第42卷第1期2021年1月
自动化仪表
PROCESS A U T O M A T I O N INSTRUMENTATION
Vol. 42 No. 1
Jan.2021基于M B S E的P H M开发平台设计 王生龙，景博，焦晓璇，潘晋新，崔展博
(空军工程大学航空工程学院，陕西西安710051)
摘要：故障预测与健康管理（P H M)开发平台具有结构功能复杂的特点，传统的设计方法难以保证其结构合理性与功能可靠性。针 对传统的基于文本的系统设计中存在的需求追溯性弱、问题描述模糊的问题，提出了应用基广模型的系统工程（M B S E)方法论指导平 台设计过程，使用模型驱动的00S E M建模方法对P H M开发平台进行模型搭建。通过利益相关者需求导出系统需求与系统功能，在 对系统内部结构进行逻辑分析后定义了平台系统架构，实现了系统架构综合，搭建了完备的P H M开发平台M B S E模型。基于M B S E 的设计过程使该模型具有结构清晰、集成性高、追溯性强的特点，模型 化的设计方法保证了其通用性与可重用性。该模型的建立为 P H M开发平台搭建提供了设计流程与解决方案。
关键词：P H M开发平台；SysML；基于模型的系统工程；O O S E M；大数据 中图分类号：TH-39 文献标志码：A D0I：10. 16086/j. cnki. issnl000-0380. 2020060035
Design of PHM Development Platform Based on MBSE
W A N G Shenglong,JIN G B o,J I A O X i a o x u a n,P A N Jinxin,CUI Zhanbo
(College of Aeronautical Engineering,Air Force Engineering University,Xi*an 710051,China)
Abstract： The prognostic health management (P H M)development platform i s characterized by complex structure and diverse functions. Traditional design methods cannot guarantee i t s structural rationality and functional reliability. Aiming at the problems of weak requirement traceability and fuzzy problem description in traditional text- based system design,the model based systems engineering (M B S E)methodology i s applied to guide the platform design process,and the model driven O O S E M modeling method i s used to Model the P H M development platform. System requirements and system functions are derived from stakeholder requirements, and the platform system architecture of
the internal structure of the system i s defined after logical analysis. The system architecture integration i s realized and a complete M B S E model of P H M development platform i s established finally. M B S E based design process makes the model characterized by clear structure, high integration and strong traceability. The modeled design method ensures i t s universality and reusability. The establishment of the model provides the design process and solution for the establishment of P H M development platform.
K e y w o r d s：P H M development platform； S y s M L；Model based systems engineering(M B S E) ；O O S E M；Big data
o引言
故障预测与健康管理（prog no st ic health
management,P H M)系统涉及大数据处理、网络通信、人 机交互、多系统交联等多学科技术，具有复杂性、综合 性、信息化的特点[1]。随着智能化时代物联网、深度学 习、大数据云计算等技术的出现，P H M系统的理论框 架与功能结构有了新的发展[2]。然而P H M技术的集 成与熟化仍然缺乏实践与经验，对P H M技术的应用推 广非常不利。应用基于模型的系统工程（model based systems engineering,M B S E)以其模型化系统建模的优 势，可以有效解决P H M开发平台在设计阶段面临的瓶
颈问题。M B S E方法论指导P H M开发平台设计，可以 有效降低设计难度，提高设计效率。
1 P H M开发平台研究现状
P H M开发平台将P H M关键技术融合在硬件平台 中，集成数据采集、数据预处理、状态监控、故障诊断、寿命预测等功能，针对不同设备对象、不同应用需求给 出相应的解决方案，具有多功能、通用性的特点。
收稿日期：2020-06-12
基金项目：中国航空工业第一集团公司航空科学基金资助项目（20142896022)
作者简介：王生龙（1995—)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为智能检测与健康管理，E-mail:893662821@qq.c〇m;
焦晓璇（通信作者），男，博士，讲师，主要研究方向为智能检测与健康管理，E-m ail:Ph m_w Sl@〇ml〇0k.c〇m
• 82 .
