飞行保障装备基于状态的维修决策支持系统研究
2015-07-01杨中书范红军陈友龙李勋章
杨中书,范红军,陈友龙,李勋章
(1.海装航技部,北京 100071;2.海军航空工程学院青岛校区,山东青岛 266041)
随着飞行保障设备向着高参数、大容量、高自动化的方向发展,实际装备系统日益复杂,所包含设备的数量及类型日益增加。然而,目前飞行保障装备的维修体制还停留在20世纪50年代从苏联引入的基于定期维修的计划维修体制,这种维修体制导致的“维修不足”、“维修过剩”等问题越来越突出,不仅造成突发事故频繁,严重影响设备安全和使用寿命,而且因维修造成的停机时间过长严重制约飞行保障装备训练水平和保障能力提升。随着状态监测技术、计算机技术及分析决策技术的发展,一种基于装备的状态的维修技术开始引入到飞行保障设备的维修当中,状态维修需要运用计算机信息管理技术,对飞行保障设备的运行数据、历史数据、监测数据、特征参数等数据进行分析、优化、评价和预测,要使飞行保障设备使用与管理人员较好的运用这些知识,必须开发和建立状态维修决策支持系统[5-6]。
1 基于状态的维修(Condition Based Maintenance—CBM)
通常,装备的退化有一个逐渐劣化的过程,图1 说明了故障的阶段情况,即P -F 曲线。该曲线显示了故障如何开始,并退化到可以被探测的点“P”,假设该点没有被探测到而未采取任何修正措施,通常会以更快的速度退化到功能故障点“F”。当潜在故障可探测点距离功能故障点越远,设备发生故障的可能性越小,维修费用越少;反之,潜在故障可探测点越靠近设备功能故障点时,设备发生功能故障的可能性增大,同时所需的维修费用也随之剧增。状态维修的目的就是利用监测设备和手段来监测设备状态参数、分析趋势,发现和纠正任何可能导致设备故障的操作或运行状况,将探测点提前到功能故障点[2,7]。
图1 P-F 间隔
基于状态的维修是根据装备的实际工况,通过分析比较其在运行下的各种特性参数的变化来确定设备是否需要维修,以及需要维修的项目和内容,具有极强的针对性和实用性。因此,基于状态的维修可定义为通过监测装备的状态或性能参数的变化,表明装备已显著性能退化时所进行的维修[1]。显然,CBM 是在对装备状态监测和故障诊断的基础上,通过获取装备当前的状态信息,监测装备缺陷或潜在故障的发生,预测装备的剩余寿命或功能故障发生的概率,分析并给出需要进行的维修工作或活动[8]。
飞行保障设备包括飞行前后的飞机检查与维护设备、保障飞机起飞和维护的发电与供电设备、分配电系统等,涉及设备有内燃机、燃气轮机、发电机、配电柜(箱)等,每种设备不仅包括机械元件,还由大量电子部件组成,具有构造复杂、自动化程度高的特点,为了提高飞行保障设备的战备完好率和使用可靠度,飞行保障设备的维修不仅包括大修、中修、小修这些传统的定期维修方式,还应该包括基于设备状态的维修,即依据装备的状态“该修才修”。状态维修应用于飞行飞行保障设备,就必须建立状态维修决策支持系统。
2 飞行保障设备状态维修决策支持系统功能框架
决策支持系统(Decision Support System——DSS)融“决策”、“支持”、“系统”为一体,它综合利用大量数据、有机组合众多模型,通过人机交互,辅助维修决策支持者科学决策。一套系统、全面的飞行保障设备状态维修决策支持系统应满足以下要求[1,3]:
能够对飞行保障设备的日常登记、维护、更换、管理等环节做出技术支持;能够对飞行保障设备进行可靠性、重要度等指标进行评价分析,为维修决策提供依据;能够对飞行保障设备的监测点信息进行监控和管理,并根据设备的运行情况和分析结果,及时发布飞行保障设备的状态和故障信息;对飞行保障设备进行故障诊断分析,分析可能的故障部位及对应的故障原因,形成故障信息库及诊断报告;可进行长期或短期维修周期的预测及优化,为维修周期决策提供依据;可进行维修方案的制定,并具有对方案进行审核评价的机制。
