基于CBM的通用特種車輛維修保障系統(tǒng)設(shè)計?

樊輝錦 歐陽中輝 陳青華 胡道暢 許志鵬

（1.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺 264001）（2.92769部隊 青島 266000）

1 引言

軍用特種車輛是指為了裝設(shè)武器技術(shù)裝備和后勤保障裝備，以及運載人員和軍用物資需要，采用軍用汽車改裝或?qū)ｉT設(shè)計的專用汽車列車的總稱［1］。特種車輛裝備技術(shù)密集，集機械、光學(xué)、電磁學(xué)技術(shù)于一體，維修工藝復(fù)雜［2］，但受研制時技術(shù)水平所限，信息化程度不高、測試性、維修性、保障性設(shè)計不足，面臨著保障模式不科學(xué)、載車技術(shù)狀態(tài)把控難度大、維修保障效率低等一系列問題，很大程度上影響整個武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

近年來，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障預(yù)測技術(shù)在各領(lǐng)域快速發(fā)展，基于狀態(tài)的維修（Condition-Based Maintenance，CBM）作為一種新的維修方式得到廣泛關(guān)注，并在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用［3～6］。與傳統(tǒng)的維修保障模式相比，CBM具有維修時機精確、延長使用壽命、減少維修次數(shù)、降低維修成本、提高系統(tǒng)安全性、可靠性等優(yōu)點。CBM在航空機務(wù)、車輛保障、電力電子等領(lǐng)域已形成成熟解決方案并有眾多實踐案例，其可用性和優(yōu)越性得到很好的證明。

因此，本文以軍用特種車輛為研究對象，將CBM技術(shù)與現(xiàn)有維修保障體系相結(jié)合，分析特種車輛維修保障管理業(yè)務(wù)需求，探索構(gòu)建特種車輛維修保障系統(tǒng)CBM體系結(jié)構(gòu)及框架，優(yōu)化維修保障模式，為維修管理工作的科學(xué)決策提供參考依據(jù)。

2 CBM概述

CBM利用傳感器或者加裝式檢測設(shè)備監(jiān)測裝備或設(shè)備的各類狀態(tài)，將狀態(tài)信息收集、分類、存儲并處理加工，而后根據(jù)狀態(tài)信息的變化利用各類算法實時評估裝備或設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，預(yù)測裝備或設(shè)備故障發(fā)生時機，結(jié)合維修決策需求給出科學(xué)合理的維修建議［7］。

裝備和設(shè)備的大部分故障發(fā)生是漸變的過程并具有一定規(guī)律，變化過程可繪制P-F曲線來表征狀態(tài)規(guī)律［8］，如圖1所示。依據(jù)P-F曲線，其中O點是裝備和設(shè)備狀態(tài)劣化的實際起點，稱為故障萌發(fā)點；P點開始存在異常的狀態(tài)，稱為潛在故障點（po?tential failure），這一點可通過相應(yīng)技術(shù)手段準(zhǔn)確地檢測到并預(yù)警；F點為裝備或設(shè)備最終失效的時間點，稱為功能故障點（functional failure）。從P點到F點之間的時間長度稱為P-F間隔［9］。

圖1 P-F間隔曲線

分析可知，為了降低裝備或設(shè)備停機率、預(yù)防功能性故障的發(fā)生，維修的時機應(yīng)該在曲線的F點以前，另外，為了能夠充分利用裝備及其部件的有效壽命，維修時機應(yīng)該在P點之后，因此應(yīng)該在P點和F點之間尋找一個合適的點進(jìn)行維修。

3 特種車輛維修保障管理系統(tǒng)分析

根據(jù)CBM的基本思想，需要從特種車輛的維修保障所需功能和業(yè)務(wù)流程兩面，對管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而確定保障管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

3.1 維修保障CBM的功能需求分析

特種車輛維修保障管理系統(tǒng)對特種車輛進(jìn)行在線或離線的狀態(tài)監(jiān)控、信息采集，從而對車輛整體健康狀態(tài)進(jìn)行實時評估，并判斷車輛的故障機理、預(yù)測最佳狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)特種車輛的維修保障需求和健康狀態(tài)，在適當(dāng)?shù)臅r機實施維修保養(yǎng)，降低車輛的平均故障時間。因此，須從以下四個方面的主要功能進(jìn)行需求分析來實施特種車輛CBM。

