基于CBM的維修決策模型設計

陳卓敏

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

基于CBM的維修決策模型設計

陳卓敏

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

[摘要]闡述了一種基于CBM的維修決策模型的設計思路，研究了基于CBM技術的維修決策方法，尋求解決飛機維修任務時機、滿足飛行任務需求之間的最佳方案，力圖實現(xiàn)飛機保障效率最高、資源浪費最少、維修計劃最合理。

[關鍵詞]CBM；維修決策；模型

狀態(tài)維修（CBM）也稱作計劃性預測維修，是基于實時或接近實時評估設備狀態(tài)的一系列維修活動。隨著狀態(tài)檢測技術和故障預測技術的發(fā)展，基于狀態(tài)的維修（CBM）已成為一種新的維修方式，在國外的民航飛機和軍用飛機中得到廣泛應用。我國新一代飛機普遍裝備了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于狀態(tài)的維修。與傳統(tǒng)的定時維修相比，CBM具有維修時機精確、能延長設備使用壽命等優(yōu)點，同時也帶來了維修活動的計劃性差等問題，給制定維修、保障計劃帶來困難。維修活動的無計劃性將直接影響維修效率，降低機群完好率和任務成功率。因此，研究基于CBM的維修決策方法具有重大意義和緊迫性。

1 CBM介紹

1.1 CBM的理論依據(jù)

CBM用狀態(tài)評估檢查潛在故障，以此采取措施預防功能性故障，或者是避免功能性故障的后果。CBM的理論依據(jù)是P-F曲線。P-F曲線描繪了設備狀態(tài)劣化的過程[1]，如圖1所示。

圖1 P-F曲線

圖中A點為故障開始發(fā)生點，P點為能夠檢測到的潛在故障點，F(xiàn)點為功能故障點，T為由潛在故障發(fā)展到功能故障的時間歷程，稱為P-F間隔。為了預防功能故障的發(fā)生，維修的時機應該在F點以前，而為了能夠盡可能地利用設備或機件的有效壽命，維修時機應該在P點之后。這就是說應該在P點和F點之間尋找一個合適的點進行維修，這就是CBM的基本思想。

1.2 CBM對維修決策的影響

采用CBM技術后原先視情和狀態(tài)監(jiān)控導致的維修任務不可預見性會因預測維修提供的剩余可使用壽命而大大減少，維修任務的可預見給維修資源的配置優(yōu)化、任務和維修計劃的合理安排提供了權衡和優(yōu)化的空間。同時維修任務和計劃的動態(tài)性給維修決策和管理提出了更高要求，原先是基于飛行任務以定檢計劃為主的維修管理模式，現(xiàn)在需要任務計劃、維修計劃、資源調(diào)配統(tǒng)籌安排，協(xié)同管理，因此需要配套相應的工作程序和管理技術手段。

2 基于CBM的維修決策的業(yè)務設計

維修決策由任務管理模塊、狀態(tài)維修預測模塊、維修決策模塊組成，如圖2所示。

● 任務管理模塊

任務管理模塊主要負責管理任務的產(chǎn)生、執(zhí)行和結(jié)束，以及動態(tài)標注任務自身狀態(tài)，并觸發(fā)維修決策活動。

● 狀態(tài)維修預測模塊

狀態(tài)維修工作預測模塊主要負責：

☆ 從機載健康管理系統(tǒng)下載飛行數(shù)據(jù)和飛行過程中發(fā)生的故障信息。

圖2 維修決策總體業(yè)務設計圖

☆ 對當次飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行故障診斷，生成故障報告。

☆ 結(jié)合歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進行狀態(tài)趨勢分析，預測潛在故障。

