以預測性為中心的維修理論和維修方式發(fā)展研究

顧新，劉松岑

（1.中國民用航空上海航空器適航審定中心，上海200335）

（2.中國東方航空股份有限公司機務工程部，上海201105）

0 引 言

適航規(guī)章規(guī)定航空運輸營運人應依據(jù)維修大綱為其所運營的飛機編制維修方案，并按維修方案實施維修工作［1］。預測性維修技術尚未在維修大綱領域得到普適性應用，通過對波音和空客公司飛機維修審查委員會報告的研究，包括B737、B747、B757、B777、B787［2-6］和 A 320、A 330、A 350［7-9］等機型，發(fā)現(xiàn)各大飛機主制造商也沒有將預測性維修項目寫入各自自主研發(fā)型號的維修大綱中。當前維修大綱仍基于MSG-3［10］進行編制，其目的是有效指導飛機進行計劃性維修，在滿足持續(xù)適航要求的前提下，保障飛機安全可靠經濟運行。隨著大數(shù)據(jù)理論和技術的發(fā)展，以預測性為中心的維修逐漸受到廣泛關注。

維修大綱是航空公司例行維修工作的源頭，航空公司主要的維修工作來自維修大綱中的項目。因此，維修大綱的制定對于合理安排飛機維修，保障維修工作順利開展，以及保持飛機整體效能具有至關重要的作用。當前，計劃性維修要求的制定依然將MSG-3作為重要依據(jù)，但是在實際運營過程中飛機面臨著許多非計劃性維修項目，甚至出現(xiàn)超手冊問題。為了合理制定維修大綱，加之新技術、新理論的發(fā)展和計算機能力的提升，有必要探究以預測性為中心的維修理論和維修方式，實現(xiàn)預測性維修在維修大綱項目建立中的應用，使得盡可能多的非計劃維修項目向計劃性維修項目轉變，切實達到飛機運行過程中維修工作的計劃性安排，進而降低維修成本，提高日利用率，保障飛機安全可靠經濟地運行。

本文基于相似項目的應用和標準，研究預測性維修技術發(fā)展所需具備的條件，以飛機系統(tǒng)為例，驗證將一個計劃性維修項目轉化為預測性維修項目的方法和過程，進而明確以預測性為中心的維修理論和維修方式需要解決的問題，提出相關策略和建議，以期為預測性維修的深入研究與工程應用提供參考。

1 維修理論和維修方式發(fā)展歷程

自飛機發(fā)明以來，維修實踐活動就在不斷的探索和發(fā)展之中，從“預防性維修為主”的維修到通過“面向過程、自下而上”分析確定維修方式的MSG-1［11］、MSG-2［12］，再到“以可靠性為中心”建立計劃性維修項目的維修方式的MSG-3，最后發(fā)展到當前“以預測性為中心”的計劃性維修理念，其維修理論和維修方式的發(fā)展歷程如圖1所示，可以看出：預測性維修的維修方式可以使維修項目單機化，對于營運人的使用特點和環(huán)境更有針對性，同時能提高所建立維修項目的適用性和有效性。

圖1 維修理論和維修方式的發(fā)展歷程Fig.1 Historical development process of maintenance theory and maintenance mode

實質上，維修理論和維修方式的發(fā)展可概括為：以預防性為中心的維修到以可靠性為中心的維修，再到以預測性為中心的維修。

預防性維修理念發(fā)展較早，其是通過對產品的系統(tǒng)性檢查、設備測試和更換以防止功能故障發(fā)生，使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進行的全部活動。預防性維修包括定期維修、狀態(tài)維修和主動維修三種形式［13-14］；然而定期維修存在過度維修、維護效果差、不能保證故障率下降、使用率下降等問題；狀態(tài)維修依賴于數(shù)據(jù)的準確性、對監(jiān)測環(huán)境要求較高、閾值獲取困難；主動維修只對部分可控因素有效，不能有效防止故障發(fā)生。

