楊中書，范紅軍，陳友龍，李勛章

(1.海裝航技部，北京 100071;2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島 266041)

隨著飛行保障設(shè)備向著高參數(shù)、大容量、高自動(dòng)化的方向發(fā)展，實(shí)際裝備系統(tǒng)日益復(fù)雜，所包含設(shè)備的數(shù)量及類型日益增加。然而，目前飛行保障裝備的維修體制還停留在20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引入的基于定期維修的計(jì)劃維修體制，這種維修體制導(dǎo)致的“維修不足”、“維修過(guò)?！钡葐?wèn)題越來(lái)越突出，不僅造成突發(fā)事故頻繁，嚴(yán)重影響設(shè)備安全和使用壽命，而且因維修造成的停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)嚴(yán)重制約飛行保障裝備訓(xùn)練水平和保障能力提升。隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及分析決策技術(shù)的發(fā)展，一種基于裝備的狀態(tài)的維修技術(shù)開(kāi)始引入到飛行保障設(shè)備的維修當(dāng)中，狀態(tài)維修需要運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息管理技術(shù)，對(duì)飛行保障設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、特征參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，要使飛行保障設(shè)備使用與管理人員較好的運(yùn)用這些知識(shí)，必須開(kāi)發(fā)和建立狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)［5-6］。

1 基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance—CBM)

通常，裝備的退化有一個(gè)逐漸劣化的過(guò)程，圖1 說(shuō)明了故障的階段情況，即P -F 曲線。該曲線顯示了故障如何開(kāi)始，并退化到可以被探測(cè)的點(diǎn)“P”，假設(shè)該點(diǎn)沒(méi)有被探測(cè)到而未采取任何修正措施，通常會(huì)以更快的速度退化到功能故障點(diǎn)“F”。當(dāng)潛在故障可探測(cè)點(diǎn)距離功能故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，設(shè)備發(fā)生故障的可能性越小，維修費(fèi)用越少;反之，潛在故障可探測(cè)點(diǎn)越靠近設(shè)備功能故障點(diǎn)時(shí)，設(shè)備發(fā)生功能故障的可能性增大，同時(shí)所需的維修費(fèi)用也隨之劇增。狀態(tài)維修的目的就是利用監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、分析趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)和糾正任何可能導(dǎo)致設(shè)備故障的操作或運(yùn)行狀況，將探測(cè)點(diǎn)提前到功能故障點(diǎn)［2，7］。

圖1 P-F 間隔

基于狀態(tài)的維修是根據(jù)裝備的實(shí)際工況，通過(guò)分析比較其在運(yùn)行下的各種特性參數(shù)的變化來(lái)確定設(shè)備是否需要維修，以及需要維修的項(xiàng)目和內(nèi)容，具有極強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。因此，基于狀態(tài)的維修可定義為通過(guò)監(jiān)測(cè)裝備的狀態(tài)或性能參數(shù)的變化，表明裝備已顯著性能退化時(shí)所進(jìn)行的維修［1］。顯然，CBM 是在對(duì)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的基礎(chǔ)上，通過(guò)獲取裝備當(dāng)前的狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)裝備缺陷或潛在故障的發(fā)生，預(yù)測(cè)裝備的剩余壽命或功能故障發(fā)生的概率，分析并給出需要進(jìn)行的維修工作或活動(dòng)［8］。

飛行保障設(shè)備包括飛行前后的飛機(jī)檢查與維護(hù)設(shè)備、保障飛機(jī)起飛和維護(hù)的發(fā)電與供電設(shè)備、分配電系統(tǒng)等，涉及設(shè)備有內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、配電柜(箱)等，每種設(shè)備不僅包括機(jī)械元件，還由大量電子部件組成，具有構(gòu)造復(fù)雜、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，為了提高飛行保障設(shè)備的戰(zhàn)備完好率和使用可靠度，飛行保障設(shè)備的維修不僅包括大修、中修、小修這些傳統(tǒng)的定期維修方式，還應(yīng)該包括基于設(shè)備狀態(tài)的維修，即依據(jù)裝備的狀態(tài)“該修才修”。狀態(tài)維修應(yīng)用于飛行飛行保障設(shè)備，就必須建立狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)。

