基于CBR的飛機(jī)維修間隔輔助決策方法

張家偉

摘? 要：通航小飛機(jī)造價(jià)相對低廉，維護(hù)成本較低，因此在飛行員的訓(xùn)練應(yīng)用中逐漸成為趨勢。由于通航飛機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)行過程中出現(xiàn)影響飛行計(jì)劃的故障里，頻率最高的是輪胎損耗，提前預(yù)知飛機(jī)機(jī)輪的到壽時(shí)間可以更加科學(xué)地安排飛行計(jì)劃，避免發(fā)生故障導(dǎo)致臨時(shí)飛機(jī)更換甚至無法使用的情況。本文以SR20和DA42型號飛機(jī)更換輪胎為案例，結(jié)合CBR思想與相似度算法，將維修過程中飛機(jī)重要參數(shù)提取并作出相似度判定，得出理論維修間隔，并探討研究CBR在航空器維護(hù)中對維修間隔的輔助決策的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：維修間隔? CBR? 特征提取? 相似度算法? 輔助決策

中圖分類號：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0007-06

Auxiliary Decision-Making Method of Aircraft Maintenance Interval Based on CBR

ZHANG Jiawei

（Luoyang College， Civil Aviation Flight University of China， Luoyang， Henan Province， 471000 China）

Abstract： The cost of navigable small aircraft is relatively low and the maintenance cost is low. Therefore， it has gradually become a trend in the training and application of pilots. Due to the relatively simple structure of navigable aircraft， the most frequent failure affecting the flight plan during operation is tire loss. Predicting the arrival time of aircraft wheels in advance can more scientifically arrange the flight plan and avoid the situation that temporary aircraft replacement or even unavailability is caused by failure. Taking SR20 and DA42 aircraft tire replacement as an example， combined with CBR idea and similarity algorithm， this paper extracts important aircraft parameters in the maintenance process and makes similarity judgment， obtains the theoretical maintenance interval， and discusses the application of CBR in aircraft maintenance.

Key Words： Maintenance interval; CBR; Feature extraction; Similarity algorithm; Auxiliary decision

1? 常用的飛機(jī)維修思想

現(xiàn)今飛機(jī)維護(hù)常用的理論思想是MSG維護(hù)思想。波音B-787機(jī)型在制訂其維修大綱的過程中，提出了基于MSG-3的維修間隔確立和優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)中提出從相似維修任務(wù)數(shù)據(jù)查詢，到分析數(shù)據(jù)，再到確立維修間隔的過程，在生產(chǎn)管理上關(guān)注程序優(yōu)化，逐漸改進(jìn)了工序流程[1]。空客公司則一般先查閱飛機(jī)制造商提供的維修間隔，然后組建分析小組，對制造商提供的維修間隔進(jìn)行評估。評估標(biāo)準(zhǔn)一般采用MSG-3并對比相關(guān)專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)。如果分析小組評估制造商推薦的維修間隔符合標(biāo)準(zhǔn)要求，那么就采用制造商推薦的維修間隔。總體來說，國外大飛機(jī)目前已經(jīng)具備較為成熟的維修間隔標(biāo)準(zhǔn)，形成了一套較為體系化的維修文件制定流程。

傳統(tǒng)的MSG-3思想只為民航飛機(jī)維修提供制訂維修大綱的思想，而具體到新機(jī)型具體維修部件的維修間隔，其制定主要還是依靠長期從事維修工作工程師的相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合一定的數(shù)學(xué)方法。

DA42飛機(jī)是中國民航飛行學(xué)院新引進(jìn)的中教機(jī)，雖然是雙發(fā)飛機(jī)，但其運(yùn)營成本低廉，安全性較高，逐漸替代PA44成為主力中教機(jī)。由于機(jī)型較新，缺乏運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，航空輪胎主要負(fù)責(zé)完成飛機(jī)起降任務(wù)，其工作環(huán)境惡劣，胎壓變化大，容易發(fā)生爆胎事故[2]。一旦輪胎磨損出現(xiàn)見線，就會(huì)影響飛行安全，進(jìn)而影響飛行計(jì)劃。了解并掌握輪胎損傷的原因、規(guī)律對保障飛機(jī)運(yùn)行具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。參照傳統(tǒng)的MSG-3思想并結(jié)合基于案例推理（CBR）思想，以舊機(jī)型SR20為參照，提前算出DA42輪胎平均使用壽命，為飛機(jī)輪胎到壽預(yù)警提供理論幫助。

