增強型基于狀態的維修應用探討

蔣兵兵，劉勇志，馬 亮

(海軍潛艇學院，山東 青島 266044)

0 引言

隨著裝備的日益復雜，傳統的維修方式越來越難以應對大量的檢修任務，檢修的時間和費用大大增加。另一方面，隨著新技術的發展進步，近些年出現了“基于狀態的維修”，即 CBM(condition based maintenance)，以及“增強型基于狀態的維修”，即CBM+(condition based maintenance plus)。由于具有傳統維修難以具備的優勢，CBM+從一出現就受到廣泛的關注，甚至被認為是未來一些復雜裝備的首選維修方式。

大量先進技術和方法的使用，一方面為裝備維修帶來了新的機遇，另一方面，又為裝備維修帶來了新的問題和挑戰。學習介紹CBM+的內容和特點，可為未來裝備維修提供新的思路和方向;研究CBM+應用的具體問題，又可為今后“基于狀態維修”的整體工程提供借鑒和參考。

1 CBM+概述

CBM是指根據設備 (裝備)的狀態，實時或接近實時的評估而采取的一整套維修措施，其宗旨是在有需要維修的客觀證據時才進行維修，同時保證設備的安全性和可靠性，并降低使用和維修的費用［1］。2004年12月20日，美國國防部指出，CBM旨在根據裝備的跡象來實施維修［2］。CBM+是CBM的擴展，引入了更多的先進技術和方法，在狀態監測、故障診斷能力、維修性和可靠性方面具有更大的優勢。

美國陸航與導彈司令部 (AMCOM)前些年提出了在“阿帕奇”、“黑鷹”等直升機上安裝傳感器監測元件健康狀況的計劃，西點軍校根據這一計劃將CBM+應用于直升機維修中。結果表明，CBM+確實收到了預期的效果，它在減少裝備故障、縮短維修時間和減少維修費用等方面都取得了較好的效果。隨著CBM+的繼續發展，其很有可能導致維修方式發生革命性的變化，從而“將維修從20世紀的工業時代帶入21世紀的信息時代［2］”。

CBM+作為CBM的增強型，繼承了CBM的理論，以狀態監測技術為基礎，以設備狀態信息與處理技術及維修分析決策技術為核心，通過監測設備的當前狀態，應用狀態監測技術和故障診斷等技術對故障進行診斷、檢測和隔離，確定設備的狀態，進行維修分析及決策，并實施維修活動［1］。CBM+依靠傳感器監測元件狀態，根據狀態信息進行分析決策，能夠減少大量的計劃維修和計劃外維修，增加設備的可用度。

CBM+ 主要有以下特點［3］:

1)能把故障消除在萌芽狀態。事先檢測運行狀態，預先巡檢，主動巡查并確定異常狀態，及時進行事先維修。

2)計劃性更符合實際。CBM+是建立在“狀態”基礎上的，它強調計劃檢測，事先搜集信息，計劃適時適度修理，因此它的計劃性更符合實際。

3)核心是巡回檢測、故障診斷和適時適度修理。CBM+又叫“預知修理”，就在于修理之前預知“狀態”，因而檢測工作十分重要。

4)按照需要進行修理。CBM+只需更換或修理損壞的部件，減少了停機時間和隨機配件的消耗，提高了裝備的運轉率。

從CBM+的介紹不難看出，應用CBM+時，應該充分考慮其3個主要的環節:監測、分析和決策。CBM+的主要內容也是圍繞這3個方面來開展的。根據文獻 ［4］的介紹，CBM+的主要內容包括:

1)狀態監控

狀態監控是指對設備的某些特征參數 (如振動、噪聲和溫度等)進行測取，將測定值與規定的正常值進行比較，以判別設備工作是否正常。設備的許多故障，在發生前都會有特定的征兆，其相應的參數會發生一系列的變化。狀態監控就是要借助有效、可靠的儀器及技術手段，采集能真正表明設備故障狀態的參數，并把實測參數按一定數學模型計算出綜合指標，從而得到反映設備現有狀態的實用參數。

2)故障診斷和預測

故障診斷，就是對設備產生故障的原因、部位、嚴重程度等一一做出判斷，從而為維修人員提供決策依據。故障診斷技術是對已經采集到的狀態或故障信息進行綜合分析、模式識別和預測評價。隨著信號處理技術、專家處理系統和神經網絡技術的發展，為設備故障診斷提供了良好的技術手段。故障預測就是通過建立的模型及各種智能方法對處于潛在故障的設備進行故障間隔時間的預測。