根据以上要求,飞行保障设备状态维修决策支持系统的功能结构可分为9 个模块,如图2 所示。
图2 飞行保障设备状态维修决策支持系统功能模块框图
飞行保障设备状态维修决策支持系统的功能结构包括9个模块:
1)系统管理模块。该模块对出入维修决策支持系统的用户进行跟踪记录,对用户的权限统一配置,统一管理。
2)综合信息管理模块。该模块提供飞行保障设备综合信息存储和管理平台。这些综合信息包括设备基本信息、设备变动信息、设备运行信息、RCM 数据管理及设备润滑管理等。
3)模型库管理模块。该模块提供模型库的存储管理,运行管理等。
4)FMEA 分析模块。该模块为飞行保障设备的故障分析模块,可对不同的系统或设备进行故障模式及影响分析、故障数分析和设备重要度分析等,为设备运行和维修决策提供数据和知识;根据重要度分析结果,为设备选择合理的维修方式。
5)状态评价模块。该模块为飞行保障设备提供状态评价平台。状态评价时,从设备树中选择某一子系统或设备,按照一定规则从模型库中选择相应的模型,调用数据库中的知识进行评价,根据评价结果确定设备所处的状态。
6)故障诊断模块。该模块根据状态评价结果,调用相应的故障诊断方法,对异常状态进行故障诊断,并判断故障模式、部位、原因等,给出故障诊断报告。
7)状态预测模块。该模块为飞行保障设备提供状态预测平台。对状态评价中处于异常状态的系统或设备进行状态预测,选择相应的预测模型,预测系统或设备未来时间的状态,并根据数据库中的状态阈值预测系统或设备的剩余寿命。
8)维修决策及优化模块。该模块时飞行保障设备运行与维修决策的核心部分,主要包括维修周期决策优化和维修方案决策。系统首先对设备的各种维修方式及其维修周期进行优化,将维修建议提供给决策人员进行参考,决策人员在设备状态评价与预测模块的计算结果和维修建议下,进行维修方案选择。
9)维修任务管理模块。该模块根据已经确定维修方案,制定维修任务,并对维修任务进行管理。
3 飞行保障设备状态维修决策支持系统的设计
3.1 硬件结构
飞行保障设备维修决策支持系统建立在内联网的网络环境之上,系统结构基于Client/Server 应用模式的开放系统,系统的结构如图3 所示。
图3 飞行保障设备维修决策支持系统硬件结构
整个硬件系统分为设备层、功能层和网络通信层3 层结构,设备层为飞行保障设备各个监测系统的传感器或数据采集站;功能层为各个工作站和数据库服务器,其作用是对收集的信息进行分析处理,并完成状态评价、系统故障分析与诊断、状态预测、维修决策及优化等;网络通信层为各部分连接和交互的通道,可采用以太网作为连接系统的局域网,采用TCP/IP 协议作为网络通信协议[4,9]。
3.2 软件组成
飞行保障设备维修决策支持系统以Windows 2000 Server/9X 为操作系统进行开发和设计。整个系统的结构主要由3 个库组成,即数据库系统、知识库系统和模型库系统。如图4 所示。
1)数据库系统。数据库系统是维修决策支持系统最基本的组成部分,数据库系统包含两个部分:数据库和数据库管理系统。数据库涉及飞行保障设备维修决策的大量信息,不仅包括设备基本信息、设备重要度评价标准、状态及其阈值等基本数据,也包括设备运行与维修历史数据、设备运行实时数据、设备性能分析数据、设备状态评价数据、状态预测数据、设备可靠性统计分析数据等运行维修数据;数据库管理系统对各种数据进行描述、管理和维护,同时数据库管理系统支持数据记录的浏览、各种数据关系的创建、生成报告等功能。数据库系统只有和模型集成时,维修决策支持系统才能发挥出真正的作用。