1）狀態(tài)信息采集功能。車輛狀態(tài)信息是多層次、多方面和動態(tài)的，特別是特種車輛，具備各自特有的技戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)參數(shù)，既需要實時的狀態(tài)信息，也需要定期進(jìn)行檢查得到的檢測信息，如圖2。通過完備的檢測方法手段，實現(xiàn)車輛狀態(tài)信息采集功能，為實施CBM提供可靠的數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)和前提條件。

圖2 信息采集功能模塊描述

2）故障診斷及狀態(tài)評估功能。特種車輛的劣化趨勢需要及時、準(zhǔn)確地診斷，才能進(jìn)行有效的基于狀態(tài)的維修。特種車輛故障診斷采用多種分析方法（如函數(shù)診斷法、FTA法、模糊診斷法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷法等［10］）將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，查出故障點或劣化點。利用狀態(tài)信息采集得到車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以定期或不定期地對車輛狀態(tài)做出評估，分析車輛的性能衰退趨勢，當(dāng)車輛出現(xiàn)劣化征兆時及時報警。

3）關(guān)重件剩余壽命預(yù)測功能。特種車輛維修保障相關(guān)業(yè)務(wù)人員在車輛狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，借助各種預(yù)測方法（例如，灰色預(yù)測、機器學(xué)習(xí)、多元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）來預(yù)測關(guān)重件的剩余壽命，在嚴(yán)重停機故障發(fā)生之前及時實施維修。利用有效的預(yù)測功能制訂和實施維修計劃，降低平均故障時間。

4）維修優(yōu)化與決策功能。主要是對維修方式、維修類型、維修時機等進(jìn)行決策。例如，根據(jù)特種車輛的狀態(tài)和使用情況確定其維修類型（大修、中修、小修）、維修范圍（總體、部件）、維修時機（何時進(jìn)行維修）［11］，并可以對維修方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 特種車輛CBM的功能需求圖

3.2 特種車輛維修保障業(yè)務(wù)流程分析

概括地說，特種車輛維修保障主要包括以下幾種方式：預(yù)防性維修、修復(fù)性維修、定期維修和基于狀態(tài)的維修［12］。如圖4，我們對實際的維修保障管理業(yè)務(wù)調(diào)研后，可以形成特種車輛維修保障管理的流程［13］。

圖4 特種車輛維修保障方式流程圖

根據(jù)功能需求分析和業(yè)務(wù)流程分析，確定主要采集信息標(biāo)準(zhǔn)，有效地進(jìn)行維修保障業(yè)務(wù)的管理，并選擇合理的策略來降低使用費用和維修費用，實現(xiàn)對特種車輛全壽命周期的使用數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)的有效管理。

4 特種車輛維修保障系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 特種車輛維修保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究和總結(jié)特種車輛維修保障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和框架，從一般化的CBM體系以及相關(guān)思路入手，結(jié)合特種車輛的特點，維修保障管理體系結(jié)構(gòu)可采用四層結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)采集層、狀態(tài)監(jiān)測層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用層。

1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集層主要依托車載采集終端，利用原有的總線協(xié)議或者新增的CAN總線，加裝傳感器對特種車輛上的底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和采集。通過車載采集終端將溫濕度、車速、加速度等不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和儲存。

2）狀態(tài)監(jiān)測層。狀態(tài)監(jiān)測層主要借助采集終端的分析處理能力，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心之前，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并分析，實時顯示車輛狀態(tài)，提醒維修保養(yǎng)時機。根據(jù)管理系統(tǒng)預(yù)存的故障碼信息，進(jìn)行簡單的故障診斷與分析。

3）數(shù)據(jù)傳輸層。數(shù)據(jù)采集層可采用無線傳輸設(shè)備和有線傳輸設(shè)備兩種傳輸方式。由于軍用特種車輛的特殊性，無線傳輸設(shè)備主要采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，傳輸速率有限，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報文通信形式將關(guān)鍵特征的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，在未來北斗三代的短報文數(shù)據(jù)量將有很大提升。有線傳輸設(shè)備主要通過光纖、電纜或者以太網(wǎng)等有限傳輸介質(zhì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

