增强型基于状态的维修应用探讨

蒋兵兵，刘勇志，马 亮

(海军潜艇学院，山东 青岛 266044)

0 引言

随着装备的日益复杂，传统的维修方式越来越难以应对大量的检修任务，检修的时间和费用大大增加。另一方面，随着新技术的发展进步，近些年出现了“基于状态的维修”，即 CBM(condition based maintenance)，以及“增强型基于状态的维修”，即CBM+(condition based maintenance plus)。由于具有传统维修难以具备的优势，CBM+从一出现就受到广泛的关注，甚至被认为是未来一些复杂装备的首选维修方式。

大量先进技术和方法的使用，一方面为装备维修带来了新的机遇，另一方面，又为装备维修带来了新的问题和挑战。学习介绍CBM+的内容和特点，可为未来装备维修提供新的思路和方向;研究CBM+应用的具体问题，又可为今后“基于状态维修”的整体工程提供借鉴和参考。

1 CBM+概述

CBM是指根据设备 (装备)的状态，实时或接近实时的评估而采取的一整套维修措施，其宗旨是在有需要维修的客观证据时才进行维修，同时保证设备的安全性和可靠性，并降低使用和维修的费用［1］。2004年12月20日，美国国防部指出，CBM旨在根据装备的迹象来实施维修［2］。CBM+是CBM的扩展，引入了更多的先进技术和方法，在状态监测、故障诊断能力、维修性和可靠性方面具有更大的优势。

美国陆航与导弹司令部 (AMCOM)前些年提出了在“阿帕奇”、“黑鹰”等直升机上安装传感器监测元件健康状况的计划，西点军校根据这一计划将CBM+应用于直升机维修中。结果表明，CBM+确实收到了预期的效果，它在减少装备故障、缩短维修时间和减少维修费用等方面都取得了较好的效果。随着CBM+的继续发展，其很有可能导致维修方式发生革命性的变化，从而“将维修从20世纪的工业时代带入21世纪的信息时代［2］”。

CBM+作为CBM的增强型，继承了CBM的理论，以状态监测技术为基础，以设备状态信息与处理技术及维修分析决策技术为核心，通过监测设备的当前状态，应用状态监测技术和故障诊断等技术对故障进行诊断、检测和隔离，确定设备的状态，进行维修分析及决策，并实施维修活动［1］。CBM+依靠传感器监测元件状态，根据状态信息进行分析决策，能够减少大量的计划维修和计划外维修，增加设备的可用度。

CBM+ 主要有以下特点［3］:

1)能把故障消除在萌芽状态。事先检测运行状态，预先巡检，主动巡查并确定异常状态，及时进行事先维修。

2)计划性更符合实际。CBM+是建立在“状态”基础上的，它强调计划检测，事先搜集信息，计划适时适度修理，因此它的计划性更符合实际。

3)核心是巡回检测、故障诊断和适时适度修理。CBM+又叫“预知修理”，就在于修理之前预知“状态”，因而检测工作十分重要。

4)按照需要进行修理。CBM+只需更换或修理损坏的部件，减少了停机时间和随机配件的消耗，提高了装备的运转率。

从CBM+的介绍不难看出，应用CBM+时，应该充分考虑其3个主要的环节:监测、分析和决策。CBM+的主要内容也是围绕这3个方面来开展的。根据文献 ［4］的介绍，CBM+的主要内容包括:

1)状态监控

状态监控是指对设备的某些特征参数 (如振动、噪声和温度等)进行测取，将测定值与规定的正常值进行比较，以判别设备工作是否正常。设备的许多故障，在发生前都会有特定的征兆，其相应的参数会发生一系列的变化。状态监控就是要借助有效、可靠的仪器及技术手段，采集能真正表明设备故障状态的参数，并把实测参数按一定数学模型计算出综合指标，从而得到反映设备现有状态的实用参数。

2)故障诊断和预测

故障诊断，就是对设备产生故障的原因、部位、严重程度等一一做出判断，从而为维修人员提供决策依据。故障诊断技术是对已经采集到的状态或故障信息进行综合分析、模式识别和预测评价。随着信号处理技术、专家处理系统和神经网络技术的发展，为设备故障诊断提供了良好的技术手段。故障预测就是通过建立的模型及各种智能方法对处于潜在故障的设备进行故障间隔时间的预测。

