據(jù)給View，實現(xiàn)請求的捕獲和控制請求的轉(zhuǎn)發(fā)。

根據(jù)風洞運行管理的實際業(yè)務需求，將自主式維修保障業(yè)務管理平臺模塊化劃分，具體包括：三化管理、實力管理、日常管理、合同管理、動力運行、電子檔案和法規(guī)制度七大模塊。裝備管理信息化平臺的功能組成如圖7所示。

圖7 裝備管理信息化平臺功能組成

4 應用效果分析

自建成并投入運行以來，該系統(tǒng)體現(xiàn)出較好的應用效果。系統(tǒng)以洞體結(jié)構(gòu)、閥門系統(tǒng)、測控設(shè)備等為對象，基于歷史經(jīng)驗和數(shù)值計算，根據(jù)高速暫沖式風洞裝備的故障模式和故障特點選取監(jiān)測點，進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障和剩余壽命預測，實現(xiàn)預先性決策和針對性快速維修。初步的使用結(jié)果表明：

1)實現(xiàn)了高速風洞裝備由事后維修向視情維修模式的轉(zhuǎn)變。

2.4米跨聲速風洞自主式保障系統(tǒng)對影響風洞正常運行使用的關(guān)鍵系統(tǒng)與部件實施故障預測和剩余壽命預測，通過準確地預測并基于預測結(jié)果實施的維修活動，是在裝備的性能下降階段開展，而不是裝備故障后維修，屬于提前預防性維修，防患于未然，達到“視情維修”、“預先修理”的目的。該系統(tǒng)可避免裝備突發(fā)故障、提高參試性能、延長使用壽命。

2)實現(xiàn)了裝備管理由分散式經(jīng)驗管理向集約式全壽命管理的轉(zhuǎn)變。

目前的裝備日常管理工作中，涵蓋了大量的裝備登統(tǒng)計工作，這些工作記錄繁瑣、信息量有限，且不宜長期保存。2.4米風洞自主式維修保障系統(tǒng)實現(xiàn)了以秒為單位準確、詳細記錄運行過程中風洞關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的能力，該系統(tǒng)所建立的裝備數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了裝備全壽命信息記錄，在替代人工的同時還節(jié)約了大量的資源，實現(xiàn)了裝備管理由“書本化”到“信息化”的轉(zhuǎn)變。

在裝備維修決策方面，通過流程再造和建立維修決策模型，實現(xiàn)了多個指標自主優(yōu)化決策。裝備工作流程再造后，我們將每次的維修情況作為歷史數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫，并將這些數(shù)據(jù)庫作為下次維修決策的主要依據(jù)，根據(jù)維修情況重新修正其物理模型，從而得到更加準確、真實的預測壽命及發(fā)展衰退趨勢。

3)實現(xiàn)了風洞裝備日常管理由人工模式向自動化信息化的轉(zhuǎn)變。

通過2.4米跨聲速風洞自主式維修保障系統(tǒng)，實現(xiàn)了風洞狀態(tài)自動巡檢，實現(xiàn)了由分散式、人工的檢查向自動化的智能巡檢轉(zhuǎn)變，大大提高了試驗運行效率，節(jié)省了試驗準備時間。為進一步提高信息化水平，本系統(tǒng)建設(shè)時，還重點開展了自主式維修保障業(yè)務管理平臺建設(shè)工作，系統(tǒng)平臺遵循一體化設(shè)計的思路，實現(xiàn)了試驗裝備的三化管理、實力管理、日常管理、動力運行、電子檔案、合同管理以及各種法規(guī)制度的統(tǒng)一管理等功能。在信息錄入方面，采用了多種簡化操作、方便使用的措施，實現(xiàn)了信息自動入庫，大大提高了自動化、信息化水平。

5 結(jié)束語

自主式維修保障系統(tǒng)是為解決大型風洞繁重的試驗任務與設(shè)備維修導致停機之間的迫切矛盾而設(shè)計和搭建的，目前系統(tǒng)已經(jīng)投入運行使用，運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)滿足了大型風洞在狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障和剩余壽命預測功能上的需求，顯著提高了風洞的試驗效率，保障了各科研型號在風洞中的試驗任務，也為自主式維修保障系統(tǒng)在其他大型風洞中的應用打下了良好的基礎(chǔ)。