夏為浩 張金奎/國營長虹機械廠

0 引言

維修保障是保持、恢復乃至提升航空裝備戰(zhàn)斗力的重要手段。航空裝備維修策略經(jīng)歷了故障后維修、定時維修、視情維修等多種維修方式?，F(xiàn)代科技的發(fā)展突飛猛進，航空裝備不斷升級換代，其性能和結(jié)構復雜度不斷增加，對裝備的維修實效、維修精度、維修安全性均提出了較高要求，導致航空裝備保障費用和保障技術需求越來越高。當前世界主要軍事大國均面臨軍事裝備保障費用居高不下、戰(zhàn)備完整性越來越差的問題，因而視情維修策略獨有的維修有效性、經(jīng)濟性備受關注，使其在當前的航空裝備維修保障領域得到廣泛 應用。

視情維修理論已經(jīng)出現(xiàn)了幾十年，但由于受到監(jiān)測技術、可靠性技術理論及決策支持理論與應用技術的限制，產(chǎn)生之初并沒有引起足夠重視。當前，電子技術、信息處理技術、數(shù)據(jù)采集及通信技術、自動控制技術、自動檢測及智能診斷的發(fā)展進步為視情維修技術的廣泛應用提供了技術基礎。

本文基于視情維修理論，闡述視情維修的原理，結(jié)合當前新技術、新理論，總結(jié)視情維修應用現(xiàn)狀及發(fā)展前 景。

1 視情維修原理分析

1.1 航空裝備三種維修方式

航空裝備在服役過程中可能遭遇多種環(huán)境，導致其在正常、異常和故障三種狀態(tài)間交替轉(zhuǎn)換。因此，必須對航空裝備進行維修，以恢復其性能，保障其能夠繼續(xù)服役。主要的航空裝備維修保障方式有三種。故障后維修只有在裝備發(fā)生故障后才進行維修，很難避免航空裝備災難性故障的發(fā)生；定時維修是根據(jù)豐富的維修經(jīng)驗和大量航空裝備維修資料統(tǒng)計來確定航空裝備修理間隔，再依據(jù)修理間隔對航空裝備進行定時維修，雖然能夠保障裝備正常運行，但存在大量的過修和失修問題；視情維修首先開展基于對航空裝備進行定期或者連續(xù)狀態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)收集和分析，依據(jù)收集和分析的結(jié)果，采用決策模型確定裝備的維修措施和維修時間。三種維修方式的優(yōu)缺點見 表1。

1.2 視情維修原理

視情維修能夠做到在航空裝備需要維修的時刻開展維修，并且是采用有效的維修方法進行維修。視情維修實施的主要依據(jù)是航空裝備狀態(tài)的劣化程度，即圖1 的P—F 曲線，從中可以看到裝備在A 點性能開始下降，從A 到P，性能下降較為緩慢，P 點以后性能加速下降，直到E 點裝備失效。

為了避免災難性故障的發(fā)生，航空裝備必須在E 點之前進行維修。而為了提高裝備使用效益，充分利用裝備性能，維修時機必須選在P 點之后。因此，航空裝備必須在P 點和E 點之間選擇維修時機。

表1 航空裝備維修方式特點

圖1 P-F曲線

視情維修的重點是要在故障潛在區(qū)發(fā)現(xiàn)潛在故障，并對潛在故障進行監(jiān)控。圖1 中的P 點與A 點越接近，就越能夠早發(fā)現(xiàn)故障征兆，而這需要高精度、高靈敏度的檢測設備。

1.3 視情維修技術體系

視情維修不是消除航空裝備故障，而是采用技術手段檢測裝備的狀態(tài)，通過裝備失效模型預測裝備將于何時、何處出現(xiàn)故障，并根據(jù)經(jīng)驗或者決策模型給出合適的維修方法。具體的視情維修邏輯如圖2 所示。

