基于統計分析方法的飛機維修方案優化

鄭志霖 葉曉東

摘要：介紹了國內某航空公司維修方案優化項目的開展情況，從項目背景、優化方法、可靠性監控、項目情況、審查和監管、未來及挑戰等方面對維修方案優化項目進行探討，為國內航司提升工程管理能力，特別是維修方案管理能力提供經驗，為中國民航制定維修方案優化的指導政策提供參考。

關鍵詞：維修方案；優化；維修間隔

Keywords：maintenance program；optimize；maintenance interval

0 引言

根據中國民航規章《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》（CCAR-121部）的規定，合格證持有人應當為其所運營的每架飛機編制維修方案，并根據可靠性方案來持續監控維修方案的有效性。維修方案是航空公司實施維修活動的依據和標準，在保證飛機持續適航、安全性和可靠性的同時，也影響航空公司的運營成本。影響維修成本的因素包括維修項目和維修間隔兩個方面，在不刪減維修項目的前提下，如果能利用可靠的維修方案優化方法，合理延長部分維修方案項目的間隔，將有助于降低維修成本、提高飛機的利用率、減少維修投入，產生較為可觀的經濟效益。

2018年8月，國內某航空公司（以下簡稱“A航”）正式立項，通過與飛機制造廠商波音的合作，開展波音737NG維修方案優化項目。在民航局的指導和幫助下，經過不懈努力，作為國內首家開展維修方案優化的航空公司，A航波音737NG維修方案優化項目于2020年6月獲得局方批準。下面將從項目背景、優化方法、可靠性監控、項目情況、審查和監管、未來及挑戰等方面對該維修方案優化項目進行探討。

1 項目背景

眾所周知，包括波音737NG飛機在內，目前大部分民航客機采用的維修方案是依據MSG-3邏輯分析方法編制的。MSG-3通過工程分析的方法設置初始維修間隔，由于缺少使用數據的支持，初始間隔的設置往往偏于保守。有鑒于此，各大飛機制造廠商紛紛開發維修方案優化方法。

2006年，為推動維修方案的優化，波音公司開始考慮應用大數據統計分析的方法來確定最佳維修間隔，著手研發SASMO（Statistical Analysis for Scheduled Maintenance Optimization，即計劃維修項目優化統計分析）工具。

2008年，為規范維修方案優化的流程，國際維修審查委員會政策委員會（IMRBPB）發布IP44《Evolution / Optimization Guidelines（評估/優化指南）》，制定了使用統計分析方法評估/優化維修間隔的規范。IP44從原則上對維修方案優化過程進行規定，主要分為數據采集、數據整理、數據分析、實施監控等四個方面。針對數據采集，IP44主要從種類和格式上進行規范，包括機號、機齡、例行工卡執行次數、例行工卡執行發現問題、部件送修數據、運行數據、連續的工卡檢查數據、非例行維修數據、延誤取消、使用困難報告等多個要素。針對數據整理，IP44規定采集的數據需滿足ATA SPEC2000 chapter 11或相關標準的要求，在確保準確性和完整性的基礎上，與MTBUR（平均非計劃拆換間隔）、MTBF（平均無故障間隔）、PIREPS（機組報告）等相關數據進行關聯，同時需通過審核確保所有數據可追溯至原始工卡。針對數據分析，IP44規定數據分析包括統計分析和工程評估，其中，統計分析要求滿足95%的置信度，且必須有足夠的樣本量實現統計分析；工程評估適用于保養類項目，如潤滑、清潔等。針對實施監控，IP44規定必須對維修方案間隔優化后的實施效果進行監控，根據監控的結果動態調整維修間隔，實現維修間隔的最優管理，達到閉環控制的目標。

2009年，波音公司開發的SASMO分析工具獲得FAA和EASA的認可。FAA和EASA認為SASMO符合IP44的要求，可以用于工業指導委員會（ISC）進行MRBR的維修間隔優化調整。此后，SASMO正式在ISC會議上運用，并寫入波音公司《B737-600/700/800/900 Policy and Procedures Handbook》（PPH，即政策及程序手冊）。

