IETM与CBM的系统集成应用
郭德兴1,2， 杜晓明3
(1. 陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心， 河北 石家庄 050003; 2. 72456部队， 山东 潍坊 261305；3. 陆军工程大学指挥控制工程学院， 江苏 南京 210007)
摘 要： 针对IETM(Interactive Electronic Technical Manual)与CBM(Condition Based Maintenance)系统集成的现实需求，分析了CBM系统的功能特性、信息流程、故障监测报告和健康评估方式，结合IETM故障诊断功能和外部应用接口设计，提出了基于故障警报的集成、基于故障定位的集成、基于维修决策的集成和基于状态数据的故障预测集成4种集成方式，并以OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance)接口信息规范为标准设计集成接口，保证了集成的通用性。
关键词： IETM； CBM；系统集成
装备交互式电子技术手册(Interactive Electro-nic Technical Manual,IETM)具有装备技术说明书、操作使用手册和维修手册等功能，其在制定装备预防性维修计划、组织故障隔离、指导故障维修、提高维修效率等方面发挥着重大作用[1]。目前，IETM主要应用于装备的事后维修和定期维修。尽管装备的维修方式已逐步向基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM)方式转变,但开展CBM需要借助完善的故障检测与诊断技术，通过对装备实时监测，以评估装备的健康状态、预测装备的寿命[2]，进而在装备性能下降或故障发生前采取应对措施，变被动维修为主动维修，有效降低了装备维护成本，并延长了装备寿命。开展CBM主要依据采集(处理)的状态数据、健康评估报告、现场交互式排除故障，或根据CBM给出的维修决策建议启动基于状态的装备维护。其中，在交互式故障排除和装备维护中，IETM与CBM通过共享故障数据资源，来合理优化维修活动，提高装备维修效率，实现装备健康管理的一体化应用。
1 需求分析
IETM与CBM均是装备保障的重要支撑技术。其中CBM在获取装备状态数据，实施健康评估和辅助维修决策等方面具有优势，但缺乏详细的装备保障数据支持，而IETM不但能提供完备的装备技术数据，还可提供诊断策略模型和故障维修措施数据，若将IETM接驳到CBM系统中，将二者在不同层面上进行集成，通过采集装备状态、健康诊断等数据，对装备数据进行深度挖掘与利用，可实现装备故障的诊断、维修方案的生成等一体化装备维修保障，达到节约维修时间、维修经费，提高装备运行安全性等效果。因此，在装备故障诊断、健康管理和装备维护等方面展开IETM与CBM的集成应用研究，可实现装备事后维修、定期维修和基于状态维修的综合应用。
2013年，纳入陕西省2013—2015年规划的100条中小河流250个项目建设任务全面拉开，前期工作顺利推进，全年共完成99个项目的现场踏勘，分批集中完成了85个项目的初步设计批复，为2014年建设任务奠定了坚实的项目基础；共下达年度中央和省级投资计划11.25亿元，累计下达2013—2015年规划内项目投资19.23亿元，累计完成投资20.42亿元，有80个项目已完成主体建设任务，完成综合治理河长460km，全面完成了年度目标任务。
1.1 CBM系统
CBM系统通过收集内嵌式(Built In Test，BIT)传感器数据或外部测试仪器检测的参数，运用相关算法和人工智能技术对数据进行分析、处理和评估，查找装备故障点或劣化点，评估装备的健康状态，并给出装备维护建议[3]。从功能上来说，装备诊断过程从数据采集到预诊断、诊断，一般经过多个阶段来完成，且每个阶段都可独立的在不同地点执行。在《机械状态的监测和诊断》(ISO13374)和OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance)规范中，将CBM体系结构分为6个功能层级[4]，如图1所示。
图1 CBM系统的6层级功能模型
1) 数据采集层(Data Acquisition,DA)。采集并存储装备相关特征参数(如油液、振动、噪声、温度等)，并等待上层模块或其他系统读取。采集的数据若超过规定阀值可进行报警。传感器采集的数据主要是状态检测数据，包括数值数据、波形数据和多维数据3类，其中：数值数据是简单的数值，如温度、压力、油液分析数据等；波形数据是一个时间序列，如振动信号、声音信号等；多维数据是一个多维数据，如红外热成像、X射线照片等。
2) 数据处理层(Data Manipulation，DM)。通过滤波、D/A变化等技术对DA层提供的数据进行计算，提取可用于健康评估的特征参数，其输出信号包括滤波信号、频谱、传感信息和其他CBM信息等，可供上层模块或外部系统使用。处理后的数据如果超过一定标准可进行报警。
