ATML在综合运载器健康管理（IVHM）系统中的应用

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ATML在综合运载器健康管理（IVHM）系统中的应用

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ATML 在综合运载器健康管理系统中的应用
张莉
1,2
，袁海文
1
，王秋生
1
(1. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083；2. 陕西师范大学计算机科学学院，西安710062)
摘要：综合运载器健康管理(IVHM)技术是提高飞机、航天飞行器安全性、可靠性及可维护性并有效降低成本的重要途径。针对IVHM
系统的高互操作性以及复杂数据交换特点，提出采用自动测试标记语言(ATML)对航空机载设备进行形式化和规范化描述，有利于实现系
统的高度集成以及可扩展性，结合航空电源故障诊断与预测系统的实例，论述了ATML 在综合运载器健康管理系统中的应用。
关键词：综合运载器健康管理；数据交换；自动测试标记语言
Application of ATML in Integrated Vehicle
Health Management System
ZHANG Li
1,2
, YUAN Hai-wen
1
, WANG Qiu-sheng
1
(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083;
2. College of Computer Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062)
【Abstract】The technology of Integrated Vehicle Health Management(IVHM) is an important approach to improve the security, reliability and
maintainability of plane and spacecraft, and to reduce their cost significantly. In terms of interoperability and exchanging of complicated data for
IVHM system, a method using ATML to describe the information of devices and conditions for the aircraft onboard machine is proposed. The
formalized and standard description is advantageous to implement integration and expansibility of IVHM system. By using the example of aircraft
electric power diagnosis and prognostic system, it demonstrates the application of ATML in IVHM system.
【Key words】Integrated Vehicle Health Management(IVHM); data exchange; Automated Test Markup Language(ATML)
计算机工程
Computer Engineering
第34 第12 期
Vol
卷
.34 No.12
2008 年6 月
June 2008
·工程应用技术与实现· 文章编号：1000—3428(2008)12—0215—03 文献标识码：A 中图分类号：TP274
1 概述
随着现代工业和国防设备自动化程度的不断提高，航空、
航天等高技术领域对运载器(飞机或航天飞行器)的状态预测
和故障诊断的要求日益加大。在以计算机技术为代表的信息
技术的发展下，运载器故障诊断系统已从单一的各个分系统
的状态检测、故障诊断向集状态检测、故障诊断、预测、健
康管理等功能为一体的综合运载器健康管理(Integrated
Vehicle Health Management, IVHM)系统发展
[1]
。在IVHM分层
体系结构中，不同的处理层对数据有不同的侧重点和处理需
求，由于以往的运载器设备数据模型都是针对某些特定处理
需求进行构建的，不能完全表达运载器设备的所有信息，因
此需要建立面向多类型需求的数据库，这些数据库的信息组
织结构往往是异构的，不利于信息的集成，同时数据表示的
差异成为数据应用的瓶颈，导致不能有效地进行数据挖掘，
