基于RFID 技術的機載設備維護管理系統(tǒng)

朱志勝，丁淑君，許松林

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引 言

一架民用運輸飛機包括上百個機載設備，這些機載設備必須在飛機全生命周期內持續(xù)維護，使其保持適航狀態(tài)。飛機及機載設備的維護包括“定期維護”和“視情維護”兩種。前者屬于傳統(tǒng)的維護方式，也是目前航空公司主流的維護方式，體現(xiàn)了以預防事故為中心的維護思想。由于大部分故障在發(fā)生前都有一個發(fā)展過程，“視情維護”的理念是基于實時監(jiān)控設備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)來預測故障的發(fā)生，即“健康管理系統(tǒng)”。在傳統(tǒng)的定期維護方面，航空公司主要通過“機載設備履歷本”來記錄和管理機載設備日常使用、維護等信息。在飛機健康管理方面，已從早期簡單的自檢測設備（BITE）演變?yōu)閷崟r監(jiān)測飛機健康狀態(tài)信息并下傳到地面。飛機制造商波音公司和空客公司在某些機型上分別建立了飛機健康管理（Air?craft Health Management，簡稱AHM）系統(tǒng)和飛機維 修 分 析（Aircraft Maintenance Analysis，簡 稱AIRMAN）系統(tǒng)，實時收集飛機的狀態(tài)信息。飛機運營商中國南方航空公司開發(fā)了自己的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，中國國際航空公司（簡稱國航）在AHM、AIRMAN 系統(tǒng)基礎上做二次開發(fā)對國航運行的飛機設備故障進行實時監(jiān)控。可見機載設備維護策略正由基于時間的“定期維護”逐步向基于狀態(tài)監(jiān)控的“視情維護”發(fā)展。目前飛機機載設備維護管理實踐中以“定期維護”為主，“視情維護”為輔，但兩者又各有不足。在“定期維護”中雖已實現(xiàn)“機載設備履歷表”的電子化和信息化，但仍然以人工錄入和維護數(shù)據(jù)為主，無法高效準確地監(jiān)控和維護設備的狀態(tài)，包括設備的健康管理、維修維護記錄、物理定位與追蹤等。在視情維護理念下的“健康管理系統(tǒng)”中目前僅針對部分重要機載設備做實時狀態(tài)監(jiān)控，即便如此還面臨機載設備供應商所提供的設備軟件即數(shù)據(jù)通信格式不一致以及空地數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膸捪拗频葐栴}。此外，民用飛機機載設備的維護管理不僅限于設備維修維護這一環(huán)節(jié)，還涉及機載設備的采供、裝配、財務、出入庫管理等環(huán)節(jié)。RFID 技術作為一個較為成熟的物聯(lián)網技術，有可能將上述業(yè)務環(huán)節(jié)綜合起來，提高工作效率。在國內民用飛機制造領域，目前僅在飛機裝配環(huán)節(jié)有基于RFID 的數(shù)字化裝配管理系統(tǒng)的研究。

在國外，空客公司、波音公司以及其他航空公司已嘗試在民航領域應用RFID 技術。波音公司最早在飛機工具管理中使用RFID 技術，并配備了所有包含歷史以及運輸、航線和海關信息的RFID 微芯片的工具和工具箱；而空客公司則是對其地面設備和工具進行RFID 標記；之后波音公司與日本航空、美國阿拉斯加航空等合作開展關于RFID 技術的研究。空客A350、A380 飛機已逐步采用RFID 技術管理機載設備。在國內民航運輸和維修領域，中國東方航空公司與中國南方航空公司等運營商在航空管理、庫房管理等方面均開展了RFID 技術的應用研究。國內部分飛機維修機構在飛機某個機載設備維護上采用RFID 技術進行了應用嘗試，但是還未有采用RFID 技術對機載設備進行全生命周期的維護管理用于應用研究的案例。

本文提出一種民用飛機機載設備在全生命周期中維護與管理系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)根據(jù)機載設備全生命周期維護管理的業(yè)務流程，以客艙應急設備檢修工作為例對系統(tǒng)進行驗證，對本系統(tǒng)推廣應用挑戰(zhàn)較大的三個因素進行分析。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構