視情維修主要分為三個模塊，分別為狀態(tài)監(jiān)測模塊、故障預測模塊和維修決策模塊，涉及的主要工作如下。

1）狀態(tài)監(jiān)測模塊

狀態(tài)監(jiān)測模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測、狀態(tài)評估，可實現(xiàn)航空裝備材料、結(jié)構、部件或系統(tǒng)性能的測試、數(shù)據(jù)傳輸與保存，并利用航空裝備的使用經(jīng)驗和工作原理，評估部件、系統(tǒng)的工作狀態(tài)，判斷是否存在潛在故障。此模塊需要大量的數(shù)據(jù)，以豐富的航空裝備使用經(jīng)驗作為支撐。

2）故障預測模塊

故障預測模塊的主要任務是，根據(jù)航空裝備性能退化規(guī)律，結(jié)合當前裝備的工作情況，給出裝備何時、何處將出現(xiàn)功能失效，并對故障進行定位。

3）故障決策模塊

故障決策模塊的主要任務是，針對當前裝備的工作狀態(tài)評估結(jié)果和預測結(jié)果，給出航空裝備實施維修的方式和維修的時間。

通過以上三個模塊，視情維修可以實時監(jiān)控航空裝備的工作狀態(tài)，并快速定位故障，給出故障修理建議。因此，視情維修能夠避免過修、失修的問題，在適當?shù)臅r機開展適當方式的維修，提升航空裝備的使用效益。

2 視情維修關鍵技術及其發(fā)展

2.1 視情維修狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

航空裝備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務是對各個監(jiān)控點的參數(shù)進行測量、記錄、匯總和分類，最終得到裝備狀態(tài)運行報告。

在航空裝備工作狀態(tài)監(jiān)控的初期階段，完全由人工進行測量、記錄及分析，工作效率低，監(jiān)控部位有限，監(jiān)控效果不佳。隨著技術的進步，逐漸出現(xiàn)了機載記錄設備，能夠自動、連續(xù)記錄裝備的運行狀態(tài)并測量各種參數(shù)，但監(jiān)控范圍僅局限在發(fā)動機等關鍵部件，且記錄的數(shù)據(jù)量有限。

電子技術與計算機技術的發(fā)展促使航空裝備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)向著綜合化、智能化方向發(fā)展，例如，在英國軍方的支持下，20 世紀70 年代Birstow 直升機公司與PL 航空電子公司研制了一款直升機完好性與使用監(jiān)測系統(tǒng)，具備直升機工作狀態(tài)參數(shù)記錄和監(jiān)測、故障診斷、故障預測、故障報警和直升機維護指導等多種功能。美國也十分重視航空裝備工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應用，先后完成了飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、航空發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)、綜合診斷預測系統(tǒng)、綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)、結(jié)構件健康監(jiān)測、齒輪箱和液壓系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)，并成功應用到裝備上，如“陣風”戰(zhàn)斗機、B-2 轟炸機、AH-64 阿帕奇無人機、“全球鷹”無人機等均安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)，可實時對裝備進行故障監(jiān)控與預警。羅羅公司目前正在開發(fā)一種人工智能機器人Swarm（見圖3），能夠編隊進入航空發(fā)動機內(nèi)部進行移動掃描，觀測發(fā)動機內(nèi)部構件的損傷狀態(tài)，快速完成發(fā)動機內(nèi)部損傷的檢測，并上報檢測數(shù)據(jù)，減少了人工侵入性檢 查。

2.2 視情維修故障預測模型

視情維修故障預測的主要任務是根據(jù)航空裝備的工作狀態(tài)、性能數(shù)據(jù)分析，給出裝備在未來一段時間內(nèi)的可靠性，推測故障發(fā)生的類型、時間等。故障預測的目的是提前了解裝備未來的工作狀態(tài)和性能，便于及時安排維修保障活 動。