获取有用的诊断和预测信息。为了有效解决上述问题，本文
提出采用自动测试标记语言(Automated Test Markup
Language, ATML)技术对航空机载设备形式化和规范化描述
的解决方案，并将其应用到航空电源诊断与预测系统中。实
践结果表明该方法大大提高了不同应用程序间的数据交换速
度，减少了信息冗余。该实例为综合运载器健康管理系统实
现信息共享和集成、提高系统的可用度提供了技术支撑。
2 综合运载器健康管理系统
运载器健康管理概念出现于20 世纪70 年代，它定义为
一些活动的集合
[2]
，这些健康管理活动可以分为4 个阶段，
图1 所示为健康管理活动生命周期模型。
(1)状态检测。利用诊断及预测知识进行监测与故障
隔离。
(2)健康评估。在对故障进行必要的处理时对故障的模式
及影响进行分析，尽量降低故障的影响率，从而保证任务的
有效性。
(3)修复。替换发生故障的部件或把它恢复到正常状态。
(4)验证。确定故障部件已被修复并保证没有潜在的负面
影响。
修复
验证
运载器
机载诊断
地面诊断
验证
工具
修复
计划
与
后勤
保障
影响
分析
健康管理系统
状态监测
监测结果
健康评估
修复过程
与报告
分析预测
验证过程
与报告
评估过程
与报告
图1 健康管理活动生命周期模型
从图1 可看出，综合运载器健康管理系统将这些健康管
理活动集成为一体，实现以信息为依据的运行和维修，通过
获取、处理和综合整个系统(包括运载器、子系统、部件、传
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60504023)
作者简介：张莉(1969－)，女，博士研究生，主研方向：控制理论，
控制工程，计算机仿真；袁海文，教授、博士生导师；王秋生，副
教授、博士
收稿日期：2007-06-30 E-mail：zhangli@snnu.edu.cn
—215—
感器和地面保障系统)的健康信息，为不同任务执行者提供信
息和辅助决策
[3]
，当运载器发生异常时，使其恢复到正常状
态并对系统安全和所执行任务的影响达到最小，以此降低风
险，避免发生不可预料的危险事故。
从信息处理和交互角度，综合运载器健康管理系统分成
6 个信息层
[4]
，如图2 所示。
(1)信号处理层将来自传感器或控制系统的数据转换成
IVHM 系统所要求的形式。
(2)状态监测层完成对材料状况以及部件或子系统特性
的测试并给出相应报告。
(3)健康评估层实现故障诊断并报告所评估的部件或子
系统的健康状况。
(4)预测层实现对系统中关键部件剩余可用寿命的估计。
(5)决策支持层实现后勤保障信息的管理以及对IVHM 系
统性能和有效性的评价。
(6)表示层是IVHM 系统与用户的接口，该接口应面向多
用户，包括运载器操作员、维修人员、系统维护人员、中高
层管理人员等。
信号处理层
状态监测层
预测层
决策支持层
表示层
健康评估层
图2 IVHM 参考体系结构
与一般的故障诊断系统不同，IVHM 系统更侧重于健康
信息的管理。它通过收集运行中的历史数据为健康评估、预
测提供重要依据，因此，IVHM 是由数据收集和信息管理元
素组成的层次化分布式信息系统，各层、各子系统之间不仅
需要故障诊断信息的交换，还要从异构的运载器设备中提取
有用的历史信息进行健康评估和预测。因此，制定标准的信
息集成规范和适宜的表达机制尤为必要，为信息共享、交换
和集成提供有效的数据描述方式，使IVHM 系统中参与协同
检测、诊断、评估、预测等子系统之间可以无障碍地理解数
据的语义。采用基于ATML 技术实现对运载器设备的描述，
能够有效地解决IVHM 系统的互操作以及设备描述文件之间
接口的统一问题。
3 自动测试标记语言ATML
可扩展标记语言(Extensible Markup Language, XML)以
其良好的数据存储格式和很强的可扩展性成为异构平台下不
同应用程序间进行数据交换的主要方式。近年来，在美国海
军航空兵部队和自动测试设备(Automatic Test Equipment,
ATE)工业部门的共同努力下，制定了基于XML 的测试信息
数据交换标准ATML，其目的是通过建立一种开放式的标准
解决自动测试系统中测试信息的共享、交换、互操作问题。
ATML体系标准如图3 所示
[5]
，该标准采用基于XML模
式的描述方式定义了9 个可复用的ATML组件接口，从测试
资源和测试项目两大方面表达自动测试系统中所需的所有接
口信息，其中，Common接口定义了所有组件接口的公共类
型和属性组；其他8 个组件接口分别定义了测试结果、测试
程序、设备及测试工作站的功能、技术指标及规范、待测设
备的规格、需求、诊断及维护信息，使测试结果的报告、测
试的描述、设备的描述、测试的结构布局、测试工作站以及