由于ISC會議面向的是全球機隊，采集的樣本數據僅是全球機隊18%的數據，每年調整的維修方案項目有限，調整的項目也未必適用所有航空公司。2013年，波音公司開始向航空公司提供基于SASMO的OMP（Optimized Maintenance Program，即維修方案優化）服務（見圖1）。全部使用目標航空公司的樣本數據，量身定制維修方案，更符合不同航空公司的實際情況。截止2019年底，波音OMP項目已在美聯航、全日空、國泰航等14家航空公司開展，并獲得包括FAA和EASA在內的8個適航當局的批準。

長期以來，國內航空公司在編制維修方案時，所采用的維修間隔均不長于廠家計劃維修文件（MPD）推薦的間隔。一方面是因為中國民航的規章未對維修方案的優化方法進行明確規定，導致了行業監管相對保守；另一方面是因為國內航空公司自身工程管理能力有限，無法自己制定維修方案的優化方法。

2014年，為使維修方案從符合性管理邁向優化性管理，以波音向中國大陸的航空公司推薦OMP服務為契機，民航華東管理局和廈門監管局牽頭實施了民航安全能力建設項目《維修方案優化調研》。項目組針對運輸航空公司特點，結合現場調研、座談訪問、數據采集、交流研討等多種方法，在航空公司維修方案優化管理、維修數據采集、可靠性管理與數據分析等方面進行了深入調研，總結歸納了華東地區運輸航空公司維修方案優化管理的現狀和薄弱環節。此外，項目組還通過研究CAAC/FAA/ EASA/IATA等相關法規要求，結合波音公司優化維修方案的建議，收集整理航空公司的提議，對咨詢通告AC-121-53/-54/-63提出了修訂建議。

2017年8月，新的咨詢通告AC-121/135-53R1頒布，修訂維修間隔調整的可行方法為“抽樣試驗、維修數據統計分析或其他支持數據等”，使得該通告與IP44的思想更加一致，為國內航司的維修方案管理指明了新的方向，也為波音OMP項目在中國的實施奠定了政策基礎。

2 優化方法

波音公司開發SASMO系統作為維修方案優化的核心算法工具，再輔以原有的KB（Knowledge Base）系統，這兩大系統組成了OMP項目的支柱軟件。

SASMO系統是波音自主研發的大數據統計分析軟件，其設計流程完全符合IP44的規范要求。基本思路是：將維修數據按格式要求輸入SASMO系統后，OMP工程師對數據進行人工整理，包括建立維修數據與維修方案項目的關聯、重大故障和輕微故障的判斷；SASMO系統根據整理好的數據，輸出該維修項目的重大故障和輕微故障的概率曲線；然后根據MRB規定的不同類別維修項目允許的重大故障和輕微故障的發生率上限輸出最佳統計間隔，如圖2所示。

KB系統是波音作為飛機制造廠家長期積累的知識庫。知識庫包含所有MRB項目的各類工程數據，例如，項目本身的各類參數、項目的起因、項目的修訂情況以及項目與其他工程技術文件的關聯等。波音工程師在使用SASMO分析時，會從KB系統調用所需的工程數據。在SASMO分析出最佳統計間隔后，還需要依托KB系統進行相應的工程分析。工程分析主要考慮重要安全性影響，以確保統計優化的間隔滿足規章和設計的要求。然后再綜合考慮航空公司的業務目標、運行能力、技術要求等方面的因素，得出推薦的維修間隔，見圖3。

下面以案例進行說明：針對波音737NG飛機的MPD項目27-003，通過對189架飛機近十年維修數據的采集、整理、分析，發現與該維修項目相關聯的輕微故障10次、重大故障12次，SASMO系統根據故障發生的時間輸出故障概率曲線，如圖4所示。

根據MRB規定的6類項目故障發生率上限（輕微故障50%，重大故障20%），并結合機隊飛機利用率、ISC規定維修間隔調整限制（5/8類項目最多延長至2倍，非5/8類項目最多延長至3倍）、定檢間隔等因素，經過綜合評估，最終經過優化的該維修項目間隔從8000FH延長至17500FH，如圖5所示。

