南雁飛，蔣慶喜，林聰

(中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所 裝備服務(wù)產(chǎn)品部， 北京 100028)

0 引 言

軍用飛機(jī)要在高強(qiáng)度的局部戰(zhàn)爭(zhēng)條件下保持并恢復(fù)戰(zhàn)斗力，保證任務(wù)可靠性和戰(zhàn)備完好性，需要一種兼顧安全性、任務(wù)性和經(jīng)濟(jì)性并且實(shí)施性強(qiáng)的維修方案。由于飛機(jī)在研制階段缺少服役數(shù)據(jù)，預(yù)防性維修任務(wù)的制定偏向保守。隨著試飛和服役期間數(shù)據(jù)的不斷積累，各系統(tǒng)和部件之間的磨合越來(lái)越穩(wěn)定，飛機(jī)的可靠性水平逐漸趨于平穩(wěn)，傳感器技術(shù)和綜合診斷等支持維修的新技術(shù)不斷發(fā)展與應(yīng)用[1]。如果依然按照服役初期規(guī)劃的維修任務(wù)和間隔實(shí)施維修工作，不僅會(huì)占用額外的維修資源，而且過(guò)于頻繁的維修活動(dòng)還會(huì)使飛機(jī)遭受人為差錯(cuò)損壞的風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，在服役期間需要對(duì)預(yù)防性維修任務(wù)進(jìn)行持續(xù)的優(yōu)化和調(diào)整，以保證維修方案持續(xù)的有效性和科學(xué)性。在累積了充足的服役數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析的手段探索維修任務(wù)優(yōu)化的潛力，提高飛機(jī)的維修保障效能，使維修工作更加科學(xué)有效、安全可靠。

國(guó)外對(duì)維修任務(wù)的優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，A.Regattieri等[2]以維修任務(wù)對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響為切入點(diǎn)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型和仿真分析，給出維修任務(wù)優(yōu)化的建議；D.Stadnicka等[3]以一組維修任務(wù)為研究對(duì)象，縮短飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間為目標(biāo)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與分析，給出該組維修任務(wù)執(zhí)行的最優(yōu)流程。國(guó)內(nèi)張節(jié)等[4]、劉成等[5]、朱興動(dòng)等[6]對(duì)S4000P在軍民用飛機(jī)維修大綱制定和優(yōu)化方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，明確了應(yīng)用該規(guī)范時(shí)的要點(diǎn)；安迪森[7]、蔡景等[8-9]、賈寶惠等[10]、林旭[11]在維修任務(wù)間隔優(yōu)化方面進(jìn)行了深入研究，提出了間隔優(yōu)化的計(jì)算模型和理論方法；周定國(guó)[12]、許燕菲[13]、張遠(yuǎn)[14]、門(mén)江[15]結(jié)合工作實(shí)踐闡述了維修方案的優(yōu)化邏輯；楊王鋒[16]在研究民用飛機(jī)維修大綱優(yōu)化的基礎(chǔ)上提出了適合軍用飛機(jī)的維修大綱優(yōu)化流程。但針對(duì)如何基于S4000P ISMO流程構(gòu)建適合我國(guó)軍用飛機(jī)的預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化流程，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究。

本文以S4000P規(guī)范的ISMO流程為基礎(chǔ)，考慮軍用飛機(jī)的使用實(shí)際，對(duì)原流程進(jìn)行調(diào)整和個(gè)性化設(shè)計(jì)，構(gòu)建預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化的邏輯流程，以期為軍用飛機(jī)維修任務(wù)的優(yōu)化分析工作提供技術(shù)參考。

1 預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化研究概況

目前國(guó)際民用航空行業(yè)普遍認(rèn)可的預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化的指導(dǎo)文件是國(guó)際維修審查政策委員會(huì)(International Maintenance Review Board Policy Board,簡(jiǎn)稱IMRBPB)發(fā)布的IP44。IP44最初由加拿大民航局(Transport Canada Civil Aviation,簡(jiǎn)稱TCCA)于2001年提出，是對(duì)維修大綱(Maintenance Review Board Report,簡(jiǎn)稱MRBR)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化的建議，一經(jīng)提出就得到多個(gè)國(guó)家適航當(dāng)局的支持。經(jīng)過(guò)IMRBPB的積極倡導(dǎo)，2008年發(fā)布了第1版IP44。隨后波音公司提出對(duì)于不同任務(wù)優(yōu)化進(jìn)行分類的IP116[17]，促進(jìn)了IP44繼續(xù)發(fā)展，目前最新版本為第3版[18]。該方法從飛機(jī)各相關(guān)單位職責(zé)、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求、數(shù)據(jù)完整性要求、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)審查方面提出了政策性指導(dǎo)意見(jiàn)。IP44是對(duì)MSG-3[19]的重要補(bǔ)充，其推薦的維修任務(wù)優(yōu)化方法及流程是維修大綱審查活動(dòng)不可分割的一部分[20]。