待测件的数据等信息标准化。
诊断测试结果
测试描述UUT描述
设备描述
测试工作站
测试适配器
测试配置
公共
测试准备和
分析工具
应用程序
(测试项目标准)
测试资源标准
图3 ATML 体系标准
由于使用了XML 标准描述ATE 及测试数据，ATML 在
定义测试系统信息接口时有很大的灵活性，可以处理复杂的
数据结构。在IVHM 系统中，采用ATML 标准描述测试、诊
断、预测和决策信息，可实现分布式开放环境中从测试、诊
断到预测信息的无缝交互，便于测试信息和诊断知识的共享
和移植，真正体现IVHM 的高度集成性、综合性和高效率。
4 ATML 技术在运载器健康管理系统中的应用
4.1 基于ATML 的系统结构
飞机电源系统是飞机机载设备的重要组成部分之一，随
着机载用电设备的日益增多，对其可靠性、可维护性和可测
试性的要求也越来越高，因此，对飞机电源系统进行实时状
态监测和准确故障诊断是IVHM 系统的重要内容。本文以某
型号变速恒频飞机电源实验台为验证对象，根据IVHM 参考
体系结构设计了以ATML 为数据交换基础的飞机电源故障诊
断与预测系统，其结构如图4 所示。
图4 基于ATML 的系统结构
由图4 可以看出，该系统由状态检测、健康评估、分析
决策和数据存储模块组成，采用ATML 对数据进行统一描述
和存储，实现了各模块信息的高度集成，它具有以下优势：
(1)不同来源的数据易于集成，减少了各模块间信息交换
和处理的时间，并具有较强的扩展性和灵活性。
(2)各类信息都被ATML 唯一标识，并采用标准的方式进
行搜索，便于信息的提取和快速搜索。
—216—
变速
恒频
飞机
电源
数据采集
传感器验证状态预测
故障检测
故障模拟
状态检测模块
故障诊断
健康评估模块
评估分析
预测
FMECA表
分析决策模块
综合分析
决策
输出结果
任务管理模块
数据存储模块
关系
数据库
通用数
据接口
XML
数据
XSL
样式库
数据访问
异构数
据平台
XSL/XSLT
转换
ATML
(3)信息处理各取所需。统一存储的XML 文件包含设备
运行历史信息、故障信息、诊断结论、定期评估的健康信息、
决策分析结果以及后勤保障维修信息，可以将同一个XML
文件变成多个文件并加载不同的XSL 文件，以不同的显示方
式送到不同的用户，充分体现数据接收方式的多样性。例如，
对故障诊断人员只需传送相应设备故障状态信息和运行历史
信息；对维修人员只需传送故障诊断结论；对高层管理人员
只需传送健康评估报告和决策分析结果。
4.2 基于ATML 的飞机电源测试信息数据模型
XML 解决方案中的模式文件描述了XML 文档的数据逻
辑结构，它定义了文档可以包含的元素以及这些元素之间的
关系。鉴于设备信息、测试信息模型的复杂性和对数据类型
的严格要求，ATML 标准采用XML Schema 对自动测试系统
中设备信息、测试信息的数据逻辑结构进行了统一定义，使
其可以面向不同的应用程序并具有很好的扩展性。在飞机电
源故障诊断与预测系统中，根据ATML Schema 对数据的描
述，通过对该型号电源系统典型电气故障数据的分析给出了
电源供电参数测试信息的模式文件设计层次图，见图5。
TestResults +
ResultSet *
-
-
ID
Name
TestDescription
TestProgram
TestStation
ID
Type
UUT
ID
Type
TestLimits Limits
TestData
Outcome
Operators
ID
EnvirmentData - TimeStamp
WorkOrder -
WorkItem
PreTestRepairs - Repair
Repair - Component
Repaircode
Repairname
ID
Name
ID
- Procedure
A +
表示A为当前
文档的根元素
B - 表示B为子元素C 表示C元素可重复
-
表示内容模式遵守已
定义的子元素顺序
D 表示D为属性
*
*
图5 电源供电参数测试信息的模式文件设计层次
图5 给出了对被测对象进行测试后得到的所有测试结果
的描述。其中，TestResults 是根元素；EnvirmentData 描述了
与测试有关的外部环境信息；WorkOrder 描述测试工作流程
信息；PreTestRepairs 描述了在测试之前的维修信息；Repair
描述维修信息，包括维修部件、维修处理过程信息等；
ResultSet 是对一个特定的UUT 进行测试结果的描述，例如
在对飞机电源进行故障诊断时，需要监测电压、电流、转速
等信号，一个ResultSet 元素就是对一个信号测试结果的描
述，包括TestProgram(测试程序)、Test Station(测试工作站)、
