面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統

寧振波

（中國航空工業信息技術中心，北京 100028）

飛機是我國工業設計、制造水平和能力的重要體現，是我國工業的重要組成部分。新中國成立以來，經過長期的努力，我國已經建立起來了比較完整的飛機設計、制造工業體系，生產出了殲擊機、運輸機、轟炸機、民用飛機、直升機等系列高性能飛機及其系統，提升了我國航空工業的設計、制造水平[1]。然而，長期以來我國航空工業主要將解決飛機設計、制造中的關鍵問題作為發展的重點，在飛機綜合保障服務技術研究及系統應用方面重視程度不夠，造成了我國飛機保障服務還處于手工或簡單的計算機管理階段，遠遠落后于發達國家，難以滿足我國經濟、軍事等領域發展的要求。

現代化飛機是機械、電氣、電子、光學、液壓、控制、計算機、軟件、通信等技術集成的大型復雜裝備，大量采用了新技術、新材料、新工藝，廣泛應用了計算機、大規模集成電路及多種軟件系統，其復雜化和智能化水平迅速提高，使保障服務的內涵發生了根本性的變化。保障服務不再是單純以綜合保障標準及相關技術文件為指導、以人力執行為主，而是以飛機設計、研發階段以及生產階段的DMU（數字樣機）為三維數據源頭形成的IETM（交互式電子作業指導書）為指導的新型綜合保障體系，為飛機運行階段的維護、維修、大修提供指導，其中網絡技術和計算機技術是核心支撐，以此形成以飛機保障平臺為主的數字化保障體系和服務[2-3]。發達國家的實踐已經證明了數字化保障服務是提高現代化飛機使用效率和戰斗力的有效途徑。

一、國內外發展現狀

（一）國外發展現狀與趨勢

維護保障服務技術是提高武器裝備戰斗力的關鍵，一直受到美國等發達國家的重視。1985年，美國提出了計算機輔助后勤支援（computer aided logistic support，CALS）概念，旨在提升美國軍隊武器裝備后勤支援中的技術資料數字化水平，降低武器裝備維護和人員培訓費用，提高武器裝備的質量及軍隊的戰斗力。在此基礎上，美國在1987 年和1993 年相繼提出了計算機輔助采辦與后勤支援（computer-aided acquisition and logistic support）和連續采辦與全生命周期支援（continuous acquisition & life-cycle support）思想，用以指導解決武器裝備后勤服務中的數據共享和對武器裝備提供全生命周期維護等問題。在上述CALS 計劃有效實施后，1997 年美國又推出了通用操作數據環境的框架計劃。該計劃旨在通過數據化和標準化手段把現有與防務系統相關的數據信息集成在一個數據環境中，為武器裝備提供一個兼容性強、具有良好可擴展性、開放性的協同化數據信息平臺。美國在《2010 年聯合構想》一書中明確指出美軍正處于信息技術引起的新的軍事革命入口處，并重點強調了用數字化技術提升保障服務水平。

美國在搭建統一的數據環境平臺的同時，聚焦數字化保障服務，重點對以下幾個方面進行研究和應用。

1.IETM 技術

交互式電子技術手冊（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）出現于20 世紀90 年代，一直受到美國國防部和國防工業界的重視，已成為美國等許多發達國家所推行的CALS 戰略的重要組成部分，是裝備保障信息化技術研究和應用的熱點之一。USS Eisenhower 航空母艦由于使用了IETM，建造進度提前了18 個月，節省8000 萬美元；SH-60 直升機使用了IETM，每年節省300 萬美元；美國海軍AEGIS 作戰系統使用了IETM，每年至少節約100 萬美元；愛國者巡航導彈（Patriot Missile）使用IETM，每年僅紙張節省費用達25 萬美元；美國海軍的蒸汽渦輪機維護手冊為美國海軍節省了18%～44%的機器維修時間，減少了50%的訓練課程及43%的訓練天數。

2.PHM 技術

故障預測與健康管理（prognostics and health management, phm）技術由美國軍方最早提出，具備故障檢測、故障隔離、增強診斷、性能檢測、故障預測、健康管理、部件壽命追蹤等能力，實現了武器裝備從狀態監控到健康管理的轉變。早期，PHM 技術首先應用在阿帕奇、黑鷹等系列直升機上，形成了健康與使用監測系統。隨后，PHM 技術在F-35 項目中取得了良好的效果，使故障非復現率減少82%，維修人力減少20%～40%，后勤規模減小50%，出動架次率提高25%，使用與保障費用減少了50%，使用壽命達8000 飛行小時。目前，美國已逐漸將PHM 技術運用到B2 轟炸機、全球鷹無人機以及P8-A 海上飛機等武器裝備的維護保障實踐中；英國國防部計劃為未來山貓直升機開發PHM 系統；韓國也委托史密斯宇航公司為其直升機項目提供PHM 系統。

