基于CBM維修理論的航空裝備維修保障初探

■ 趙強/西安飛機工業集團有限責任公司

1 CBM理論概述

近些年，基于狀態的維修（CBM）得到了迅猛發展。盡管CBM出現時間較晚，但由于其顯著的優點，一經出現便成為了裝備（設備）使用與維修領域關注的焦點，目前已成為維修理論與應用研究領域的熱點問題。發達國家已經在一些軍用裝備或民用設備上應用CBM，并取得了很好的效果。CBM是一種建立在對裝備狀態實時或近實時評估基礎上的維修方式。是在傳統的狀態監控和故障診斷技術基礎上綜合多種先進技術，準確判定部件實際狀態，以決定對其進行更換或維修的過程。CBM通過掌握裝備的現行技術狀態，運用數據分析與決策技術預測裝備的剩余壽命并實施“精確化”維修保障，能夠有效地縮短非計劃停場時間，減少維修費用，延長裝備使用壽命，提高裝備的完好率、可用度和安全性。

圖1 CBM技術實現邏輯示意圖

1.1 CBM概念分析

CBM是從設備內部植入的傳感器或外部檢測設備中獲得系統運行時的狀態信息，通過對這些狀態信息進行實時或周期性的評價，最終確定裝備的維修需求。CBM在確定維修需求時最突出的特點是考慮了裝備的運行狀態信息，根據不斷獲取的新狀態信息更新維修決策時間，盡可能地在故障發生前采取維修措施，可以明顯帶來維修費用、維修任務減少等一系列效益。需要注意的是，CBM不能簡單地理解為狀態監控維修，狀態監控是CBM的前提與基礎，根據獲得的狀態信息進行數據處理、壽命預測等一系列活動是CBM的核心，確定維修需求、做出維修決策是CBM的最終目標。通俗地講，對同一種型號的裝備總體進行連續監控，分析并確定該類裝備的可靠性水平，做出是否繼續使用還是維修的判斷，是CBM的主要內容，如圖1所示。

1.2 CBM與PHM、EHM的關系

在復雜裝備狀態維修及健康管理研究中，CBM、PHM和EHM這三個理論和技術關系比較密切。下面從概念定義、應用模式對三者進行分析。

1）概念分析

CBM（Condition Based Maintenance）的定義是，通過測量設備的工作狀態，構建一套設備維修的策略，以預計設備在未來是否工作不正常。如果運行中出現異常，能給出相應的措施以避免異常帶來的問題。通過檢測設備的性能或人工傳感器，采用條件監控和統計處理控制技術，可以監測設備的工作狀態。在設備狀態監測的基礎上，根據監測和分析診斷的結果安排檢修的時間和方式。

PHM（Prognostic and Health Management）在很多文獻中被譯為故障預測與狀態管理技術，它沒有標準的定義，重點是利用先進的傳感器并借助各種算法和智能模型來監控、預測和管理飛機的狀態。PHM通常分為兩部分來理解：一是故障預測，即診斷或預計部件/系統完成其功能的狀態，包括確定部件的剩余壽命或正常工作的時間長度；二是狀態管理，即根據診斷/預測信息、可用資源和使用需求對維修活動做出正確決策。

EHM（Equipment Health Management）是一種對設備及其部件健康狀態的影響因素進行全面管理的過程。 EHM通過整合設備管理規章制度和業務流程，以狀態維修、定期維修等維修活動為手段，對涉及設備健康的方方面面（日常管理、維護保養、操作使用、狀態監測等）進行全過程管理，是一種促進設備全面健康的管理新模式。

2）應用模式

從目前的應用情況看，CBM理論已經被工業部門廣泛接受。機械、化工、冶金、汽車及電力等許多行業都使用CBM技術，取得了巨大的經濟效益。同時，CBM理論還在軍事領域獲得了應用，美軍主要在陸軍航空兵中積極發展CBM，它代表了美軍在裝備維修保障中正在進行的工作和未來的發展趨勢。

美國國防部已將PHM認定為是一項能夠顯著降低使用和保障費用、提高飛行安全和飛機可用性的綜合性技術。美軍各軍種制定的若干重大相關研究項目中就包括聯合戰斗攻擊機（JSF）的PHM系統，此外，還有海軍的綜合狀態評估系統（ICAS）、陸軍的診斷改進計劃（ADIP）等。波音公司將PHM應用于民用航空領域，稱為飛機狀態管理（AHM）系統。

