面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统

宁振波

（中国航空工业信息技术中心，北京 100028）

飞机是我国工业设计、制造水平和能力的重要体现，是我国工业的重要组成部分。新中国成立以来，经过长期的努力，我国已经建立起来了比较完整的飞机设计、制造工业体系，生产出了歼击机、运输机、轰炸机、民用飞机、直升机等系列高性能飞机及其系统，提升了我国航空工业的设计、制造水平[1]。然而，长期以来我国航空工业主要将解决飞机设计、制造中的关键问题作为发展的重点，在飞机综合保障服务技术研究及系统应用方面重视程度不够，造成了我国飞机保障服务还处于手工或简单的计算机管理阶段，远远落后于发达国家，难以满足我国经济、军事等领域发展的要求。

现代化飞机是机械、电气、电子、光学、液压、控制、计算机、软件、通信等技术集成的大型复杂装备，大量采用了新技术、新材料、新工艺，广泛应用了计算机、大规模集成电路及多种软件系统，其复杂化和智能化水平迅速提高，使保障服务的内涵发生了根本性的变化。保障服务不再是单纯以综合保障标准及相关技术文件为指导、以人力执行为主，而是以飞机设计、研发阶段以及生产阶段的DMU（数字样机）为三维数据源头形成的IETM（交互式电子作业指导书）为指导的新型综合保障体系，为飞机运行阶段的维护、维修、大修提供指导，其中网络技术和计算机技术是核心支撑，以此形成以飞机保障平台为主的数字化保障体系和服务[2-3]。发达国家的实践已经证明了数字化保障服务是提高现代化飞机使用效率和战斗力的有效途径。

一、国内外发展现状

（一）国外发展现状与趋势

维护保障服务技术是提高武器装备战斗力的关键，一直受到美国等发达国家的重视。1985年，美国提出了计算机辅助后勤支援（computer aided logistic support，CALS）概念，旨在提升美国军队武器装备后勤支援中的技术资料数字化水平，降低武器装备维护和人员培训费用，提高武器装备的质量及军队的战斗力。在此基础上，美国在1987 年和1993 年相继提出了计算机辅助采办与后勤支援（computer-aided acquisition and logistic support）和连续采办与全生命周期支援（continuous acquisition & life-cycle support）思想，用以指导解决武器装备后勤服务中的数据共享和对武器装备提供全生命周期维护等问题。在上述CALS 计划有效实施后，1997 年美国又推出了通用操作数据环境的框架计划。该计划旨在通过数据化和标准化手段把现有与防务系统相关的数据信息集成在一个数据环境中，为武器装备提供一个兼容性强、具有良好可扩展性、开放性的协同化数据信息平台。美国在《2010 年联合构想》一书中明确指出美军正处于信息技术引起的新的军事革命入口处，并重点强调了用数字化技术提升保障服务水平。

美国在搭建统一的数据环境平台的同时，聚焦数字化保障服务，重点对以下几个方面进行研究和应用。

1.IETM 技术

交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technical Manual，IETM）出现于20 世纪90 年代，一直受到美国国防部和国防工业界的重视，已成为美国等许多发达国家所推行的CALS 战略的重要组成部分，是装备保障信息化技术研究和应用的热点之一。USS Eisenhower 航空母舰由于使用了IETM，建造进度提前了18 个月，节省8000 万美元；SH-60 直升机使用了IETM，每年节省300 万美元；美国海军AEGIS 作战系统使用了IETM，每年至少节约100 万美元；爱国者巡航导弹（Patriot Missile）使用IETM，每年仅纸张节省费用达25 万美元；美国海军的蒸汽涡轮机维护手册为美国海军节省了18%～44%的机器维修时间，减少了50%的训练课程及43%的训练天数。

2.PHM 技术

故障预测与健康管理（prognostics and health management, phm）技术由美国军方最早提出，具备故障检测、故障隔离、增强诊断、性能检测、故障预测、健康管理、部件寿命追踪等能力，实现了武器装备从状态监控到健康管理的转变。早期，PHM 技术首先应用在阿帕奇、黑鹰等系列直升机上，形成了健康与使用监测系统。随后，PHM 技术在F-35 项目中取得了良好的效果，使故障非复现率减少82%，维修人力减少20%～40%，后勤规模减小50%，出动架次率提高25%，使用与保障费用减少了50%，使用寿命达8000 飞行小时。目前，美国已逐渐将PHM 技术运用到B2 轰炸机、全球鹰无人机以及P8-A 海上飞机等武器装备的维护保障实践中；英国国防部计划为未来山猫直升机开发PHM 系统；韩国也委托史密斯宇航公司为其直升机项目提供PHM 系统。