2? CBR思想

基于案例推理（以下簡稱CBR）及其在國外的系統(tǒng)開發(fā)研究受到廣泛關(guān)注，是人工智能領(lǐng)域中較新的一種基于知識(shí)的問題求解和學(xué)習(xí)方法。CBR系統(tǒng)所依賴的是系統(tǒng)在相關(guān)領(lǐng)域存儲(chǔ)問題的先前記錄。

從認(rèn)知科學(xué)的角度講，它的構(gòu)建基于兩個(gè)前提假設(shè)：

（1）相同或者相似的情況有相同或相似的解法[4];

（2）以前遇到的問題很可能在未來再次遇到。

與人類思維和問題解決模型一樣，CBR系統(tǒng)首先比較問題案例和以前案例的相似之處。一個(gè)最佳案例，也可以是一組相似案例，然后綜合各相似案例的解決方案，每一次遇到相同案例就有實(shí)例進(jìn)行參考，通過擴(kuò)大案例庫，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力不斷提高，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不斷增加。通常，完整的CBR系統(tǒng)模型由4個(gè)循環(huán)過程組成，即案例檢索（Retrieve）、案例重用（Reuse）、案例修正（Revise）和案例保存（Retain）。

模型的建立目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對待診案例和案例庫案例的匹配。利用檢索機(jī)制，系統(tǒng)可以直接獲取具有參考價(jià)值的案例[5]。根據(jù)案例庫找出的相似案例，再次對相似案例進(jìn)行相似度篩選后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，找出匹配案例對待診案例提供可供參考的維修間隔決策參考。將舊機(jī)型的故障案例集合作為案例庫，新機(jī)型根據(jù)各種典型參數(shù)與案例庫相似故障案例對比，符合相似案例條件的篩選出來作為參照，再根據(jù)相似程度與特殊參數(shù)的影響，計(jì)算出新機(jī)型的理論維修間隔。

3? 模型建立

3.1? 案例的表示

本文對應(yīng)用CBR模型的飛機(jī)維修進(jìn)行分析，將以往維修案例集成一個(gè)案例庫以備查詢。每個(gè)案例是集合了故障機(jī)型、故障部位和故障的描述較為復(fù)雜的情況，如果將一段對案情的大段描述完整的備注在案例庫中無疑會(huì)極大地增大案例庫的占用內(nèi)存，再加上后續(xù)對案例的不斷擴(kuò)充，這無疑會(huì)增加案例庫的儲(chǔ)存負(fù)擔(dān)。為了使所有案例在被查詢、定性和被比較時(shí)能有較區(qū)分度，將飛機(jī)的特性賦予一定的量化屬性。不管是案例在對比案例庫內(nèi)案例時(shí)或是在對案例進(jìn)行分析和儲(chǔ)存時(shí)，為了更有利于之后的量化分析，將待診案例提取特征并對其賦予特征值都勢在必行。對案例進(jìn)行特征值化處理，則需要有如下要求：（1）要完整的對案例進(jìn)行相應(yīng)表示;（2）便于檢索，效率高效;（3）有利于對案件的整理等。

3.2? 案例的索引

由于飛機(jī)維修是較為復(fù)雜的過程，因此各種錯(cuò)綜復(fù)雜的情況比較多。在案例檢索之前，雖然已經(jīng)對案例做出了特征化處理，但是案例的檢索工作任務(wù)還是過于繁重。為進(jìn)一步優(yōu)化模型，保證檢索效率，需要在案例檢索之前加入索引工作，初步篩選掉大量無關(guān)案例。常用索引方式有4種，即按照某一特征的相似度進(jìn)行索引、對案例進(jìn)行分類并按不同類型建立索引、根據(jù)不同重要系數(shù)進(jìn)行索引和根據(jù)案例差別最大的特征值進(jìn)行索引。維修過程首先判斷維修對象，因此本模型采用根據(jù)維修對象這以特征值的相似度進(jìn)行索引。對于維修對象這一特征值有重合才選入，無重合不選入檢索。