2 飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)功能框架

決策支持系統(tǒng)(Decision Support System——DSS)融“決策”、“支持”、“系統(tǒng)”為一體，它綜合利用大量數(shù)據(jù)、有機(jī)組合眾多模型，通過(guò)人機(jī)交互，輔助維修決策支持者科學(xué)決策。一套系統(tǒng)、全面的飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求［1，3］:

能夠?qū)︼w行保障設(shè)備的日常登記、維護(hù)、更換、管理等環(huán)節(jié)做出技術(shù)支持;能夠?qū)︼w行保障設(shè)備進(jìn)行可靠性、重要度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為維修決策提供依據(jù);能夠?qū)︼w行保障設(shè)備的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行監(jiān)控和管理，并根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況和分析結(jié)果，及時(shí)發(fā)布飛行保障設(shè)備的狀態(tài)和故障信息;對(duì)飛行保障設(shè)備進(jìn)行故障診斷分析，分析可能的故障部位及對(duì)應(yīng)的故障原因，形成故障信息庫(kù)及診斷報(bào)告;可進(jìn)行長(zhǎng)期或短期維修周期的預(yù)測(cè)及優(yōu)化，為維修周期決策提供依據(jù);可進(jìn)行維修方案的制定，并具有對(duì)方案進(jìn)行審核評(píng)價(jià)的機(jī)制。

根據(jù)以上要求，飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)可分為9 個(gè)模塊，如圖2 所示。

圖2 飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)功能模塊框圖

飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括9個(gè)模塊:

1)系統(tǒng)管理模塊。該模塊對(duì)出入維修決策支持系統(tǒng)的用戶進(jìn)行跟蹤記錄，對(duì)用戶的權(quán)限統(tǒng)一配置，統(tǒng)一管理。

2)綜合信息管理模塊。該模塊提供飛行保障設(shè)備綜合信息存儲(chǔ)和管理平臺(tái)。這些綜合信息包括設(shè)備基本信息、設(shè)備變動(dòng)信息、設(shè)備運(yùn)行信息、RCM 數(shù)據(jù)管理及設(shè)備潤(rùn)滑管理等。

3)模型庫(kù)管理模塊。該模塊提供模型庫(kù)的存儲(chǔ)管理，運(yùn)行管理等。

4)FMEA 分析模塊。該模塊為飛行保障設(shè)備的故障分析模塊，可對(duì)不同的系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行故障模式及影響分析、故障數(shù)分析和設(shè)備重要度分析等，為設(shè)備運(yùn)行和維修決策提供數(shù)據(jù)和知識(shí);根據(jù)重要度分析結(jié)果，為設(shè)備選擇合理的維修方式。

5)狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊。該模塊為飛行保障設(shè)備提供狀態(tài)評(píng)價(jià)平臺(tái)。狀態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，從設(shè)備樹(shù)中選擇某一子系統(tǒng)或設(shè)備，按照一定規(guī)則從模型庫(kù)中選擇相應(yīng)的模型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果確定設(shè)備所處的狀態(tài)。

6)故障診斷模塊。該模塊根據(jù)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果，調(diào)用相應(yīng)的故障診斷方法，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，并判斷故障模式、部位、原因等，給出故障診斷報(bào)告。

7)狀態(tài)預(yù)測(cè)模塊。該模塊為飛行保障設(shè)備提供狀態(tài)預(yù)測(cè)平臺(tái)。對(duì)狀態(tài)評(píng)價(jià)中處于異常狀態(tài)的系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，選擇相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備未來(lái)時(shí)間的狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的狀態(tài)閾值預(yù)測(cè)系統(tǒng)或設(shè)備的剩余壽命。