EHM也在很多企業得以應用。對于某一特定的企業而言，其設備健康管理策略是個性化的，是適當的技術手段和專業資訊的優化組合，該策略包含設備健康狀態管理的設計、執行/實施和持續提高，是建立有效體制的有效路徑。EHM是狀態監控、健康評估、維修決策支持、計劃及控制等組合。

綜上所述，在技術推動和現代維修理念發展的雙重作用下，CBM、PHM和EHM之間的聯系將更加緊密，差異將越來越小。

2 美軍應用現狀分析

美軍20世紀90年代末引入民用領域的CBM理論。目前，CBM是美國國防部近年來大力推行的一種維修策略，各軍兵種裝備均推廣采用CBM技術。

2.1 美國海軍

1998 年美海軍在裝備維修中提倡CBM。1998年5月6日，美海軍作戰部頒布OPNAV INST 4790.16指令-《基于狀態的維修政策》。美海軍以綜合狀態評估系統（ICAS）作為CBM的實施工具，該系統能監測機械數據的趨勢，能對艦船及其設備進行器材需求評估、設備狀態評估等，對每個系統或設備的主要性能參數監測結果予以評估，給出匯總表格，用綠、黃、紅色分別表示其可用、注意和不可用，最后提出具體的維修建議，為實現“在正確的時間、以正確的費用進行正確的維修”提供了依據。ICAS系統還被應用于其他裝備中，包括基于企業級的系統訓練、共享后勤保障數據、共享系統保障費用、共享實施費用等。

2.2 美國陸軍

20世紀90年代，美國國防部啟動HUMS計劃，為其Mk2/2a直升機配裝健康與使用監控系統（Health and Usage Monitoring Systems，HUMS），HUMS是一個集成化系統，綜合了健康監控系統和使用監控系統兩個子系統，主要功能是監控直升機及其子系統的性能和使用參數，預測直升機剩余使用壽命（RUL），并提供維修決策信息。美軍的HUMS系統也在其H-53、H-60和H-64等直升機上得以應用。據美國《今日防務》報道，配裝HUMS系統的美國陸軍直升機任務完備率提高了10%。

2.3 美國空軍

美空軍在聯合攻擊機上采用了PHM作為CBM技術的代表。該系統具有增強的診斷能力，評估裝備實際狀態、預測剩余壽命等功能。通過PHM，飛機處于飛行狀態時就可以將其狀態及故障數據等自動下傳，以準備相應的維修資源，從而大大縮短下次出動的準備時間。據估計，JSF（F-35）采用PHM技術可以使其維修人力減少20%～40%，保障規模縮減50%，出動架次率提高25%，使用與保障費用減少50%以上。

2.4 其他領域

CBM技術不僅在軍用裝備上得到實施，更在民用企業的大型裝備、航空、船舶等領域得到了應用。這些技術在波音747和DC9等大型客機上的成功應用，大大提高了飛行的安全性。

3 國內主要存在的問題

盡管國內在航空裝備狀態維修的研究與應用方面已經取得了較大的進展，但仍然存在許多問題需要認真研究并加以解決，主要包括以下幾個方面。

3.1 對CBM及健康管理理論研究不夠深入和系統

在國內，CBM及健康管理理論體系尚未形成，理論研究基本上是在外文文獻的基礎上進行介紹或探討；缺乏統一性（如視情維修、狀態維修、狀態監測維修、基于狀態的維修等）；概念界定較為模糊，有些概念之間的聯系與區別不是很清楚（如CBM與PHM、EHM之間的關系，CBM與RCM、CMMS之間的關系等）。以上問題不利于深入系統地開展CBM及健康管理理論研究。

3.2 對維修分析與決策重視不夠

國內側重于研究狀態檢測和故障診斷技術，但缺少根據設備的狀態信息進行維修分析決策這一重要功能，使得CBM難以充分發揮其應有的作用和效能。據統計，近十多年來，國內多個行業研制開發了總計約上百種的故障診斷系統。從研究范圍來看，基本上跟蹤了國外的發展，但真正投入使用的還不夠多，應用后所取得的效果也難以滿足人們預期的目標。在航空工業領域，基本局限于基于故障樹的診斷模式，只有個別新機型具備核心子系統的健康管理功能，缺乏整機的健康管理應用，同時，在維修分析模型和分析策略上研究較少。