3.維修備件管理技術

面對國際軍事形勢、國防開支的下降，美國陸軍提出了備件現代化戰略（modernization through spares, MTS），即通過備件的改進實現武器系統現代化的戰略，是一種適用于整個器材采辦壽命周期，從而降低維持費用的備件采辦戰略。備件現代化戰略的目標是以合理的備件采購策略，合理利用備件采購預算，以較低的維修保障費用，保持武器系統的技術先進性和可靠性。1996 年，陸軍助理秘書和陸軍器材司令部總指揮官共同建立帕拉丁自動火力控制系統和M109 FOV 野戰炮兵彈藥支援車家族車隊管理試點項目，用以測試MTS 對該項目的重要性。此外，長弓阿帕奇直升機也是試行MTS 的項目之一，達到了節約生產成本、減少維修費用的目的。

4.虛擬維修技術

虛擬維修技術是虛擬現實技術在裝備維修中的應用，針對飛機、戰車等安全性要求高的武器，可以幫助維修人員在執行維修任務時進行維修預演和仿真，突破了設備維修在空間和時間上的限制，實現逼真的設備拆裝、故障維修等操作，并能夠基于提取的武器裝備已有資料、狀態數據來檢驗設備性能。如今虛擬維修技術已成為現代武器裝備維修關鍵技術之一[4]，世界各國均已建立起相關的虛擬維修系統，如英國皇家海軍艦載核能推進系統的虛擬維修系統，德國武裝部隊的NH90 直升機虛擬維修訓練器，以色列的EHUD 系統，美軍坦克、導彈、軍用車輛維修保養訓練系統等。美軍的F35 工程也明確提出要建立供維修人員進行訓練的虛擬環境。

（二）國內存在的主要問題

長期以來，我國航空科技工業一直存在“重設計制造、輕保障服務”的思想，在新型號飛機的研制及生產中投入了大量的資金和精力，飛機保障服務在科技工業中一直處于從屬地位，與發達國家飛機保障服務水平存在一定差距。

以“十五”計劃為起點，航空工業企業在數字化水平上有了較大提高，購買和裝備了大量的計算機，在園區網的基礎上搭建了良好的信息化軟硬件環境，部署實施了OA、CAD、CAEC、APP、CAM、PDM、ERP 以及飛機外場信息管理系統等。但是，由于系統之間數據的不可集成性，信息管理系統互相孤立，形成了“信息孤島”，難以建成可以貫穿飛機全壽命周期的數字化保障服務系統。

二、面向飛機全壽命周期的數字化快速響應綜合保障系統的作用、方法和技術

針對各類飛機對綜合保障所提出的技術和管理方面的要求，面向全壽命周期的數字化綜合服務保障系統關鍵技術與應用系統設計開發技術將產品全壽命周期管理的理念貫穿于流程優化、關鍵技術攻關、應用系統開發、系統集成應用、型號工程驗證的全過程，突破了一系列支撐各類飛機數字化綜合保障系統的技術，構建了具有自主知識產權的面向飛機全生命周期的數字化快速響應保障服務系統，全面提升了我國各類飛機綜合保障的快速響應能力，并逐步實現在航空行業的推廣應用，已成為航空工業數字化技術發展的重點。

（一）面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統的作用

1.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統可以在飛機設計企業、制造企業以及飛機用戶之間搭建一個通用的保障服務數據管理和應用平臺，提高保障服務數據的完整性和一致性，建立統一的故障數據庫和相關知識庫，打通貫穿飛機全壽命周期的保障服務數據鏈條。

2.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統可以為保障服務數據提供有效的挖掘支持工具，通過數據挖掘形成可以用于指導飛機優化設計和制造過程的相關知識，提高飛機設計水平、制造質量，縮短研制周期，降低研制成本。

3.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統可以在輕量化模型技術支撐下，將飛機設計階段、制造階段產生的飛機零部件三維數據模型有效應用到保障服務業務中，建立高水平的飛機交互式電子手冊和數字化工卡，用以提高飛機維修、維護的工作效率，降低保障服務成本。

4.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統在飛機設計、制造以及用戶應用過程中，可以大大提高飛機的質量水平和綜合戰斗力，全面提升我國飛機保障服務水平。

5.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統的工作重點是以飛機主機制造企業為主體、設計企業為數據源，以各類飛機的實際需求為驅動，創建可以覆蓋飛機設計、制造以及服務業務的數字化保障服務方法體系；攻克飛機三維虛擬顯示、基于故障數據挖掘的設計制造知識優化、維修備件供需鏈優化、維護BOM 等關鍵技術；建立包含故障數據管理、設計制造知識管理、維護BOM 管理、交互式電子技術手冊、數字化工卡、維修處理業務管理、維修備件供應與存儲優化管理等功能子系統的飛機數字化保障服務系統平臺；將以單純面向服務業務為主的外場業務應用拓展到可以貫穿設計、制造以及服務業務的飛機全壽命周期應用，打通面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務數據鏈條，提高飛機保障服務效率，提升設計制造質量，縮短服務周期，降低服務成本。

