淺談運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)建立艦艇裝備預(yù)知維修系統(tǒng)

熊 玲，姚智剛

（91872部隊(duì)，北京 102442）

一、引言

預(yù)知維修與面向?qū)嶋H故障的事后維修和面向服役期的計(jì)劃維修都不相同，是面向裝備實(shí)際狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)的，預(yù)知維修的基本思想是根據(jù)對(duì)裝備當(dāng)前和將來狀態(tài)的正確和可靠的預(yù)測(cè)來安排維修活動(dòng)，因此對(duì)裝備當(dāng)前狀態(tài)的描述，以及對(duì)下一時(shí)段狀態(tài)和故障的預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修的根本。預(yù)知維修的目的是減少維修費(fèi)用、把災(zāi)難性故障的風(fēng)險(xiǎn)降到最小，使裝備發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能，并且減少備件的庫存量。這就使部隊(duì)僅僅在需要的時(shí)候才進(jìn)行維修工作，防止任務(wù)執(zhí)行過程中裝備出現(xiàn)突發(fā)故障，從本質(zhì)上消除昂貴的周期性的維修工作，最大可能地減少裝備故障的發(fā)生。

二、預(yù)知維修系統(tǒng)

在一些發(fā)達(dá)國家，設(shè)備的維修管理體制經(jīng)歷了“事后維修”和“定期維修”后，已基本實(shí)現(xiàn)了在狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)支持管理下的預(yù)知維修。近幾年來，我們運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在艦艇裝備保障中取得了比較明顯的成績，做出了重大貢獻(xiàn)。但是，離真正意義的預(yù)知維修和對(duì)裝備的全壽命、全系統(tǒng)管理還存在很大的距離。目前還不能勝任全面、系統(tǒng)和完整地指導(dǎo)艦艇裝備的預(yù)知維修，這使海軍艦艇裝備的維修方式難以有跨越式的發(fā)展，設(shè)備的“過剩維修”或“維修不足”的現(xiàn)象仍在不同程度上存在。

要改變這個(gè)局面，必須加快設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作的步伐，狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是艦艇裝備管理的一種重要手段。正確科學(xué)運(yùn)用裝備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，盡快建立一個(gè)融設(shè)備管理技術(shù)與監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)于一體的預(yù)知維修系統(tǒng)（PredictiveMaintenanceSystem，簡稱PMS），對(duì)于提高艦艇裝備運(yùn)行可靠性，減少或避免裝備突發(fā)性故障，延長裝備的使用壽命，降低維修費(fèi)用和保障艦艇的在航率和戰(zhàn)斗力具有明顯而且重大的軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.PMS的數(shù)據(jù)組成

實(shí)現(xiàn)裝備的預(yù)知維修需要獲得與系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對(duì)裝備的性能做出判斷并預(yù)測(cè)在未來時(shí)段內(nèi)可能發(fā)生的故障及各部件和系統(tǒng)的剩余壽命，根據(jù)判斷和預(yù)測(cè)的結(jié)果做出是否需要維修、什么時(shí)候進(jìn)行維修、需要什么樣的人員和工具以及如何進(jìn)行維修的決策。從數(shù)據(jù)收集到做出維修決策是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，可以把它分為四個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、故障預(yù)測(cè)及性能評(píng)估層、維修決策層。

（1）數(shù)據(jù)采集。由具有一定理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，借助離、在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器、儀表，在執(zhí)行訓(xùn)練和作戰(zhàn)任務(wù)之前對(duì)裝備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用各種檢測(cè)儀器和設(shè)備，提取反映裝備性能的特征數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫。

（2）數(shù)據(jù)處理。收集的數(shù)據(jù)通過適當(dāng)?shù)奶幚砑礊檠b備任務(wù)執(zhí)行前的初始狀態(tài)，裝備的初始狀態(tài)是故障預(yù)測(cè)的出發(fā)點(diǎn)，不同的裝備在數(shù)據(jù)收集時(shí)選取不同的特征參數(shù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用不同的處理方法。

（3）故障預(yù)測(cè)、趨勢(shì)分析和性能評(píng)估。這些功能是建立在對(duì)樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，并且借助于人工智能和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，根據(jù)特征參數(shù)的變化規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，描述故障的發(fā)生和發(fā)展過程，做出故障預(yù)測(cè)的結(jié)論，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝備在未來任務(wù)段內(nèi)的性能評(píng)估。