3.3 需要對模型進行深入研究

CBM決策的理論基礎研究可以分為兩類：第一類是利用數理統計理論、點過程理論等，直接建立設備狀態和壽命的統計分布，估計模型中未知參數，根據費用等目標做出優化決策。第二類是應用馬爾可夫或半馬爾可夫決策過程對費用目標的維修策略進行求解。在CBM模型中，關于設備健康評估和剩余壽命預測的模型相對較少，研究也不夠充分；已有的不少模型比較復雜，不夠簡單實用，不利于計算機實現；在對設備進行健康評估時，對環境因素、使用因素裝備應用場景以及用戶戰訓要求等考慮不夠。

3.4 需要進一步開展裝備遠程CBM及健康管理研究

盡管遠程維修/遠程支援/遠程診斷等概念早已提出，在維修實踐中也有一定的應用，但對于復雜裝備而言，缺乏真正意義上的基于狀態的遠程維修及健康管理。因此，有必要深入研究復雜裝備遠程CBM系統的總體結構及相關技術。

4 未來亟需解決的問題

4.1 CBM及健康管理理論體系研究

由于CBM和健康管理涉及的學科專業領域眾多，加上國內在CBM尤其是健康管理研究方面仍然處于起步階段，一些問題在國際上仍然屬于熱點研究問題，因此，CBM及健康管理理論體系需要進一步完善，尤其是二者之間如何緊密結合以指導具體的研究和應用工作。

4.2 CBM技術標準的制定

為了制定基于狀態的維修方法及實踐所涉及的標準，美國空軍司令部組建了一個工作組，在相關工程人員的協作下，對所有飛機采集到的信息進行數據挖掘，以便制定新的維修標準和參數，從而重新編制技術手冊和指南，并最終對維修人員和維修管理人員的工作流程進行改進。為了更好地完成國產航空裝備狀態維修方式的轉型，相關維修標準和參數的制定便是至關重要的一個環節。

4.3 CBM訓練資料與訓練方式的研究

美陸軍訓練保障中心保存的有關基于狀態維修的訓練資料可供所有士兵查閱，為使訓練工作跟上新裝備部署步伐，還開展了自適應訓練、情景驅動沉浸式實戰訓練、基于網絡的訓練、新裝備訓練等訓練形式。我軍應該在實施維修方式轉型之初，就整體規劃CBM訓練資料的編寫、訓練教程的安排、訓練方式的統籌。

4.4 CBM預測及決策模型的研究和應用

這部分工作包括健康狀態評估模型、剩余壽命預測模型、多目標下的CBM決策模型的研究，以及模型的運算工具或軟件的實現等。

4.5 遠程智能CBM技術的研究

隨著計算機技術、傳感器技術的迅猛發展及廣泛應用，無線智能CBM已經成為CBM的一個發展趨勢。遠程智能CBM可以充分利用網絡技術，實現基于狀態的裝備遠程維修，同時加快CBM維修檢測設備特別是小型化適合外場保障的設備的研制和推廣使用。

4.6 建立裝備監測間隔期的模型

狀態監測的間隔期是人為規定的或是固定的監測間隔期，其確定帶有一定的主觀性。合理的監測間隔期能減少裝備壽命周期費用，減少操作人員工作量等，因此，如何將監測間隔期與剩余壽命結合以確定裝備的維修決策是一個有現實意義、值得研究的問題。

5 總結

1）對服務保障和維修人員來講，CBM意味著新的工具、測試設備和內置機上故障診斷。這些工具利用目前商業的故障診斷技術，將系統狀態數據（如溫度、振動、周期時間等）以及環境因素（如沙漠、極地、高濕等）轉換成主動維修活動，這些維修活動可以在實際維修中被執行。有了CBM，維修人員能夠將武器系統或裝備的狀態數據轉換成主動維修活動。

2）對戰訓指揮官來講，CBM技術增加了武器系統的可用度。CBM為指揮官、任務計劃人員和保障人員提供了獲得更好的任務決策和任務分配所需的信息。

3）對聯合作戰來講，當整個作戰群裝備運行數據實現共享時，CBM從故障診斷傳感器和設備獲得數據，通過實時評估裝備的狀態，將這些數據轉化成預測趨勢，預測故障什么時候將發生，確定哪些部件需要重新設計或替換，降低了高故障率，以此來確定整個作戰群未來的維修活動，便于進行維修資源和維修計劃的整體優化。各兵種或不同機型部隊的資源共用將極大地減少服務保障費用和人員數量。