3) 状态监测层(State Detection，SD)。将DA、DM层的数据通过阈值比较、模糊逻辑等方法进行处理，当发现状态异常后报警，状态监测层可用来进行初步的故障检测。
2) 异步。通过单独的回复调用来返回数据。它允许任意数量的上层模块在需要时建立和维护双向连接，有3种不同的通信设置模式：(1)根据请求返回数据；(2)在警报(如超过阈值)时返回数据；(3)全部推送，每次收集数据时不需要事先请求就将数据推送到更高连接的模块。
2) 基于故障定位的集成。根据第4层的故障定位，IETM从CBM中读取故障代码，基于IETM故障数据模块中的故障数据报告，直接为CBM系统提供维修程序支持。
5) 预测评估层(Prognostics Assessment，PA)。根据健康评估情况和装备运行情况等，判断装备的使用寿命和未来的故障模式。
6) 建议生成层(Advisory Generation，AG)。根据预测结果，给出最佳维修时机、维修任务等维护建议或更改设备配置、任务计划等操作建议。
1) 基于故障警报的集成。根据前3层的故障警报现象或故障代码，IETM从CBM中获取数值数据、特征值、状态数据等数字形式的数据，基于IETM故障数据模块，以交互式故障诊断方式进行故障定位，并提供维修支持。
1.2 IETM外部应用集成接口
IETM是一种按照标准的数字格式编制，采用文字、图形、表格、音频和视频等形式，以人机交互方式提供装备基本原理、使用操作和维修等内容的技术出版物。IETM应用数据均以数据模块存储，其中维修信息存储于维修程序数据模块中，故障隔离信息存储于故障数据模块中。同时，为了增强IETM的交互性，S1000D引入了一种专门用于创建交互式内容的数据模块—过程数据模块。过程数据模块主要用于表示故障隔离和故障诊断类的技术信息。在过程数据模块中，可定义变量、表达式、对话框，以实现人机交互的功能。更为重要是，可在过程数据模块中调用测试程序，并与测试程序交换数据，来实现集成化的IETM[8]。
3) Ⅰ级CBM系统。属于最复杂的CBM系统，它不但在装备的关键部件上安装状态监测系统，而且可通过计算机软件进行多点自动故障状态信息提取、专家诊断和预警，并具有维修决策功能，属于集成了6层CBM功能模块的CBM系统。IETM与Ⅰ级CBM系统的集成，可以根据各层功能需求，上述4种集成方式均采用。
对两组治疗效果及不良反应进行对比，疗效判定：①显效：经过药物治疗后，患者心律失常、发热等临床症状全部消失，同治疗前先比心电图改善显著；②有效：结束药物治疗后，患者上述临床症状基本改善，胸口疼痛有所缓解；③无效：结束药物治疗后，上述临床症状均未改善。
图2为S1000D中元素<externalApplication>的模式结构。其中既有发送参数，也有接收参数。S1000D只定义了交互数据的结构，并没有指定IETM与外部应用程序之间的通讯协议，还需要IETM逻辑引擎与外部应用之间共同约定。
肿瘤细胞可以通过自分泌和旁分泌改变和维持自身生存和发展的条件，促进肿瘤生长和转移。常见的肿瘤分泌物质有生长因子、细胞因子、黏附分子、趋化因子、激素和细胞外基质组分以及胞外囊泡等。中药能通过抑制肿瘤血管生成、干预肿瘤分泌趋化因子、降低激素分泌、抑制胞外囊泡功能等途径来抑制肿瘤转移。
图2 S1000D中元素<externalApplication> 模式结构
2 集成方式分析
2) Ⅱ级CBM系统。安装在装备上，通过在装备某些组件上安装传感器等元器件，采集装备状态数据并进行预警，维护人员可根据状态数据或警报情况进行状态评估，并制定初级维修方案。IETM与Ⅱ级CBM系统的集成，主要采用基于故障警报的集成和基于状态数据的故障预测集成2种方式，在只有一种确定的故障方式才能引起故障警报的特殊情况下，采用基于故障定位的集成。
上述6个层级可分2个模块，其中前3层为状态监测模块，一般安装于装备上，每层都设有报警器功能，报警体现在数据采集、数据处理和状态检测的过程中，数据经过运算，发现超出可承受范围即报警，随即进行紧急停机抢修。数值数据在数据采集模型中即可报警，波形数据等需经过数据处理后才能报警，一些表面上不能准确定位的数据，需经过状态监测层判断才能报警。一般情况下，数据经过状态检测层后，装备的基本状态就很清楚了[6]。后3层为维修决策模块，一般独立于装备，用于接收装备的状态监测数据并进行监控评估，主要包括诊断模型和预测模型2部分：诊断模型用于故障发生时，发现、隔离和定故障位；预测模型用于故障未发生时，对故障进行故障预测并生成维修决策方案[7]。
4) 健康评估层(Health Assessment，HA)。针对不同部件，选择合适的状态检测信息，结合历史数据、操作状态等对装备进行健康水平评估，并定位状态监测层报告的故障[5]。
3) 基于维修决策的集成。根据CBM系统提供的维修决策报告，IETM通过维修过程数据模块，直接提供计划维修时所需的零部件、工具、人员、维修等级等卡包信息和维修程序信息。
图3 IETM与CBM系统的4种集成方式
