陳卓敏

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于CBM的維修決策模型設(shè)計(jì)

陳卓敏

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

[摘要]闡述了一種基于CBM的維修決策模型的設(shè)計(jì)思路，研究了基于CBM技術(shù)的維修決策方法，尋求解決飛機(jī)維修任務(wù)時(shí)機(jī)、滿(mǎn)足飛行任務(wù)需求之間的最佳方案，力圖實(shí)現(xiàn)飛機(jī)保障效率最高、資源浪費(fèi)最少、維修計(jì)劃最合理。

[關(guān)鍵詞]CBM；維修決策；模型

狀態(tài)維修（CBM）也稱(chēng)作計(jì)劃性預(yù)測(cè)維修，是基于實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)評(píng)估設(shè)備狀態(tài)的一系列維修活動(dòng)。隨著狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)和故障預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，基于狀態(tài)的維修（CBM）已成為一種新的維修方式，在國(guó)外的民航飛機(jī)和軍用飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)新一代飛機(jī)普遍裝備了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)的維修。與傳統(tǒng)的定時(shí)維修相比，CBM具有維修時(shí)機(jī)精確、能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也帶來(lái)了維修活動(dòng)的計(jì)劃性差等問(wèn)題，給制定維修、保障計(jì)劃帶來(lái)困難。維修活動(dòng)的無(wú)計(jì)劃性將直接影響維修效率，降低機(jī)群完好率和任務(wù)成功率。因此，研究基于CBM的維修決策方法具有重大意義和緊迫性。

1 CBM介紹

1.1 CBM的理論依據(jù)

CBM用狀態(tài)評(píng)估檢查潛在故障，以此采取措施預(yù)防功能性故障，或者是避免功能性故障的后果。CBM的理論依據(jù)是P-F曲線(xiàn)。P-F曲線(xiàn)描繪了設(shè)備狀態(tài)劣化的過(guò)程[1]，如圖1所示。

圖1 P-F曲線(xiàn)

圖中A點(diǎn)為故障開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)，P點(diǎn)為能夠檢測(cè)到的潛在故障點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為功能故障點(diǎn)，T為由潛在故障發(fā)展到功能故障的時(shí)間歷程，稱(chēng)為P-F間隔。為了預(yù)防功能故障的發(fā)生，維修的時(shí)機(jī)應(yīng)該在F點(diǎn)以前，而為了能夠盡可能地利用設(shè)備或機(jī)件的有效壽命，維修時(shí)機(jī)應(yīng)該在P點(diǎn)之后。這就是說(shuō)應(yīng)該在P點(diǎn)和F點(diǎn)之間尋找一個(gè)合適的點(diǎn)進(jìn)行維修，這就是CBM的基本思想。

1.2 CBM對(duì)維修決策的影響

采用CBM技術(shù)后原先視情和狀態(tài)監(jiān)控導(dǎo)致的維修任務(wù)不可預(yù)見(jiàn)性會(huì)因預(yù)測(cè)維修提供的剩余可使用壽命而大大減少，維修任務(wù)的可預(yù)見(jiàn)給維修資源的配置優(yōu)化、任務(wù)和維修計(jì)劃的合理安排提供了權(quán)衡和優(yōu)化的空間。同時(shí)維修任務(wù)和計(jì)劃的動(dòng)態(tài)性給維修決策和管理提出了更高要求，原先是基于飛行任務(wù)以定檢計(jì)劃為主的維修管理模式，現(xiàn)在需要任務(wù)計(jì)劃、維修計(jì)劃、資源調(diào)配統(tǒng)籌安排，協(xié)同管理，因此需要配套相應(yīng)的工作程序和管理技術(shù)手段。

2 基于CBM的維修決策的業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

維修決策由任務(wù)管理模塊、狀態(tài)維修預(yù)測(cè)模塊、維修決策模塊組成，如圖2所示。

● 任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊主要負(fù)責(zé)管理任務(wù)的產(chǎn)生、執(zhí)行和結(jié)束，以及動(dòng)態(tài)標(biāo)注任務(wù)自身狀態(tài)，并觸發(fā)維修決策活動(dòng)。