（4） 維修決策。根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)論和性能評(píng)估結(jié)果，判斷裝備能否在未來任務(wù)段內(nèi)保證一定的無故障工作時(shí)間，順利完成訓(xùn)練或作戰(zhàn)任務(wù)，如果需要進(jìn)行維修，則按照制訂的維修標(biāo)準(zhǔn)來判斷預(yù)知維修的時(shí)間和規(guī)模，制定維修計(jì)劃。維修結(jié)束后，把相關(guān)故障和維修記錄存入維修記錄數(shù)據(jù)庫，為裝備的管理和再次維修提供科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

2.PMS的體系結(jié)構(gòu)

將預(yù)知維修系統(tǒng)分為組織體系、監(jiān)測(cè)診斷對(duì)象和技術(shù)及資源體系。其中，組織體系是PMS行為實(shí)施的主體；監(jiān)測(cè)診斷對(duì)象集是PMS行為的客體；而技術(shù)及資源體系則是PMS工程實(shí)施的技術(shù)基礎(chǔ)和必要的手段。如圖1所示。

（1） 組織體系。PMS的組織體系包括：高層決策者，主要是總體部署與督導(dǎo)實(shí)施；中層規(guī)劃，主要職責(zé)是制定計(jì)劃、確定監(jiān)測(cè)方式、現(xiàn)場監(jiān)測(cè)診斷、數(shù)據(jù)歸檔、趨勢(shì)分析、狀態(tài)評(píng)估、決策維修、制定監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)、修改并完善監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；基層實(shí)施，主要職責(zé)是配合中層組織進(jìn)行精密監(jiān)測(cè)診斷并組織開展簡易監(jiān)測(cè)、根據(jù)監(jiān)測(cè)診斷情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和維修，不斷向中層組織反饋設(shè)備運(yùn)行維修情況等。

（2）診斷技術(shù)及資源體系。PMS工程是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其技術(shù)基礎(chǔ)是設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。隨著相關(guān)領(lǐng)域理論、方法研究的不斷深入和發(fā)展，特別是傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使現(xiàn)代設(shè)備診斷技術(shù)在國內(nèi)外許多軍用及民用企業(yè)得到了很好的應(yīng)用，尤其在美軍，這項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用的十分成熟。參照國內(nèi)外有關(guān)資料，我們的PMS工程診斷技術(shù)及資源體系由以下幾部分構(gòu)成，如圖2所示。

三、PMS工程的實(shí)施

PMS工程的實(shí)施過程一般可分為技術(shù)準(zhǔn)備與規(guī)劃、監(jiān)測(cè)診斷、維修與評(píng)估三個(gè)階段。艦艇裝備多而復(fù)雜，尤其目前大量新裝備及引進(jìn)裝備相繼裝備部隊(duì)，PMS工程的技術(shù)實(shí)施涉及到各類設(shè)備原理與結(jié)構(gòu)、各類測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、信息的組織管理技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件等多學(xué)科的綜合技術(shù)。因而，PMS工程是一個(gè)多因素、多變量、多目標(biāo)且隨時(shí)間性不斷變化的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如何根據(jù)各種信息做出決策，進(jìn)行總體協(xié)調(diào)或平衡，實(shí)行以“規(guī)劃—組織—實(shí)施—控制—反饋”為主的系統(tǒng)管理模式，保證系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性、各階段的協(xié)調(diào)性及輸出的有效性，這都要在PMS實(shí)施過程中不斷研究和完善。

1.選擇監(jiān)測(cè)艦艇及設(shè)備

鑒于艦艇裝備結(jié)構(gòu)的多樣化，構(gòu)成設(shè)備的零部件使用的壽命不同，發(fā)生故障的幾率相差很大。此處，由于設(shè)備的功能不同，對(duì)艦艇的影響程度也不同。對(duì)于那些安全可靠性較高的設(shè)備，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷的意義不大。所以，可以采取由點(diǎn)及面、由部分到全體分階段實(shí)施，在保證重要的戰(zhàn)斗艦艇重點(diǎn)設(shè)備的前提下，兼顧一般艦艇設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷的原則。在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)首先對(duì)設(shè)備逐臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，選擇對(duì)艦艇戰(zhàn)斗力影響大、易發(fā)生故障的設(shè)備作為監(jiān)測(cè)診斷的對(duì)象。

2.確定監(jiān)測(cè)等級(jí)