波音公司在維修任務(wù)優(yōu)化方面走在了前列，其開(kāi)發(fā)的統(tǒng)計(jì)分析方法使用一系列算法和高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)對(duì)服役期間的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定維修任務(wù)最佳的間隔，該方法已被美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration,簡(jiǎn)稱FAA)、歐洲航空安全局(European Union Aviation Safety Agency,簡(jiǎn)稱EASA)和加拿大民航局批準(zhǔn)使用。波音公司在該方法基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于統(tǒng)計(jì)分析的維修優(yōu)化系統(tǒng)(Statistical Analysis System for Maintenance Optimization,簡(jiǎn)稱SASMO)，其邏輯流程圖如圖1所示。SASMO主要包括可靠性模型和成本模型，其中可靠性模型考慮了計(jì)劃維修任務(wù)檢查出問(wèn)題的概率以及間隔延長(zhǎng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；成本模型綜合考慮計(jì)劃維修成本與非計(jì)劃維修成本，探索滿足安全條件限制的最低成本對(duì)應(yīng)的維修間隔。波音公司使用SASMO系統(tǒng)對(duì)B737NG飛機(jī)4 000 fh維修任務(wù)進(jìn)行分析，80%的計(jì)劃維修任務(wù)間隔可以延長(zhǎng)，10%的任務(wù)保持不變，10%的任務(wù)間隔縮短，在不降低安全性和可靠性的前提下，大幅度優(yōu)化了飛機(jī)的維修工作量。雖然優(yōu)化的目標(biāo)通常傾向于維修任務(wù)間隔的延長(zhǎng)，但實(shí)踐證明優(yōu)化分析也可能導(dǎo)致間隔的縮短，以盡量減少非計(jì)劃維修任務(wù)的發(fā)生。

圖1 SASMO邏輯流程圖

空客公司在維修任務(wù)優(yōu)化方面的研究和實(shí)踐一直沒(méi)有停止過(guò)。以其最暢銷的A320系列飛機(jī)為例，其初始的A檢間隔為350 fh，經(jīng)過(guò)三十多年的經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)升級(jí)，目前A檢間隔已達(dá)到750 fh。而最新型號(hào)A350的A檢間隔為1 200 fh，空客正在對(duì)2014年交付以來(lái)的所有服役數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，嘗試將A檢間隔擴(kuò)展至1 500 fh，進(jìn)一步減少維修工作量，提高飛機(jī)可靠性水平。2017年推出了“智慧天空”大數(shù)據(jù)平臺(tái)，其中基于數(shù)據(jù)分析的維修方案優(yōu)化是平臺(tái)重要功能之一，能夠有效提升航空公司在工程和維護(hù)方面的工作效率。

歐洲宇航與防務(wù)工業(yè)協(xié)會(huì)(Aerospace and Defense Industries Association of Europe,簡(jiǎn)稱ASD)總結(jié)了工業(yè)領(lǐng)域預(yù)防性維修大綱制定和優(yōu)化方面的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，于2014年發(fā)布了S4000P《預(yù)防性維修大綱制定與持續(xù)改進(jìn)國(guó)際規(guī)范》(1.0版)。經(jīng)過(guò)4年多的研究修訂，于2018年8月發(fā)布了2.0版本，該規(guī)范提供了一套清晰的分析程序與方法，用于復(fù)雜設(shè)備(包括軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)和船舶等)投入使用前預(yù)防性維修大綱的制定和服役期間維修大綱的持續(xù)改進(jìn)。S4000P第三章闡述了用于預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化的通用邏輯流程(服役階段維修優(yōu)化)如圖2所示[21]，此流程由工作步驟、邏輯判斷和決策建議組成，可以指導(dǎo)預(yù)防性維修任務(wù)和間隔的優(yōu)化分析。