3)维修决策

状态监控、故障诊断的最终目的就是获取维修决策。利用相关软件可对所收集的状态数据进行综合分析处理，得出维修决策，以决定对设备采用何种类型的维修。

经过近些年的发展，尤其是在美国军队的实施中，CBM+技术更加成熟，各方面的配合也逐步形成。在信息化条件下，CBM+必将以其独特的优势，更加适应未来复杂装备的维修需要，从而在未来复杂装备的维修中发挥不可替代的作用。

2 CBM+应用研究

CBM+存在着很多传统维修方式难以具备的优势，美国陆航也提出了要在2011年大范围实施CBM+，到2015年全部转变维修方式的计划。但是，要想彻底转变维修方式，仍是一项具有重大挑战的工程。

CBM+涉及的领域非常广泛，要想实施基于状态的维修，必须要考虑在部队、工业和学术界之间建立紧密的合作、交流和资源共享关系［5］。因为，基于状态的维修，要利用大量先进的技术和方法，将多方面的工作结合到一起，更重要的是，CBM+的实施，在有些情况下必须要在设计之初就予以充分考虑，否则后期便不能获得预期的效果，这也是很多装备面临的现实问题。因此，现存的很多装备都很难达到实施CBM+的要求，相关的技术也欠成熟。事实上，如果CBM+的实施不够谨慎，便很有可能事与愿违。因此，必须充分考虑到CBM+面临的问题和应用条件:

1)CBM+元件的选取有一定的前提。并不是所有的元件都适合CBM+，CBM+对于有些元件是无能为力的。在选取元件时，必须要求元件是状态可监测的，并且，监测到潜在故障的时间与功能故障时间必须有一定的间隔 (P－F间隔)，从而能够在功能故障前进行分析决策和及时维修。

2)CBM+应该尽量应用于那些检测时间长、程序复杂、费用较高、故障后果较为严重的元件。对于检修容易、程序简单、费用较低、故障后果不严重的元件，使用CBM+取得的成效也许就是得不偿失的。在选取元件时，应该充分考虑到上述因素。

3)传感器发现潜在故障的概率以及发现潜在故障的时间对于CBM+效能是有直接影响的。因此，如何选取针对性强、与元件良好结合的传感器也是一个很重要的因素，这最好在产品设计时就充分考虑，为元件设计具有较强针对性的传感器。这需要在部队、工业部门和学术界之间建立良好的合作关系。

4)备件供应的延迟时间会严重影响CBM+的效能。研究表明［2］，如果从预订到备件到达的时间比较长，那么CBM+的优势虽然存在，但是已经明显下降了，并不能达到预期的效果，即不能节约大量的停机时间，装备可用度并不能大幅度提高。因此，后勤保障也必须跟上CBM+发展的需要。

5)传感器带来的费用必须计入总费用之中。传感器带来的费用包括传感器本身的费用、传感器维修费用以及由于传感器故障导致无法有效监测装备而造成的系统损失费用。在设计装备时，也应该考虑不要为检修一项故障而增加其他故障的可能［2］。但在CBM+中，为了监测元件状态，引入了一套监控设备，增加了可能故障的种类和数量，尤其是嵌入式传感器，其故障不方便检测，也存在一定的检修时间和检修费用，甚至因为传感器故障而乐观地相信元件状态良好，从而造成严重的损失。可能出现的情况是，综合监控设备的故障和维修费用，以及可能引发的系统损失费用，总花费大大超过了传统维修。

6)CBM+在一定程度上利用了元件寿命周期模型，依照模型分析的结果是否准确还值得研究。另外，P－F间隔 (潜在故障到功能故障的时间)的模型不一定准确，这也是影响分析决策的重要因素。从出现潜在故障到发现潜在故障的时间也需要实验和仔细分析，模型假设未必符合实际，仍需要做大量的工作，而这些工作又往往是难以在短期和少样本的情况下进行的。

