1.2.3 故障预测与健康监测的系统功能层次
健康监测系统是一个集异常检测与信号处理、故障诊断与寿命预测、智能推理与决策、数据传输、系统评估、策略优化配置等多种技术于一体的复杂系统。
健康监测的核心是利用先进传感器（如涡流传感器、小功率无线综合微型传感器、无线微机电系统等）的集成，并借助各种算法（如Gabor变换、快速傅里叶变换、离散傅里叶变换）和智能模型（如专家系统、神经网络、模糊逻辑等）来预测、监控和管理装备的健康状态。
健康监测技术的主要功能如图1-11所示。
图1-11 健康监测技术的主要功能
利用现有软/硬件技术的最新进展，以相关标准为依据，提出一种基于客户/服务器（Client/Server，C/S）分布计算模式的面向对象（Object/Oriented，O/O）的体系结构，最终目标是针对C/S资源、通信分布的特点，实现基于组件的故障预测和状态管理体系结构。OSA-CBM健康监测结构是国际上一致认可的可以完整描述健康监测的通用结构，它已在包括美国海军舰船系统、装备等领域在内的诸多系统中得到初步应用验证。
健康监测概念的引入，首先是对装备的设计、测试与验证技术提出了空前的挑战。装备及其各系统、部件、组件、设备、模块和零件的健康信息和健康模型的设计是建立健康监测体系的基础，也是健康监测能否实现的根本所在（本书不对该设计领域进行分析）。其次，健康监测系统是以计算机技术为核心的网络技术、信息技术、测试技术和人工智能技术等领域技术的高度综合。飞机自主后勤保障系统的运行及其各后勤保障要素之间的信息共享是依赖功能强大的JDIS信息网络系统支持的。装备各元器件、零部件、系统的原始信息的感知是依赖以传感器和以人工智能为基础的测试技术来实现的。从功能划分和模块化设计的角度分析，健康监测系统可分成图1-12所示的6个逻辑分层。
图1-12 OSA-CBM体系结构
健康监测系统各层结构的具体功能如下。
（1）数据获取（Data Acquisition，DA）层。DA层代表传感器数据存取软件模块，装备健康监测系统通过DA层与传统传感器、灵巧传感器及数据总线进行通信，从而实现数据的采集。
（2）数据处理（Data Manipulation，DM）层。DM层负责实现单通道/多通道信号处理技术，通常提供诸如滤波、平均、统计分析、谱分析等功能。
（3）状态监测（Condition Monitoring，CM）层。CM层的基本功能是将特征数据与给定的期望值或运行门限进行比较，输出枚举型的状态指示（如低、中、高等）。CM层级也可以根据设定的运行阈值输出报警信号，在获取适当数据的条件下，还能够评估运行环境状态（当前运行状态或使用环境状态）。主要输入为经过信号处理后的来自各传感器及控制系统的数据，输出为关于部件或子系统的状态/条件。
（4）健康评估（Health Assessment，HA）层。HA层的基本功能是监测系统、子系统、部件的健康退化情况。如果发现健康退化，则创建一条诊断记录并以一定的置信度提出一个或多个可能的故障。HA层级在进行健康评估时，需要综合考虑健康历史趋势、运行状态、使用负载、维修历史等多种信息。
（5）预测层（Prognostics Layer，PL）。PL层的基本功能是根据系统未来运行剖面和目前健康状况，估计系统的未来健康状态。预测内容可以分为系统未来的健康状态及剩余可用寿命两类。
（6）决策支持（Decision Support，DS）层。DS层包含一些运行和保障系统，如任务/运行能力评估和计划、维修推理机和维修资源管理等。
在健康监测系统的6层结构中，数据获取和数据处理主要由机载系统实现，其余4层的工作分别由机载系统和地面系统完成。对于初步的故障或状态评估，由机载系统承担；对于系统级的详细测试分析，以及部件与部件之间的复杂故障分析，由机载系统配合地面系统来完成。健康监测系统的6层结构都可以在地面健康监测系统中实现，通过有线和无线网络系统，地面健康监测系统可以实时得到每次任务的完整数据及信息，从而进行全面的部件和系统级的故障诊断、预测，以及使用寿命的仿真评估和设计完善。
为了实现装备健康监测系统各模块的连接，必须有访问接口。健康监测系统中主要有两类接口：一类是人-机接口，主要面向机组人员、地面维修人员及机群管理者；另一类是机-机接口，负责保证健康监测系统各模块之间，以及健康监测系统与其他外部系统之间的数据信息交换。
这种分层结构有以下几个特点。
（1）系统分层次的体系结构，可以显著降低系统开发设计的复杂度。
（2）实时性，监测系统状态，根据健康退化信息执行控制策略。
（3）分布式、跨平台系统特点，支持多源信息融合及跨部件/子系统层次的信息融合。
（4）具备数据收集与相关分析功能，能够确定间歇故障与未知故障类型。
（5）开放性、模块化的设计实现方法，就装备对象而言，数据处理、状态监测和健康评估三层将在机上实现。