4）數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用層。數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用層主要將數(shù)據(jù)中心的各類車輛數(shù)據(jù)深入加工處理并提供應(yīng)用。按照數(shù)據(jù)種類和時間進(jìn)行排列并儲存，結(jié)合被監(jiān)測車輛的狀態(tài)，進(jìn)行關(guān)重件剩余壽命預(yù)測評估。根據(jù)各類預(yù)測評估結(jié)果，為各類保障人員提供可視化參考，并生成圖文報表，為科學(xué)制定維修保障計劃提供真實有效的依據(jù)。

因此，最終確定特種車輛維修保障系統(tǒng)CBM體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 特種車輛維修保障系統(tǒng)CBM體系結(jié)構(gòu)框架圖

4.2 特種車輛維修保障系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

由上述特種車輛維修保障系統(tǒng)CBM總體結(jié)構(gòu)和框架，結(jié)合各類特種車輛特點，可將系統(tǒng)設(shè)計成如下六個子系統(tǒng)。其中，4.2.1、4.2.2、4.2.3這三個模塊是后續(xù)工作的研究重點。

4.2.1 車輛基本狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)

車輛基本狀態(tài)信息采集子系統(tǒng)主要實時監(jiān)測車橋溫升、輪轂溫升、轉(zhuǎn)向油箱溫升和制動總缸出口壓力，實現(xiàn)對底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的安全監(jiān)測。同時監(jiān)測供配電系統(tǒng)，主要通過柴油機組配置的多功能自動發(fā)電機組控制器采集柴油發(fā)電機組的油位信息、機油壓力信息、轉(zhuǎn)速信息、機組輸出電壓電流信息等［14］。

針對導(dǎo)彈發(fā)射車，對發(fā)射筒內(nèi)溫度、濕度、壓力信號進(jìn)行采集；對發(fā)射車液壓系統(tǒng)的油溫、油壓及測量發(fā)射車俯仰角、橫傾角信號進(jìn)行采集的功能；并通過車控設(shè)備將采集信息傳送到數(shù)據(jù)中心。

4.2.2 電子設(shè)備健康信息采集子系統(tǒng)

電子設(shè)備健康信息采集子系統(tǒng)主要對安裝在特種車輛內(nèi)的主要設(shè)備健康狀態(tài)信息進(jìn)行采集，主要包括對武器控制臺和信息處理臺等設(shè)備通過預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行信息采集［15］，并增加硬件測試模塊，用于對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查監(jiān)測，并將結(jié)果信息通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送。

4.2.3 狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)對車輛基本狀態(tài)信息、武器控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電子設(shè)備、供配電設(shè)備等的采集結(jié)果信息進(jìn)行監(jiān)測、存儲，并根據(jù)各參數(shù)閾值及時預(yù)警，幫助作戰(zhàn)人員和保障人員實時掌握車輛狀態(tài)。

4.2.4 信息傳輸子系統(tǒng)

信息傳輸子系統(tǒng)通過有線（駐地接入網(wǎng)）或無線方式（北斗通信）將特種車輛信息及數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。其中，在駐地模式使用時可采用有線通信方式；在野戰(zhàn)模式使用時，可采用無線通信方式。其中北斗用戶機可通過北斗通信功能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。

4.2.5 故障診斷子系統(tǒng)

故障診斷子系統(tǒng)根據(jù)故障維修記錄編制智能專家診斷實例或故障樹，指導(dǎo)保障人員進(jìn)行維護(hù)維修。

4.2.6 故障預(yù)測與維修輔助決策子系統(tǒng)

故障預(yù)測與維修輔助決策子系統(tǒng)主要通過各類智能預(yù)測算法建立預(yù)測模型，利用數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確預(yù)測出故障，并提供科學(xué)合理的維修決策。

5 結(jié)語

本文將CMB技術(shù)與特種車輛維修保障管理相結(jié)合，提出了由數(shù)據(jù)采集層、狀態(tài)監(jiān)測層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用層四層組成的特種車輛維修保障管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化維修保障模式，為維修管理工作的科學(xué)決策提供的參考依據(jù)。