3.3? 案例檢索

檢索是整個(gè)模型中最為重要的環(huán)節(jié)。關(guān)于相似度計(jì)算的設(shè)計(jì)，將在第4節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在第5節(jié)進(jìn)行結(jié)合實(shí)例驗(yàn)算，本節(jié)對檢索的建模進(jìn)行闡述。案例庫的案例經(jīng)過索引后篩選掉大量無關(guān)案例，得到相近維修對象。對相似的維修案例，還要對其進(jìn)行進(jìn)一步相似度運(yùn)算。索引得到的案例根據(jù)不同的特征值排列，每個(gè)相似案例帶著其他不同的特征值，將其特征值帶入設(shè)定好的相似度運(yùn)算公式，得到相似度結(jié)果，設(shè)定一個(gè)篩選值二次過濾掉設(shè)定相似度篩選值以下案例，選找到最相似案例。

3.4? 案例重用和修正

將相似度符合要求的參考案例的維修決策方法應(yīng)用到待診案例上，對相似案例根據(jù)相似程度對參考間隔進(jìn)行處理，得到參考維修間隔值。如果難以找到相同案例，則找出最為相似的案例，吸取可以借鑒的解決手法并對其方案進(jìn)行修改、修正，直到符合當(dāng)前待診案例的情況。

3.5? 案例保存和審核

在案例解決后，將這一新的案例存入案例庫。由于相似度與案例庫有一定的相差，因此在保存時(shí)不會(huì)因?yàn)榘咐^于相似而無端浪費(fèi)了案例庫的儲(chǔ)存空間。新的儲(chǔ)存案例也為以后的新問題提供了新的參考，經(jīng)歷多次案例的豐富，最終會(huì)形成一個(gè)覆蓋面極大的案例庫。

對于相似案例重用和較相似案例修正后得到的維修間隔參考值，為避免公式運(yùn)算出現(xiàn)誤差，需要審核小組對其審核后才能進(jìn)入案例庫。相似度遠(yuǎn)大于二次篩選值以上的待診案例一般只需較小的微調(diào)，相似度只滿足于相似的案例和未能匹配到相似案例的則需審核小組進(jìn)行處理，一般由富有經(jīng)驗(yàn)的工程師對其分析后進(jìn)行決策再保存入案例庫。

3.6 基于CBR的維修間隔輔助決策模型圖

基于CBR的維修間隔輔助決策的模型圖如圖1所示。

4? 相似度算法設(shè)計(jì)

將舊機(jī)型的故障案例集合作為案例庫，新機(jī)型根據(jù)各種典型參數(shù)與案例庫相似故障案例對比，符合相似案例條件的篩選出來作為參照，再根據(jù)相似程度與特殊參數(shù)的影響，算出新機(jī)型的理論維修間隔。

待診案例與案例庫的匹配是模型中最核心的步驟。飛機(jī)有很多其固有特征可作為對其定性的點(diǎn)，如機(jī)型、發(fā)動(dòng)機(jī)布局、ATA章節(jié)號、名稱、發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商、故障類型等，將其本體與CBR結(jié)合可有效提高知識(shí)的表示效能[6]。對于簡單的問題維修，采取定性屬性占據(jù)主要研究成分，對于復(fù)雜的問題，則需要采取更多定量屬性來細(xì)化問題研究。

本次問題主要研究飛機(jī)機(jī)輪更換，在案例庫檢索時(shí)，首先對案例表現(xiàn)出的直觀問題定性：（1）故障表現(xiàn);（2）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)類別，包含渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（賦值為1）;渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（賦值為2）;（3）故障所在ATA章節(jié)號;（4）部件制造商;（5）故障影響類型包括A-明顯的安全性、B-明顯的使用性、C-明顯的經(jīng)濟(jì)性、D-隱蔽的安全性、E-隱蔽的非安全性;（6）MTBF（平均故障間隔時(shí)間），后面用起落次數(shù)代替。

對案例屬性做出劃分，按數(shù)據(jù)特點(diǎn)劃分定性屬性和定量屬性。針對定性屬性，使用Jaccard相似度算法計(jì)算相似程度;針對定量屬性，根據(jù)其對飛機(jī)的影響大小視情給出權(quán)重系數(shù)，最后帶入運(yùn)算做出相似度判定，并將重要系數(shù)設(shè)為δ，得出結(jié)果如表1所示。