設(shè)備監(jiān)測(cè)的重要性等級(jí)劃分和確定，其目的是為監(jiān)測(cè)診斷方式的擇定提供依據(jù)。劃分時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)監(jiān)測(cè)診斷受控制設(shè)備實(shí)行ABC分級(jí)管理，A級(jí)為關(guān)鍵設(shè)備，B級(jí)為重要設(shè)備，C級(jí)為一般設(shè)備。根據(jù)艦艇裝備的實(shí)際情況，一般把主動(dòng)裝置作為A或B級(jí)對(duì)待，其它輔助設(shè)備則為C級(jí)。相應(yīng)的測(cè)定方式和管理方法見表1。目前，在尚無在線監(jiān)測(cè)條件的情況下，把A級(jí)設(shè)備視為B級(jí)對(duì)待。

3.設(shè)備檔案

在PMS工程實(shí)施過程中，一切有關(guān)的分析與決策活動(dòng)都是以被測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息為中心并結(jié)合相應(yīng)的診斷參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。因此如何做好各類被測(cè)設(shè)備檔案及監(jiān)測(cè)診斷信息的收集、總結(jié)與管理對(duì)PMS工程的有效實(shí)施十分重要。一般主要包括以下幾個(gè)方面。

表1 設(shè)備監(jiān)測(cè)等級(jí)表

（1）設(shè)備的出廠的自然信息。包括設(shè)備的類型、名稱、規(guī)格、產(chǎn)地、價(jià)格、出廠日期等。

（2）設(shè)備各項(xiàng)原始標(biāo)準(zhǔn)。包括①設(shè)備的振動(dòng)參考標(biāo)準(zhǔn)和相對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。②設(shè)備運(yùn)行正常運(yùn)行時(shí)，潤滑油中各金屬（摩擦副）磨粒濃度的含量。③電機(jī)各項(xiàng)繞組的正常原始電阻、電感、相位角、I/F值等參數(shù)。

（3）設(shè)備的有關(guān)詳細(xì)的技術(shù)資料。包括設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、主要標(biāo)準(zhǔn)部件的型號(hào)（如軸承的型號(hào)）、主要設(shè)備（如發(fā)動(dòng)機(jī)）的各摩擦副表層的材料及厚度。

（4）設(shè)備維修備件信息。包括備件名稱、型號(hào)、來源、數(shù)量和價(jià)格等。

（5）設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)庫。包括各種工況下設(shè)備在某個(gè)時(shí)間（累計(jì)工作時(shí)間） 測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)（時(shí)頻域信號(hào)等）、潤滑油光譜分析數(shù)據(jù)、潤滑油鐵譜分析數(shù)據(jù)、潤滑油理化指標(biāo)分析數(shù)據(jù)等、重要工況參數(shù)和趨勢(shì)分析數(shù)據(jù)及各診斷分析報(bào)表等。

（6） 設(shè)備故障征集（故障集信息索引表）。將平時(shí)監(jiān)測(cè)診斷的各種設(shè)備故障事例記錄在數(shù)據(jù)庫中。

（7）維修統(tǒng)計(jì)報(bào)表。包括維修類型、維修部位、備件名稱、停機(jī)時(shí)間、維修費(fèi)用、診斷準(zhǔn)確性及維修效果評(píng)估。

4.制定監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)裝備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行檢查、判斷、分析、評(píng)價(jià)的技術(shù)準(zhǔn)則，是開展裝備的預(yù)知維修的重要基礎(chǔ)，也是對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷工作進(jìn)行組織管理的工作標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)閾值定得偏高，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)劣化還以為一切正常，使設(shè)備帶“病”運(yùn)行；反之，定得偏低，則設(shè)備稍有異常就頻繁報(bào)警停機(jī)。

監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)的制定，有三個(gè)途徑：一是采取拿來主義的方法，將國內(nèi)外已經(jīng)成熟的通用類設(shè)備的監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合艦艇裝備的實(shí)際情況，作適當(dāng)?shù)男拚?，就可暫作為參考?biāo)準(zhǔn)，并在以后監(jiān)測(cè)診斷中不斷修正；二是通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)（最好是新設(shè)備的原始技術(shù)狀態(tài)）的大量監(jiān)測(cè)所積累大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將經(jīng)驗(yàn)性的平均值乘上一定的系數(shù)作為設(shè)備的警戒值，并在實(shí)踐中不斷修正和完善；三是新艦艇在建造之前，有關(guān)部門要向廠方提出索要裝艦設(shè)備的有關(guān)監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)的要求?？蓵?huì)同生產(chǎn)廠家、科研部門和各質(zhì)控室三方共同參與裝備的監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)的收集和制定，只有這樣，才能快速、高效、合理地建立各類設(shè)備的有關(guān)監(jiān)測(cè)診斷標(biāo)準(zhǔn)。