圖2 ISMO流程

2 基于S4000P ISMO的軍用飛機(jī)維修任務(wù)優(yōu)化流程構(gòu)建

ISMO分析流程充當(dāng)檢驗(yàn)預(yù)防性維修任務(wù)的“試驗(yàn)臺(tái)”，利用飛機(jī)服役階段使用和維修的真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證預(yù)防性維修任務(wù)分析時(shí)提出的假設(shè)和型號(hào)審查的要求?？捎玫姆劢?jīng)驗(yàn)越多，分析得到的優(yōu)化結(jié)果有效性越高。ISMO流程的輸入數(shù)據(jù)包括多個(gè)信息源，例如使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、技術(shù)改裝等。分析人員根據(jù)數(shù)據(jù)類別分別對(duì)其進(jìn)行梳理和邏輯判斷，對(duì)綜合判斷的結(jié)果進(jìn)行分析，最后給出優(yōu)化建議，并對(duì)優(yōu)化后的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，反饋優(yōu)化后出現(xiàn)的異常情況以便對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，保證裝備的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

ISMO適用于在役裝備，在積累了充足的服役經(jīng)驗(yàn)后，應(yīng)及時(shí)建立ISMO優(yōu)化流程，其工作示意圖如圖3所示[21]。優(yōu)化工作在飛機(jī)整個(gè)服役階段需要多次執(zhí)行，其中首次ISMO優(yōu)化流程工作量最大，由于首次優(yōu)化初期需要收集大量的數(shù)據(jù)，除了服役期間的使用數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)外，還需要收集生成預(yù)防性維修任務(wù)時(shí)的所有分析數(shù)據(jù)，而這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以在后續(xù)的歷次優(yōu)化過(guò)程中重復(fù)使用。另外，飛機(jī)交付使用至執(zhí)行首次維修任務(wù)優(yōu)化期間，來(lái)自制造商和供應(yīng)商的試驗(yàn)結(jié)論及來(lái)自用戶的優(yōu)化建議也會(huì)較多。出于飛行安全的考慮，制定初始維修大綱時(shí)通常比較保守，因此首次ISMO優(yōu)化的效果也最顯著。ISMO優(yōu)化流程的目的是減少維修工作量、提高飛機(jī)可用度和降低維修成本，但前提是不能降低原來(lái)的安全性和可靠性指標(biāo)。

圖3 優(yōu)化維修工作示意圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

開(kāi)展數(shù)據(jù)分析之前需要收集所有預(yù)防性維修任務(wù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)防性維修任務(wù)范圍包括主機(jī)單位提供的維修大綱和其他來(lái)源的預(yù)防性維修任務(wù)(如相關(guān)的技術(shù)通報(bào))，以便后期分析過(guò)程中的合并和刪減。預(yù)防性維修任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)包括制定維修任務(wù)時(shí)的分析數(shù)據(jù)、服役期間的使用數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)以及主機(jī)單位和成品單位最新的試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)收集完成后形成主任務(wù)清單(Master Task List,簡(jiǎn)稱MTL)。需要注意的是，軍用飛機(jī)存在加改裝、技術(shù)狀態(tài)變更和使用環(huán)境差異較大的情況，因此應(yīng)做好維修任務(wù)適用性和有效性的標(biāo)識(shí)，防止分析過(guò)程中因相似數(shù)據(jù)的混淆而影響分析結(jié)果。

ISMO優(yōu)化流程并未強(qiáng)制要求維修大綱的制定過(guò)程中使用S4000P的分析方法，但要求對(duì)預(yù)防性維修任務(wù)制定時(shí)采用的分析程序進(jìn)行審查，主要審查其先進(jìn)性和完備性。針對(duì)原分析程序有明顯改進(jìn)的情況，建議按照新的分析程序重新分析生成維修任務(wù)；針對(duì)預(yù)防性維修任務(wù)的制定無(wú)充足的理論依據(jù)作支撐的情況，需要做補(bǔ)充分析，分析程序可采用與其他維修任務(wù)相同的分析邏輯或重新定義。補(bǔ)充分析得到的維修任務(wù)集成到MTL中之前，需要與原任務(wù)各要素(包括功能故障影響類別和維修間隔等)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別并記錄差異，供下一階段詳細(xì)分析，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖

在MTL中，并非所有的維修任務(wù)都適合進(jìn)入數(shù)據(jù)分析階段，需要制定維修任務(wù)的篩選原則，并據(jù)此篩選出維修任務(wù)優(yōu)化分析候選項(xiàng)。本文針對(duì)軍用飛機(jī)制定了四項(xiàng)篩選原則：

(1) 已不適用飛機(jī)構(gòu)型的維修任務(wù)

由于飛機(jī)構(gòu)型的改變或檢查手段的改進(jìn)等原因，原維修任務(wù)已不適用于當(dāng)前飛機(jī)，該類任務(wù)及相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)剔除；對(duì)于只適用于極少數(shù)飛機(jī)的維修任務(wù)，若其服役期間累積的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)少，也無(wú)法作為候選項(xiàng)開(kāi)展分析。

(2) 未達(dá)到門(mén)檻值的維修任務(wù)

部分維修任務(wù)的門(mén)檻值較高，開(kāi)展預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化時(shí)可能尚未執(zhí)行過(guò)該維修任務(wù)，由于缺少服役期間維修數(shù)據(jù)，無(wú)法作為候選項(xiàng)開(kāi)展分析(有補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)的除外)。

(3) 維修任務(wù)包的拆分

維修任務(wù)優(yōu)化分析是針對(duì)單項(xiàng)維修任務(wù)分別開(kāi)展的，因此為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)將初始組合的維修任務(wù)包還原為多個(gè)單項(xiàng)任務(wù)。

(4) 指令性的維修任務(wù)

對(duì)于有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定的和機(jī)關(guān)單位要求的強(qiáng)制執(zhí)行的維修任務(wù)，無(wú)法通過(guò)本優(yōu)化流程進(jìn)行調(diào)整，因此不作為分析候選項(xiàng)，但需審查維修任務(wù)與最新規(guī)定的符合性。

將篩選后的所有維修任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)以每項(xiàng)維修任務(wù)為主鍵建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，即可作為數(shù)據(jù)分析階段的數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)預(yù)處理的所有判斷和決策均需記錄，并形成總結(jié)報(bào)告，以便必要時(shí)的數(shù)據(jù)追溯。

2.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析階段是ISMO優(yōu)化流程的核心內(nèi)容，需要大量的數(shù)據(jù)分析和工程經(jīng)驗(yàn)支撐分析流程中的各個(gè)決斷。該階段將所有預(yù)防性維修任務(wù)分為五個(gè)類別，對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理形成的任務(wù)清單中每個(gè)任務(wù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終給出優(yōu)化建議和結(jié)論。

2.2.1 維修任務(wù)適用性分析

維修任務(wù)優(yōu)化分析開(kāi)始時(shí)，首先分析其相關(guān)數(shù)據(jù)的完備性，以保證分析工作順利開(kāi)展，其中維修任務(wù)的功能故障影響類別(Functional Failure Effect Category,簡(jiǎn)稱FFEC)的確定必不可少，若缺失，則需要分析人員依據(jù)相關(guān)分析流程(如圖5所示)給出結(jié)論；然后對(duì)維修任務(wù)是否適合進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化分析進(jìn)行判斷：

(1) 是否可緩解維修對(duì)象的性能衰退；

(2) 維修任務(wù)在技術(shù)上能否實(shí)現(xiàn)；

(3) 是否可被其他維修任務(wù)覆蓋；

(4) 其他幫助分析人員做出判斷的問(wèn)題。

圖5 數(shù)據(jù)分析流程圖

綜合以上問(wèn)題的回答，需要進(jìn)一步分析維修任務(wù)進(jìn)入下一步驟，針對(duì)其他維修任務(wù)可以提出刪除任務(wù)或重新評(píng)估設(shè)計(jì)的建議。

2.2.2 系統(tǒng)維修任務(wù)分析

該優(yōu)化分析流程將系統(tǒng)維修任務(wù)分為勤務(wù)，檢查或操作測(cè)試，定期更換或翻修三個(gè)類型。對(duì)每項(xiàng)系統(tǒng)維修任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后回答如下問(wèn)題：

(1) 該維修任務(wù)的FFEC類別是否適合優(yōu)化；

(2) 機(jī)載健康監(jiān)控設(shè)備是否可覆蓋該維修任務(wù)；

(3) 飛機(jī)的加改裝是否支持刪除該維修任務(wù)；

(4) 服役數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否支持維修間隔或維修類型的調(diào)整；