（二）面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統流程的重組優化

在借鑒美國等發達國家數字化保障服務技術和經驗的基礎上，對我國飛機保障服務業務進行深入調研，并分析飛機保障服務過程中存在的問題。在數字化技術和流程重組技術的指導下，建立可以滿足飛機保障服務需求的數字化快速響應保障服務流程規范，研究重點包括以下幾個方面的內容：

1.飛機三維數據模型轉換流程進行重組優化；

2.保障服務數據采集、挖掘、知識獲取、知識利用流程的重組優化；

3.對面向飛機全生命周期的故障業務處理流程重組優化；

4.對飛機維修備件生產、存儲與供應流程進行重組優化。

（三）面向飛機全生命周期的數字化快速響應保障服務體系研究

通過對飛機數字化設計、數字化制造以及外場保障服務信息和過程進行研究，在飛機數字化快速響應保障服務系統流程重組優化的基礎上，建立面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務體系，如圖1 所示。

圖1 面向飛機全生命周期的數字化快速響應保障服務體系

其核心支撐技術包括：

1.飛機三維虛擬顯示技術；

2.基于故障數據挖掘的設計制造知識優化技術；

3.維修備件供需鏈優化技術；

4.維護BOM 技術；

5.基于組件的可重構數字化快速響應保障服務系統；

6.基于組件的可重構數字化快速響應保障服務系統設計、開發技術；

7.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統；

8.面向飛機全壽命周期的數字化快速響應保障服務系統應用。

（四）關鍵技術

1.飛機三維虛擬顯示技術

飛機三維虛擬顯示技術包括四種核心支撐技術：模型輕量化技術、流式傳輸技術、三維可視化技術和虛擬樣機技術。模型輕量化技術剔除全機三維CAD 模型中冗余的設計信息而保留面向虛擬顯示的信息，從而實現全機模型輕量化。流式傳輸技術依據維修活動所關注的詳細程度不同，劃分不同粒度的傳輸方式，按照關注焦點不同，采用先重要、后次要的傳輸優先級保證維修人員首先獲得最重要的信息。三維可視化技術研究三維輕量化模型的顯示環境及人機交互技術，采用瀏覽插件技術分別在客戶端和Web 瀏覽器環境中實現三維輕量化模型的顯示與交互。虛擬樣機技術研究如何將飛機維修信息展現在全機三維輕量化模型上，建立多視圖維修信息與全機模型之間的映射，為形成面向飛機維修的三維虛擬樣機提供實現基礎。

2.基于故障數據挖掘的設計制造知識優化技術

該技術以飛機故障信息庫為基礎，研究飛機故障影響因素及相互的關聯關系，建立基于故障數據挖掘的設計制造知識優化貝葉斯網絡，通過對不同性質故障數據集的學習，挖掘故障原因與設計、制造的關聯關系，識別飛機設計、制造中的關鍵故障原因以及薄弱環節，構建飛機設計制造知識優化數據庫。

3.維修備件供需鏈優化技術

該技術從維修備件全球化采購思想出發，研究飛機維修備件供需鏈中制造企業協作策略、維修備件庫存控制與優化技術、維修備件協同供應技術、供需鏈瓶頸識別及優化技術等，構建可以滿足相關部門需求的快速響應維修備件供需鏈，提高維修備件的保障服務水平，降低維修備件供需成本。

4.維護BOM 技術

該技術研究設計BOM 與維護BOM 之間的映射關系，利用XML 文件格式在設計BOM 的基礎上對產品結構進行重構，形成維護BOM 的基本架構；以故障數據為驅動，采用數據挖掘技術，優化維護BOM 的基本架構，形成可用于保障服務業務的飛機維護BOM。

三、綜合保障系統下的數字化客戶服務平臺

建立數字化產品支援與服務體系，在全世界范圍內向客戶提供全年365 天、全天24 小時不間斷的、快速響應的服務。運用先進的信息技術將不同的客戶服務內容（飛行訓練、航材支援、工程技術服務、技術出版物服務、市場與客戶支援服務）整合起來，使分布在世界各地的制造商、合作者、客戶實現生產、技術、服務等信息的共享，以提供給客戶高效、完善、便捷的服務。

（一）數字化客戶服務門戶

建立數字化客戶服務門戶平臺，實現基于網絡的機隊運行監控與健康管理、供應商服務、工程技術服務、面向客戶的技術出版物服務、面向客戶的航材服務、面向客戶的培訓服務以及快速響應中心等。數字化客戶服務門戶平臺是客戶服務對外的窗口，用戶通過此窗口可以獲取客戶服務各個專業的信息內容，這大大提高了服務效率和質量。