本文所述的系統(tǒng)（如圖1 所示）包括一個基于云數(shù)據(jù)庫的服務平臺（以下簡稱“數(shù)據(jù)庫平臺”）【100】；一個手持終端設備【200】，作為RFID 讀寫器，與波音公司發(fā)明的“用于在飛機上實時RFID定位的方法和系統(tǒng)”不同，波音公司發(fā)明的系統(tǒng)為固定位置RFID 讀寫器，而本文所述系統(tǒng)為便攜式移動讀寫器；一組安裝于機載設備上的RFID 標簽【300】。手持終端設備【200】具備蜂窩網絡通信功能、RFID 射頻發(fā)射與接收功能。數(shù)據(jù)庫平臺【100】與手持終端設備【200】之間通過無線網絡傳輸數(shù)據(jù)，無線網絡包括但不限于5G、WiFi 等，具體取決于應用環(huán)境。用戶通過手持終端設備【200】可以及時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫平臺【100】，反之也可以通過手持終端設備【200】隨時從數(shù)據(jù)庫平臺【100】獲取數(shù)據(jù)。RFID 標簽【300】采用無源高頻標簽，它與手持終端設備【200】的無線適配距離達10～15 m。

圖1 系統(tǒng)架構Fig.1 System configuration

1.2 數(shù)據(jù)庫平臺

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫平臺關聯(lián)了企業(yè)的一般業(yè)務數(shù)據(jù)庫，如圖2 所示，包括財務與采供系統(tǒng)【102】、機載設備健康管理系統(tǒng)【103】、工單管理系統(tǒng)【104】、物料申領系統(tǒng)【105】等。

圖2 數(shù)據(jù)庫平臺Fig.2 Database configuration

財務與采供系統(tǒng)【102】是企業(yè)既有的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，機載設備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設備的采購信息，如名稱、件號、序列號數(shù)量、單價、適航批單等數(shù)據(jù)，并反饋工時統(tǒng)計信息、設備/耗材使用信息等數(shù)據(jù)至財務與采購系統(tǒng)【102】。健康管理系統(tǒng)【103】是企業(yè)既有的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，機載設備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設備的定檢計劃、維護記錄、維修記錄、故障報告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)等，并反饋相關的維修維護信息等數(shù)據(jù)至健康管理系統(tǒng)【103】；工單管理系統(tǒng)【104】是企業(yè)既有的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，機載設備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設備的工單派發(fā)計劃，并反饋工單作業(yè)報告等數(shù)據(jù)至工單管理系統(tǒng)【104】。物料申領系統(tǒng)【105】是企業(yè)既有的業(yè)務數(shù)據(jù)庫，機載設備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設備的庫存信息、出入庫信息等數(shù)據(jù)，并將設備的及時物理位置信息等數(shù)據(jù)反饋給物料申領系統(tǒng)【105】。

1.3 機載設備維護管理系統(tǒng)

機載設備維護管理系統(tǒng)包括用戶管理、功能管理、飛機管理、機載設備管理等功能模塊。其中用戶管理模塊主要是用于授權用戶維護和管理該系統(tǒng)；工單管理模塊用于向終端派發(fā)電子工單以及接收和管理從終端接收到的工單流程、工時信息、工單作業(yè)報告等；飛機管理模塊用于定義和管理現(xiàn)有飛機的基本信息，包括飛機型號、飛機注冊號、制造序列號、飛機機載零部件清冊信息、飛機機載設備安裝位置信息等；機載設備管理模塊用于定義和管理機載設備的基本信息，包括設備名稱、件號、序列號數(shù)量、單價、適航批單、定檢計劃、維護記錄、維修記錄、故障報告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)、設備申領記錄、設備實時位置管理等信息。各系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示。

圖3 機載設備維護管理系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Function modules of equipment maintenance and management system

