健康管理系统

健康管理系统最初是由NASA研究的可以重复使用的空间飞行器项目中针对飞行器进行健康管理的一类集成技术，是利用传感器获取发动机状态的数据信息，借助各种传统和现代的数学方法来评估发动机及个系统的健康状况，预测发动机性能状况的发展趋势和可能发生的故障，并提供科学恰当的排故和维修建议；在结构载荷监测的基础上，对发动机在保证工作安全条件下的剩余使用寿命进行预测。

随着对在轨航空发动机可靠性要求的提高，对其全生命周期进行健康管理的研究越来越重要，我国也开展了健康管理技术的研究，在对国外先管技术进行跟踪研究的同时，主要对健康管理理论方面做了基础而深入的研究工作。与国外先进国家相比，我国在发动机健康管理系统技术发展上存在较大差距。目前我国尚未建立起发动机健康管理系统的设计体系。

基于模型的健康管理系统设计方法

采用的基于模型的航空发动机健康管理系统设计技术，可以在整个产品设计生命管理周期，使用标准化的模型来支持系统设计过程中的需求、设计、分析、论证、验证等行为，这使得系统的软件与硬件之间，不同子系统的开发人员之间，以及系统开发与管理人员之间可以更好地进行信息交互，更有利于系统的设计分析及功能验证。

针对机载PHM系统研发设计与优化过程中涉及的产品系统复杂，研发周期长等问题，引入基于模型系统工程方法进行系统设计研发，以全局视角考虑其系统设计。建立健康管理及故障诊断系统需求-功能-逻辑-架构设计模型，通过多架构建模技术支持MBSE系统模型的构建以及PHM仿真模型的生成。通过多领域联合仿真实现PHM系统软硬件模型的在环验证，并对PHM系统的架构设计、诊断模型的功能逻辑与算法进行优化，从而降低PHM系统的研发成本，提高PHM系统运行精度。

（1）MBSE系统建模思想在PHM中的工程化应用

面向PHM系统，使用MBSE支持其系统设计的需求分析、场景建模、架构设计、验证评价四方面。需求分析方面，通过ISO29148所提供的相关需求方法，对PHM系统相关需求进行定义及分析。根据标准所列举的需求种类对PHM系统 的需求定义、需求分析及其与架构分析的接口进行梳理，具体功能种类包括功能需求，性能需求，接口需求，非功能需求等。场景建模方面，研究PHM系统在运行各阶段中的场景描述方法。建立模型用以描述PHM系统在对航空发动机进行故障检测与寿命预测过程中各个场景的运行机制。架构设计方面，通过系统工程标准中对PHM系统硬件架构、软件架构及其对应研发团队组织架构的描述方法，研究机载PHM系统架构描述方法。验证评价方面，使用基于MBSE的PHM系统的逻辑架构、诊断算法、寿命预测算法的验证方法，分析评价基于模型与数据驱动两种不同模式下的算法的诊断与预测精度，提高机载PHM系统的运行能力。

（2）基于MBSE的PHM体系架构设计与优化

针对PHM系统的组成复杂，种类繁多的问题，采用基于MBSE的设计方法对PHM体系架构进行设计，基于需求分析、功能分析、逻辑分析、物理架构设计的正向设计方法，明确组成PHM系统的各子系统的输入、输出以及相互之间的连接关系从而确定PHM系统在不同设计阶段的架构设计。根据PHM系统架构模型，分析基于模型、数据驱动等不同架构设计下的机载PHM的安全性、可靠性、成本等指标，并判断其是否满足设计需求。综合不同架构方案下PHM系统架构评价结果，对PHM系统架构进行优化，选择合适的系统架构设计方案，降低PHM系统研发成本，提高PHM系统运行效率。

（3）基于MBSE的PHM系统硬件和软件建模

根据基于MBSE的架构设计构建的PHM系统架构模型，研究PHM系统硬件和软件建模方法。明确PHM系统软硬件仿真模型建模语言（如：Verilog HDL，Modelica，Matlab等）及建模工具（如：Quartua, MWorks，Simulink等）。通过对软硬件架构模型中各子系统组成结构，各子系统输入输出接口，以及软硬件架构模型与软硬件仿真模型的映射关系的研究，结合软硬件各领域的仿真模型库，构建PHM系统软硬件仿真模型。集成所构建PHM系统软硬件仿真模型，构建PHM系统虚拟样机，用于PHM系统诊断模型的分析验证。

（4）面向PHM系统的动态仿真技术

基于MBSE系统设计方法构建机载PHM系统有限状态机图，描述PHM系统在生命周期内所经历的状态序列，通过对有限状态机图的建模仿真，验证PHM系统设计阶段的合理性。通过软件在环、硬件在环、虚拟样机在环、联合仿真等多种方式对PHM系统性能模型进行仿真。将所构建的PHM系统故障模型集成到数字模型中进行软件在环仿真，快速验证PHM系统的策略算法和功能逻辑。连接真实的传感器，电子控制器等，引入真实的运行数据，进行硬件在环仿真。将由软硬件仿真模型构建的虚拟样机与物理样机连接进行虚拟样机在环仿真，结合软硬件仿真模型及虚拟样机模型进行联合仿真。