3)維修決策

狀態監控、故障診斷的最終目的就是獲取維修決策。利用相關軟件可對所收集的狀態數據進行綜合分析處理，得出維修決策，以決定對設備采用何種類型的維修。

經過近些年的發展，尤其是在美國軍隊的實施中，CBM+技術更加成熟，各方面的配合也逐步形成。在信息化條件下，CBM+必將以其獨特的優勢，更加適應未來復雜裝備的維修需要，從而在未來復雜裝備的維修中發揮不可替代的作用。

2 CBM+應用研究

CBM+存在著很多傳統維修方式難以具備的優勢，美國陸航也提出了要在2011年大范圍實施CBM+，到2015年全部轉變維修方式的計劃。但是，要想徹底轉變維修方式，仍是一項具有重大挑戰的工程。

CBM+涉及的領域非常廣泛，要想實施基于狀態的維修，必須要考慮在部隊、工業和學術界之間建立緊密的合作、交流和資源共享關系［5］。因為，基于狀態的維修，要利用大量先進的技術和方法，將多方面的工作結合到一起，更重要的是，CBM+的實施，在有些情況下必須要在設計之初就予以充分考慮，否則后期便不能獲得預期的效果，這也是很多裝備面臨的現實問題。因此，現存的很多裝備都很難達到實施CBM+的要求，相關的技術也欠成熟。事實上，如果CBM+的實施不夠謹慎，便很有可能事與愿違。因此，必須充分考慮到CBM+面臨的問題和應用條件:

1)CBM+元件的選取有一定的前提。并不是所有的元件都適合CBM+，CBM+對于有些元件是無能為力的。在選取元件時，必須要求元件是狀態可監測的，并且，監測到潛在故障的時間與功能故障時間必須有一定的間隔 (P－F間隔)，從而能夠在功能故障前進行分析決策和及時維修。

2)CBM+應該盡量應用于那些檢測時間長、程序復雜、費用較高、故障后果較為嚴重的元件。對于檢修容易、程序簡單、費用較低、故障后果不嚴重的元件，使用CBM+取得的成效也許就是得不償失的。在選取元件時，應該充分考慮到上述因素。

3)傳感器發現潛在故障的概率以及發現潛在故障的時間對于CBM+效能是有直接影響的。因此，如何選取針對性強、與元件良好結合的傳感器也是一個很重要的因素，這最好在產品設計時就充分考慮，為元件設計具有較強針對性的傳感器。這需要在部隊、工業部門和學術界之間建立良好的合作關系。

4)備件供應的延遲時間會嚴重影響CBM+的效能。研究表明［2］，如果從預訂到備件到達的時間比較長，那么CBM+的優勢雖然存在，但是已經明顯下降了，并不能達到預期的效果，即不能節約大量的停機時間，裝備可用度并不能大幅度提高。因此，后勤保障也必須跟上CBM+發展的需要。

5)傳感器帶來的費用必須計入總費用之中。傳感器帶來的費用包括傳感器本身的費用、傳感器維修費用以及由于傳感器故障導致無法有效監測裝備而造成的系統損失費用。在設計裝備時，也應該考慮不要為檢修一項故障而增加其他故障的可能［2］。但在CBM+中，為了監測元件狀態，引入了一套監控設備，增加了可能故障的種類和數量，尤其是嵌入式傳感器，其故障不方便檢測，也存在一定的檢修時間和檢修費用，甚至因為傳感器故障而樂觀地相信元件狀態良好，從而造成嚴重的損失。可能出現的情況是，綜合監控設備的故障和維修費用，以及可能引發的系統損失費用，總花費大大超過了傳統維修。

6)CBM+在一定程度上利用了元件壽命周期模型，依照模型分析的結果是否準確還值得研究。另外，P－F間隔 (潛在故障到功能故障的時間)的模型不一定準確，這也是影響分析決策的重要因素。從出現潛在故障到發現潛在故障的時間也需要實驗和仔細分析，模型假設未必符合實際，仍需要做大量的工作，而這些工作又往往是難以在短期和少樣本的情況下進行的。

