基于CBR的飞机维修间隔辅助决策方法

张家伟

摘  要：通航小飞机造价相对低廉，维护成本较低，因此在飞行员的训练应用中逐渐成为趋势。由于通航飞机结构相对简单，运行过程中出现影响飞行计划的故障里，频率最高的是轮胎损耗，提前预知飞机机轮的到寿时间可以更加科学地安排飞行计划，避免发生故障导致临时飞机更换甚至无法使用的情况。本文以SR20和DA42型号飞机更换轮胎为案例，结合CBR思想与相似度算法，将维修过程中飞机重要参数提取并作出相似度判定，得出理论维修间隔，并探讨研究CBR在航空器维护中对维修间隔的辅助决策的应用。

关键词：维修间隔  CBR  特征提取  相似度算法  辅助决策

中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（b）-0007-06

Auxiliary Decision-Making Method of Aircraft Maintenance Interval Based on CBR

ZHANG Jiawei

（Luoyang College， Civil Aviation Flight University of China， Luoyang， Henan Province， 471000 China）

Abstract： The cost of navigable small aircraft is relatively low and the maintenance cost is low. Therefore， it has gradually become a trend in the training and application of pilots. Due to the relatively simple structure of navigable aircraft， the most frequent failure affecting the flight plan during operation is tire loss. Predicting the arrival time of aircraft wheels in advance can more scientifically arrange the flight plan and avoid the situation that temporary aircraft replacement or even unavailability is caused by failure. Taking SR20 and DA42 aircraft tire replacement as an example， combined with CBR idea and similarity algorithm， this paper extracts important aircraft parameters in the maintenance process and makes similarity judgment， obtains the theoretical maintenance interval， and discusses the application of CBR in aircraft maintenance.

Key Words： Maintenance interval; CBR; Feature extraction; Similarity algorithm; Auxiliary decision

1  常用的飛机维修思想

现今飞机维护常用的理论思想是MSG维护思想。波音B-787机型在制订其维修大纲的过程中，提出了基于MSG-3的维修间隔确立和优化系统。该系统中提出从相似维修任务数据查询，到分析数据，再到确立维修间隔的过程，在生产管理上关注程序优化，逐渐改进了工序流程[1]。空客公司则一般先查阅飞机制造商提供的维修间隔，然后组建分析小组，对制造商提供的维修间隔进行评估。评估标准一般采用MSG-3并对比相关专业人员的经验。如果分析小组评估制造商推荐的维修间隔符合标准要求，那么就采用制造商推荐的维修间隔。总体来说，国外大飞机目前已经具备较为成熟的维修间隔标准，形成了一套较为体系化的维修文件制定流程。

传统的MSG-3思想只为民航飞机维修提供制订维修大纲的思想，而具体到新机型具体维修部件的维修间隔，其制定主要还是依靠长期从事维修工作工程师的相应经验，同时结合一定的数学方法。

DA42飞机是中国民航飞行学院新引进的中教机，虽然是双发飞机，但其运营成本低廉，安全性较高，逐渐替代PA44成为主力中教机。由于机型较新，缺乏运行经验，航空轮胎主要负责完成飞机起降任务，其工作环境恶劣，胎压变化大，容易发生爆胎事故[2]。一旦轮胎磨损出现见线，就会影响飞行安全，进而影响飞行计划。了解并掌握轮胎损伤的原因、规律对保障飞机运行具有较为重要的现实意义[3]。参照传统的MSG-3思想并结合基于案例推理（CBR）思想，以旧机型SR20为参照，提前算出DA42轮胎平均使用寿命，为飞机轮胎到寿预警提供理论帮助。

2  CBR思想

基于案例推理（以下简称CBR）及其在国外的系统开发研究受到广泛关注，是人工智能领域中较新的一种基于知识的问题求解和学习方法。CBR系统所依赖的是系统在相关领域存储问题的先前记录。

从认知科学的角度讲，它的构建基于两个前提假设：

（1）相同或者相似的情况有相同或相似的解法[4];

（2）以前遇到的问题很可能在未来再次遇到。

与人类思维和问题解决模型一样，CBR系统首先比较问题案例和以前案例的相似之处。一个最佳案例，也可以是一组相似案例，然后综合各相似案例的解决方案，每一次遇到相同案例就有实例进行参考，通过扩大案例库，系统的学习能力不断提高，知识和经验不断增加。通常，完整的CBR系统模型由4个循环过程组成，即案例检索（Retrieve）、案例重用（Reuse）、案例修正（Revise）和案例保存（Retain）。