1.4 手持終端

手持終端設備包括用戶管理、工單管理、RFID射頻信號收發(fā)、蜂窩網絡信號收發(fā)等功能模塊，如圖4 所示。其中用戶管理模塊主要是用于登陸用戶的審核及授權；工單管理模塊用于接收、處理工單任務，上傳工單報告等；RFID 射頻信號收發(fā)功能模塊用于手持終端和RFID 標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸；蜂窩網絡信號收發(fā)功能模塊用于和機載設備全生命周期管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 手持終端設備功能模塊Fig.4 Function modules of handheld terminal equipment

2 應用實踐

2.1 業(yè)務流程

從飛機制造商或飛機運營、維修商角度而言，所采購（或自制）的機載設備先后經歷的主要業(yè)務流程如圖5 所示，包括檢驗出廠、檢驗入庫、領用出庫、裝機、定期維護、拆卸、故障入庫、送修出庫、定點維修，再返回檢驗出廠的閉環(huán)流程。一般來說，在每個業(yè)務流程環(huán)節(jié)均通過相應的表單來記錄和控制機載設備的實時狀態(tài)。

圖5 機載設備生命周期作業(yè)流程Fig.5 Entire life cycle process of airborne equipment

系統(tǒng)利用RFID 技術，通過讀/寫每個業(yè)務環(huán)節(jié)的表單數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對機載設備全生命周期的監(jiān)控和管理。具體可描述為通過RFID 技術，在每個業(yè)務環(huán)節(jié)掃描機載設備上的RFID 標簽以寫入或讀出相應的狀態(tài)表單。

2.2 客艙應急設備檢修工作實例

客艙應急設備包括便攜式滅火瓶、救生衣/筏，這些設備需要在航線上定期維護。航空公司機務在手持終端登錄，通過身份驗證后，可獲得當前該用戶待處理的工單任務列表，如圖6 所示。

圖6 手持終端待辦任務頁Fig.6 Task page in waiting of handheld terminal

點擊圖6 中第一項，執(zhí)行“航線維護”工單，機務手持具備RFID 閱讀器功能的終端設備，在客艙過道行走時，貼有RFID 標簽的設備會自動向RFID 閱讀器發(fā)出信號，傳輸信息。相關RFID 位置感知技術領域的研究表明，RFID 終端設備能夠準確感應到貼有RFID 標簽的設備的具體位置，精度可達到“最后一米”，該精度已滿足本應用場景的精度要求。執(zhí)行維護工單如圖7 所示，紅色圓點表示設備缺失，終端設備未在固定位置識別到相應的設備，需機務進行人工確認；綠色方塊表示正常，終端設備被識別，且當前仍在正常使用期限內；黃色菱形表示即將到期，根據(jù)設備反饋信號，該位置設備即將超出使用期限，需要做進一步維護處理。全部檢查完成后，點擊“生成工單報告”按鍵，獲得工單報告，進入頁面如圖8 所示。機務可在工單報告中輸入檢查結果，并報告有無異常等。此外，機務還可以針對圖7 中的單個設備查詢追溯其維護歷史記錄，如圖9 所示。

圖7 執(zhí)行維護工單Fig.7 Execute work order of maintenance

圖8 工單報告頁Fig.8 Report page of work order

圖9 手持終端產品歷史追溯頁面Fig.9 History searching page of handheld terminal

2.3 手持終端操作流程

本系統(tǒng)根據(jù)航空公司機務工作實踐開發(fā)，利用RFID 技術將機載設備連入網絡，開發(fā)電子工單管理系統(tǒng)，實現(xiàn)工單的派發(fā)、執(zhí)行、工單報告編制以及機載設備維修維護追溯的全過程管理。

手持終端操作系統(tǒng)操作過程如圖10 所示，第一步，登錄系統(tǒng)；第二步，瀏覽所有待辦任務；第三步，選擇并執(zhí)行工單；第四步，編制與生成工單報告。考慮到業(yè)務實踐的需求，該電子工單系統(tǒng)還具備查閱產品歷史維護記錄的功能。