7)影响CBM+综合效能的一个重要因素是虚警率［2］。由于虚警率的存在，CBM+的效能会受到极大的影响。文献 ［2］给出了具体的数据，结果表明，虚警率只要小幅度上升，就会引起CBM+效能的迅速下降，从而掩盖其所有的优势。

3 案例分析

3.1 几种维修方式的比较

通过下面的例子来对比说明CBM+与2种传统维修方式，即事后维修和计划维修的优劣。

某装备正常情况下，每年故障4次，每次故障造成的损失和维修费用为30000元。一直以来采用按月检修的办法来预防，可保证每年故障仅为2次，但每次检修费用和停机造成的损失总共花费为2000元。现采用CBM+，不必进行检修，但由于传感器漏报，每年仍会发生1次故障。传感器平均每半年还可能虚警1次，由此造成计划外维修，每次损失和花费共计10000元，传感器每年的采购、维修费用为10000元。试比较事后维修，计划维修和CBM+的总费用。

采用事后维修方式，每年费用为

30000×4=120000(元);

采用计划维修方式，每年费用为

30000×2+2000×12=84000(元);

采用CBM+，每年费用为

30000×1+10000×2+10000=60000(元)。

由此可见，采用CBM+在总花费上具有优势。

3.2 传感器的虚警问题

传感器的虚警会给CBM+造成非常严重的影响。一般来说，检测状态的传感器要求有较高的灵敏度，但是灵敏度提高又很有可能导致虚警率的上升，理论分析表明，现实问题中，虚警率对综合效能的影响比发现概率更为显著。下面的例子可以较好地说明这一点。

某装备安装了监控状态的传感器，传感器及时发现潜在故障的概率为99%，虚警率为0.5%，假设装备出现潜在故障的概率为0.05%。某时刻传感器报警，求此时实际存在潜在故障的概率。

用S表示存在潜在故障，用S1表示传感器报警，由贝叶斯公式得

不难看出，实际上存在潜在故障的概率不足0.1，如果根据传感器报警进行分析，就可能会由于信息误差导致决策失误，使不必要的维修时间和费用大量增加，那么CBM+便起到负作用了。而实际问题中先验信息并不会像本例中给出的这么详细、准确和固定，因此，在使用CBM+的时候就必须特别注意类似的误区，从而防止CBM+的负面作用。

4 结语

从前文分析可以看出，CBM+具有传统维修所不能具备的优势，能够适应未来复杂装备的维修需要，能够节约大量的人力、物力和时间，可以提高装备的可用度，是未来维修的一个发展趋势。但是CBM+的使用要求较高，需要部队、工业部门以及学术界进行良好的沟通，依靠大量的经验数据、先进技术和方法以及较为先进的工艺水平，既要保证监控设备的各项指标达到实际的需要，又要使后勤保障跟上维修的需要，还要求多方协作，共同促进，例如元件的选取、传感器的设计、经验数据、可靠指标等，只有在这些方面都能够进行有效协作，才能促进CBM+的快速发展，从而使CBM+发挥其应有的积极作用，真正把维修方式从20世纪的工业时代带入21世纪的信息时代。

［1］康建设，尹健，等.CBM系统与设备状态监测［J］.仪器仪表学报，2006，27(S2):1748 －1751.KANG Jian-she，YIN Jian，etal.CBM system and equipments condition monitoring［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27(S2):1748 －1751.

［2］GAUTHIER S E.Decision analysis to support conditionbased maintenance plus［D］.California:Naval Postgraduate School，2006.

［3］张伟，康建设，王亚彬.基于状态的维修及其建模研究［J］.计算机仿真，2006，23(1):26 －28.ZHANG Wei，KANG Jian-she，WANG Ya-bin.Research on condition based maintenance and itsmodeling［J］.Computer Simulation，2006，23(1):26 －28.

［4］王新洲，范海，等.增强型基于状态维修(CBM+)在美军陆航的实施与发展［J］.航空维修与工程，2008(3):47－49.WANG Xin-zhou，FAN Hai，et al.Condition based maintenance plus(CBM+)in U.S.Army Aviation:implement and developing［J］.Aviation Maintenance，2008(3):47 －49.

［5］WONG E Y.Condition-Based Maintenance(CBM):A working partnership between government，industry and academia［R］.2006－06－01.