3 可靠性監控

IP44不僅對維修方案優化使用的統計分析方法進行了規范，還對維修方案優化后的可靠性監控做了明確規定：“使用統計分析方法進行維修方案優化后，運營人仍應當對機隊的可靠性狀態進行監控，確保維修方案的有效性”。CAAC咨詢通告AC-121/135-53R1《民用航空器維修方案》也有類似規定：“維修間隔修改應能通過可控制的方法進行監控，確保間隔修改后相關系統的可靠性”。波音公司基于強大的工程管理能力和豐富的經驗建立的可靠性監控系統，可以將飛機故障現象與維修項目直接關聯，能較為容易地監控具體維修項目的有效性。但航空運營人特別是國內的航空公司，其可靠性監控體系普遍無法實現故障直接與維修項目相關聯。在A航波音737NG飛機維修方案優化項目中，A航的工程師提出依托現有機隊可靠性監控體系，結合統計分析和事件分析兩種方法，通過可靠性數據的分析和評估來確定故障數據與維修項目的關聯度。這種可靠性監控方案得到了波音公司的認可。

4 項目情況

根據合作協議，A航在ISDP（In Service Data Program，即在翼數據項目）的基礎上，向波音公司提供了A航波音737NG機隊近十年約200萬條的補充維修數據。波音OMP團隊歷時一年完成數據的采集整理。在確認A航提供的數據滿足格式要求后，波音公司和A航共同確定分析范圍，最終確認分析范圍為A航波音737NG飛機維修方案中的898條定期維修項目。

之后，波音OMP團隊對分析范圍內的維修項目進行逐一分析和評估，A航工程師團隊全程參與，其過程分為四個階段。

第一階段：確定分析類別。判斷維修項目是否為故障發現類項目，故障發現類項目需進行SASMO統計分析和工程評估，非故障發現類項目可直接進行工程分析。

第二階段：數據整理。通過關鍵字、部件件號、ATA的模糊搜索，從海量的數據庫中搜索出可能與分析項目關聯的維修數據。工程師對系統搜索出的維修數據進行逐一人工識別，判斷是否與待分析項目關聯，對于關聯項目進一步判斷是屬于重大故障還是輕微故障。

第三階段：統計分析。完成數據整理后，SASMO系統可以輸出分析項目的重大故障和輕微故障的概率曲線，同時根據預設的允許故障率，輸出最優的間隔推薦。

第四階段：工程評估。波音OMP團隊對SASMO給出的推薦間隔進行工程評估。從安全性和經濟性的角度進行人工分析，確保間隔滿足局方規章限制和設計初衷，對運營的影響處于航空公司可接受的范圍，同時還要考慮生產打包的需要，最終確定推薦的維修間隔。

通過分析和評估，在898條定期維修項目中，波音OMP團隊建議延長維修間隔的有440條；建議縮短維修間隔的有14條；建議保持維修間隔不變的有441條；建議刪除的維修項目有3條。其中，建議刪除的維修項目均是A航的自編項目。如圖6所示。

5 審查和監管

A航是國內首家開展維修方案優化的運輸航空公司，對局方的審查和監管來說是全新的挑戰，無先例可循。最大的難點是規章沒有詳細的審核依據，所以只能“摸石頭過河”。在項目啟動之初，局方就全面介入，全程參與項目的推進過程，與A航和波音公司多次召開三方協調會議，討論項目的準備、組織、審查、監管等方面的工作。在民航局和華東地區管理局的指導下，廈門監管局借鑒了FAA和EASA的審查經驗，歸納了五個審核要點。