（二）客戶服務數據中心

客戶服務數據中心是數字化客戶服務系統的數據共享中心。通過對客戶服務業務信息資源的集中統一控制、發布和存儲，提高業務數據的一致性和完整性，實現客戶服務業務數據的高效共享。通過集團數據中心，實現客戶中心與設計中心、制造中心數據資源的及時更新和共享。

（三）航線構型管理

建立航線構型管理系統，實現SB 構型管理、TP 構型管理、航材構型管理、航線飛機更改構型管理、維修狀態管理等?？蛻舴展ぷ麝P心的是交付客戶后的飛機構型變化情況，因此需要建立航線構型管理系統。航線構型管理系統是針對客戶服務需要形成的數字化系統，會記錄所有售出飛機的構型變化情況。當售出飛機出現構型變化時，現場代表或客戶服務相關人員會第一時間匯總構型變化信息到系統中，方便相關人員了解飛機的最新構型情況。當航線構型發生變更時，相關業務部門會通過系統及時調整構型信息，協調設計、制造單位進行構型變更。

（四）客戶服務業務系統

數字化客戶服務涉及客戶服務各個專業的諸多系統。客戶服務業務系統要實施的內容包括飛機航材計劃預測與管理、飛機航材庫管理、飛機在線監控、飛機遠程故障診斷和健康管理、飛機維修智能決策、數字化服務通告、飛機訓練管理、飛機遠程培訓、網上在線技術出版物交付、技術出版物信息管理（TIMS）、技術出版物數字化編制與管理、技術出版物動態跟蹤、機群構型管理、客戶關系管理、飛機性能軟件服務、數字化維修工具箱研制、三維虛擬培訓、數字化維修仿真以及飛機機體壽命預測等。數字化客戶服務業務系統將大大提高各個專業的客戶服務能力，為解決客戶的問題提供強有力的技術支持。

客戶服務是民機取得商業成功的關鍵因素，而大型客機的客戶服務在國內屬于一個全新的領域，關鍵技術如下：

1.三維電子出版物生成與發布技術；

2.支撐客機銷售和客戶服務的電子商務平臺建立與應用；

3.產品開發環境多層次數據安全體系；

4.基于專家系統的飛機故障診斷技術；

5.民用飛機技術出版物動態管理技術；

6.飛機運行實時監控與健康管理技術；

7.三維虛擬系統在維修培訓中的應用。

（五）客戶服務支持系統

1.網絡結構

系統分為客戶服務網站、售后服務管理系統和數據交換系統。由于客戶服務網站運行于外網之上，而售后服務管理系統運行于園區網之上，出于安全需求，外網與園區網之間需要物理隔絕。

上述任何一個系統都采用B/S 架構，無須在客戶端安裝任何軟件，客戶端只要有IE 瀏覽器即可。系統網絡拓撲結構如圖2 所示。

圖2 客戶服務支持系統網絡結構圖

2.客戶服務網站與售后服務管理系統之間的數據交換

故障信息、咨詢建議、投訴、備件庫存、備件申請、飛行動態等信息在兩個系統中進行數據傳遞時，應該遵循一定的規則，否則數據無法保持一致，具體規則如下：

（1）現場服務代表經客戶服務網站采集信息，并導出數據到園區網之后，無法對其進行修改、刪除；

（2）現場服務代表經客戶服務網站采集信息，并導出數據到園區網之后，不能再次導出；

（3）園區網中由業務人員直接錄入的信息，在被導出到外網數據庫時，將被作為新數據插入外網數據庫中；

（4）園區網由業務人員直接錄入的信息，在被導出到外網數據庫后，不能再次導出；

（5）信息經園區網業務系統更改、刪除后，將更新到外網數據庫中；

（6）供應商、成品、機型、專業類別等信息僅在園區網業務系統進行維護，維護后可將園區網數據庫中的數據導入外網即可；

（7）每次導出數據到外網數據庫時，只需導出發生更改、新增、刪除的數據，從而實現數據同步；

（8）采用XML 技術，進行不同數據庫之間的數據交換。管理人員根據業務管理需求，具體安排數據交換頻率，建議每天一次或者兩次。

四、結束語

2023 年5 月28 日，C919 飛機實現第一次商業載客飛行，此后，中國成為繼美國、歐洲之后的大型民用飛機世界第三極。2016 年開始載客運行的ARJ21 飛機已經交付107 架，在國內外航線上實現安全載客超過700 萬人次。中國商飛建立的中國自己的飛機全壽命周期數字化快速響應保障服務系統已經開始投入使用，隨著所管理飛機數量的增加、飛行數據以及維護維修經驗的快速積累，必將為中國大型飛機的長期、穩定、安全運行以及航線優化調整打下堅實的基礎。