3.维修备件管理技术

面对国际军事形势、国防开支的下降，美国陆军提出了备件现代化战略（modernization through spares, MTS），即通过备件的改进实现武器系统现代化的战略，是一种适用于整个器材采办寿命周期，从而降低维持费用的备件采办战略。备件现代化战略的目标是以合理的备件采购策略，合理利用备件采购预算，以较低的维修保障费用，保持武器系统的技术先进性和可靠性。1996 年，陆军助理秘书和陆军器材司令部总指挥官共同建立帕拉丁自动火力控制系统和M109 FOV 野战炮兵弹药支援车家族车队管理试点项目，用以测试MTS 对该项目的重要性。此外，长弓阿帕奇直升机也是试行MTS 的项目之一，达到了节约生产成本、减少维修费用的目的。

4.虚拟维修技术

虚拟维修技术是虚拟现实技术在装备维修中的应用，针对飞机、战车等安全性要求高的武器，可以帮助维修人员在执行维修任务时进行维修预演和仿真，突破了设备维修在空间和时间上的限制，实现逼真的设备拆装、故障维修等操作，并能够基于提取的武器装备已有资料、状态数据来检验设备性能。如今虚拟维修技术已成为现代武器装备维修关键技术之一[4]，世界各国均已建立起相关的虚拟维修系统，如英国皇家海军舰载核能推进系统的虚拟维修系统，德国武装部队的NH90 直升机虚拟维修训练器，以色列的EHUD 系统，美军坦克、导弹、军用车辆维修保养训练系统等。美军的F35 工程也明确提出要建立供维修人员进行训练的虚拟环境。

（二）国内存在的主要问题

长期以来，我国航空科技工业一直存在“重设计制造、轻保障服务”的思想，在新型号飞机的研制及生产中投入了大量的资金和精力，飞机保障服务在科技工业中一直处于从属地位，与发达国家飞机保障服务水平存在一定差距。

以“十五”计划为起点，航空工业企业在数字化水平上有了较大提高，购买和装备了大量的计算机，在园区网的基础上搭建了良好的信息化软硬件环境，部署实施了OA、CAD、CAEC、APP、CAM、PDM、ERP 以及飞机外场信息管理系统等。但是，由于系统之间数据的不可集成性，信息管理系统互相孤立，形成了“信息孤岛”，难以建成可以贯穿飞机全寿命周期的数字化保障服务系统。

二、面向飞机全寿命周期的数字化快速响应综合保障系统的作用、方法和技术

针对各类飞机对综合保障所提出的技术和管理方面的要求，面向全寿命周期的数字化综合服务保障系统关键技术与应用系统设计开发技术将产品全寿命周期管理的理念贯穿于流程优化、关键技术攻关、应用系统开发、系统集成应用、型号工程验证的全过程，突破了一系列支撑各类飞机数字化综合保障系统的技术，构建了具有自主知识产权的面向飞机全生命周期的数字化快速响应保障服务系统，全面提升了我国各类飞机综合保障的快速响应能力，并逐步实现在航空行业的推广应用，已成为航空工业数字化技术发展的重点。

（一）面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统的作用

1.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以在飞机设计企业、制造企业以及飞机用户之间搭建一个通用的保障服务数据管理和应用平台，提高保障服务数据的完整性和一致性，建立统一的故障数据库和相关知识库，打通贯穿飞机全寿命周期的保障服务数据链条。

2.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以为保障服务数据提供有效的挖掘支持工具，通过数据挖掘形成可以用于指导飞机优化设计和制造过程的相关知识，提高飞机设计水平、制造质量，缩短研制周期，降低研制成本。

3.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统可以在轻量化模型技术支撑下，将飞机设计阶段、制造阶段产生的飞机零部件三维数据模型有效应用到保障服务业务中，建立高水平的飞机交互式电子手册和数字化工卡，用以提高飞机维修、维护的工作效率，降低保障服务成本。

4.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统在飞机设计、制造以及用户应用过程中，可以大大提高飞机的质量水平和综合战斗力，全面提升我国飞机保障服务水平。

5.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统的工作重点是以飞机主机制造企业为主体、设计企业为数据源，以各类飞机的实际需求为驱动，创建可以覆盖飞机设计、制造以及服务业务的数字化保障服务方法体系；攻克飞机三维虚拟显示、基于故障数据挖掘的设计制造知识优化、维修备件供需链优化、维护BOM 等关键技术；建立包含故障数据管理、设计制造知识管理、维护BOM 管理、交互式电子技术手册、数字化工卡、维修处理业务管理、维修备件供应与存储优化管理等功能子系统的飞机数字化保障服务系统平台；将以单纯面向服务业务为主的外场业务应用拓展到可以贯穿设计、制造以及服务业务的飞机全寿命周期应用，打通面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务数据链条，提高飞机保障服务效率，提升设计制造质量，缩短服务周期，降低服务成本。