● 狀態(tài)維修預(yù)測(cè)模塊

狀態(tài)維修工作預(yù)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)：

☆ 從機(jī)載健康管理系統(tǒng)下載飛行數(shù)據(jù)和飛行過(guò)程中發(fā)生的故障信息。

圖2 維修決策總體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)圖

☆ 對(duì)當(dāng)次飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，生成故障報(bào)告。

☆ 結(jié)合歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)趨勢(shì)分析，預(yù)測(cè)潛在故障。

☆ 對(duì)故障進(jìn)行故障隔離后生成修復(fù)性維修任務(wù)，并評(píng)估維修所需時(shí)間和資源。

☆ 對(duì)預(yù)測(cè)出的潛在故障生成狀態(tài)維修任務(wù)，并評(píng)估維修所需時(shí)間和資源。

☆ 在維修決策過(guò)程中結(jié)合任務(wù)的要求進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。

☆ 對(duì)修復(fù)性維修任務(wù)和狀態(tài)維修任務(wù)評(píng)估維修所需時(shí)間和資源。

● 維修決策模塊

維修決策模塊是維修決策業(yè)務(wù)的核心，它根據(jù)作訓(xùn)任務(wù)要求和飛機(jī)的修復(fù)性維修任務(wù)、狀態(tài)維修任務(wù)、飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)以及預(yù)測(cè)任務(wù)期間可能產(chǎn)生的維修任務(wù)，結(jié)合機(jī)群梯次使用計(jì)劃，通過(guò)IETM數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行機(jī)群維修決策，形成機(jī)群使用和維修計(jì)劃，并為計(jì)劃形成維修工卡包。

2.1 任務(wù)管理

任務(wù)管理負(fù)責(zé)管理任務(wù)的產(chǎn)生、調(diào)整、執(zhí)行和結(jié)束，以及動(dòng)態(tài)標(biāo)注任務(wù)自身狀態(tài)。保障部門(mén)領(lǐng)受飛行任務(wù)，并對(duì)細(xì)化任務(wù)要求轉(zhuǎn)換為保障任務(wù)，觸發(fā)維修決策，并對(duì)任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行跟蹤管理。

任務(wù)信息是維修決策的重要依據(jù)，任務(wù)管理應(yīng)明確每項(xiàng)任務(wù)的詳細(xì)要求，包括：

● 任務(wù)強(qiáng)度，如預(yù)計(jì)任務(wù)開(kāi)始、結(jié)束的日期，飛行時(shí)間和起落架次數(shù)等。

● 任務(wù)構(gòu)型要求，即執(zhí)行特定任務(wù)所需的設(shè)備和數(shù)量等。

● 飛機(jī)性能要求。

2.2 狀態(tài)維修預(yù)測(cè)

實(shí)現(xiàn)CBM，必須包括3方面的內(nèi)容：狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷與狀態(tài)維修。狀態(tài)維修是狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷的最終目的。狀態(tài)維修預(yù)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控和狀態(tài)預(yù)測(cè)。

2.2.1 狀態(tài)檢測(cè)

狀態(tài)檢測(cè)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)跟蹤而進(jìn)行的采集、識(shí)別、分類(lèi)和解譯的活動(dòng)。新一代飛機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)以機(jī)載健康管理系統(tǒng)自動(dòng)采集為主，機(jī)務(wù)人員的手工采集為輔。

● 機(jī)載健康管理系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)

機(jī)載健康管理系統(tǒng)采用符合OSA-CBM標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、處理和狀態(tài)監(jiān)控。采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)飛機(jī)在飛行、試車(chē)、通電檢查過(guò)程中的工作參數(shù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、振動(dòng)等）和工作狀態(tài)（如閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)等）。

狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)分布在飛機(jī)上的傳感器進(jìn)行采集。工作參數(shù)通常按設(shè)定的頻率進(jìn)行不間斷采樣，工作狀態(tài)的變化通常是由控制或操作引起的，只有在發(fā)生變化的時(shí)候進(jìn)行記錄。傳感器采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)傳送到機(jī)載健康管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。健康管理系統(tǒng)在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，除了狀態(tài)標(biāo)識(shí)和狀態(tài)數(shù)據(jù)外，還記錄了產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時(shí)鐘和傳感器標(biāo)識(shí)碼，并進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，以便于后續(xù)的狀態(tài)數(shù)據(jù)處理、分析和確定維修對(duì)象。

● 機(jī)務(wù)人員采集數(shù)據(jù)

機(jī)務(wù)人員在機(jī)務(wù)檢查、維修過(guò)程中采集的參數(shù)包括輪胎壓力、氧氣壓力、液壓液體、APU和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油水平等。

2.2.2 故障診斷

機(jī)載健康管理系統(tǒng)獲取各成員系統(tǒng)BITE發(fā)送的故障信息，通過(guò)特殊事件評(píng)估、去除連鎖故障、生成維護(hù)信息等操作得到經(jīng)過(guò)篩選的維護(hù)信息，將維護(hù)信息與駕駛艙效應(yīng)（FDE）關(guān)聯(lián)后向飛行員報(bào)告飛機(jī)的健康狀況。

在飛機(jī)著陸后機(jī)上診斷出來(lái)的故障信息下載到PMA，利用故障案例庫(kù)和IETM進(jìn)行快速故障確認(rèn)和隔離。同時(shí)健康管理系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件對(duì)飛機(jī)、系統(tǒng)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，在飛機(jī)著陸后將狀態(tài)數(shù)據(jù)下載到PMA進(jìn)行增強(qiáng)故障診斷和故障預(yù)測(cè)。

2.2.3 狀態(tài)監(jiān)控

設(shè)備狀態(tài)通常用能表征其健康狀況的工作參數(shù)（如溫度、振動(dòng)、壓力等）表示，參數(shù)數(shù)值與健康狀況通常成一定的關(guān)系，設(shè)備健康時(shí)這些參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)某些參數(shù)超出正常范圍時(shí)則表示設(shè)備處于亞健康或不健康狀態(tài)。通過(guò)監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)可預(yù)先知道設(shè)備將要發(fā)生的故障，并基于狀態(tài)監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行維修決策。

狀態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目在飛機(jī)的計(jì)時(shí)構(gòu)型中定義，狀態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目定義了觸發(fā)條件（即參數(shù)閥值，如溫度大于XX度），每個(gè)觸發(fā)條件對(duì)應(yīng)若干個(gè)工作項(xiàng)目。設(shè)備的工作參數(shù)包括機(jī)載健康管理系統(tǒng)自動(dòng)采集的參數(shù)、機(jī)務(wù)維修工作中測(cè)量的參數(shù)和油液分析得到的參數(shù)等，當(dāng)設(shè)備工作參數(shù)更新時(shí)自動(dòng)檢查是否觸發(fā)狀態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目，觸發(fā)狀態(tài)監(jiān)控項(xiàng)目時(shí)自動(dòng)把相應(yīng)的工作項(xiàng)目列入狀態(tài)維修任務(wù)中。

2.2.4 狀態(tài)預(yù)測(cè)

機(jī)載健康管理系統(tǒng)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理、特征提取、特征融合等操作后形成了可供故障診斷和預(yù)測(cè)的特征數(shù)據(jù)。故障預(yù)測(cè)主要基于特征數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果、歷史數(shù)據(jù)，采用不同的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的結(jié)果是關(guān)鍵部件/系統(tǒng)的剩余可用時(shí)間（RUL），流程如圖3所示。

圖3 趨勢(shì)分析流程

不同的系統(tǒng)/部件的故障機(jī)理不一樣，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)時(shí)需采用不同的預(yù)測(cè)模型（方法），如基于模型的預(yù)測(cè)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法、基于概率的預(yù)測(cè)方法等。預(yù)測(cè)模型保存在預(yù)測(cè)模型庫(kù)中，通過(guò)分類(lèi)與預(yù)測(cè)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)對(duì)象加載適合的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3 維修決策

