飛行保障裝備基于狀態的維修決策支持系統研究

楊中書，范紅軍，陳友龍，李勛章

(1.海裝航技部，北京 100071;2.海軍航空工程學院青島校區，山東青島 266041)

隨著飛行保障設備向著高參數、大容量、高自動化的方向發展，實際裝備系統日益復雜，所包含設備的數量及類型日益增加。然而，目前飛行保障裝備的維修體制還停留在20世紀50年代從蘇聯引入的基于定期維修的計劃維修體制，這種維修體制導致的“維修不足”、“維修過剩”等問題越來越突出，不僅造成突發事故頻繁，嚴重影響設備安全和使用壽命，而且因維修造成的停機時間過長嚴重制約飛行保障裝備訓練水平和保障能力提升。隨著狀態監測技術、計算機技術及分析決策技術的發展，一種基于裝備的狀態的維修技術開始引入到飛行保障設備的維修當中，狀態維修需要運用計算機信息管理技術，對飛行保障設備的運行數據、歷史數據、監測數據、特征參數等數據進行分析、優化、評價和預測，要使飛行保障設備使用與管理人員較好的運用這些知識，必須開發和建立狀態維修決策支持系統［5-6］。

1 基于狀態的維修(Condition Based Maintenance—CBM)

通常，裝備的退化有一個逐漸劣化的過程，圖1 說明了故障的階段情況，即P -F 曲線。該曲線顯示了故障如何開始，并退化到可以被探測的點“P”，假設該點沒有被探測到而未采取任何修正措施，通常會以更快的速度退化到功能故障點“F”。當潛在故障可探測點距離功能故障點越遠，設備發生故障的可能性越小，維修費用越少;反之，潛在故障可探測點越靠近設備功能故障點時，設備發生功能故障的可能性增大，同時所需的維修費用也隨之劇增。狀態維修的目的就是利用監測設備和手段來監測設備狀態參數、分析趨勢，發現和糾正任何可能導致設備故障的操作或運行狀況，將探測點提前到功能故障點［2，7］。

圖1 P-F 間隔

基于狀態的維修是根據裝備的實際工況，通過分析比較其在運行下的各種特性參數的變化來確定設備是否需要維修，以及需要維修的項目和內容，具有極強的針對性和實用性。因此，基于狀態的維修可定義為通過監測裝備的狀態或性能參數的變化，表明裝備已顯著性能退化時所進行的維修［1］。顯然，CBM 是在對裝備狀態監測和故障診斷的基礎上，通過獲取裝備當前的狀態信息，監測裝備缺陷或潛在故障的發生，預測裝備的剩余壽命或功能故障發生的概率，分析并給出需要進行的維修工作或活動［8］。

飛行保障設備包括飛行前后的飛機檢查與維護設備、保障飛機起飛和維護的發電與供電設備、分配電系統等，涉及設備有內燃機、燃氣輪機、發電機、配電柜(箱)等，每種設備不僅包括機械元件，還由大量電子部件組成，具有構造復雜、自動化程度高的特點，為了提高飛行保障設備的戰備完好率和使用可靠度，飛行保障設備的維修不僅包括大修、中修、小修這些傳統的定期維修方式，還應該包括基于設備狀態的維修，即依據裝備的狀態“該修才修”。狀態維修應用于飛行飛行保障設備，就必須建立狀態維修決策支持系統。

2 飛行保障設備狀態維修決策支持系統功能框架

決策支持系統(Decision Support System——DSS)融“決策”、“支持”、“系統”為一體，它綜合利用大量數據、有機組合眾多模型，通過人機交互，輔助維修決策支持者科學決策。一套系統、全面的飛行保障設備狀態維修決策支持系統應滿足以下要求［1，3］:

能夠對飛行保障設備的日常登記、維護、更換、管理等環節做出技術支持;能夠對飛行保障設備進行可靠性、重要度等指標進行評價分析，為維修決策提供依據;能夠對飛行保障設備的監測點信息進行監控和管理，并根據設備的運行情況和分析結果，及時發布飛行保障設備的狀態和故障信息;對飛行保障設備進行故障診斷分析，分析可能的故障部位及對應的故障原因，形成故障信息庫及診斷報告;可進行長期或短期維修周期的預測及優化，為維修周期決策提供依據;可進行維修方案的制定，并具有對方案進行審核評價的機制。