（二）面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统流程的重组优化

在借鉴美国等发达国家数字化保障服务技术和经验的基础上，对我国飞机保障服务业务进行深入调研，并分析飞机保障服务过程中存在的问题。在数字化技术和流程重组技术的指导下，建立可以满足飞机保障服务需求的数字化快速响应保障服务流程规范，研究重点包括以下几个方面的内容：

1.飞机三维数据模型转换流程进行重组优化；

2.保障服务数据采集、挖掘、知识获取、知识利用流程的重组优化；

3.对面向飞机全生命周期的故障业务处理流程重组优化；

4.对飞机维修备件生产、存储与供应流程进行重组优化。

（三）面向飞机全生命周期的数字化快速响应保障服务体系研究

通过对飞机数字化设计、数字化制造以及外场保障服务信息和过程进行研究，在飞机数字化快速响应保障服务系统流程重组优化的基础上，建立面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务体系，如图1 所示。

图1 面向飞机全生命周期的数字化快速响应保障服务体系

其核心支撑技术包括：

1.飞机三维虚拟显示技术；

2.基于故障数据挖掘的设计制造知识优化技术；

3.维修备件供需链优化技术；

4.维护BOM 技术；

5.基于组件的可重构数字化快速响应保障服务系统；

6.基于组件的可重构数字化快速响应保障服务系统设计、开发技术；

7.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统；

8.面向飞机全寿命周期的数字化快速响应保障服务系统应用。

（四）关键技术

1.飞机三维虚拟显示技术

飞机三维虚拟显示技术包括四种核心支撑技术：模型轻量化技术、流式传输技术、三维可视化技术和虚拟样机技术。模型轻量化技术剔除全机三维CAD 模型中冗余的设计信息而保留面向虚拟显示的信息，从而实现全机模型轻量化。流式传输技术依据维修活动所关注的详细程度不同，划分不同粒度的传输方式，按照关注焦点不同，采用先重要、后次要的传输优先级保证维修人员首先获得最重要的信息。三维可视化技术研究三维轻量化模型的显示环境及人机交互技术，采用浏览插件技术分别在客户端和Web 浏览器环境中实现三维轻量化模型的显示与交互。虚拟样机技术研究如何将飞机维修信息展现在全机三维轻量化模型上，建立多视图维修信息与全机模型之间的映射，为形成面向飞机维修的三维虚拟样机提供实现基础。

2.基于故障数据挖掘的设计制造知识优化技术

该技术以飞机故障信息库为基础，研究飞机故障影响因素及相互的关联关系，建立基于故障数据挖掘的设计制造知识优化贝叶斯网络，通过对不同性质故障数据集的学习，挖掘故障原因与设计、制造的关联关系，识别飞机设计、制造中的关键故障原因以及薄弱环节，构建飞机设计制造知识优化数据库。

3.维修备件供需链优化技术

该技术从维修备件全球化采购思想出发，研究飞机维修备件供需链中制造企业协作策略、维修备件库存控制与优化技术、维修备件协同供应技术、供需链瓶颈识别及优化技术等，构建可以满足相关部门需求的快速响应维修备件供需链，提高维修备件的保障服务水平，降低维修备件供需成本。

4.维护BOM 技术

该技术研究设计BOM 与维护BOM 之间的映射关系，利用XML 文件格式在设计BOM 的基础上对产品结构进行重构，形成维护BOM 的基本架构；以故障数据为驱动，采用数据挖掘技术，优化维护BOM 的基本架构，形成可用于保障服务业务的飞机维护BOM。

三、综合保障系统下的数字化客户服务平台

建立数字化产品支援与服务体系，在全世界范围内向客户提供全年365 天、全天24 小时不间断的、快速响应的服务。运用先进的信息技术将不同的客户服务内容（飞行训练、航材支援、工程技术服务、技术出版物服务、市场与客户支援服务）整合起来，使分布在世界各地的制造商、合作者、客户实现生产、技术、服务等信息的共享，以提供给客户高效、完善、便捷的服务。

（一）数字化客户服务门户

建立数字化客户服务门户平台，实现基于网络的机队运行监控与健康管理、供应商服务、工程技术服务、面向客户的技术出版物服务、面向客户的航材服务、面向客户的培训服务以及快速响应中心等。数字化客户服务门户平台是客户服务对外的窗口，用户通过此窗口可以获取客户服务各个专业的信息内容，这大大提高了服务效率和质量。