☆ 對故障進行故障隔離后生成修復性維修任務，并評估維修所需時間和資源。

☆ 對預測出的潛在故障生成狀態(tài)維修任務，并評估維修所需時間和資源。

☆ 在維修決策過程中結(jié)合任務的要求進行狀態(tài)預測。

☆ 對修復性維修任務和狀態(tài)維修任務評估維修所需時間和資源。

● 維修決策模塊

維修決策模塊是維修決策業(yè)務的核心，它根據(jù)作訓任務要求和飛機的修復性維修任務、狀態(tài)維修任務、飛機技術狀態(tài)以及預測任務期間可能產(chǎn)生的維修任務，結(jié)合機群梯次使用計劃，通過IETM數(shù)據(jù)分析，進行機群維修決策，形成機群使用和維修計劃，并為計劃形成維修工卡包。

2.1 任務管理

任務管理負責管理任務的產(chǎn)生、調(diào)整、執(zhí)行和結(jié)束，以及動態(tài)標注任務自身狀態(tài)。保障部門領受飛行任務，并對細化任務要求轉(zhuǎn)換為保障任務，觸發(fā)維修決策，并對任務的執(zhí)行過程進行跟蹤管理。

任務信息是維修決策的重要依據(jù)，任務管理應明確每項任務的詳細要求，包括：

● 任務強度，如預計任務開始、結(jié)束的日期，飛行時間和起落架次數(shù)等。

● 任務構(gòu)型要求，即執(zhí)行特定任務所需的設備和數(shù)量等。

● 飛機性能要求。

2.2 狀態(tài)維修預測

實現(xiàn)CBM，必須包括3方面的內(nèi)容：狀態(tài)檢測、故障診斷與狀態(tài)維修。狀態(tài)維修是狀態(tài)檢測、故障診斷的最終目的。狀態(tài)維修預測模塊實現(xiàn)負責實現(xiàn)狀態(tài)檢測、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控和狀態(tài)預測。

2.2.1 狀態(tài)檢測

狀態(tài)檢測是為了實現(xiàn)對設備狀態(tài)跟蹤而進行的采集、識別、分類和解譯的活動。新一代飛機的狀態(tài)檢測以機載健康管理系統(tǒng)自動采集為主，機務人員的手工采集為輔。

● 機載健康管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

機載健康管理系統(tǒng)采用符合OSA-CBM標準的技術實現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、處理和狀態(tài)監(jiān)控。采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)飛機在飛行、試車、通電檢查過程中的工作參數(shù)（如發(fā)動機的溫度、振動等）和工作狀態(tài)（如閥門的開/關等）。

狀態(tài)數(shù)據(jù)通過分布在飛機上的傳感器進行采集。工作參數(shù)通常按設定的頻率進行不間斷采樣，工作狀態(tài)的變化通常是由控制或操作引起的，只有在發(fā)生變化的時候進行記錄。傳感器采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過總線傳送到機載健康管理系統(tǒng)進行存儲和處理。健康管理系統(tǒng)在存儲數(shù)據(jù)時，除了狀態(tài)標識和狀態(tài)數(shù)據(jù)外，還記錄了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時鐘和傳感器標識碼，并進行分類存儲，以便于后續(xù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、分析和確定維修對象。

● 機務人員采集數(shù)據(jù)

機務人員在機務檢查、維修過程中采集的參數(shù)包括輪胎壓力、氧氣壓力、液壓液體、APU和發(fā)動機滑油水平等。

2.2.2 故障診斷

機載健康管理系統(tǒng)獲取各成員系統(tǒng)BITE發(fā)送的故障信息，通過特殊事件評估、去除連鎖故障、生成維護信息等操作得到經(jīng)過篩選的維護信息，將維護信息與駕駛艙效應（FDE）關聯(lián)后向飛行員報告飛機的健康狀況。

在飛機著陸后機上診斷出來的故障信息下載到PMA，利用故障案例庫和IETM進行快速故障確認和隔離。同時健康管理系統(tǒng)根據(jù)預先設定的條件對飛機、系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行采集和存儲，在飛機著陸后將狀態(tài)數(shù)據(jù)下載到PMA進行增強故障診斷和故障預測。