以可靠性為中心的維修最早可追溯到1968年美國空運協(xié)會維修指導小組起草的MSG-1，后續(xù)在MSG-1的基礎上又加以完善發(fā)布了MSG-2，直到目前廣泛應用于計劃性維修項目的MSG-3。關于以可靠性為中心的維修技術研究方面，國內外開展了大量研究，例如J.Moubray［15］探究了以可靠性為中心的維修理念在復雜裝備機械上的應用；蔣慶喜等［16］探究了以可靠性為中心的維修在航空裝備中的應用；劉文彬等［17］研究了以可靠性為中心的智能維修決策模型的實現(xiàn)途徑；武禹陶等［18］系統(tǒng)研究了近年來以可靠性為中心的維修在各個領域內的應用。盡管以可靠性為中心的維修已廣泛應用于工程領域的計劃性維修項目建立，但是在民用航空領域，基于MSG-3制定的維修大綱在實際應用中仍然存在非計劃維修項目，導致飛機正常營運受到影響。

關于以預測性為中心的維修方面，張逸俊［19］探究了預測性維修對于航空維修作業(yè)的影響；馮蘊雯等［20-22］對預測性維修進行了探究，并研究了基于預測模型的維修決策技術；江秀紅等［23］考慮維修重要度的影響對多態(tài)系統(tǒng)的預測性維修進行了分析；孔旭等［24］對預測性維修技術研發(fā)應用態(tài)勢進行了系統(tǒng)研究，指出了當前對預測性維修的關注點以及存在的局限性。此外，2018年4月國際維修審查維修委員會政策委員會（IMRBPB）發(fā)布了IP-180—Aircraft Health Monitoring（AHM）Inte‐gration in MSG-3［25］，為實現(xiàn)預測性維修大綱編制提供了指導性文件。

2 預測性維修技術發(fā)展的條件

基于25部取證的運輸類飛機，目前還未制定關于預測性維修技術應用的適航和工業(yè)標準。然而，基于27部和29部取證的旋翼飛機已建立了相關標準，通過對旋翼飛機技術標準［26-27］，以及相似項目中應用，例如：發(fā)動機監(jiān)控、飛機故障監(jiān)控等的研究，總結出發(fā)展預測性維修所需要具備的技術條件如下：（1）機載數(shù)據(jù)記錄和傳輸功能；（2）系統(tǒng)性能/衰減的測量能力；（3）數(shù)據(jù)處理、診斷和預測技術的應用。

2.1 機載數(shù)據(jù)記錄和傳輸

現(xiàn)代飛機都已具備機載數(shù)據(jù)記錄功能，如空客的飛行數(shù)據(jù)接口和管理組件（FDIMU）、波音的數(shù)字型飛行數(shù)據(jù)獲取組件（DFDAU）/飛機信息管理系統(tǒng)（AMIS），以及通信尋址和報告系統(tǒng)（ACARS）。機載數(shù)據(jù)記錄和傳輸技術應用已經非常成熟，如航空公司維修控制中心（MCC）將相關技術應用于運行中的故障監(jiān)控［28-29］。另外，空中局域網和互聯(lián)網技術應用也已趨于成熟，為更多數(shù)據(jù)記錄和傳輸提供平臺。

因此，機載數(shù)據(jù)記錄和傳輸技術的發(fā)展和應用可滿足發(fā)展預測性維修的技術條件。

2.2 系統(tǒng)性能/衰減的測量

針對現(xiàn)有機型相關系統(tǒng)設計能提供參數(shù)數(shù)據(jù)（參數(shù)與系統(tǒng)性能/衰減有關），并且參數(shù)可以被機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)記錄，則參數(shù)才可作為性能/衰減測量的候選參數(shù)；如有存在額外數(shù)據(jù)需求，則需要通過加裝傳感器來實現(xiàn)參數(shù)記錄。