自 动化仪表第42卷
目前，国内外在P H M 开发平台上的研究多集中于 算法仿真，P H M 技术熟化程度不足。其中，周长红[3] 等使用L a b V 丨E W 与Matlab 软件建立了 P H M 仿真验证 平台，可在软件仿真层实现对不同民机架构的验证评 价;H e 141等针对医疗设备建立了 P H M 流程框架，在框 架下以仿真的方法实现了设备轴承故障诊断，并给出 了模型置信度；K W O N [51等提出基于物联网平台的
P H M 架构，然而目前没有相关标准对基于物联网的 P H M 平台提供支持。针对不同应用环境，国内外学者
搭建了相应的P H M 开发平台。然而其在P H M 开发平 台搭建上，仅聚焦局部功能，P H M 平台架构不够完整， 具有很大局限性。郭文浩[6]等使用L a b V I E W 设计
P H M 试验平台综合控制器。该平台功能仅局限于数
据采集，没有具备完备的P H M 流程。Z h m /7]等提出一 种故障诊断方法“C M F D K -M T ”与相应的P H M 架构。 该研究仅针对机床设备多的故障诊断，缺乏通用性。
P H M 开发平台的设计与应用面临许多困难阻碍，
目前，P H M 开发平台的研究面临以下问题。
① 应用对象差异大。P H M 技术广泛应用在交通
运输、航空航天、网络通信、工业能源等多个领域的多 种对象设备中，如汽车、卫星、轴承、海堤、机床、油井 等。不同对象工作特性差别大，导致故障模型获取难
度大、模型验证困难。
②
应用环境变量多。不同设备的工况与应用背景
有差别，其目的功能、应用空间、计算资源各有限制与
需求，基于文档的描述方式难以将具体需求与设备功
能、系统结构紧密联系，逻辑梳理不够清晰，难以建立 通用性的解决方案。
③ P H M 开发平台系统复杂。P H M 开发平台具有
功能丰富、结构复杂、交互性强的特点，结构化、半结构
化、非结构化的多元、异构数据的传输、处理缺乏标准约束[8]。
针对设计中存在的问题，本文选择应用M B S E 方 法论建立一个功能完善、通用性高、应用性强的P H M 开发平台体系架构模型[9]。与传统的基于文本的系统
设计方法相比，以M B S E
指导平台设计具有以下
特点U°]。
①
M B S E
摆脱了传统的基于文档的系统工程方
法，采用集成的、清晰一致的系统模型描述设计开发全 生命周期过程。M B S E 模型之间有明确通信接口，模 型内容具有一致性，设计更改方便，增强了系统设计文 件的可读性，提高了系统设计效率。
② M B S E 在复杂系统设计中建立了标准的设计规 范，提高了设计描述的准确性，打通不同设备、交叉学 科之间的联系，提高了复杂系统集成性，有效解决部件 级、分系统级的功能、结构交联描述不清
晰的问题。③ M B S E 采用一种面向对象的设计方法，统一的 方法、参数、事件定义提高了系统数据模型的可重用 性，在不同应用场景下可灵活配置，提升了方案的通 用性。
应用M B S E 建模流程搭建的P
H M
开发平台模型
能够从需求端出发，充分考虑不同应用场景需求，使利
益相关者需求具有较强的追溯性。从不同角度对平台 具体细节进行详细建模，对资源进行统一调度，避免了 基于文本的系统工程方法带来的定义模糊化缺陷。2基于模型的系统工程理论
基于模型的系统工程是一种应用建摸方法的方
式，用于支持系统需求、设计、分析、检验和验证活动。 这些活动从概念设计阶段开始，以模型为技术基线的 一个组成部分，贯穿整个开发过程及后续的生命周期 阶段[n]。M B S E 在工程实践中包含三大支柱：建模语 言、建模方法以及建模工具[121。2.1建模语言建模语言是在建模过程中用于定义模型、表述模 型关系的一种描述方法。S y s M L 是一种标准化的图形 建模语言，由对象管理组织O M G 在统一建模语言
U M L 2.0的基础上提出.S y s M L 是U M L 的子集，并对
U M L
2.0进行相关重构。
呂丫⑶匕图™分类如图1所示。
图1 S y s M L 图分类
Fig. 1
SysML figure classification
第1期基于M B S E的P H M开发平台设计王生龙，等• 83 .