4) 基于状态数据的故障预测集成。在未发生故障时，通过过程数据模块读取状态数据，利用日志信息和故障模块存储的健康信息，进行简单的故障预测。
教练员的职称比例为：10%（初级）、50%（中级）、40%（高级）。对照《办法》中关于教练职称比例满分的条件：“高级教练员占教练员总数：中等体育运动学校25%及以上；少体校15%及以上。每降低1个百分点扣2分”，武进少体校的教练员职称比例已远超满分的标准，情况良好。
根据系统的复杂程度、诊断效能和系统费用，当前武器装备上安装的CBM系统一般分为以下3个等级[9]：
1) Ⅲ级CBM系统。属于最简单的CBM系统，主要依靠检测人员采用手提式检测仪器对装备进行检查，并依据装备当时的工作状态进行状态评估，制定维修方案。IETM与Ⅲ级CBM的集成，一般采用基于状态数据的故障预测集成方式。
装备复杂程度不同，监测诊断系统的安装层次也不同，由CBM系统的6层功能模型可知，CBM系统对故障的报告包括以下3类：1)前3层基于状态数据的故障警报，该警报常以故障现象出现，辅以故障代码；2)健康评估层基于监测警报数据做出的故障定位报告，该报告一般表现为故障代码；3)后2层对未来故障模式和维护建议的报告。基于CBM提供的报告数据，IETM与CBM系统集成有4种方式，如图3所示。
为了实现与外部应用的交互，过程数据模块设计了<externalApplication>元素，高级的IETM应用可通过<externalApplication>接口接收存储外部应用发送的数据，便于逻辑引擎存取，实现智能IETM应用。在智能IETM应用中，IETM不仅可对外部应用信息进行传输(输入外部数据源)、浏览、检索，甚至可直接操控外部系统。
The electric field at the gate–oxide and channel interface is assumed to be continuous in GSGCDMT-SON MOSFET, we have
3 集成接口设计
OSA-CBM以规范的形式统一了CBM系统的层次结构和通信标准，满足了CBM系统6个层级中各模块之间的互操作性需求。OSA-CBM规范分为接口规范和信息规范，采用统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)进行定义，可通过各种编程语言和中间件技术实现。在该通用框架下，与CBM的6类模块类似，IETM系统通过增加1个OSA-CBM接口层，可以实现为一个符合OSA-CBM通信的标准模块，按照4种集成方式，与相应CBM模块实现互联互通。
电动机的轴伸强度是一个比较关键的因素。初步选定轴的材料为15MnMoV，该材料抗张强度大于640 N/mm2，屈服点大于400 N/mm2，抗张强度较大，屈服点较高。对于轴伸直径的选取，既要满足负载转矩的要求，又不能过大，否则无法选取合适的轴承。
OSA-CBM中的接口规范描述了信息如何移动，接口规范定义了4种主要类型的通信类型，分别为同步、异步、服务、订阅[10]。每个OSA-CBM模块都定义有交互接口层，这些接口层遵循客户端-服务端类型的功能调用。
1) 同步。通过调用来返回数据。它通过HTTP提取技术对Web XML进行建模。
DNA提取：将筛选的降解效果最好的菌株接入保藏培养基中，30℃培养15 d，取1 mL菌液以10000 r/min离心5 min，弃上清液，收集菌体，按生工生物细菌基因组DNA抽提试剂盒(B518225)提取DNA，-20℃保藏备用。
3) 服务。客户端只接收数据。
4) 订阅。客户端订阅数据，服务器定期或处于警报状态时发送数据。
从调查情况看，我市农业保险工作虽然取得了加快发展，但在工作中还存在一些问题，主要体现在：一是农民投保意识不强。大多数农民对农业保险认识不到位，存在着小灾理赔钱少，大灾靠政府的心态。二是理赔不到位。农民认为受灾减收比例与保险公司认定的受灾比例不一致，实际理赔资金低于农民心里预期受灾赔付额度，导致产生理赔纠纷，影响了农民投保积极性。三是部分保险产品风险较大。一些低洼地、易受灾的农户，参保的积极性较高，为保险部门开展保险业务，创新保险产品，带来较大风险。
信息规范定义了可传输的信息类型，主要有3种：动态结果数据(简称“结果数据”),配置数据和说明数据[10]。配置数据规范了CBM应用中的数据来源、数据处理算法、输出列表和工程单元、警报阈值等输出信息的特性；说明数据定义CBM应用中用于生成输出的数据或对数据的引用；结果数据是由OSA-CBM各功能层生成的与状态监测过程相关的动态数据，如测量值、操作或处理过的数据等。
以组建联勤保障基地和联勤保障中心为支点、符合新时代特点的装备保障模式的逐步形成，对加快建设一体化联合保障机制提出了迫切要求。
结果数据与CBM数据处理功能密切相关，直接与OSA-CBM定义的6个功能层相关联。DA结果数据是被格式化的传感器数据，该类数据具有一致的格式；DM结果数据是由DA结果数据转换后的一个或多个有意义的特征值；SD结果数据是将DM结果数据与期望值进行比较，得到的计算条件指标。HA、PA和AG结果数据分别是与机器当前健康状况、预测未来故障和建议的操作步骤相关的数据。