根據以上要求，飛行保障設備狀態維修決策支持系統的功能結構可分為9 個模塊，如圖2 所示。

圖2 飛行保障設備狀態維修決策支持系統功能模塊框圖

飛行保障設備狀態維修決策支持系統的功能結構包括9個模塊:

1)系統管理模塊。該模塊對出入維修決策支持系統的用戶進行跟蹤記錄，對用戶的權限統一配置，統一管理。

2)綜合信息管理模塊。該模塊提供飛行保障設備綜合信息存儲和管理平臺。這些綜合信息包括設備基本信息、設備變動信息、設備運行信息、RCM 數據管理及設備潤滑管理等。

3)模型庫管理模塊。該模塊提供模型庫的存儲管理，運行管理等。

4)FMEA 分析模塊。該模塊為飛行保障設備的故障分析模塊，可對不同的系統或設備進行故障模式及影響分析、故障數分析和設備重要度分析等，為設備運行和維修決策提供數據和知識;根據重要度分析結果，為設備選擇合理的維修方式。

5)狀態評價模塊。該模塊為飛行保障設備提供狀態評價平臺。狀態評價時，從設備樹中選擇某一子系統或設備，按照一定規則從模型庫中選擇相應的模型，調用數據庫中的知識進行評價，根據評價結果確定設備所處的狀態。

6)故障診斷模塊。該模塊根據狀態評價結果，調用相應的故障診斷方法，對異常狀態進行故障診斷，并判斷故障模式、部位、原因等，給出故障診斷報告。

7)狀態預測模塊。該模塊為飛行保障設備提供狀態預測平臺。對狀態評價中處于異常狀態的系統或設備進行狀態預測，選擇相應的預測模型，預測系統或設備未來時間的狀態，并根據數據庫中的狀態閾值預測系統或設備的剩余壽命。

8)維修決策及優化模塊。該模塊時飛行保障設備運行與維修決策的核心部分，主要包括維修周期決策優化和維修方案決策。系統首先對設備的各種維修方式及其維修周期進行優化，將維修建議提供給決策人員進行參考，決策人員在設備狀態評價與預測模塊的計算結果和維修建議下，進行維修方案選擇。

9)維修任務管理模塊。該模塊根據已經確定維修方案，制定維修任務，并對維修任務進行管理。

3 飛行保障設備狀態維修決策支持系統的設計

3.1 硬件結構

飛行保障設備維修決策支持系統建立在內聯網的網絡環境之上，系統結構基于Client/Server 應用模式的開放系統，系統的結構如圖3 所示。

圖3 飛行保障設備維修決策支持系統硬件結構

整個硬件系統分為設備層、功能層和網絡通信層3 層結構，設備層為飛行保障設備各個監測系統的傳感器或數據采集站;功能層為各個工作站和數據庫服務器，其作用是對收集的信息進行分析處理，并完成狀態評價、系統故障分析與診斷、狀態預測、維修決策及優化等;網絡通信層為各部分連接和交互的通道，可采用以太網作為連接系統的局域網，采用TCP/IP 協議作為網絡通信協議［4，9］。

3.2 軟件組成

飛行保障設備維修決策支持系統以Windows 2000 Server/9X 為操作系統進行開發和設計。整個系統的結構主要由3 個庫組成，即數據庫系統、知識庫系統和模型庫系統。如圖4 所示。

1)數據庫系統。數據庫系統是維修決策支持系統最基本的組成部分，數據庫系統包含兩個部分:數據庫和數據庫管理系統。數據庫涉及飛行保障設備維修決策的大量信息，不僅包括設備基本信息、設備重要度評價標準、狀態及其閾值等基本數據，也包括設備運行與維修歷史數據、設備運行實時數據、設備性能分析數據、設備狀態評價數據、狀態預測數據、設備可靠性統計分析數據等運行維修數據;數據庫管理系統對各種數據進行描述、管理和維護，同時數據庫管理系統支持數據記錄的瀏覽、各種數據關系的創建、生成報告等功能。數據庫系統只有和模型集成時，維修決策支持系統才能發揮出真正的作用。