包图（p k g)：以包含模型元素的包的形式描述模
型的组织结构与包含关系。
需求图（req)：描述基于文本的需求与其他需求、设计元素、测试用例之间的逻辑关系。
活动图（act)：基于行为模块的输人、输出、控制信
号描述工作流。
序列图（sd)：基于系统、分系统间信息交换顺序 建立描述特定行为的工作流。
状态机图（stm)：描述事件触发的一系列实例状
态转换。
用例图（u c)：通过描述外部用例对系统的操作行 为展示系统功能。
模块定义图（b d d)：描述系统结构模块的组成与
系统平台开发评估
分类。
内部块图（ibd)：描述模块之间的接口和交联
关系。
参数图（par)：通过等式与不等式定义属性值的
约束。
在系统工程实践中，S y s M L旨在以图形化的语言 详细描述系统结构以及内部模块结构，采用M B S E方
法建立一致性强、耦合度高的系统模型。
2.2建模方法
建模方法是指导M B S E整体建模过程的理论与方
法。定义了一套覆盖系统设计开发全生命周期的建模 流程。目前主要的M B S E建模方法论如下。
① H armonySE。
H a r m o n y S E是嵌人式软件开发公司〖-Iwgix提出 的，用于大型综合系统开发的建模方法。H a r m o n y采
用“服务请求驱动”的建模方法[14]，强调对功能和基于 状态的行为的确定和分配，而不强调功能的行为细节。(基于模型的系统工程最佳实践）H a r m o n y建模过程主 要分为需求分析、功能分析、设计综合三个步骤1151。
② V ltech。
Vltech M B S E建模方法由四个并行的活动组成，分别为需求分析、属性分析、架构综合以及系统验证。四个活动与系统总体设计库连接，为总体设计提供设 计模型，并维护系统设计库的运行[16]。Vltech方法强 调模型的一致性与可执行性，对建模流程进行分层处 理，在完成每一层的模型分析设计后垂直进行下一层 级模型的建立，确保了模型的整体性与收敛性U7]。
③ 00S E M o
面向对象的系统工程方法（object-o ri en te d system
engineering method，O O S E M)由IINCOSE公司于 2000 年 建立，采用O M G S Y S M L自顶向下，基于模型的方法[18]。应用面向对象的思想及S y s M L语言进行系统建模，在对系统逻辑进行分解隔离及相关性分析的基 础上，将每个系统模块视为对象进行继承、封装等操作。因此，00S E M方法构建的系统模型重用性强，灵 活度高的优势。00S E M建模方法如图2所示。00S E M方法的系统开发流程主要分为需求分析、系统 需求定义、逻辑架构定义以及设计架构综合。
图2 00S E M建模方法
Fig. 2 O O S E M modeling method
2.3建模工具
建模工具是建模语言以及建模方法的载体，定义 了建模语言使用的规则，为丁.程师提供友好的建模过 程，便于工程师高效的建立系统模型。在系统模型设 计过程中，建模工具在底层将模型进行关联定义。当模型元素变更时，建模工具将自动调整项目中所有模型元素。目前常用的建模工具包括：丨B M Rational Rhapsody、MagicDraw、U M o d e l.1-等。
2.4小结
P H M开发平台具有结构功能复杂的特点，对模型 的重用性、灵活性提出了较高的要求。为使搭建的
模 型具有更广泛的适用性、降低模型推广难度，本文采用 普及度较高的I B M Rational R h a ps od y建模工具，使用 标准化的SysM L语言在面向对象的00S E M方法指导 下进行系统建模。
3 P H M开发平台需求分析与定义
本节通过对利益相关者需求进行分析，导出系统 P H M开发平台的系统需求，并通过需求分析确定该模 型中的用例与功能。
3.1需求分析
P H M开发平台为设备健康管理提供解决方案，将 P H M技术理论研究具体应用在工程实践中。P H M平 台操作流程如图3所示。
P H M开发平台操作流程可分为数据采集、数据分 析、辅助决策三个阶段。每个阶段由设备管理者参与操作。设备管理者作为平台操作者（即利益相关者）
，
•
84
•
自 动化仪表第42卷
对平台的操作性能与应用功能具有相应的需求。
PHM
操作流程
功能模块
实现健康管理建议辅助决策故陣评估分析健康评估状态监测物堆稀々卜裡
获取
数据获取
传感器传感器________________________功能描述________________________
基于辅助决策制定操作，保持系统健康状态
为操作和维护人员提供可操作性的信息
评估健康状态、剩余寿命______________
提供确定系统当前健康状态的信息
评估设备状态，指示正常或异常
基于传感器数据处理得到相应特征
记录传感器数据和健康状态信息
物理传感器和软系统性能变量
图3 P H M 平台操作流程图 Fig. 3 P H M platform operation flow
① 接收设备所搭载的传感器传输的数据。② 数据通信畅通，支持相应数据传输接口。③ 数据存储能力强、存储速度快、存储可靠性高。④ 数据处理准确度高，速度快。⑤ 不影响原设备正常工作，尽量降低对原设备的
改动。
