基于狀態的某型無人機系統維修研究

陳 衛，湯超君

(陸軍軍官學院，合肥 230031)

隨著高新技術的發展及其在軍事領域的廣泛應用，武器裝備越來越復雜，維修保障任務也越來越繁重。與發達國家相比，我國無人機系統在維修理念、技術和管理上相對落后，處于傳統、經驗型階段，數字化、信息化水平較低，新技術的應用不夠廣泛。某型無人機系統部、組件數量大，種類多，維修檢測設備少，加上定期維修工作量大導致維修過程繁雜，效率低。維修裝備、備(配)件、人員分工等維修資源的科學化管理與合理化統籌成為該型無人機系統維修保障工作中的瓶頸。基于狀態的維修(condition based maintenance，CBM)為解決上述問題提供了可能。采用CBM對無人機系統的運行狀況進行在線或離線的監測，通過對所測狀態參數值的分析決定裝備的維修需求，是實現無人機系統維修的重要基礎和支撐條件［1］。

1 CBM概念及特點

1.1 概念

基于狀態的維修是一種先進的維修方式，它通過狀態監測技術獲取反映裝備狀態的有關信息，利用信號分析、故障診斷、可靠性評估、壽命預測等技術判斷裝備的狀態，識別缺陷的早期征兆，對缺陷情況以及缺陷狀態的發展趨勢進行分析和預測，并根據對裝備缺陷的狀態診斷和預測選擇維修策略。CBM的定義是［2］:通過監測設備或人工傳感器，采用監控和統計處理控制技術，監測裝備的工作狀態，根據監測和分析診斷的結果安排檢修時間和方式。對某型無人機系統開展CBM是指:通過內置傳感器監測裝備的工作狀況及健康狀態，以降低裝備維修費用為前提，合理選擇維修策略，根據裝備的優先等級、重要程度和故障模式等特征建立裝備維修管理流程。

1.2 特點

CBM是一種新型維修方式［3-4］。與傳統的維修方式相比，其特點如下:CBM能對裝備實現“精確化”維修，在制定維修策略時充分考慮系統運行狀態及裝備研制、使用造成的差異，盡可能在故障發生前進行維修;能實時掌握裝備技術狀態，運用數據分析和決策技術預測裝備壽命并實施維修，有效節約維修費用，減少停機時間，延長裝備使用壽命，提高裝備完好率和可用度。

2 某型無人機系統開展CBM的可行性和有效性準則

2.1 可行性準則

一般說來，裝備的故障總有一個產生、發展的過程，尤其是由磨損、腐蝕、老化、斷裂、失調、漂移等因素引起的故障更為明顯，大都存在由潛在故障發展到功能故障的過程。對無人機系統開展CBM，是基于裝備由潛在故障發展到功能故障的過程的規律，將焦點集中在P-F間隔(從潛在故障發展到功能故障的間隔期［5］，P為能夠檢測到的潛在故障點，F為功能故障點)中的無人機系統狀態變化，達到預測故障的目的。某型無人機系統滿足開展CBM的可行性原則:①存在明顯的潛在故障間隔P-F;②P-F間隔期比較穩定;③對潛在故障的檢測以及維修時間要小于P-F間隔。

2.2 有效性準則

1)基礎條件。基于狀態的維修可通過狀態監測技術對裝備運行狀態進行監測，通過故障診斷技術和壽命預測技術對裝備故障進行早期診斷，并對未來發展趨勢進行預測。維修人員可以根據裝備狀態診斷和預測的結果，綜合考慮裝備的備品備件、單位的維修力量等因素，提前做好維修前的準備工作，靈活制定維修方案。

2)針對性。基于狀態的維修著眼于無人機系統的具體運行狀況，以其真實狀態作為維修的依據，利用各種先進的技術和方法對被監測裝備的真實狀態進行評估，根據評估的結果來決定是否維修和何時維修，因此克服了維修的盲目性，縮短了維修時間，提高了裝備完好率，并可有效減少由于維修不足而引起的意外故障，同時也可有效減少由于維修過剩帶來的資源浪費。