8)維修決策及優(yōu)化模塊。該模塊時(shí)飛行保障設(shè)備運(yùn)行與維修決策的核心部分，主要包括維修周期決策優(yōu)化和維修方案決策。系統(tǒng)首先對(duì)設(shè)備的各種維修方式及其維修周期進(jìn)行優(yōu)化，將維修建議提供給決策人員進(jìn)行參考，決策人員在設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模塊的計(jì)算結(jié)果和維修建議下，進(jìn)行維修方案選擇。

9)維修任務(wù)管理模塊。該模塊根據(jù)已經(jīng)確定維修方案，制定維修任務(wù)，并對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行管理。

3 飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

飛行保障設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)建立在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于Client/Server 應(yīng)用模式的開(kāi)放系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 飛行保障設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)硬件系統(tǒng)分為設(shè)備層、功能層和網(wǎng)絡(luò)通信層3 層結(jié)構(gòu)，設(shè)備層為飛行保障設(shè)備各個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器或數(shù)據(jù)采集站;功能層為各個(gè)工作站和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，其作用是對(duì)收集的信息進(jìn)行分析處理，并完成狀態(tài)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)故障分析與診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)、維修決策及優(yōu)化等;網(wǎng)絡(luò)通信層為各部分連接和交互的通道，可采用以太網(wǎng)作為連接系統(tǒng)的局域網(wǎng)，采用TCP/IP 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議［4，9］。

3.2 軟件組成

飛行保障設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)以Windows 2000 Server/9X 為操作系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由3 個(gè)庫(kù)組成，即數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)和模型庫(kù)系統(tǒng)。如圖4 所示。

1)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是維修決策支持系統(tǒng)最基本的組成部分，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包含兩個(gè)部分:數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)涉及飛行保障設(shè)備維修決策的大量信息，不僅包括設(shè)備基本信息、設(shè)備重要度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、狀態(tài)及其閾值等基本數(shù)據(jù)，也包括設(shè)備運(yùn)行與維修歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備性能分析數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備可靠性統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)等運(yùn)行維修數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行描述、管理和維護(hù)，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄的瀏覽、各種數(shù)據(jù)關(guān)系的創(chuàng)建、生成報(bào)告等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)只有和模型集成時(shí)，維修決策支持系統(tǒng)才能發(fā)揮出真正的作用。

圖4 飛行保障設(shè)備維修決策支持系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2)飛行保障設(shè)備維修模型庫(kù)系統(tǒng)。模型庫(kù)時(shí)維修決策中最有特色的組成部分，它為維修決策提供推理、比較選擇和問(wèn)題分析。飛行保障設(shè)備具有極其復(fù)雜的機(jī)構(gòu)和極高的可靠性要求，結(jié)合狀態(tài)維修的特點(diǎn)，建立分布式的設(shè)備維修模型庫(kù)，有助于維修決策系統(tǒng)的安全和高效運(yùn)行。模型庫(kù)里的數(shù)學(xué)模型包括統(tǒng)計(jì)分析模型、重要度分析模型、狀態(tài)評(píng)價(jià)模型、狀態(tài)預(yù)測(cè)模型、維修決策及優(yōu)化模型等，有模型庫(kù)管理系統(tǒng)為用戶提供建模語(yǔ)言和管理功能。

3)知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)的基礎(chǔ)上增加知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，即可得到智能決策支持系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)包括知識(shí)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng):飛行保障設(shè)備維修決策系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)中存放的知識(shí)包括狀態(tài)評(píng)價(jià)模型選取知識(shí)、狀態(tài)預(yù)測(cè)模型知識(shí)、維修決策及優(yōu)化選取機(jī)求解知識(shí)等專用知識(shí)和關(guān)于學(xué)習(xí)的通用知識(shí)，在知識(shí)庫(kù)中，采用產(chǎn)生是規(guī)則和框架理論相結(jié)合表達(dá)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)規(guī)則;知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)知識(shí)庫(kù)的有效組織與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)及其規(guī)則的查詢、修改和維護(hù)，以及知識(shí)的獲取和運(yùn)用操作。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、模型庫(kù)系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)不是孤立的，而是彼此聯(lián)系:模型庫(kù)系統(tǒng)通過(guò)與數(shù)據(jù)口的借口抽取需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型的計(jì)算使用，同時(shí)將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù);知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口從數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取知識(shí)推理所需的數(shù)據(jù);知識(shí)庫(kù)通過(guò)與模型庫(kù)的借口為模型的建立提供知識(shí)支持。