圖3 Swarm編隊執(zhí)行監(jiān)控任務

最早受到人們關注的故障預測方法是基于物理模型的預測分析方法，通過對裝備的特性進行分析，研究在某種特定環(huán)境下裝備產(chǎn)生失效的機理。例如，中國航空綜合技術研究所蔣覺義等人對電源監(jiān)測系統(tǒng)的溫度、振動等情況進行監(jiān)測，利用結(jié)構受載等損傷積累模型對電源監(jiān)測單元進行故障分析和壽命預測，得到了較好的預測結(jié)果，其采用的預測技術流程如圖4 所 示。

隨著現(xiàn)代智能算法的發(fā)展，視情故障預測進入了自動化、智能化階段。最具代表性的是神經(jīng)網(wǎng)絡預測法。神經(jīng)網(wǎng)絡是在現(xiàn)代神經(jīng)學的基礎上提出的，通過模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構、記憶信息的方式而建立的自適應系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有高度的并行性、非線性以及較強的聯(lián)想記憶能力、學習能力和自適應能力。該技術利用神經(jīng)網(wǎng)絡自動建立模型，形成監(jiān)測物理量與關注物理量之間的數(shù)據(jù)關系，不用事先設定物理量之間的關系，且模型具有非常強的非線性特征，由此對大型、復雜裝備建立故障預測模型，并根據(jù)模型對故障進行預測，具有很高的預測能力和數(shù)據(jù)容錯能 力。

2.3 視情維修故障決策模型

視情維修決策算法的原理就是根據(jù)航空裝備故障預測情況，決策何時采用何種維修方法和維修行為進行維修，當前常用的決策模型是延遲時間模型，其原理是將航空裝備的運行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為時間進行分析，首先假設航空裝備檢測的初始時間服從某一數(shù)學分布（如均勻分布），故障時間與初始時間相互獨立，構建單位工作時間的平均費用、裝備故障停用時間與檢測時間間隔的函數(shù)，根據(jù)函數(shù)獲得最優(yōu)的維修時間點。大量研究得出，延遲模型中的時間分布可采用泊松分布、最大似然函數(shù)等，其應用優(yōu)化了潛在故障及檢測時間間隔期的計算決策。

3 飛機發(fā)動機視情維修系統(tǒng)方案

經(jīng)濟發(fā)展使航空業(yè)得到迅速壯大，航空運行的安全性、經(jīng)濟性得到人們重視。航空發(fā)動機運行的安全性和可靠性對航空業(yè)的影響最大，因此航空發(fā)動機視情維修的應用也最為深入。發(fā)動機在高壓、高溫、高轉(zhuǎn)速、高負荷的苛刻工作狀態(tài)下長時間工作，需要實時監(jiān)控其運行情況，并根據(jù)運行情況和性能預測精準控制發(fā)動機的性能。航空發(fā)動機的維修時機受到多方面的影響，如航空公司的經(jīng)濟性要求、安全性要求、工作環(huán)境要求、維修技術能力、維修基地布局等，圖5 所示為民用航空發(fā)動機視情維修系統(tǒng)方案的流程圖。

目前，民航領域已經(jīng)實現(xiàn)了對多架空中飛行飛機的實時監(jiān)控，且監(jiān)控數(shù)據(jù)可傳遞至地面監(jiān)控記錄系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)控獲得的大量基礎數(shù)據(jù)進行傳輸、記錄、分析和管理，以獲得發(fā)動機的運行性能，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果開展發(fā)動機運行性能模型構建、發(fā)動機性能預測與維修決策等，最終下發(fā)至維修保障機構，實現(xiàn)飛機的保養(yǎng)和維 修。

圖4 壽命預測技術流程圖

圖5 民航發(fā)動機視情維修系統(tǒng)基本流程

4 結(jié)束語

視情維修監(jiān)控系統(tǒng)正在向信息化、網(wǎng)絡化、智能化、自動化方向發(fā)展。目前視情維修在線管理系統(tǒng)已經(jīng)在航空裝備上獲得了應用，能夠?qū)娇昭b備進行實時監(jiān)控，應用大量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及專家經(jīng)驗，可實時對裝備進行診斷、預測并下發(fā)維修建議。