7)影響CBM+綜合效能的一個重要因素是虛警率［2］。由于虛警率的存在，CBM+的效能會受到極大的影響。文獻 ［2］給出了具體的數據，結果表明，虛警率只要小幅度上升，就會引起CBM+效能的迅速下降，從而掩蓋其所有的優勢。

3 案例分析

3.1 幾種維修方式的比較

通過下面的例子來對比說明CBM+與2種傳統維修方式，即事后維修和計劃維修的優劣。

某裝備正常情況下，每年故障4次，每次故障造成的損失和維修費用為30000元。一直以來采用按月檢修的辦法來預防，可保證每年故障僅為2次，但每次檢修費用和停機造成的損失總共花費為2000元。現采用CBM+，不必進行檢修，但由于傳感器漏報，每年仍會發生1次故障。傳感器平均每半年還可能虛警1次，由此造成計劃外維修，每次損失和花費共計10000元，傳感器每年的采購、維修費用為10000元。試比較事后維修，計劃維修和CBM+的總費用。

采用事后維修方式，每年費用為

30000×4=120000(元);

采用計劃維修方式，每年費用為

30000×2+2000×12=84000(元);

采用CBM+，每年費用為

30000×1+10000×2+10000=60000(元)。

由此可見，采用CBM+在總花費上具有優勢。

3.2 傳感器的虛警問題

傳感器的虛警會給CBM+造成非常嚴重的影響。一般來說，檢測狀態的傳感器要求有較高的靈敏度，但是靈敏度提高又很有可能導致虛警率的上升，理論分析表明，現實問題中，虛警率對綜合效能的影響比發現概率更為顯著。下面的例子可以較好地說明這一點。

某裝備安裝了監控狀態的傳感器，傳感器及時發現潛在故障的概率為99%，虛警率為0.5%，假設裝備出現潛在故障的概率為0.05%。某時刻傳感器報警，求此時實際存在潛在故障的概率。

用S表示存在潛在故障，用S1表示傳感器報警，由貝葉斯公式得

不難看出，實際上存在潛在故障的概率不足0.1，如果根據傳感器報警進行分析，就可能會由于信息誤差導致決策失誤，使不必要的維修時間和費用大量增加，那么CBM+便起到負作用了。而實際問題中先驗信息并不會像本例中給出的這么詳細、準確和固定，因此，在使用CBM+的時候就必須特別注意類似的誤區，從而防止CBM+的負面作用。

4 結語

從前文分析可以看出，CBM+具有傳統維修所不能具備的優勢，能夠適應未來復雜裝備的維修需要，能夠節約大量的人力、物力和時間，可以提高裝備的可用度，是未來維修的一個發展趨勢。但是CBM+的使用要求較高，需要部隊、工業部門以及學術界進行良好的溝通，依靠大量的經驗數據、先進技術和方法以及較為先進的工藝水平，既要保證監控設備的各項指標達到實際的需要，又要使后勤保障跟上維修的需要，還要求多方協作，共同促進，例如元件的選取、傳感器的設計、經驗數據、可靠指標等，只有在這些方面都能夠進行有效協作，才能促進CBM+的快速發展，從而使CBM+發揮其應有的積極作用，真正把維修方式從20世紀的工業時代帶入21世紀的信息時代。

［1］康建設，尹健，等.CBM系統與設備狀態監測［J］.儀器儀表學報，2006，27(S2):1748 －1751.KANG Jian-she，YIN Jian，etal.CBM system and equipments condition monitoring［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27(S2):1748 －1751.

［2］GAUTHIER S E.Decision analysis to support conditionbased maintenance plus［D］.California:Naval Postgraduate School，2006.

［3］張偉，康建設，王亞彬.基于狀態的維修及其建模研究［J］.計算機仿真，2006，23(1):26 －28.ZHANG Wei，KANG Jian-she，WANG Ya-bin.Research on condition based maintenance and itsmodeling［J］.Computer Simulation，2006，23(1):26 －28.

［4］王新洲，范海，等.增強型基于狀態維修(CBM+)在美軍陸航的實施與發展［J］.航空維修與工程，2008(3):47－49.WANG Xin-zhou，FAN Hai，et al.Condition based maintenance plus(CBM+)in U.S.Army Aviation:implement and developing［J］.Aviation Maintenance，2008(3):47 －49.

［5］WONG E Y.Condition-Based Maintenance(CBM):A working partnership between government，industry and academia［R］.2006－06－01.