4 系統(tǒng)工作流程

飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策流程如圖5 所示。

1)按照一定規(guī)則對(duì)飛行保障設(shè)備劃分為設(shè)備、子系統(tǒng)、子子系統(tǒng)、部件和分部件，形成具有層次結(jié)構(gòu)的的裝備樹(shù)。

2)對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行故障模式和影響分析(FMEA)、故障樹(shù)分析、可靠性統(tǒng)計(jì)分析，得到該子系統(tǒng)的主要故障模式和故障誘因，并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。

3)根據(jù)FMEA 分析結(jié)果及專家知識(shí)，進(jìn)行設(shè)備重要度評(píng)價(jià)，得到重要度指數(shù)，并按規(guī)則確定根各設(shè)備或系統(tǒng)不同維修模式:為了降低維修費(fèi)用，對(duì)于重要度指數(shù)較低的設(shè)備或部件，采用傳統(tǒng)的定期維修方式;對(duì)于比較重要的設(shè)備或部件，當(dāng)處于正常狀態(tài)時(shí)，只需要進(jìn)行例行維護(hù)。當(dāng)設(shè)備處于潛在故障階段時(shí)則要加強(qiáng)監(jiān)控以避免緊急情況的出現(xiàn);當(dāng)狀態(tài)預(yù)警參數(shù)值超出潛在故障階段達(dá)到功能故障階段，系統(tǒng)就會(huì)突然或幾乎完全停機(jī)，宜進(jìn)行修復(fù)性維修。同時(shí)，為確定維修方式的設(shè)備進(jìn)行維修決策，選擇合理的維修周期。評(píng)價(jià)結(jié)果和維修決策結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)對(duì)重要設(shè)備選擇狀態(tài)參數(shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行在線或離線狀態(tài)評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)。如果狀態(tài)綜合分析系統(tǒng)狀態(tài)正常，則系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行;如果系統(tǒng)狀態(tài)超出事先設(shè)定的閾值時(shí)，則進(jìn)行故障診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果和裝備所擔(dān)任的任務(wù)視情進(jìn)行預(yù)防性維修決定。

5)對(duì)有維修需求的設(shè)備，制定可行、有效的幾種維修方案。維修方案的制定主要依據(jù)設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)結(jié)果，以及設(shè)備運(yùn)行與維修經(jīng)驗(yàn)。

6)維修方案制定后，要提交給維修保障人員進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇能夠保證發(fā)揮飛行保障最大效益、符合部隊(duì)和裝備實(shí)際運(yùn)行條件的維修方案，根據(jù)已確定的維修方案，指定維修任務(wù)，安排維修活動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

飛行保障設(shè)備狀態(tài)維修決策的支持系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)信息對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)的報(bào)警或故障分析，同時(shí)該系統(tǒng)根據(jù)裝備的健康狀態(tài)進(jìn)行維修決策，縮短了維修決策方案的處理時(shí)間，提高了決策方案的質(zhì)量。該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的定期維修方式，有利于延長(zhǎng)飛行保障設(shè)備的平均工作周期和使用壽命。需要指出的是，維修決策系統(tǒng)只是輔助和支持決策者，而不是代替他們進(jìn)行判斷，因此系統(tǒng)既不能提供最終答案，也不會(huì)給決策者提供一套預(yù)先規(guī)定的分析程序［3，10］。

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