根據(jù)所給的定性屬性和定量屬性，與目標(biāo)待診案例相對比，定性屬性中符合的賦值為1，不符合的賦值為0。對于“故障表現(xiàn)”，由于該項(xiàng)目比較特殊，采取Jaccard相似系數(shù)的判定算法。

以最先進(jìn)入篩選流程的“故障表現(xiàn)”舉例：

故障表現(xiàn)（X，Y）=0.5（1）

對于后面其他定性屬性：

（2）

總共6項(xiàng)重要屬性，根據(jù)其重要程度，將其賦值乘以不同的占比分?jǐn)?shù)，得到的每一項(xiàng)將其求和，得到定性相似度S：

（3）

得到相似案例后，將相似案例比較，若故障部件工作原理相同，則引入定量參數(shù)進(jìn)行下一步運(yùn)算。

對于本次研究的起落次數(shù)T，對公式賦予修正參數(shù)θ（此參數(shù)定為飛機(jī)翼面比值），平均故障周期與飛機(jī)自身質(zhì)量m呈負(fù)相關(guān)，所以還應(yīng)加入定量參數(shù)質(zhì)量。最終公式定為：

（4）

5? 實(shí)例匹配

DA42 飛機(jī)是中國民航飛行學(xué)院新引進(jìn)的中教機(jī)，雖然是雙發(fā)飛機(jī)，但其運(yùn)營成本低廉，安全性較高，逐漸替代PA44成為主力中教機(jī)。由于機(jī)型較新，缺乏運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一旦出現(xiàn)輪胎見線等臨時(shí)故障，就會(huì)影響飛行計(jì)劃，造成較大麻煩。以飛機(jī)機(jī)輪輪胎更換的典型故障為案例，為做好提前預(yù)警，參照給出的相應(yīng)數(shù)據(jù)并結(jié)合CBR算法，算出DA42平均使用壽命，為飛機(jī)輪胎到壽提前預(yù)警提供理論幫助。

列出索引得到的案例庫案例，如表2所示。

根據(jù)判定的定性屬性表和權(quán)重系數(shù)表的數(shù)值，帶入公式，得到定性相似度，如表3所示。

可以看到案例3、案例7、案例8的相似度都在90%以上。根據(jù)模型，對比3個(gè)案例的剎車機(jī)構(gòu)原理：案例3機(jī)型剎車部件裝備多圓盤式剎車裝置，案例7和案例8中SR20飛機(jī)剎車系統(tǒng)裝備單圓盤式剎車裝置[7]。案例7、案例8與待診機(jī)型裝備一致，可將其作為參考案例。對于該案例，θ取值為SR20與DA42飛機(jī)機(jī)翼面積比值0.75。

根據(jù)公式，算出理論維修間隔

（5）

對案例7和案例8，分別得出參考維修間隔：

T待診7=1111

T待診8=1087

得出結(jié)果后，把理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。根據(jù)DA42 飛機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)際維修間隔為1104次起落。基于CBR維修間隔輔助決策方法得出的結(jié)果與實(shí)際周期分別相差0.6%和1.5%，得出的值與實(shí)際相差較小，有實(shí)際參考價(jià)值SR20飛機(jī)機(jī)輪磨損前后對比如圖2、圖3所示。

6? 結(jié)語

本次試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于CBR的飛機(jī)維修間隔輔助決策方法算法的可行性和有效性。該方法將關(guān)鍵詞輸入其中，利用案例表示模塊，就可以直接形成案例，其應(yīng)用使新引進(jìn)機(jī)型的部件維修間隔制定提供了更多決策參考信息，使之智能化并使其具有一定的可靠性和可行性，利于飛行計(jì)劃的編排，使飛機(jī)訓(xùn)練和運(yùn)行更加科學(xué)。將算法加入更多的選擇條件甚至可以為新機(jī)型制定新的維修大綱做參考，也會(huì)使部件維修間隔預(yù)警的適用性不僅局限于輪胎，具有較大的應(yīng)用前景。

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