(5) 是否存在更有效的維修任務(wù)可替代該維修任務(wù)。

綜合以上問(wèn)題的回答和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，給出系統(tǒng)維修任務(wù)的優(yōu)化建議，F(xiàn)FEC類別劃分如圖6所示。

2.2.3 結(jié)構(gòu)檢查任務(wù)分析

重要結(jié)構(gòu)項(xiàng)目(Significant Structure Item,簡(jiǎn)稱SSI)的檢查任務(wù)包括對(duì)不同材料部件的檢查，每項(xiàng)結(jié)構(gòu)維修任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后應(yīng)回答如下問(wèn)題：

(1) 設(shè)計(jì)部門(mén)是否支持檢查間隔的調(diào)整；

(2) 任務(wù)類型和檢查間隔確定是否符合最新的SSI分析邏輯；

(3) 間隔的調(diào)整是否有充分的數(shù)據(jù)分析支撐。

有些疲勞試驗(yàn)在飛機(jī)交付階段未給出最終結(jié)論，而且尚未積累足夠的服役數(shù)據(jù)，但主機(jī)單位最新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以為間隔的調(diào)整提供佐證。綜合以上問(wèn)題的回答和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，給出結(jié)構(gòu)維修任務(wù)的優(yōu)化建議。

2.2.4 區(qū)域檢查任務(wù)分析

區(qū)域檢查任務(wù)分析主要考慮該任務(wù)區(qū)域內(nèi)的接近頻率，如果維修人員由于非計(jì)劃維修任務(wù)頻繁接近該區(qū)域，則對(duì)該區(qū)域的檢查任務(wù)可以刪除，但要確保該區(qū)域內(nèi)不需要進(jìn)行額外的拆裝操作，而且要滿足非計(jì)劃維修接近該區(qū)域的最低頻率。

經(jīng)過(guò)對(duì)勤務(wù)、檢查或操作測(cè)試、定期更換或翻修、SSI檢查和區(qū)域檢查五類預(yù)防性維修任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和決斷，得到各維修任務(wù)優(yōu)化分析建議，在MTL中記錄優(yōu)化建議和分析過(guò)程以便數(shù)據(jù)追溯。

2.3 有效性監(jiān)控

科學(xué)合理的預(yù)防性維修任務(wù)可以有效降低飛機(jī)故障率，減少非計(jì)劃維修工作。

然而，制定飛機(jī)初始預(yù)防性維修任務(wù)的許多假設(shè)與服役階段的實(shí)際狀況存在一定差異，因此需要持續(xù)監(jiān)控和分析服役期間的使用數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)，驗(yàn)證預(yù)防性維修任務(wù)對(duì)飛機(jī)故障的覆蓋和控制。當(dāng)服役過(guò)程中非計(jì)劃維修活動(dòng)明顯超出設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段的預(yù)計(jì)時(shí)，分析人員應(yīng)判斷是否存在一項(xiàng)或多項(xiàng)預(yù)防性維修任務(wù)可能對(duì)該類故障適用且有效，依據(jù)預(yù)防性維修任務(wù)分析流程開(kāi)展詳細(xì)分析，提出新增維修任務(wù)的建議；否則，對(duì)影響任務(wù)執(zhí)行或有嚴(yán)重影響全壽命周期費(fèi)用的故障提出設(shè)計(jì)改進(jìn)的建議。

3 結(jié) 論

(1) 本文在深入研究S4000P的基礎(chǔ)上，以ISMO流程框架為基礎(chǔ)，結(jié)合軍用飛機(jī)的特點(diǎn)，構(gòu)建了預(yù)防性維修任務(wù)優(yōu)化的邏輯流程，分別解析了數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析和有效性監(jiān)控的工作內(nèi)容，可用于軍用飛機(jī)預(yù)防性維修任務(wù)的優(yōu)化分析。

(2) 預(yù)防性維修任務(wù)的優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，應(yīng)依據(jù)飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)的變化、檢測(cè)手段的改進(jìn)、分析方法的調(diào)整等因素不斷地迭代，從而使飛機(jī)的預(yù)防性維修任務(wù)一直處于最優(yōu)狀態(tài)。