模型的建立目标是实现对待诊案例和案例库案例的匹配。利用检索机制，系统可以直接获取具有参考价值的案例[5]。根据案例库找出的相似案例，再次对相似案例进行相似度筛选后进行相应的数据处理，找出匹配案例对待诊案例提供可供参考的维修间隔决策参考。将旧机型的故障案例集合作为案例库，新机型根据各种典型参数与案例库相似故障案例对比，符合相似案例条件的筛选出来作为参照，再根据相似程度与特殊参数的影响，计算出新机型的理论维修间隔。

3  模型建立

3.1  案例的表示

本文对应用CBR模型的飞机维修进行分析，将以往维修案例集成一个案例库以备查询。每个案例是集合了故障机型、故障部位和故障的描述较为复杂的情况，如果将一段对案情的大段描述完整的备注在案例库中无疑会极大地增大案例库的占用内存，再加上后续对案例的不断扩充，这无疑会增加案例库的储存负担。为了使所有案例在被查询、定性和被比较时能有较区分度，将飞机的特性赋予一定的量化属性。不管是案例在对比案例库内案例时或是在对案例进行分析和储存时，为了更有利于之后的量化分析，将待诊案例提取特征并对其赋予特征值都势在必行。对案例进行特征值化处理，则需要有如下要求：（1）要完整的对案例进行相应表示;（2）便于检索，效率高效;（3）有利于对案件的整理等。

3.2  案例的索引

由于飞机维修是较为复杂的过程，因此各种错综复杂的情况比较多。在案例检索之前，虽然已经对案例做出了特征化处理，但是案例的检索工作任务还是过于繁重。为进一步优化模型，保证检索效率，需要在案例检索之前加入索引工作，初步筛选掉大量无关案例。常用索引方式有4种，即按照某一特征的相似度进行索引、对案例进行分类并按不同类型建立索引、根据不同重要系数进行索引和根据案例差别最大的特征值进行索引。维修过程首先判断维修对象，因此本模型采用根据维修对象这以特征值的相似度进行索引。对于维修对象这一特征值有重合才选入，无重合不选入检索。

3.3  案例检索

检索是整个模型中最为重要的环节。关于相似度计算的设计，将在第4节进行设计，并在第5节进行结合实例验算，本节对检索的建模进行阐述。案例库的案例经过索引后筛选掉大量无关案例，得到相近维修对象。对相似的维修案例，还要对其进行进一步相似度运算。索引得到的案例根据不同的特征值排列，每个相似案例带着其他不同的特征值，将其特征值带入设定好的相似度运算公式，得到相似度结果，设定一个筛选值二次过滤掉设定相似度筛选值以下案例，选找到最相似案例。

3.4  案例重用和修正

将相似度符合要求的参考案例的维修决策方法应用到待诊案例上，对相似案例根据相似程度对参考间隔进行处理，得到参考维修间隔值。如果难以找到相同案例，则找出最为相似的案例，吸取可以借鉴的解决手法并对其方案进行修改、修正，直到符合当前待诊案例的情况。

3.5  案例保存和审核

在案例解决后，将这一新的案例存入案例库。由于相似度与案例库有一定的相差，因此在保存时不会因为案例过于相似而无端浪费了案例库的储存空间。新的储存案例也为以后的新问题提供了新的参考，经历多次案例的丰富，最终会形成一个覆盖面极大的案例库。

对于相似案例重用和较相似案例修正后得到的维修间隔参考值，为避免公式运算出现误差，需要审核小组对其审核后才能进入案例库。相似度远大于二次筛选值以上的待诊案例一般只需较小的微调，相似度只满足于相似的案例和未能匹配到相似案例的则需审核小组进行处理，一般由富有经验的工程师对其分析后进行决策再保存入案例库。

3.6 基于CBR的维修间隔辅助决策模型图

基于CBR的维修间隔辅助决策的模型图如图1所示。

4  相似度算法设计

将旧机型的故障案例集合作为案例库，新机型根据各种典型参数与案例库相似故障案例对比，符合相似案例條件的筛选出来作为参照，再根据相似程度与特殊参数的影响，算出新机型的理论维修间隔。

待诊案例与案例库的匹配是模型中最核心的步骤。飞机有很多其固有特征可作为对其定性的点，如机型、发动机布局、ATA章节号、名称、发动机供应商、故障类型等，将其本体与CBR结合可有效提高知识的表示效能[6]。对于简单的问题维修，采取定性属性占据主要研究成分，对于复杂的问题，则需要采取更多定量属性来细化问题研究。