（二）客户服务数据中心

客户服务数据中心是数字化客户服务系统的数据共享中心。通过对客户服务业务信息资源的集中统一控制、发布和存储，提高业务数据的一致性和完整性，实现客户服务业务数据的高效共享。通过集团数据中心，实现客户中心与设计中心、制造中心数据资源的及时更新和共享。

（三）航线构型管理

建立航线构型管理系统，实现SB 构型管理、TP 构型管理、航材构型管理、航线飞机更改构型管理、维修状态管理等。客户服务工作关心的是交付客户后的飞机构型变化情况，因此需要建立航线构型管理系统。航线构型管理系统是针对客户服务需要形成的数字化系统，会记录所有售出飞机的构型变化情况。当售出飞机出现构型变化时，现场代表或客户服务相关人员会第一时间汇总构型变化信息到系统中，方便相关人员了解飞机的最新构型情况。当航线构型发生变更时，相关业务部门会通过系统及时调整构型信息，协调设计、制造单位进行构型变更。

（四）客户服务业务系统

数字化客户服务涉及客户服务各个专业的诸多系统。客户服务业务系统要实施的内容包括飞机航材计划预测与管理、飞机航材库管理、飞机在线监控、飞机远程故障诊断和健康管理、飞机维修智能决策、数字化服务通告、飞机训练管理、飞机远程培训、网上在线技术出版物交付、技术出版物信息管理（TIMS）、技术出版物数字化编制与管理、技术出版物动态跟踪、机群构型管理、客户关系管理、飞机性能软件服务、数字化维修工具箱研制、三维虚拟培训、数字化维修仿真以及飞机机体寿命预测等。数字化客户服务业务系统将大大提高各个专业的客户服务能力，为解决客户的问题提供强有力的技术支持。

客户服务是民机取得商业成功的关键因素，而大型客机的客户服务在国内属于一个全新的领域，关键技术如下：

1.三维电子出版物生成与发布技术；

2.支撑客机销售和客户服务的电子商务平台建立与应用；

3.产品开发环境多层次数据安全体系；

4.基于专家系统的飞机故障诊断技术；

5.民用飞机技术出版物动态管理技术；

6.飞机运行实时监控与健康管理技术；

7.三维虚拟系统在维修培训中的应用。

（五）客户服务支持系统

1.网络结构

系统分为客户服务网站、售后服务管理系统和数据交换系统。由于客户服务网站运行于外网之上，而售后服务管理系统运行于园区网之上，出于安全需求，外网与园区网之间需要物理隔绝。

上述任何一个系统都采用B/S 架构，无须在客户端安装任何软件，客户端只要有IE 浏览器即可。系统网络拓扑结构如图2 所示。

图2 客户服务支持系统网络结构图

2.客户服务网站与售后服务管理系统之间的数据交换

故障信息、咨询建议、投诉、备件库存、备件申请、飞行动态等信息在两个系统中进行数据传递时，应该遵循一定的规则，否则数据无法保持一致，具体规则如下：

（1）现场服务代表经客户服务网站采集信息，并导出数据到园区网之后，无法对其进行修改、删除；

（2）现场服务代表经客户服务网站采集信息，并导出数据到园区网之后，不能再次导出；

（3）园区网中由业务人员直接录入的信息，在被导出到外网数据库时，将被作为新数据插入外网数据库中；

（4）园区网由业务人员直接录入的信息，在被导出到外网数据库后，不能再次导出；

（5）信息经园区网业务系统更改、删除后，将更新到外网数据库中；

（6）供应商、成品、机型、专业类别等信息仅在园区网业务系统进行维护，维护后可将园区网数据库中的数据导入外网即可；

（7）每次导出数据到外网数据库时，只需导出发生更改、新增、删除的数据，从而实现数据同步；

（8）采用XML 技术，进行不同数据库之间的数据交换。管理人员根据业务管理需求，具体安排数据交换频率，建议每天一次或者两次。

四、结束语

2023 年5 月28 日，C919 飞机实现第一次商业载客飞行，此后，中国成为继美国、欧洲之后的大型民用飞机世界第三极。2016 年开始载客运行的ARJ21 飞机已经交付107 架，在国内外航线上实现安全载客超过700 万人次。中国商飞建立的中国自己的飞机全寿命周期数字化快速响应保障服务系统已经开始投入使用，随着所管理飞机数量的增加、飞行数据以及维护维修经验的快速积累，必将为中国大型飞机的长期、稳定、安全运行以及航线优化调整打下坚实的基础。