ABSTRACT
PHM은 fault 진단과 failure 예지보전에 효과적인 분석 툴이다. 이를 통해 aviation 시스템과 같은 시스템에 health management에 대한 의사결정을 할 수 있다. PHM에 대한 관심이 높아지고 있으면서, 이에 대한 프레임워크와 아키텍처에 대한 연구가 늘어나고 있다. 이전 연구에서는 PHM 시스템 아키텍처에 대한 디자인 방법론에 대해서 수식화하였고, 시스템 요구사항을 통해서 아키텍처를 도출하였다. 하지만, 기능적인 관점에서 요구사항을 통해 PHM 시스템 아키텍처 해석을 진행한 연구가 부족하였다. 기존의 일반적인 PHM 아키텍처에 대한 연구는 시스템에 기여하는 다양한 커뮤니케이션 혹은 통합이 부족하였다. 이러한 gap을 다루기 위해 본 연구에서는 아키텍처 디자인 방법론이 시스템 엔지니어링에서 functional 관점을 포함한다.

INTRODUCTION

기존의 SOTA PHM 시스템 아키텍처는 시스템 요구사항(function, behavirs, strucutes)에 시스템 엔지니어링 관점으로 접근하였다. 하지만 다른 시스템 요구사항(functional, logical, physical) 관점으로 보는 관점이 부족하였다. 대부분의 이전 연구들은 독립적으로 디자인되어서 모니터링 기능과 서비스를 통합해야만 한다. 따라서, PHM 아키텍처에 관한 통합과 커뮤니케이션을 가능하게 하는 시스템이 부족하였다.
본 연구에서는 functional 아키텍처, logical 아키텍처, physical 아키텍처를 통합하는 아키텍처 디자인 방법론을 제시한다. 또한 function decomposition, functional elemets identification, interfaces를 통합하며 제시한다. 이것들은 functional analysis와 모델링을 통해 검증된다. 그리고 이것들은 OSA-CBM functional block을 통해 compatibility를 높이고, interoperability를 높인다.

ARCHITECTURE DESIGNMETHODOLOGY

Architecture Definition Process

시스템 아키텍처를 만들어서 이해관계자들의 고려를 프레임화 하고, 시스템 요구사항을 만족시키며 일정한 시각으로 표현한다. 시스템 아키텍처의 디자인은 functional, logical, physical 관점에서 수행되며, 시스템 펑션과, 시스템 behaviors, 물리적인 아이템을 각각 describe 한다.

Functional 아키텍처 : 시스템 요소간에 기능적 인터페이스와 상호 작용을 식별하고, 시스템 기능과 관련된 요구사항을 분석하였다.
Logical 아키텍처 : 시스템의 동작, 실행 순서, 제어, 데이터 흐름을 위한 조건, 상태 운영모드 등의 요구사항을 충족하기 위한 퍼포먼스에 대한 설명에 초점을 둔다.
Physical 아키텍처 : 소프트웨어 하드웨어 구성 요소를 포함하여 시스템 기능 및 서비스를 구현하기 위한 물리적인 요소와 물리적인 인터페이스를 정의하였다.
RFLP 프로세스 : 시스템 엔지니어링 기본 개념과 산업 응용에서 시스템 엔지니어링 솔루션을 결합하여 "RELP"를 기반으로 한 아키텍처 정의 프로세스를 제안하였다.

Functional Architecture Definition Process

시스템 기능 식별 및 분해

PHM 시스템의 이해와 개념적 설계를 기반으로 시스템 최상위 기능과 계측 구조를 정의한다. 이를 통해 시스템의 임무를 수행하는 기능과 하위 기능을 정의한다.

기능 요소 및 인터페이스 식별

이 태스크는 인풋과 아웃풋의 flow 및 작동 시나리오, 기능등의 계층들을 통해 각자 정의된 기능을 분석하는 것이다.

기능 아키텍처 상술

퍼포먼스와 기능 관점에서 계층적 아키텍처를 상숭하는것이 중요하다. 이러한 다이어그램은 기능 시스템에 대한 이해도를 높인다.

