陳銘杰 池程芝 劉博文 胡飛 張競凱

摘要：為解決民用飛機健康管理典型任務需求與功能需求的可視化仿真難題，本文提出了一種基于場景的民用飛機健康管理可視化框架，在對系統(tǒng)工具軟件STK及其在民機PHM方面特點介紹的基礎(chǔ)上，通過節(jié)點設置、數(shù)據(jù)輸入、計算顯示、模型調(diào)用對框架進行了搭建，并對STK中的三維模型進行了優(yōu)化處理，最后以某民航飛行為例，展示了將STK模塊應用于民機PHM健康管理的實例，說明了基于STK的可視化仿真具有真實性強、效率高的優(yōu)點，從時間、空間、健康管理等方面為民用飛機維護節(jié)點、任務過程、交互邏輯等的特性分析提供了有效參考。

關(guān)鍵詞：PHM；民機健康管理；STK；三維建模；可視化仿真

中圖分類號：TP391.9文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.07.005

隨著微機電系統(tǒng)、信息處理技術(shù)以及人工智能等高新技術(shù)在航空電子設備中的廣泛應用，傳統(tǒng)的維修保障方法逐漸被淘汰。作為民用飛機健康維護的最新技術(shù)之一，故障預測與健康管理（PHM）技術(shù)促進了民用設備維修模式的發(fā)展，消除了傳統(tǒng)維修方法中維修不足和過度維修的缺點，降低了民用飛機的維修成本和故障風險，對民用飛機的安全性、可靠性、維修性、保障性、測試性和經(jīng)濟性具有重要意義[1]。

目前，PHM技術(shù)已得到歐美各國各行業(yè)和研究機構(gòu)的充分認可、研究和推廣。在民用飛機健康管理方面，先進的健康管理系統(tǒng)已得到國外頂尖飛機制造商的廣泛使用，如波音的飛機健康管理系統(tǒng)（AHM）、空客的飛機維修分析系統(tǒng)（AIRMAN）等[2]。而國內(nèi)PHM技術(shù)的相關(guān)研究仍處于初步探索階段[3]。

隨著民機PHM技術(shù)的發(fā)展，其健康管理系統(tǒng)要求在運營維護過程中，通過通信網(wǎng)絡把機載健康管理系統(tǒng)、發(fā)動機機載管理系統(tǒng)、空地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等功能任務平臺連成一個有機的綜合系統(tǒng)，經(jīng)過聯(lián)合信息分發(fā)、多源信息融合、綜合信息處理，及時了解民機健康信息、準確協(xié)調(diào)健康管理行動、執(zhí)行民機的綜合運營維護任務。而基于STK的可視化模型是在綜合考慮運行環(huán)境、維護保障對象、運營維護任務、維護作業(yè)樣式等因素的基礎(chǔ)上建立的，這對民機運營維護典型任務場景仿真分析和健康管理系統(tǒng)體系架構(gòu)設計都具有重要的意義。

1 STK在民機健康管理仿真中的特點

STK（system tool kits）是AGI公司開發(fā)的一款先進的系統(tǒng)分析軟件，它具有逼真的二維和三維場景演示功能、強大的分析計算能力、簡便的數(shù)據(jù)傳輸模式、便捷的建模方法，以及優(yōu)良的可擴展性和實時性[4]。

STK/VO模塊可以顯示三維場景，通過三維場景的真實演示、空中與地面間的操作節(jié)點、各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸和可見關(guān)系，提供了一種動態(tài)顯示民用飛機健康管理過程的方法。

在飛行過程中，STK可通過基本數(shù)據(jù)信息快速計算出飛機在多坐標系下的飛行速度、位置、姿態(tài)以及飛機與傳感器之間的訪問時間，評估飛機與陸?？漳繕碎g的復雜關(guān)系，其結(jié)果會以圖表或文字形式自動生成。

STK還為飛行數(shù)據(jù)提供了一個文件接口。用戶只需要將航路點參數(shù)按一定格式整理并保存為特定類型的文件，STK就可以方便地調(diào)用這些參數(shù)，計算后生成新的飛行數(shù)據(jù)。這為民機健康管理中飛行數(shù)據(jù)的采集與分析提供了依據(jù)。

STK/Connect模塊可以通過UNIX或TCP/IP接口，方便STK與第三方軟件進行數(shù)據(jù)信息傳輸，并在完成后關(guān)閉接口，這為實現(xiàn)民機健康管理過程中的實時數(shù)據(jù)傳輸和顯示提供了可能。