⑥ 直观展示设备健康状态，操作简洁。经过对P
H M
操作流程[|7 |8]以及利益相关者需求 的分析，得到P
H M
开发平台的系统需求。
P H M
开发平台的一级功能需求包括数据采集、数
据处理、可视化显示三个模块。数据处理的二级功能 需求包括数据存储、数据预处理、故障诊断以及寿命预 测模块，功能需求模型表达了 P
H M
功能的基本内涵。
其接口需求“传感器类型”“通信接口”，以及物理需求 “采集通道”“配置方式”均体现了 P H M
开发平台高灵
活性、强通用性的特点。
分析得到的系统需求与利益相关者需求紧密关 联，并完全覆盖其需求。3.2功能分析
P H M
开发平台需求图对数据采集、数据处理、可
视化显示提出了具体需求。
用例图展示了平台系统级功能以及其与外界的信 息交互。其中，外部输人源包含发送指令的操作者以 及传输设备检测数据的传感器，平台内部的重要执行 机构为计算机的C P U 。基于用例，对P H M
开发平台进
行功能分析，并将P
H M
开发平台功能在黑盒中进行表
述，得到系统用例图。
P H M
开发平台在接收到外部用例传输的信息后
执行相应操作，包括数据采集、状态监测、故障诊断、寿
命预测、模型训练等主要功能。4 P H M 开发平台架构定义与综合
O O S E M
建模方法遵循自顶向下的系统设计规律，
在系统需求分析的基础上得到了系统级用例及系统功 能。下一步将对系统模块内部与模块之间的关系进行
逻辑分析与综合定义。
4.1逻辑结构定义
根据以上设计分析，P H
M
开发平台包括三个功能
模块：数据采集模块、数据处理模块以及可视化显示模 块，数据流及命令流通过模块之间的接口进行传输，以 实现特定P
H M
功能。
数据采集模块通过数据采集器与设备传感器连 接，在数据采集控制器的调度下实现原始数据的实时 采集，并将数据以数据流的方式存人数据处理模块中 的数据库。
数据处理模块要求在可视化显示模块接收到用户 下达的指令后，平台执行相应的数据存取、数据挖掘操 作。其中，在线边缘计算由配置在数据采集前端的边 缘计算卡执行，且计算卡因其小型化、嵌人式的特点可 进行分布式部署；离线数据挖掘由大数据平台中的云 计算模块进行资源调度与算法实现。
可视化显示模块要求在可视化软件中给予操作者 友好的显示与操作接口，以图形化的设计对状态监控、 数据管理、故障诊断、寿命预测、算法训练子模块进行 显 7P C 。
根据以上任务要素的分析，得到以块定义图表示 的系统结构图，以内部模块定义图表示的系统功能 流图。
在完成系统结构与功能逻辑的分析后，按照数据
第1期基于M B S E的P H M开发平台设计王生龙，等• 85 •
流逻辑对功能活动进行建模。首先对系统中涉及到的 参数进行定义，对活动图中涉及的具体模型参数进行 支持。在获得模型参数后，对数据采集、边缘计算、大 数据挖掘等活动的具体流程进行建模。
大数据挖掘模块在实现P H M功能中起到中心节 点的作用，数据流、命令流传输频繁，与外界信息交换 接口复杂，故此处对大数据平台进行内部模块定义。
可视化软件模块是P H M平台与操作者的应用接 口，其软件功能涵盖了 P H M开发平台的所有功能，是 用户命令的发送源。其信号交联、逻辑结构较为复杂。
4.2系统架构综合
经过需求分析、功能模块定义以及逻辑架构定义，P H M开发平台的具体模块功能运行逻辑已经清晰。对独立的功能模块进行整合，得到P H M开发平台整体 工作流程图。加人时间轴，分别对状态监控、故障诊 断、寿命预测以及算法训练进行序列图的建模。
状态监控序列由用户发起，通过点击可视化软件 按钮向数据采集器发出指令，由数据采集控制器对数 据采集活动进行配置，设置采样率、釆集通道、存储方 式等参数。数据采集活动开始后，可视化软件接收数 据采集器实时传回的原始数据，并以图表形式展示出来。
故障诊断/寿命预测序列由用户通过可视化软件 发起，在软件中对边缘计算卡进行配置，选择在线故障 诊断/寿命预测算法模型以及数据通道；边缘计算卡通 过I/O接口接收，解析用户命令，并调用计算卡存储器 中相应模型进行在线故障诊断/寿命预测。
算法训练序列由用户发起，在可视化软件算法训练子模块中选择离线训练数据及智能算法文件后，发出模型训练指令；大数据存储模块接收指令提取相应数据及算法文件，由云计算资源管理工具对计算资源及数据进行调度，实现离线分布式计算；在 物理服务器上完成模型训练与验证后，更新大数据存 储模块中的算法模型文件，并通过可视化软件提示用 户；用户可下达指令更新边缘计算卡中相应的算法模型。
5结论
本文通过O O S E M方法对P H M开发平台关键要 素建立模型。该过程包括需求分析、功能分析、逻辑结 构定义以及系统架构综合。使用S y s M L语言建立的图 形化模型具有直观、清晰的优点，面向对象的编程方式 赋予模型以灵活性与可重用性。本文搭建的P H M开发 平台模型满足设备操作者对设
备健康管理的需求，功能丰富，具有嵌人式、分布式、小型化的特点，适用于多种 应用环境，为P H M技术熟化提供了方法论支撑。
参考文献：
[1]陶书弘，吕瑞.故障预测与健康管理技术的应用与发展[J].中
国设备工程，2020(7) :147-148.
[2]年夫顺.关于故障预测与健康管理技术的几点认识[J].仪器仪
表学报,2018,39(8): 1-14.