2.2.3 狀態(tài)監(jiān)控

設備狀態(tài)通常用能表征其健康狀況的工作參數(shù)（如溫度、振動、壓力等）表示，參數(shù)數(shù)值與健康狀況通常成一定的關系，設備健康時這些參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動，當某些參數(shù)超出正常范圍時則表示設備處于亞健康或不健康狀態(tài)。通過監(jiān)控設備的狀態(tài)參數(shù)可預先知道設備將要發(fā)生的故障，并基于狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果進行維修決策。

狀態(tài)監(jiān)控項目在飛機的計時構(gòu)型中定義，狀態(tài)監(jiān)控項目定義了觸發(fā)條件（即參數(shù)閥值，如溫度大于XX度），每個觸發(fā)條件對應若干個工作項目。設備的工作參數(shù)包括機載健康管理系統(tǒng)自動采集的參數(shù)、機務維修工作中測量的參數(shù)和油液分析得到的參數(shù)等，當設備工作參數(shù)更新時自動檢查是否觸發(fā)狀態(tài)監(jiān)控項目，觸發(fā)狀態(tài)監(jiān)控項目時自動把相應的工作項目列入狀態(tài)維修任務中。

2.2.4 狀態(tài)預測

機載健康管理系統(tǒng)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理、特征提取、特征融合等操作后形成了可供故障診斷和預測的特征數(shù)據(jù)。故障預測主要基于特征數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果、歷史數(shù)據(jù)，采用不同的預測模型進行故障預測，預測的結(jié)果是關鍵部件/系統(tǒng)的剩余可用時間（RUL），流程如圖3所示。

圖3 趨勢分析流程

不同的系統(tǒng)/部件的故障機理不一樣，進行故障預測時需采用不同的預測模型（方法），如基于模型的預測方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測方法、基于概率的預測方法等。預測模型保存在預測模型庫中，通過分類與預測對象建立關聯(lián)關系，進行故障預測時根據(jù)預測對象加載適合的模型進行預測。

2.3 維修決策

在單架飛機維修預測基礎上，結(jié)合任務要求以及機群梯次使用計劃，通過IETM數(shù)據(jù)分析，進行機群維修決策，形成機群維修計劃，并為計劃形成維修工卡包，具體過程如圖2所示。

下面對機群決策的每個關鍵環(huán)節(jié)進行闡述。

2.3.1 任務周期內(nèi)機群的維修預測

● 確定任務開始前的修復性維修任務

通過基于故障診斷結(jié)果的單機維修預測可以獲得已知故障的修復性維修任務。此時需要確定該故障是否影響任務的執(zhí)行。如果影響任務執(zhí)行則該架飛機需要立即排故，否則可以保留故障飛行。

確定任務開始前的修復性維修任務的方法是通過最低放飛清單和最低任務清單，檢查故障是否影響安全和任務執(zhí)行，如表1所示。

表1 最低放飛清單和最低任務清單

在進行機群維修決策時可以根據(jù)修復性維修的影響程度安排飛機維修計劃。

● 預測在任務周期內(nèi)的定時維修任務

飛機外出執(zhí)行任務時，為了確保任務能順利完成，需要預計任務期間內(nèi)所有的定檢、周專檢等定時維修任務，并提早計劃，以保證在任務開始時能提前完成上述維修任務。

根據(jù)任務管理模塊輸入的任務期內(nèi)飛行時間（起落次數(shù)等），結(jié)合定時維修工作的預測方法預測出在任務執(zhí)行期內(nèi)是否會發(fā)生定檢任務、周專檢任務。

● 預測單架飛機完成任務過程中預計產(chǎn)生的排故任務

通過2.2.4狀態(tài)預測可以給出關鍵部件的剩余可用時間，需要再通過后續(xù)步驟預測結(jié)合任務類型的準確可用時間，在此基礎上給出單架飛機預計的維修任務。