3)可操作性。狀態維修是基于計劃展開的，而且這種計劃是建立在裝備實測“狀態”的基礎上。狀態維修強調有計劃地進行檢測，也強調提前對各種可能的故障做出相應的預案，計劃好維修措施，因此其可操作性更符合實際。

4)監測間隔。按經濟性要求確定狀態監測的間隔期。當故障不危及裝備安全，而預防性維修工作的費用損失少于故障損失時，則按最少費用損失的要求來確定狀態監測的間隔期。

3 某型無人機系統維修方式選擇及決策

3.1 維修方式的合理選擇

某型無人機系統維修的首要目標就是保證裝備的完好性和可用性，并確保訓練、作戰任務的順利完成。裝備維修方式的選擇應按照裝備特點及分類進行，其流程如圖1所示。對于關鍵裝備(無人機系統裝備中的核心裝備，維修費用較高)，由于其運行狀態直接影響到任務的完成，在技術和經濟可行的情況下，先采用狀態維修方式，否則采取定期維修方式。將無人機系統中運行狀態不會直接影響到整個系統運行過程的裝備定義為非關鍵裝備，進一步區分為主要裝備和次要裝備。對于主要裝備，除故障突發的特殊情況，應采用定期維修方式;對于次要裝備，由于其失效對整個任務完成影響甚微，考慮到經濟性因素，應采用事后維修。

圖1 裝備維修方式選擇流程

3.2 維修方式決策

某型無人機系統由控制導航、飛行器、綜合無線電、任務設備等分系統組成。依據關鍵設備等級劃分及權重確定，采用層次分析、Delphi和模糊矩陣判別等方法，按照風險水平分類設置等級參數向量［6］C=(4，8，12，16，20)T，確定關鍵設備評判等級，進行維修決策(見表1)。

表1 風險水平分類

某型無人機分系統關鍵設備中，控制導航系統、無人機機體、動力裝置、發射裝置、回收裝置、綜合無線電系統、電源系統的等級參數向量C分別為14.3、16.03、13、13.34、11.36、14.46、15.27(計算過程參考文獻［5］)。根據評判等級的劃分，可以看出某型無人機分系統風險水平較低，說明該型無人機分系統的故障率較低，應針對各分系統關鍵設備中存在的薄弱環節采取狀態維修，對其他裝備采取定期維修或事后維修。通過計算結果數值比較知:該型無人機系統的回收裝置故障率相對較高，對系統運行影響較大，首先需要對其采取狀態維修，提高回收裝置可靠性和可用性。

4 某型無人機系統CBM體系結構

根據CBM定義，分3層建立某型無人機系統CBM體系結構(圖2):第1層是傳感器層，由無人機上的傳感器和監測設備構成，完成原始數據的收集;第2層由數據處理設備構成，完成多信源的數據融合;第3層由推理機構成，完成各分系統及關鍵設備的運行狀態評估與維修方式選擇及決策。

圖2 某型無人機系統CBM體系結構

5 結束語

本文首先針對無人機系統維修現狀分析了某型無人機系統開展CBM的意義，闡述了CBM的基本概念，對該型無人機系統開展CBM的可行性和有效性進行了分析;其次分析了該型無人機系統維修方式選擇及決策;最后構建了該型無人機系統CBM體系結構。基于狀態的某型無人機系統維修為無人機系統作戰效能的發揮提供了保障。

［1］Army U S..Eyes of the Army U.S.Army Roadmap for Unmanned Aircraft Systems 2010-2035［M］.F Alabama:ort Rucker，2009.

［2］Sandy D.Maintenance terminology—some key terms.［EB/OL］.［2004-01-06］.http://www.plant-maintenance.com.

［3］張亞妹，賈云獻.基于狀態的維修及其發展方向［J］.中國設備工程，2007(3):10-11.

［4］黃愛梅，董蕙茹.基于狀態的維修對飛機裝備維修的影響研究［J］.裝備指揮技術學院學報，2011(2):122-125.

［5］馮保東.馬俊文.黃艷松.狀態維修技術在提升裝備維修保障能力中的應用［J］.四川兵工學報，2013(2):89-91.

［6］暢偉.基于FMECA和模糊綜合評判的無人機系統安全評價研究［D］.合肥:陸軍軍官學院，2012.