由于型號在設計階段對于預測性維修沒有提出要求，提供候選參數(shù)的系統(tǒng)/設備有限。此外，通過加裝傳感器對已取證機型擴展候選參數(shù)的系統(tǒng)/設備范圍相對有限，因此系統(tǒng)性能/衰減的測量限制了將計劃性維修項目轉化為預測性維修項目的范圍。

2.3 數(shù)據(jù)處理、診斷和預測

數(shù)據(jù)處理、診斷和預測相關技術和理論發(fā)展如表1所示，這些技術和理論為預測性維修提供了實現(xiàn)手段，而預測性維修的實現(xiàn)有三種方式：（1）基于數(shù)據(jù)驅動的方法［30-32］；（2）基于模型的方法［33］；（3）基于模型和數(shù)據(jù)驅動的融合方法［34-35］。

表1 數(shù)據(jù)處理、診斷和預測相關技術和理論Table 1 Technology and theory of data processing，diagnosis and prediction

基于數(shù)據(jù)驅動的方法具有將高維數(shù)據(jù)轉換為低維信息的能力，使用歷史數(shù)據(jù)自動學習形成系統(tǒng)性能模型，這種方法依賴于系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)質量和對系統(tǒng)設計的理解程度，適用于無法得到設計數(shù)據(jù)，但擁有豐富運行數(shù)據(jù)的營運人獨立開發(fā)預測性維修。基于模型的方法需具備對系統(tǒng)設計的理解能力，它依賴于分析模型（例如一組代數(shù)或微分方程）來表示系統(tǒng)的性能，適用于掌握設計數(shù)據(jù)的飛機或系統(tǒng)設計持有人。基于模型和數(shù)據(jù)驅動的融合方法綜合運行數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設計理解兩方面的優(yōu)勢，通過運行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅動不斷優(yōu)化初始設計建立的模型，不僅能夠建立針對營運人使用環(huán)境的預測性維修任務，還可以幫助設計方優(yōu)化設計存在的問題。

關于數(shù)據(jù)處理、診斷和預測技術條件，現(xiàn)有設計體系、飛機設計階段飛機或系統(tǒng)設計持有人沒有考慮預測性維修的需求。

3 維修大綱預測性維修項目建立方法

3.1 預測性維修項目構建思路

傳統(tǒng)的維修大綱計劃性維修項目確定是依據(jù)MSG-3進行分析確定，而以預測性為中心的維修則是將預測性技術引入MSG-3實現(xiàn)維修大綱預測性維修項目建立。本文將IP-180引入MSG-3，實現(xiàn)考慮AHM的預測性維修項目建立原理，即在MSG-3邏輯圖Figure 2-2兩級邏輯決斷的基礎上，增加第三級AHM分析，確認AHM對系統(tǒng)功能失效原因的覆蓋能力，通過AHM分析產生三類輸出：

（1）無法建立預測性維修項目。AHM能力不足以覆蓋失效原因，保留MSG-3兩級邏輯決斷產生的維修項目。

（2）能建立預測性維修替代項目。AHM能力完全覆蓋失效原因，替代MSG-3兩級邏輯決斷產生的維修項目。

（3）能建立預測性維修項目，但需與MSG-3項目并行使用。AHM能力部分覆蓋失效原因，保留修訂后的MSG-3兩級邏輯決斷產生的維修項目，修訂包括：延長間隔、減少工作范圍和根據(jù)AHM參數(shù)監(jiān)控情況執(zhí)行。

3.2 預測性維修項目確定分析

3.2.1 程序驗證

以實際飛機系統(tǒng)為案例，選取系統(tǒng)功能原理相對簡單的某機型飲用水系統(tǒng)水質處理功能維修項目為例，驗證將維修大綱中一個計劃性維修項目轉化為預測性維修項目的方法和整個過程。