在單架飛機(jī)維修預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，結(jié)合任務(wù)要求以及機(jī)群梯次使用計(jì)劃，通過(guò)IETM數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行機(jī)群維修決策，形成機(jī)群維修計(jì)劃，并為計(jì)劃形成維修工卡包，具體過(guò)程如圖2所示。

下面對(duì)機(jī)群決策的每個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。

2.3.1 任務(wù)周期內(nèi)機(jī)群的維修預(yù)測(cè)

● 確定任務(wù)開(kāi)始前的修復(fù)性維修任務(wù)

通過(guò)基于故障診斷結(jié)果的單機(jī)維修預(yù)測(cè)可以獲得已知故障的修復(fù)性維修任務(wù)。此時(shí)需要確定該故障是否影響任務(wù)的執(zhí)行。如果影響任務(wù)執(zhí)行則該架飛機(jī)需要立即排故，否則可以保留故障飛行。

確定任務(wù)開(kāi)始前的修復(fù)性維修任務(wù)的方法是通過(guò)最低放飛清單和最低任務(wù)清單，檢查故障是否影響安全和任務(wù)執(zhí)行，如表1所示。

表1 最低放飛清單和最低任務(wù)清單

在進(jìn)行機(jī)群維修決策時(shí)可以根據(jù)修復(fù)性維修的影響程度安排飛機(jī)維修計(jì)劃。

● 預(yù)測(cè)在任務(wù)周期內(nèi)的定時(shí)維修任務(wù)

飛機(jī)外出執(zhí)行任務(wù)時(shí)，為了確保任務(wù)能順利完成，需要預(yù)計(jì)任務(wù)期間內(nèi)所有的定檢、周專(zhuān)檢等定時(shí)維修任務(wù)，并提早計(jì)劃，以保證在任務(wù)開(kāi)始時(shí)能提前完成上述維修任務(wù)。

根據(jù)任務(wù)管理模塊輸入的任務(wù)期內(nèi)飛行時(shí)間（起落次數(shù)等），結(jié)合定時(shí)維修工作的預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)出在任務(wù)執(zhí)行期內(nèi)是否會(huì)發(fā)生定檢任務(wù)、周專(zhuān)檢任務(wù)。

● 預(yù)測(cè)單架飛機(jī)完成任務(wù)過(guò)程中預(yù)計(jì)產(chǎn)生的排故任務(wù)

通過(guò)2.2.4狀態(tài)預(yù)測(cè)可以給出關(guān)鍵部件的剩余可用時(shí)間，需要再通過(guò)后續(xù)步驟預(yù)測(cè)結(jié)合任務(wù)類(lèi)型的準(zhǔn)確可用時(shí)間，在此基礎(chǔ)上給出單架飛機(jī)預(yù)計(jì)的維修任務(wù)。

2.3.2 確定機(jī)群維修計(jì)劃

確定機(jī)群維修計(jì)劃分為組合任務(wù)飛機(jī)、形成任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖和全局評(píng)價(jià)3個(gè)步驟完成。

● 組合任務(wù)飛機(jī)

根據(jù)任務(wù)管理模塊輸入的任務(wù)需求，獲取飛機(jī)列表，綜合考慮任務(wù)要求、飛機(jī)狀態(tài)、MEL要求和資源配置等要素生成任務(wù)飛機(jī)組合圖，如圖4所示。

圖4 任務(wù)飛機(jī)組合圖

● 形成任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化，保證飛行安全，滿(mǎn)足任務(wù)的成功率，系統(tǒng)根據(jù)已有的飛機(jī)和任務(wù)信息，按2.3.1節(jié)的方法預(yù)測(cè)出任務(wù)期內(nèi)的維修工作并安排執(zhí)行時(shí)機(jī)，從而形成任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖，如圖5所示。

圖5 任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖

● 全局評(píng)價(jià)

此步驟負(fù)責(zé)對(duì)已經(jīng)過(guò)以上步驟形成的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行全局評(píng)價(jià)，根據(jù)多目標(biāo)角度計(jì)算出可量化的數(shù)值。評(píng)價(jià)角度有以下多個(gè)：