Validation & Verify

verification은 시스템의 요구사항에 대해서 완벽하게 기능적으로 대응이 되는지를 검증한다. validation은 아키텍처가 이해관계자들의 요구사항에 대해서 만족하는지를 본다.

Validation and Verification

본 연구에서는 차트에 나온 분석 방법을 통해 제시한 아키텍처에 대한 V & V 를 진행한다.

FUNCTIONAL ARCHITECTURE OF PHM SYSTEM

PHM System Functions

PHM 시스템의 기능은 high-level과 low-level로 분해가 된다. 이는 데이터 획득 및 전처리 과정을 포함한다.

a) F1-Data acquisition (DA)

PHM 시스템은 정보를 획득하고 데이터화하는 과정을 포함해야 한다.

b) F2-Data Processing (DP)

항공운전 시스템에서 다양한 형태의 데이터들이 획득되기 때문에 PHM 시스템은 raw 데이터를 가공하는 기능을 포함해야 한다.

c) F3-Diagnostic Assessment (DCA)

데이터를 분석하고 시스템의 상태를 정상인지 비정상인지, 비정상의 정도가 얼마인지, state를 탐지하는 기능을 포함해야 한다.

d) F4- Prognostic Assessment (PA)

PHM 시스템은 condition 기반의 RUL 예측을 통해 유지보수에 필요한 결정을 하는 기능을 포함해야 한다.

e) F5-Health Management (HM)

PHM시스템은 Health 에 대한 정보를 가지고 있어야 하며, 이를 통해 유지보수 정보를 제공할 수 있어야 한다.

3.2. Functional Architecture Description

시스템 아키텍처는 타겟 시스템과 주변 시스템 및 시스템 내부 elements 간의 경계를 인식하고 상호작용에 대해 기능 서비스 관점으로 분석한다. 본 연구에서는 PHM 시스템의 기능 아키텍처를 다음과 같이 제시한다.

3.2.1. External system and interface

비행 시스템에서 health management system은 flight 데이터, operation data를 포함한다. 다른 부분은 데이터 공유 네트워크인데 Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) 을 통해 비행 데이터를 그라운드 데이터베이스로 이동시킨다. 비행 시스템은 지시/기록 시스템으로 구성 되어 있으며 onboard maintenance system(OMS), 파워 플랜트 health management system, 시스템과 데이터 management 시스템으로 이루어져 있다. 수집된 데이터들은 데이터 네트워크 시스템을 통해 다른 외부 시스템과 공유된다.

3.2.2. Internal element and interface

내부 elements들과 인터페이스들은 다음과 같이 세분화된다.

a) Database

데이터베이스는 유지보수 리소스와 항공기에서 얻어지는 데이터를 저장하는 모듈이다. 이는 technique 데이터, operation 데이터, maintenance 데이터, resources 데이터 로 나뉜다.

b) Data Acquisition Module

데이터 획득 모듈은 비행 데이터를 그라운드 데이터베이스로 저장한다. 데이터 프로세싱 모듈과 접해 있으며 모니터된 시스템의 데이터를 알고리즘에 인풋으로 넣게 된다.

c) Data Processing Module

데이터 프로세싱 모듈은 다양한 비행 데이터 형태를 수정하여 통합하는 모듈이다. 이를 통해 diagnostis 와 prognostic 기능 모듈에 전달하게 된다. 따라서 DA 모듈, DCA 모듈, PA 모듈과 접해 있다. 이러한 모듈은 데이터 전처리를 통해 추출된 feature를 포함한다.

d) Diagnostic Assessment Module

diagnostic 평가 모듈은 diagnose 와 진단 평가를 하고, 이를 통해 적절한 의사결정을 진행할 수 있는지를 리포트한다. 본 모듈은 데이터 프로세싱 모듈과 health management 모듈과 접해있다.

e) Prognostic Assessment Module

Prognostic 평가 모듈은 시스템의 미래 state를 예측하고, RUL을 예측한다. Prognostic 알고리즘을 통해 현재의 데이터를 통해 미래를 예측한다. Prognostic 평가 모듈은 DP 와 HM 모듈과 접해있다.

f) Health Management Module

앞선 두가지의 모듈의 아웃풋을 통해 적절한 maintenance 액션과 적절한 회귀 의사결정을 진행한다. 이 모듈은 DCA, PA 기능 모듈과 접해있다.