2可視化框架的搭建

2.1民機健康管理場景想定

根據(jù)民用飛機與多平臺進行綜合運營維護的健康管理場景想定，采用STK建立場景想定模型，包括任務環(huán)境、管理-控制方式、視情維修的開放式體系結(jié)構(gòu)（包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)檢測、健康評估、預測評估以及健康管理等）、備件物流方式及互聯(lián)互通等，生成可視化的想定模型；其次，對健康管理平臺部署、管理-控制關(guān)系、平臺功能性能及備件物流體系進行分析，對健康管理維護約束條件進行分析（包括維護規(guī)則、任務條件、備件資源限制等）；最后，根據(jù)場景模型的動態(tài)運行，完成維護節(jié)點、任務過程、交互邏輯等特性分析，驗證任務想定的合理性。

2.2框架和過程

隨著現(xiàn)代飛機實時監(jiān)測與健康管理技術(shù)的發(fā)展，中國民航也從進行飛行事故分析發(fā)展到使用空地數(shù)據(jù)鏈路監(jiān)測飛機狀態(tài)[5]。飛行過程中，如果PHM系統(tǒng)檢測到飛機發(fā)生故障，地面站將實時接收故障報文，地面人員可以在飛機到達下一站之前制訂好維修計劃，以確保航班的高效運行。具體而言，基于STK的民機健康管理可視化框架搭建可以通過以下過程實現(xiàn)。

（1）確定建模輸入

建模輸入主要包括健康管理相關(guān)對象（機載系統(tǒng)、發(fā)動機、衛(wèi)星、地面站等）及屬性（運營維護中的主要用途）、健康管理活動（監(jiān)控、診斷、預測、維修等），以及各對象的交互關(guān)系（交互拓撲、交互信息）。

（2）確定可視化建模原則

可視化建模原則包括相關(guān)數(shù)據(jù)的可量化程度（診斷/預測能力、通信能力、物流運輸?shù)龋┮约敖］斎氲耐陚涑潭龋▽σ?guī)劃研究的相關(guān)技術(shù)點的覆蓋程度）。

（3）健康管理場景建模

健康管理場景建模是實際操作的關(guān)鍵部分，包括任務環(huán)境建模，需要定義分析可視化仿真周期，添加相關(guān)地形，添加地表紋理；健康管理對象建模，如飛機、衛(wèi)星、地面站、運營維護和數(shù)據(jù)分析中心的建模；任務載荷建模，需要進行傳感器建模和通信建模（發(fā)射機和接收機），并對相應約束進行設置；交互關(guān)系，確定時間—空間變化關(guān)系以及檢測—診斷—預測—評估—維護關(guān)系，進行通信鏈路的建模。

在民機PHM維修保障系統(tǒng)中，節(jié)點可以分為空中和地面兩部分[6]。節(jié)點與STK的交互關(guān)系如圖1所示。

在外部數(shù)據(jù)模塊中，用戶可以將民機PHM維修保障系統(tǒng)所需的飛行數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)按指定的路徑進行排列和存儲，然后通過STK/Connect模塊向STK發(fā)送命令，功能實現(xiàn)后關(guān)閉界面。

STK計算顯示模塊接收STK/Connect模塊的命令，利用外部數(shù)據(jù)計算民機PHM場景中的各種事件，通過三維場景模型實現(xiàn)PHM場景的可視化，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)鏈路，輸出標準數(shù)據(jù)文件。

模型庫存儲了民機PHM場景所需的節(jié)點三維模型、地理信息模型、傳感器模型和天氣模型。民機PHM的具體流程如圖2所示。

3 STK三維模型的建立和優(yōu)化

與民機PHM任務相關(guān)的STK三維模型包括三維地形、飛機、氣象環(huán)境、地面設施和雷達等。其中，三維地形和飛機模型的建立和優(yōu)化是一個非常復雜的問題，也是本節(jié)研究的重點。

3.1三維地形模型

三維地形是航空任務模型的重要組成部分，不僅可以提高仿真效果，而且對飛機的方位角、俯仰角等能見度分析也有重要影響[7]。三維地形通常可以通過以下方式生成：（1）在STK地形服務器中搜索并下載地形模型，然后通過VO模塊生成三維地形；（2）將外部文件導入STK，在Imagery and Terrain Converter模塊中通過輸入經(jīng)緯度信息，將其轉(zhuǎn)換為三維地形。

如圖3所示，這些地形信息存儲在STK的地形數(shù)據(jù)庫中，在仿真階段由顯示控制模塊加載到相應的場景中。

3.2三維飛機模型

為了滿足民機PHM場景中飛機節(jié)點的要求，需要提高飛機模型的精度。STK使用自定義的MDL模型來顯示三維飛機，通常可以通過以下方式得到：（1）可在STK模型庫的空中部分找到最常見的飛機模型；（2）建模開始時，可以通過記事本編輯所選飛機的MDL模型，并添加PHM系統(tǒng)的功能；（3）使用3DMax、LightWave、LwConvert等軟件將其他格式模型轉(zhuǎn)換為MDL模型[8]。

在民機PHM的任務中，需要使飛機模型具有更多的個性化特征，如發(fā)動機故障和機載診斷系統(tǒng)，因此在建模過程中我們更傾向于采用第三種方法，優(yōu)化后的三維飛機模型如圖4所示。