[3]周长红，黄建民，郑良义.一种民机P H M顶层架构仿真验证平
台的设计和研究[J].计算机测量与控制，2019, 27 ( 6): 263-266.
[4] H E C,W U Y,C H E N T. Prognostics and health management of life
supporting medical instruments [ J ]-Journal of Combinatorial
Optimization,2019,37( 1)：1-13.
[5] K W O N D,H O D K I E W I C Z M R, F A N S J, et a l.IoT-based
prognostics and systems health management for industrial applications[ J] . IEEE Access,2016(4) ：3659-3670.
[6]郭文浩，程进军，谭洋波，等.综合应力下综合控制器P H M试验
平台设计[J].测控技术,2018,37(7) :55-59.
[7] LI R,W I M J C. V E R H A G E N B C R. Stakeholder-oriented systematic
design methodology f o r prognostic and health management system ：Stakeholder expectation definition [ J ].Advanced Engineering Informatics,2020,43 ：20.
[8] Z H O U Q, Y A N P, LIU H Y, e t a l.Research on a configurable
method for fault diagnosis knowledge of machine tools ami i t s
application [J ]. Springer London,2018,95 (1) ：937-960.
[9]邓昱晨，毛寅轩，卢志昂，等.基于模型的系统工程的应用及发
展[J].科技导报,2019,37(7) :49-54.
[10] M A N N C J H. A Practical Guide to S y s M L：The Systems Modeling
Language[J]. Kybemetes,2009,38( 1/2) ：989-994.
[11] Technical Operations International Council on Systems Engineering
INCOSE. I N C O S E systems engineering vision 2020[ R] .San Diego,
C A,U S A：INCOSE,2007.
[12] P A R R O T T,E D I T H. SysML distilled：a brief guide to the systems
modeling language [J ]. Insight ,2014,17(2) ：63- 63.
[13] J O H N S O N T A,JOBE J M,P A R E D I S C J J,et a l.Modeling continuous
system dynamics in SysML [C]//Proceeding of the Intemation a l
Mechanics Conference and Exhibition. Seattle :2007:1-11.
[14] H O F F M A N N H P. Systems engineering best practices with the
rational solution for systems and software engineering [ M]. N e w
York, USA:IB M Corporation ,2010.
[15]郄永军.体系化推进系统工程流程、方法和工具平台在航空产
品开发中的应用[J].航空制造技术，2014( 18) :17-22.
[16] 郭宇，臧睿，周璐莎，等.基于模型的系统工程在航空发动机控
制设计中的应用[J].科技导报，2019,37(7) :96-101.
[17] D I C K E R S O N C E,M A V R J S D. A brief history of models and model
based systems engineering and the case f o r relational orientation [J ].
IEEE Systems Journal,2013,7(4) ：581-592.
[18] IEEE Std 1856—2017, IEEE standard framework for prognostics
and health management of electronic systems[S].2017 ：18.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议