TestData(测试值)、TestLimit(正常范围)、Outcome(通过/失败
结果)、Operates(测试操作员)等。ResultSet 子元素可以有多
个，每一个子元素对应不同信号测试的结果。
根据上述模式文件设计层次图，定义了描述电源供电参
数测试信息的Schema，由于篇幅原因下面只给出了模式文件
的部分内容：
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?> ⋯
<xs:import
namespace="http://www.ieee.org/ATML/2007/Common"
schemaLocation="Common.xsd" />
- <xs:annotation> <xs:documentation xml:lang="en">电源供电
参数测试数据结果⋯
<xs:element name="TestResults">⋯
- <xs:element name="TestResult" >
- <xs:complexType>
- <xs:complexContent>
<xs:attribute name="ID" type="c:NonBlankString"
use="required" /> ⋯
<xs:element name="ResultSet" type="TestGroup"> ⋯
- <xs:element name="TestDescription" type="c:ItemDescription
Reference" minOccurs="0"> ⋯
<xs:simpleType name="OutcomeValue">
- <xs:restriction base="xs:string">
<xs:enumeration value="Passed" /> ⋯
</xs:simpleType>⋯
</xs:schema>
采用上述测试信息模式文档的结构，可以完整地描述对
飞机电源进行故障诊断与预测所需的测试参数。实践应用表
明，在该系统中采用ATML 技术对基于CAN 总线的数据采
集子系统获得的基础数据进行标准化描述，实现了信息的有
效共享。另外，针对系统故障诊断中存在的异构形式知识，
采用ATML 进行集成，把异构形式知识表示为XML 格式，
可以达到集成多种知识表示形式的目的，使得知识库的维护
和知识文件的传递更加方便。
5 结束语
本文提出的采用基于XML 技术的ATML 语言对航空机
载设备信息和状态信息进行形式化和规范化描述的解决方
案，可以将IVHM 系统中各类信息资源纳入统一的逻辑表述
范畴，独立于异构设备和所采用的具体技术，可以形成真正
开放的、高度集成的分布式系统。开发实例证明了采用ATML
技术对设备测试信息和诊断知识进行规范化描述有效降低了
各子系统之间异构数据交换的难度，提高了信息集成的效率。
参考文献
[1] 龙兵, 孙振明, 姜兴渭. 航天器集成健康管理系统研究[J]. 航
天控制, 2003, 21(2): 56-61.
[2] Aaseng, Gordon B. Blueprint for an Integrated Vehicle Health
Management System[C]//Proc. of the 20th Digital Avionics Systems
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[3] 李行善, 高占宝. 航空航天中的综合运载器健康管理[J]. 电气时
代, 2003, 11(1): 84-85.
[4] Keller K, Wiegand D. An Architecture to Implement Integrated
Vehicle Health Management Systems[C]//Proc. of IEEE Systems
Readiness Technology Conference. Piscataway, USA: IEEE Press,
2001: 2-15.
[5] IEEE Standards Coordinating Committee on Test and Diagnosis for
Electric Systems. IEEE Std P1671TM-2006 IEEE Trial-Use
Standard for Automatic Test Markup Language (ATML) for
Exchanging Automatic Test Equipment and Test Information via
XML[S]. 2006.
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