4民機健康管理可視化實現(xiàn)

以某民航飛行為例，介紹了STK在民機PHM維修保障系統(tǒng)中的應用。

基于維修保障體系，為了有效及時地解決突發(fā)事件，民用飛機健康管理機構(gòu)對每一種可能的情況都做出了詳細的預案。其中之一就是飛機發(fā)動機發(fā)生故障，通過機載健康管理系統(tǒng)、空地數(shù)據(jù)鏈以及維護系統(tǒng)及時解決緊急情況，從而使飛機能夠繼續(xù)飛行。

首先，在STK場景中加入PHM系統(tǒng)的節(jié)點。在本例中，需要添加起飛/到達機場、飛機、衛(wèi)星、塔臺、地面站、發(fā)動機運維中心、飛機運維中心、航空公司和維修中心，各節(jié)點實體部署見表1。

其中，衛(wèi)星、塔臺、地面站、發(fā)動機運維中心、飛機運維中心、航空公司和維修中心的三維模型均可在STK模型庫的地面部分找到，效果如圖5所示。

其次，利用外部數(shù)據(jù)建立三維地形模型和飛機模型。三維地形包括起飛/到達機場和飛行區(qū)域，通過制作高程地圖模型并輸入經(jīng)緯度信息，將其轉(zhuǎn)化為JP2格式等待STK調(diào)用；飛機模型需要根據(jù)PHM特征需求，本例中主要是發(fā)動機單發(fā)空停和機載系統(tǒng)診斷并發(fā)送發(fā)動機故障信息，首先通過3DMax等軟件生成三維模型，再用LightWave軟件將其轉(zhuǎn)換為lwo格式，在此基礎(chǔ)上對飛機模型進行優(yōu)化，最后用LwConvert將其轉(zhuǎn)換為MDL模型。

根據(jù)之前搭建的民機健康管理可視化框架，可以得到如圖6所示的活動時序圖。

根據(jù)活動時序圖，建立了完整的民機健康管理可視化系統(tǒng)模型，并剪輯制作了視頻，如圖7所示。圖7（a）為起飛階段飛機通過衛(wèi)星向運維中心發(fā)送當前發(fā)動機監(jiān)視數(shù)據(jù)；圖7（b）為巡航階段發(fā)動機發(fā)生故障后，飛機向通信衛(wèi)星發(fā)送當前發(fā)動機故障診斷信息；圖7（c）為進近降落階段機場塔臺向飛機發(fā)送進近指引；圖7（d）為飛機著陸后的地面維護階段，航空公司向維修部門發(fā)送維修任務，調(diào)度機場資源為飛機提供維修保障。

民機健康管理典型任務場景可視化系統(tǒng)模型可以直觀顯示各個任務階段健康管理活動的時間信息（開始和結(jié)束時間）、空間信息（經(jīng)緯度、高度、航程）、實體的運動信息及實體內(nèi)部的功能描述、功能與功能之間的交互關(guān)系、實體間的交互關(guān)系以及實體自生的工作狀態(tài)變化等，從時間、空間、健康管理等方面為民用飛機運營維護節(jié)點、任務過程、交互邏輯等的特性分析提供了有效參考。

5結(jié)束語

本文所研究的面向民機運營維護的健康管理系統(tǒng)需求分析與驗證技術(shù)提供了一套基于模型的民機健康管理系統(tǒng)需求架構(gòu)建模與仿真驗證方法，可用于指導民機健康管理頂層需求論證與系統(tǒng)架構(gòu)初步設計，該方法使開發(fā)人員更加熟悉民機維修保障系統(tǒng)的組成、功能和過程，為類似系統(tǒng)的建模提供了參考，為民機健康管理系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)，具有重要的民機研究應用價值。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

陳銘杰（1994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：仿真測試與健康監(jiān)控。

Tel：18262620557

E-mail：avic615cmj@163.com

Research and Implementation of Visual Simulation of Civil Aircraft Health Management Based on Scenario

Chen Mingjie*，Chi Chengzhi，Liu Bowen，Hu Fei，Zhang Jingkai

Key Laboratory of Science and Technology on Avionics Integration Technologies，China Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200030，China

Abstract： In order to solve the problem of visual mission requirements and functional requirements of civil aircraft health management， a visual framework of civil aircraft health management based on scenario is proposed. Based on the introduction of STK and its characteristics in civil aircraft PHM， the framework is built through node setting， data input， calculation display and model call， and the three-dimensional model in STK is optimized. Finally， a civil aviation flight is taken as an example to show the application of STK module in PHM health management of civil aircraft， which shows that the visual simulation based on STK has the advantages of strong authenticity and high efficiency. It provides an effective reference for the characteristic analysis of civil aircraft maintenance node， task process and interaction logic from the aspects of time， space and health management.

Key Words： PHM； civil aircraft health management； STK； 3D modeling； visual simulation