本次问题主要研究飞机机轮更换，在案例库检索时，首先对案例表现出的直观问题定性：（1）故障表现;（2）飞机发动机类别，包含涡轮风扇发动机（赋值为1）;涡轮螺旋桨发动机（赋值为2）;（3）故障所在ATA章节号;（4）部件制造商;（5）故障影响类型包括A-明显的安全性、B-明显的使用性、C-明显的经济性、D-隐蔽的安全性、E-隐蔽的非安全性;（6）MTBF（平均故障间隔时间），后面用起落次数代替。

对案例属性做出划分，按数据特点划分定性属性和定量属性。针对定性属性，使用Jaccard相似度算法计算相似程度;针对定量属性，根据其对飞机的影响大小视情给出权重系数，最后带入运算做出相似度判定，并将重要系数设为δ，得出结果如表1所示。

根据所给的定性属性和定量属性，与目标待诊案例相对比，定性属性中符合的赋值为1，不符合的赋值为0。对于“故障表现”，由于该项目比较特殊，采取Jaccard相似系数的判定算法。

以最先进入筛选流程的“故障表现”举例：

故障表现（X，Y）=0.5（1）

对于后面其他定性属性：

（2）

总共6项重要属性，根据其重要程度，将其赋值乘以不同的占比分数，得到的每一项将其求和，得到定性相似度S：

（3）

得到相似案例后，将相似案例比较，若故障部件工作原理相同，则引入定量参数进行下一步运算。

对于本次研究的起落次数T，对公式赋予修正参数θ（此参数定为飞机翼面比值），平均故障周期与飞机自身质量m呈负相关，所以还应加入定量参数质量。最终公式定为：

（4）

5  实例匹配

DA42 飞机是中国民航飞行学院新引进的中教机，虽然是双发飞机，但其运营成本低廉，安全性较高，逐渐替代PA44成为主力中教机。由于机型较新，缺乏运行经验，一旦出现轮胎见线等临时故障，就会影响飞行计划，造成较大麻烦。以飞机机轮轮胎更换的典型故障为案例，为做好提前预警，参照给出的相应数据并结合CBR算法，算出DA42平均使用寿命，为飞机轮胎到寿提前预警提供理论帮助。

列出索引得到的案例库案例，如表2所示。

根据判定的定性属性表和权重系数表的数值，带入公式，得到定性相似度，如表3所示。

可以看到案例3、案例7、案例8的相似度都在90%以上。根据模型，对比3个案例的刹车机构原理：案例3机型刹车部件装备多圆盘式刹车装置，案例7和案例8中SR20飞机刹车系统装备单圆盘式刹车装置[7]。案例7、案例8与待诊机型装备一致，可将其作为参考案例。对于该案例，θ取值为SR20与DA42飞机机翼面积比值0.75。

根据公式，算出理论维修间隔

（5）

对案例7和案例8，分别得出参考维修间隔：

T待诊7=1111

T待診8=1087

得出结果后，把理论数据与实际数据进行对比。根据DA42 飞机实际运行数据，实际维修间隔为1104次起落。基于CBR维修间隔辅助决策方法得出的结果与实际周期分别相差0.6%和1.5%，得出的值与实际相差较小，有实际参考价值SR20飞机机轮磨损前后对比如图2、图3所示。

6  结语

本次试验结果验证了基于CBR的飞机维修间隔辅助决策方法算法的可行性和有效性。该方法将关键词输入其中，利用案例表示模块，就可以直接形成案例，其应用使新引进机型的部件维修间隔制定提供了更多决策参考信息，使之智能化并使其具有一定的可靠性和可行性，利于飞行计划的编排，使飞机训练和运行更加科学。将算法加入更多的选择条件甚至可以为新机型制定新的维修大纲做参考，也会使部件维修间隔预警的适用性不仅局限于轮胎，具有较大的应用前景。

参考文献

[1] 赵琳.波音空客主流机型的发展及其对中国商飞的启示[J].竞争情报，2020，16（6）：34-40.

[2] 刘国锋.基于某型斜交航空轮胎爆破的仿真与误差分析[J].新余学院学报，2020，25（6）：23-28.

[3] 王羽.航空器轮胎在道面扎伤的原因分析及管控措施研究[J].科技创新与应用，2019（34）：194-196.

[4] 孙岩.基于案例应用的指挥控制辅助决策技术研究[J].信息通信，2017（9）：15-16.

[5] 张建华.基于领域本体与CBR的案例知识工序匹配研究[J].情报杂志，2020，39（10）：144-150.

[6] 张磊.基于CBR的飞机引气系统故障诊断技术探究[J].科技创新与应用，2018（12）：156-157.

[7] AIRPLANE MAINTENANCE MANUAL For the CIRRUS SR20[EB/OL].SR20飞机维护手册（32-42page1）.