圖10 手持終端操作流程Fig.10 Operation process of handheld terminal

3 典型應用場景與局限性分析

3.1 客艙時壽件維護

客艙時壽件主要指救生衣、救生筏、滅火瓶、氧氣瓶等安裝在客艙內，同時需要在航線上進行定期維護的機載設備。目前此類工作主要是由機務通過目視檢查的方式進行，這種檢查方式存在諸多由人為因素導致的潛在風險，如忘記檢查點、忽略檢查點、對檢查項目的評判標準掌握程度不一致等，且這種檢查方式效率低。波音公司B777飛機氧氣瓶維護的項目，使用RFID 技術后，檢查時間只需要8.5 min 即可完成。而借助本系統(tǒng)，機務通過手持RFID 終端設備在客艙過道走一圈即可完成客艙所有時壽件的檢查，并在線編制和提交工單報告。

3.2 飛機重要LRU 件維護

LRU（Line Replaceable Unit）是指航線可更換設備，對于飛機上重要的LRU 件要在航前或航后做例行檢查。例如通過RFID 技術對起落架進行健康監(jiān)控，以幫助降低運營和維護成本。本系統(tǒng)能夠在此類檢查中發(fā)揮作用，提高效率。

3.3 推廣應用面臨的挑戰(zhàn)

RFID 技術在上述場景中的應用仍然有局限性，主要表現(xiàn)在以下4 個方面。

（1）標簽的安裝

將RFID 標簽安裝在機載設備上通常有三種方式，分別為粘接、鉚接或螺接、綁扎。可以根據(jù)不同的設備類型，恰當?shù)剡x用這三種方式。但是在目前，RFID 標簽主要由OEM（飛機制造商）實施安裝，在實踐中會遇到大量的機載設備，由于設備外形、機載設備位置等因素，導致這三種方式均無法牢固地將RFID 標簽安裝在設備上。因此建議由上游機載設備生產商在設備設計和生成時就將RFID 標簽一并安裝好，但是需要由OEM 大力推動并獲得上游機載設備生產商的支持。

（2）適航問題

在民航應用領域需要獲得適航當局批準的應用一般有：備件管理、飛機部件管理、航空貨運、維修維護等。而局方的適航符合性審查將耗費大量的時間，這對申請方（OEM 或航空公司）來說意味著增加了成本，因此應用推廣難度很大。

（3）標簽成本

近些年RFID 標簽越來越輕薄，價格也越來越低，已經從21 世紀初的1 美元左右降到0.1 美元左右，但是與傳統(tǒng)的條碼標簽相比，RFID 標簽仍然沒有成本優(yōu)勢。

（4）標準規(guī)范

RFID 技術在航空領域主要的通用標準是ATA Spec2000《物料管理電子商務規(guī)范》，適用于航程和可靠性數(shù)據(jù)交互協(xié)議；SAE AS5678《航空器用要求的無源無線頻率識別（RFID）標簽》，闡述了標簽的耐溫、耐壓、抗沖擊和腐蝕等性能要求；我國的相關標準為MN/T 1025—2009《民用航空行李運輸無線RFID 規(guī)范》，適用于民用航空運輸企業(yè)的行李運輸服務。整體來說，RFID 技術在航空制造業(yè)和維修維護領域的標準規(guī)范雖有一定的基礎，但尚不完善，不利于RFID技術在此領域的推廣使用。

4 結 論

（1）本文提出了一種基于RFID 技術的機載設備維護管理系統(tǒng)。通過利用RFID 技術，對機載設備進行維護狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與檢索，實現(xiàn)機載設備在制造、運營、維護等各個操作業(yè)務環(huán)節(jié)過程的監(jiān)控和管理，極大提高了機載設備全壽命周期的自動化、信息化管理效率，可以在機載設備制造、運營及維護等領域得到廣泛應用。

（2）RFID 技術在其他行業(yè)應用廣泛，這些行業(yè)往往比民用航空業(yè)更能作為早期應用方對該技術做出響應。在民用航空領域，越來越多的航空公司、機場和飛機制造商將這項技術作為未來的關鍵戰(zhàn)略優(yōu)勢。