IETM与CBM系统集成后，主要采用CBM系统内的结果数据进行故障诊断、维修。图4为以OSA-CBM接口信息规范为标准设计的IETM与CBM集成接口。
装备CBM系统通常由6类功能模型中的一种或多种内部数据处理软件组件组成，软件组件通过定义的功能算法，对数据进行处理，输出结果数据。IETM根据CBM系统数据处理功能的特点，与其进行多种类型的集成，并通过CBM系统提供的接口访问、接收从数据处理组件输出的一个或多个结果数据，从而实现一体化装备保障功能。
图4 IETM与CBM集成的接口设计
4 结论
IETM与CBM系统的集成具有应用需求和技术基础。当IETM与不同层次的CBM系统模块集成时，应规划好信息集成需求，通过采用统一的架构标准和通信标准，发挥各自优势，实现装备健康管理的一体化应用。通过获取CBM检测到的装备状态数据，IETM既能够及时提供故障诊断方案、维修程序以完成故障的排除，也可以提供维护日志情况、维修计划方案、生成维修工作卡包等数据支持，增强了基于状态的装备维修工作的时效性和针对性，降低了装备全寿命周期的费用。
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Integration Application of IETM and CBM System
GUO De-xing1,2, DU Xiao-ming3
(1. Equipment Simulation Training Center, Shijiazhuang Campus of Army Engineering University, Shijiazhuang 050003, China; 2. Troop No. 72456 of PLA, Weifang 261305, China;3. Academy of Command and Control Engineering, Army Engineering University, Nanjing 210007, China)
Abstract ：Aiming at the practical requirements for the integration of IETM (Interactive Electronic Technical Manual)and CBM(Condition Based Maintenance) systems, this paper analyzes the functional characteristics, information flow, fault monitoring report and health assessment method of CBM system. Combined with IETM fault diagnosis function and external application interface design, it proposes four integration methods, namely, the integration based on fault warning, the integration based on fault location, the integration based on maintenance decision and the integration based on state data. The integrated interface is designed using the OSA-CBM(Open System Architecture for Condition Based Maintenance) interface information specification as a standard to ensure the versatility of the integration.
Keywords :IETM (Interactive Electronic Technical Manual); CBM(Condition Based Maintenance); system integration
文章编号： 1672-1497(2019)02-0105-05
中图分类号： E92
文献标志码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1672-1497.2019.02.019
收稿日期： 2019-01-18
作者简介： 郭德兴(1986-)，男，硕士研究生。
(责任编辑：王生凤)
标签：IETM论文; CBM论文; 系统集成论文; 陆军工程大学石家庄校区装备模拟训练中心论文; 72456部队论文; 陆军工程大学指挥控制工程学院论文;