图4 飞行保障设备维修决策支持系统的软件结构
2)飞行保障设备维修模型库系统。模型库时维修决策中最有特色的组成部分,它为维修决策提供推理、比较选择和问题分析。飞行保障设备具有极其复杂的机构和极高的可靠性要求,结合状态维修的特点,建立分布式的设备维修模型库,有助于维修决策系统的安全和高效运行。模型库里的数学模型包括统计分析模型、重要度分析模型、状态评价模型、状态预测模型、维修决策及优化模型等,有模型库管理系统为用户提供建模语言和管理功能。
3)知识库系统。在数据库和模型库的基础上增加知识库系统,即可得到智能决策支持系统。知识库系统包括知识库和知识库管理系统:飞行保障设备维修决策系统知识库中存放的知识包括状态评价模型选取知识、状态预测模型知识、维修决策及优化选取机求解知识等专用知识和关于学习的通用知识,在知识库中,采用产生是规则和框架理论相结合表达知识库的知识规则;知识库管理系统通过对知识库的有效组织与管理,实现对知识及其规则的查询、修改和维护,以及知识的获取和运用操作。
数据库系统、模型库系统、知识库系统不是孤立的,而是彼此联系:模型库系统通过与数据口的借口抽取需要的数据,进行模型的计算使用,同时将计算结果存储在数据库;知识库系统与数据库系统通过数据库接口从数据库中抽取知识推理所需的数据;知识库通过与模型库的借口为模型的建立提供知识支持。
4 系统工作流程
飞行保障设备状态维修决策流程如图5 所示。
1)按照一定规则对飞行保障设备划分为设备、子系统、子子系统、部件和分部件,形成具有层次结构的的装备树。
2)对各子系统进行故障模式和影响分析(FMEA)、故障树分析、可靠性统计分析,得到该子系统的主要故障模式和故障诱因,并将其存入数据库和知识库。
3)根据FMEA 分析结果及专家知识,进行设备重要度评价,得到重要度指数,并按规则确定根各设备或系统不同维修模式:为了降低维修费用,对于重要度指数较低的设备或部件,采用传统的定期维修方式;对于比较重要的设备或部件,当处于正常状态时,只需要进行例行维护。当设备处于潜在故障阶段时则要加强监控以避免紧急情况的出现;当状态预警参数值超出潜在故障阶段达到功能故障阶段,系统就会突然或几乎完全停机,宜进行修复性维修。同时,为确定维修方式的设备进行维修决策,选择合理的维修周期。评价结果和维修决策结果存入数据库。
4)对重要设备选择状态参数和状态监测技术进行在线或离线状态评价及预测。如果状态综合分析系统状态正常,则系统可继续运行;如果系统状态超出事先设定的阈值时,则进行故障诊断,并根据诊断结果和装备所担任的任务视情进行预防性维修决定。
5)对有维修需求的设备,制定可行、有效的几种维修方案。维修方案的制定主要依据设备状态评价和预测结果,以及设备运行与维修经验。
6)维修方案制定后,要提交给维修保障人员进行综合评价,并根据评价结果选择能够保证发挥飞行保障最大效益、符合部队和装备实际运行条件的维修方案,根据已确定的维修方案,指定维修任务,安排维修活动。
5 结束语
飞行保障设备状态维修决策的支持系统自动通过数据库信息对采集的数据进行检查,实现对异常数据的报警或故障分析,同时该系统根据装备的健康状态进行维修决策,缩短了维修决策方案的处理时间,提高了决策方案的质量。该系统改变了传统的定期维修方式,有利于延长飞行保障设备的平均工作周期和使用寿命。需要指出的是,维修决策系统只是辅助和支持决策者,而不是代替他们进行判断,因此系统既不能提供最终答案,也不会给决策者提供一套预先规定的分析程序[3,10]。
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