4. CASE STUDY

4.1. Functional analysis (N-2 diagram)

N-2 diagram은 내부 elements간 기능 혹은 물리 인터페이스를 시각화 하는 행렬이다. 각 모듈들은 대각선에 위치해 있으며, elements간 상호작용이 없다면 행렬은 빈칸으로 두어진다.

이를 통해 DA 모듈이 DP 모듈에 링크되어 operation data와 모니터링 데이터가 이동됨을 알 수 있다. 또한 DP 모듈은 DCA, PA, HM 모듈과 서로 상호작용하여 평가 알고리즘에 데이터를 전달한다. DCA와 PA 모듈은 health 평가를 통해 HM 모델이 maintenance 정보를 제공할 수 있게 접해있다.

4.2. Structure Diagrams Modeling

4.2.1. Block Definition Diagrams (BDD)

시스템의 block definition diagram(BDD) 는 components와 외부 인터페이스간의 커넥션에 집중하여 디자인 모델링의 첫번째 스텝의 된다. 이 커넥션들은 블럭관의 관계를 의미하며, 블랙 다이아몬드로 연결된 것은 subject compoment 임을 의미한다.

PHM 시스템의 그라운드 데이터베이스가 PHM 시스템의 파티셔닝 블록과 커넥션이 있다. 또한, 외부 시스템인 비행 health management 시스템과 연결됨을 보인다.

4.2.2. Internal Block Diagrams (IBD)

내부 파츠 간의 연결의 정의하고, 각 파트들이 어떻게 연결되어있는지를 보여준다. 이는 각 블럭간의 특성을 잘 보여주며, 디테일한 정보의 flow를 보여준다.

본 다이어그램은 아주 많은 양의 데이터를 리소스를 통해 추출하며, 현재 health 상태에 대해 의사결정을 하게 도와준다. 게다가, 각 블럭의 포트들은 특정 커넥션을 의미하므로, 데이터 flow를 각 기능과 오퍼레이션 서비스에 맞게 제공할 수 있는지 여부를 보여준다. diagnostic 모듈과 prognostics 모듈은 health sassement 정보를 health mangement 모듈과 공유하는 포트가 각각 존재한다. 이는 이 로지컬 sequence가 PHM operating 프로세스에 적합함을 보인다.

4.3. System Analysis

4.3.1. Compatibility Analysis

OSA-CBM (ISO-13374-1, 2003)표준을 만족하는지 보인다.

이와 대응되는 모듈이 존재하는지 다음과 같이 분석한다.

이를 통해 본 아키텍처의 신뢰도와 호환성이 검증된다. 이를 통해 다양한 diagnostic 과 prognostic 모듈에 대한 커뮤니케이션 퍼포먼스를 향상시키기 때문에 다양한 제조 플래닝과 정보 시스템에 대한 통합을 이루어 효과적으로 operate할 수 있게 된다.

4.3.2. Universal Applicability Analysis

Prognostic 시스템의 일반화된 기능과의 응용 가능성을 기능 분해를 통해 분석한다.

이는 일반화된 기능 아키텍처를 제시하였기 때문에, 아키텍처는 시스템 엔지니어링 관점에서 유니버셜한 응용성과 신뢰도를 제공한다.

5. CONCLUSION AND FUTURE WORK

본 아키텍처 디자인 방법론은 RFLP의 시각을 통해 제시되었다. 기존의 연구들이 functional architecture process에 집중한 것과 달리 본 연구에서는 기능 분해, 기능 element 인식, 내/외부 element간의 상호작용에 집중하였다. 이를 통해 일반화된 PHM 시스템 아키텍처를 제시할 수 있었다. 추후 연구로는
1. PHM 시스템의 logical 관점에서의 분석
2. 기능 flow block 다이어그램에서의 기능간의 상호작용 검증
3. PHM 시스템 다이나믹 state 전이에 대해 분석
4. SysML을 통한 PHM 아키텍처의 행동 모델링
5. PHM 시스템 아키텍처의 강건한 파트 분석