（1）系統(tǒng)描述

①飲用水系統(tǒng)設計用來為地面和空中提供飲用水；

②飛機飲用水系統(tǒng)具有機載水質處理功能，為水系統(tǒng)加水，以及飛行期間提供健康的飲用水。

（2）水質處理功能描述

水質處理單元是一個柱形流入式、帶紫外線傳感器，并集成控制元件的紫外線發(fā)生器，提供紫外線水消毒功能。該功能提高了系統(tǒng)針對微生物污染的耐用性，可以延長水系統(tǒng)化學消毒的計劃維修間隔，減輕維修負擔。

（3）水質處理單元組成

①在加水和供水模式（正常操作）期間，通過紫外線燈輻射對飲用水消毒；

②通過兩個紫外線傳感器監(jiān)控紫外線強度值；

③通過加熱和保溫確保在-40℃工作；

④通過數(shù)據(jù)匯流條傳輸數(shù)據(jù)，向地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通報水質處理單元的狀態(tài)（經過集成的微控制器）。

（4）預測性維修項目轉化的方法和過程

①根據(jù)MSG-3邏輯圖Figure 2-2兩級邏輯決斷，確認需要建立的計劃維修項目，水系統(tǒng)水質處理功能計劃性維修項目建立的分析過程和方法如圖2所示，水系統(tǒng)水質處理功能計劃性維修項目的生成結果如表2所示。

表2 水系統(tǒng)水質處理功能計劃性維修項目的生成結果Table 2 Generation results of planned maintenance item for water quality treatment function of water system

圖2 水系統(tǒng)水質處理功能計劃性維修項目建立的分析過程和方法Fig.2 Analysis process and method of water quality treat‐ment function planned maintenance item establishment

②依據(jù)IP-180進行確定AHM后選項目分析（第三級分析），如圖3所示。

圖3 水系統(tǒng)水質處理功能預測性維修項目建立的分析過程和方法Fig.3 Analysis process and method of establishing predictive maintenance project for water quality treatment function of water system

a.2-3-9.1 AHM是否有能力探測潤滑/勤務需求？（否）

潤滑/勤務不適用失效原因，沒有需要提交的消耗材料。

b.2-3-9.2 AHM是否有能力探測衰退？（是）

如果要滿足程序在該階段的要求，系統(tǒng)必須滿足數(shù)據(jù)傳輸和記錄，以及系統(tǒng)性能/衰減測量的技術條件要求。

飲用水水質處理單元包含兩個紫外線燈和兩個強度測量傳感器。傳感器每個航段記錄一個值，記錄紫外線強度值單位W/m2。兩個傳感器在地面給飛機加水期間同時使用，飛行階段一個傳感器工作。傳感器通過數(shù)據(jù)匯流條與計算機連接，CIDS通過ACMS向地面數(shù)據(jù)處理、診斷和預測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。

c.2-3-9.2.1在影響運行前，AHM是否有能力為糾正系統(tǒng)衰退提供足夠的預留時間？（是）

收集大數(shù)據(jù)，建立水系統(tǒng)水質處理功能衰減模型如圖4所示。水系統(tǒng)消毒功能退取決于紫外線強度值。選擇40 W/m2水系統(tǒng)消毒功能衰減的低限制值，如圖4所示。傳感器通過數(shù)據(jù)匯流條與計算機連接，CIDS通過ACMS向地面數(shù)據(jù)處理、診斷和預測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。在算法中考慮數(shù)據(jù)處理的影響因素，例如加水水質變化引起的數(shù)據(jù)跳變。建立的水系統(tǒng)消毒功能衰退曲線（圖4中直線的斜率）顯示衰退率較慢，營運人在完成數(shù)據(jù)處理、診斷和預測后，有足夠時間采取糾正措施。

圖4 水系統(tǒng)水質處理功能衰減模型Fig.4 Attenuation model of water quality treatment function in water system

d.2-3-9A使用AHM是否有效？（是）

利用AHM，能在功能失效前提示營運人。水系統(tǒng)水質處理功能性能變化如圖5所示。

圖5 水系統(tǒng)水質處理功能性能變化Fig.5 Change of water quality treatment function of water system