第一、審核分析方法，即審核分析方法的合法性，確認分析方法符合MSG-3、IP44以及咨詢通告AC-121/135-53R1的要求。

第二、審核分析范圍，即審核分析范圍的合理性，確認分析范圍沒有超出規章的限制，重點是確保AD、CAD、CMR、AWL項目不在分析范圍之內。

第三、審核分析數據，即審核分析數據的完整性，確認分析的數據能夠滿足IP44的規范要求。

第四、審核監控措施，即審核確認航空公司OMP實施后的可靠性監控方案，確保維修方案調整的安全性和有效性。

第五、審核分析報告，即審核分析報告中的間隔調整情況，重點關注間隔延長項目的分析是否合理。

經過此次審查工作，局方審查組認為SASMO系統是ISC會議認可的用于維修間隔調整的工具，其內核是統計分析方法，符合咨詢通告AC-121/135- 53R1的要求；本次OMP項目的分析范圍和分析數據符合相關法規的要求。通過對A航可靠性監控方案的驗證，結合波音公司的書面聲明，局方審查組基本認可A航的監控措施。經過對分析報告中維修間隔延長項目的逐條審核，局方審查組發現其中5條維修項目的推薦間隔與SASMO系統分析結果不匹配。對此，波音OMP工程師逐條進行了解釋，總體而言，不匹配是綜合工程評估的結果，評估依據包括細微缺陷無法正確反映運行風險、運行小時循環比的客戶化差異、結構檢查與區域檢查的時機選擇等方面。局方審查組經過評估，決定對其中1條維修項目的間隔延長不予采納，最終批準延長間隔的維修項目439條，縮短間隔的維修項目14條，保持間隔不變的維修項目442條，刪除公司自編維修項目3條。

6 未來及挑戰

波音公司作為飛機制造廠商，按照IP44原則開發的SASMO系統具備行業領先的水平，并且得到世界多個適航當局的認可。通過與波音合作開展OMP項目，從中汲取了很多先進理念，也讓A航的工程管理、可靠性管理乃至生產安排能力上升到新的水平，為建立中國民航自己的維修方案優化方法開拓了思路。

第一，研究并完善了統計分析方法，主要包括兩個方面：數據采集和統計分析。數據采集方面，可以采用關鍵字及邏輯組合的方法，對維修數據進行深度挖掘，并通過工程師人工校核，確定數據與維修項目的相關性。統計分析方面，可以與高校或其他理論研究機構開展合作，建立數學模型，開發統計分析軟件對數據進行處理，并通過可視化的方式展示分析結果。

第二，建立并完善知識庫系統（見圖7），主要途徑包括：通過參加OEM工作組、工業指導委員會等機構組織的會議，獲取MSG-3分析報告等原廠資料，從而了解失效影響類別、任務目的、輕微故障/重大故障定義等內容；通過原廠機型培訓，深入了解系統工作原理；收集、整理相關適航性資料以及局方規章，與維修項目建立關聯。

第三，改進可靠性監控系統，實現故障與維修項目直接關聯。與飛機制造廠商相比，目前國內航空公司的可靠性監控系統大部分無法實現故障與維修項目或工卡直接關聯，在進行可靠性分析時只能依靠工程師進行人工評估，需要可靠性工程師具備較高的業務技能和經驗積累。對國內航空公司來說，可以逐步改進、升級可靠性監控系統，實現故障與維修項目直接關聯，提高機隊狀態監控的準確度。

第四，抽樣試驗，積累經驗。在自建優化方法未成熟階段，可根據需要抽樣選取個別項目，使用自建優化方法進行統計分析和工程評估，優化維修間隔，并監控實施效果。通過抽樣試驗，可以積累經驗，不斷改進和完善優化方法。

7 結束語

對局方來說，維修方案優化是監管創新方面的積極探索，有助于制定維修方案優化的指導政策，助力推動國內航空公司提升維修方案管理能力。

對航空公司來說，維修方案優化是維修創新方面的有益嘗試，既能降本增效，也是提升工程管理能力的良好契機。A航OMP項目正式獲批后，其波音737NG機型的A檢間隔從750FH延長至1000FH，C檢間隔從7500FH延長至10000FH，將有效降低維修成本，提高運行效率。此外，航空公司通過參與數據的收集、整理、分析以及工程評估，極大地提高了自身工程團隊的技術能力。同時，航空公司可借鑒OEM廠家的統計分析模型，開發屬于自己的統計分析方法，提升機隊可靠性管理能力。

對我國民航行業特別是對大飛機制造來說，維修方案優化的重要性尤為明顯。一方面，IP44作為MSG-3的補充，已經成為IMRBPB對全球民航飛機制造廠商的硬性要求，國產大飛機事業要想真正起飛，進入國際市場，就必須具備符合IP44要求的統計分析方法。另一方面，維修方案的優劣也是市場競爭下航空公司考量的重要因素，維修方案優化將有助于國產大飛機制造廠商不斷改進飛機維修方案，科學制定維修間隔，提高市場競爭力。目前，國產大飛機事業剛剛起步，維修方案制定和優化的經驗都比較欠缺。大飛機制造廠家如果能借鑒國外飛機制造商的成熟經驗，通過參與航空公司現有機隊的維修方案優化項目，開展維修方案優化方法的研究，對國產大飛機事業的長遠發展大有裨益。