時(shí)間評(píng)價(jià)：時(shí)間評(píng)價(jià)是計(jì)算方案中活動(dòng)的飛機(jī)工作時(shí)間累計(jì)，度量單位是小時(shí)。也可擴(kuò)充為區(qū)別飛行、維修、故障等工作時(shí)間計(jì)算。

工時(shí)評(píng)價(jià)：工時(shí)評(píng)價(jià)是計(jì)算方案中活動(dòng)的時(shí)間乘以活動(dòng)人數(shù)的累計(jì)，度量單位是工時(shí)。此統(tǒng)計(jì)角度主要關(guān)注人員的工作量。

資源費(fèi)用評(píng)價(jià)：資源成本評(píng)價(jià)計(jì)算方案中活動(dòng)的資源的費(fèi)用累計(jì)，度量單位是元。消耗型資源以單價(jià)計(jì)算；可重用資源以使用時(shí)間折合使用壽命計(jì)算，即單價(jià)乘以使用壽命再除以本次使用時(shí)間，使用時(shí)間的單位包括小時(shí)、次數(shù)、熱循環(huán)次數(shù)等等。

綜合效能評(píng)價(jià)：在本質(zhì)上某些目標(biāo)評(píng)價(jià)在一定程度上互相矛盾，因此需要在多角度之間進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、權(quán)衡折衷。此處將時(shí)間和資源費(fèi)用納入綜合效能評(píng)估范圍內(nèi)，綜合效能沒(méi)有度量單位，計(jì)算公式見(jiàn)公式（1）：

其中：fd—— 綜合效能；

a —— 時(shí)間權(quán)重因子；

fa—— 方案的時(shí)間；

β —— 資源費(fèi)用權(quán)重因子；

fc—— 方案的資源費(fèi)用。

公式的難點(diǎn)在于兩維的數(shù)值（小時(shí)，元）如何確定權(quán)重因子從而轉(zhuǎn)化為一維數(shù)值。系統(tǒng)通過(guò)將時(shí)間權(quán)重因子a設(shè)定為方案所涉及的軍事單元的每小時(shí)費(fèi)用開(kāi)支，而β設(shè)為1，即可將時(shí)間維度轉(zhuǎn)換為具有經(jīng)濟(jì)含義的維度，使維度合一。

飛機(jī)梯次使用圖：輸出維修決策方案執(zhí)行后的飛機(jī)梯次使用圖，根據(jù)飛機(jī)的當(dāng)前余壽以及飛機(jī)參與任務(wù)的工作時(shí)間計(jì)算出，并在飛機(jī)逐號(hào)與余壽的坐標(biāo)系中按最小余壽依次畫(huà)出飛機(jī)梯次使用圖。

額外活動(dòng)評(píng)價(jià)：額外活動(dòng)評(píng)價(jià)計(jì)算任務(wù)之外的額外的維修活動(dòng)數(shù)量。

2.3.3 生成工作包

工作包的類(lèi)型分為定時(shí)維修工作包、修復(fù)性維修工作包和飛行保障工作包，工作包的主要內(nèi)容包括完成維修工作的工卡和所需的保障資源（如航材、工具設(shè)備等），工卡的內(nèi)容和所需的保障資源可從IETM獲取。

3 結(jié)束語(yǔ)

在CBM維修方式下維修決策的效率和有效性將直接影響飛機(jī)保障的效率和任務(wù)成功率，本文從應(yīng)用需求的角度出發(fā)，提出了一種解決基于CBM的維修決策的模型。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 宋 彪，王 旭. 飛機(jī)視情維修的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào). 2012，30（5）：9-15.

[2] Steven W. Butcher. Assessment of Condition-Based Maintenance in the Department of DefenseSteven [R]. LOGISTICS MANAGEMENT INSTITUTE.2000.

（編輯：雨晴）

[收修訂稿日期] 2015-09-16

[中圖分類(lèi)號(hào)]V241.07

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]C

[文章編號(hào)]1003–6660（2015）06–0042–04

[DOI編碼]10.13237/j.cnki.asq.2015.06.010