圖4 飛行保障設備維修決策支持系統的軟件結構

2)飛行保障設備維修模型庫系統。模型庫時維修決策中最有特色的組成部分，它為維修決策提供推理、比較選擇和問題分析。飛行保障設備具有極其復雜的機構和極高的可靠性要求，結合狀態維修的特點，建立分布式的設備維修模型庫，有助于維修決策系統的安全和高效運行。模型庫里的數學模型包括統計分析模型、重要度分析模型、狀態評價模型、狀態預測模型、維修決策及優化模型等，有模型庫管理系統為用戶提供建模語言和管理功能。

3)知識庫系統。在數據庫和模型庫的基礎上增加知識庫系統，即可得到智能決策支持系統。知識庫系統包括知識庫和知識庫管理系統:飛行保障設備維修決策系統知識庫中存放的知識包括狀態評價模型選取知識、狀態預測模型知識、維修決策及優化選取機求解知識等專用知識和關于學習的通用知識，在知識庫中，采用產生是規則和框架理論相結合表達知識庫的知識規則;知識庫管理系統通過對知識庫的有效組織與管理，實現對知識及其規則的查詢、修改和維護，以及知識的獲取和運用操作。

數據庫系統、模型庫系統、知識庫系統不是孤立的，而是彼此聯系:模型庫系統通過與數據口的借口抽取需要的數據，進行模型的計算使用，同時將計算結果存儲在數據庫;知識庫系統與數據庫系統通過數據庫接口從數據庫中抽取知識推理所需的數據;知識庫通過與模型庫的借口為模型的建立提供知識支持。

4 系統工作流程

飛行保障設備狀態維修決策流程如圖5 所示。

1)按照一定規則對飛行保障設備劃分為設備、子系統、子子系統、部件和分部件，形成具有層次結構的的裝備樹。

2)對各子系統進行故障模式和影響分析(FMEA)、故障樹分析、可靠性統計分析，得到該子系統的主要故障模式和故障誘因，并將其存入數據庫和知識庫。

3)根據FMEA 分析結果及專家知識，進行設備重要度評價，得到重要度指數，并按規則確定根各設備或系統不同維修模式:為了降低維修費用，對于重要度指數較低的設備或部件，采用傳統的定期維修方式;對于比較重要的設備或部件，當處于正常狀態時，只需要進行例行維護。當設備處于潛在故障階段時則要加強監控以避免緊急情況的出現;當狀態預警參數值超出潛在故障階段達到功能故障階段，系統就會突然或幾乎完全停機，宜進行修復性維修。同時，為確定維修方式的設備進行維修決策，選擇合理的維修周期。評價結果和維修決策結果存入數據庫。

4)對重要設備選擇狀態參數和狀態監測技術進行在線或離線狀態評價及預測。如果狀態綜合分析系統狀態正常，則系統可繼續運行;如果系統狀態超出事先設定的閾值時，則進行故障診斷，并根據診斷結果和裝備所擔任的任務視情進行預防性維修決定。

5)對有維修需求的設備，制定可行、有效的幾種維修方案。維修方案的制定主要依據設備狀態評價和預測結果，以及設備運行與維修經驗。

6)維修方案制定后，要提交給維修保障人員進行綜合評價，并根據評價結果選擇能夠保證發揮飛行保障最大效益、符合部隊和裝備實際運行條件的維修方案，根據已確定的維修方案，指定維修任務，安排維修活動。

5 結束語

飛行保障設備狀態維修決策的支持系統自動通過數據庫信息對采集的數據進行檢查，實現對異常數據的報警或故障分析，同時該系統根據裝備的健康狀態進行維修決策，縮短了維修決策方案的處理時間，提高了決策方案的質量。該系統改變了傳統的定期維修方式，有利于延長飛行保障設備的平均工作周期和使用壽命。需要指出的是，維修決策系統只是輔助和支持決策者，而不是代替他們進行判斷，因此系統既不能提供最終答案，也不會給決策者提供一套預先規定的分析程序［3，10］。

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