2.3.2 確定機群維修計劃

確定機群維修計劃分為組合任務飛機、形成任務網(wǎng)絡圖和全局評價3個步驟完成。

● 組合任務飛機

根據(jù)任務管理模塊輸入的任務需求，獲取飛機列表，綜合考慮任務要求、飛機狀態(tài)、MEL要求和資源配置等要素生成任務飛機組合圖，如圖4所示。

圖4 任務飛機組合圖

● 形成任務網(wǎng)絡圖

為了適應動態(tài)環(huán)境的變化，保證飛行安全，滿足任務的成功率，系統(tǒng)根據(jù)已有的飛機和任務信息，按2.3.1節(jié)的方法預測出任務期內(nèi)的維修工作并安排執(zhí)行時機，從而形成任務網(wǎng)絡圖，如圖5所示。

圖5 任務網(wǎng)絡圖

● 全局評價

此步驟負責對已經(jīng)過以上步驟形成的任務網(wǎng)絡圖進行全局評價，根據(jù)多目標角度計算出可量化的數(shù)值。評價角度有以下多個：

時間評價：時間評價是計算方案中活動的飛機工作時間累計，度量單位是小時。也可擴充為區(qū)別飛行、維修、故障等工作時間計算。

工時評價：工時評價是計算方案中活動的時間乘以活動人數(shù)的累計，度量單位是工時。此統(tǒng)計角度主要關注人員的工作量。

資源費用評價：資源成本評價計算方案中活動的資源的費用累計，度量單位是元。消耗型資源以單價計算；可重用資源以使用時間折合使用壽命計算，即單價乘以使用壽命再除以本次使用時間，使用時間的單位包括小時、次數(shù)、熱循環(huán)次數(shù)等等。

綜合效能評價：在本質(zhì)上某些目標評價在一定程度上互相矛盾，因此需要在多角度之間進行綜合評價、權衡折衷。此處將時間和資源費用納入綜合效能評估范圍內(nèi)，綜合效能沒有度量單位，計算公式見公式（1）：

其中：fd—— 綜合效能；

a —— 時間權重因子；

fa—— 方案的時間；

β —— 資源費用權重因子；

fc—— 方案的資源費用。

公式的難點在于兩維的數(shù)值（小時，元）如何確定權重因子從而轉(zhuǎn)化為一維數(shù)值。系統(tǒng)通過將時間權重因子a設定為方案所涉及的軍事單元的每小時費用開支，而β設為1，即可將時間維度轉(zhuǎn)換為具有經(jīng)濟含義的維度，使維度合一。

飛機梯次使用圖：輸出維修決策方案執(zhí)行后的飛機梯次使用圖，根據(jù)飛機的當前余壽以及飛機參與任務的工作時間計算出，并在飛機逐號與余壽的坐標系中按最小余壽依次畫出飛機梯次使用圖。

額外活動評價：額外活動評價計算任務之外的額外的維修活動數(shù)量。

2.3.3 生成工作包

工作包的類型分為定時維修工作包、修復性維修工作包和飛行保障工作包，工作包的主要內(nèi)容包括完成維修工作的工卡和所需的保障資源（如航材、工具設備等），工卡的內(nèi)容和所需的保障資源可從IETM獲取。

3 結(jié)束語

在CBM維修方式下維修決策的效率和有效性將直接影響飛機保障的效率和任務成功率，本文從應用需求的角度出發(fā)，提出了一種解決基于CBM的維修決策的模型。

[參考文獻]

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[2] Steven W. Butcher. Assessment of Condition-Based Maintenance in the Department of DefenseSteven [R]. LOGISTICS MANAGEMENT INSTITUTE.2000.

（編輯：雨晴）

[收修訂稿日期] 2015-09-16

[中圖分類號]V241.07

[文獻標識碼]C

[文章編號]1003–6660（2015）06–0042–04

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2015.06.010