通過數(shù)據(jù)驅動方法，結合基于模型的方法進行分析，滿足數(shù)據(jù)處理、診斷和預測的技術條件要求，以符合程序在該階段的要求。

e.2-3-9B 是否有已選擇的傳統(tǒng)維修項目？（是）

MRBR任務381000-00M 07-01間隔為4 000 fh。

任務描述：“清潔紫外線燈燈罩（送修車間執(zhí)行）”。

f.2-3-9C AHM是否能完全滿足傳統(tǒng)維修項目的內容？（是）

傳統(tǒng)維修項目的目的是在水系統(tǒng)消毒功能的效果衰退前采取糾正措施（在送修車間執(zhí)行清潔紫外線燈燈罩）。

AHM也能滿足該目的，通過監(jiān)控紫外線強度值衰退到低限值40 W/m2，提示營運人水系統(tǒng)消毒功能效果衰退。

AHM覆蓋產生傳統(tǒng)維修項目的所有失效原因。

基于IP-180程序與MSG-3建立了水系統(tǒng)消毒功能的預測性維修項目，在技術條件滿足的情況下，驗證了通過一定的技術方法可以將計劃性維修項目轉化為預測性維修項目。3.2.2 預測性維修項目優(yōu)勢

針對飲用水水質處理單元紫外線燈罩的預測性維修項目取代了MSG-3理論體系下建立的計劃性維修項目，其優(yōu)勢體現(xiàn)在如下三個方面：

（1）完成該維修項目的時機更符合系統(tǒng)功能衰退的實際情況，相對傳統(tǒng)定時維修的方式，在滿足預防系統(tǒng)功能失效目標的同時，避免了不必要的維修次數(shù)，在提高經濟性、降低維修工作等方面具有明顯優(yōu)勢。

（2）對傳統(tǒng)維修項目進行的控制需要追蹤維修項目的完成情況，涉及部件車間修理甚至還要追蹤部件送修情況，建立基于預測性的維修項目后，則不需要追蹤維修項目的完成情況和部件送修情況，大幅降低了維修項目控制的復雜性。

（3）以預測性為中心的維修項目相對傳統(tǒng)維修項目能夠使營運人和主機廠直觀地了解執(zhí)行維修項目后的效果。相比于傳統(tǒng)的維修項目，更容易、更方便積累數(shù)據(jù)，對維修項目進行優(yōu)化改進。

4 存在問題及建議

在大數(shù)據(jù)時代發(fā)展推動下，基于MSG-3分析方法以可靠性為中心的維修思想和維修方式需要進一步豐富和發(fā)展，在相關技術基本滿足建立預測性維修項目的要求，發(fā)展以預測性為中心的維修方式已迫在眉睫，但還存在以下問題：

（1）受系統(tǒng)性能/衰減參數(shù)測量的限制，計劃性維修轉換為預測性維修的維修項目有限；

（2）數(shù)據(jù)處理、診斷和預測技術受飛機或系統(tǒng)設計方數(shù)據(jù)限制，同時也限制了計劃性維修項目可轉為預測性維修項目的范圍。

發(fā)展以預測性為中心的維修策略和建議可總結如下：

（1）在設計體系中考慮預測性維修對于系統(tǒng)性能/衰減參數(shù)的需求，并為基于模型分析創(chuàng)造適用條件。對于未來發(fā)展機型，在飛機設計階段，通過基于模型的方法，設置預測維修需要的參數(shù)，解決性能/衰減參數(shù)記錄不足的問題。

（2）取得型號驗證投入運行后，主機廠家、營運人、供應商以及持續(xù)適航當局通過ISC和MRB等組織形式，以飛機設計階段基于模型分析的結論，建立基于預測性維修理念的初始維修大綱維修項目，并通過運行數(shù)據(jù)的不斷積累，利用數(shù)據(jù)驅動的方法，不斷優(yōu)化預測性維修項目。