增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修應(yīng)用探討

蔣兵兵，劉勇志，馬 亮

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266044)

0 引言

隨著裝備的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的維修方式越來(lái)越難以應(yīng)對(duì)大量的檢修任務(wù)，檢修的時(shí)間和費(fèi)用大大增加。另一方面，隨著新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近些年出現(xiàn)了“基于狀態(tài)的維修”，即 CBM(condition based maintenance)，以及“增強(qiáng)型基于狀態(tài)的維修”，即CBM+(condition based maintenance plus)。由于具有傳統(tǒng)維修難以具備的優(yōu)勢(shì)，CBM+從一出現(xiàn)就受到廣泛的關(guān)注，甚至被認(rèn)為是未來(lái)一些復(fù)雜裝備的首選維修方式。

大量先進(jìn)技術(shù)和方法的使用，一方面為裝備維修帶來(lái)了新的機(jī)遇，另一方面，又為裝備維修帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。學(xué)習(xí)介紹CBM+的內(nèi)容和特點(diǎn)，可為未來(lái)裝備維修提供新的思路和方向;研究CBM+應(yīng)用的具體問(wèn)題，又可為今后“基于狀態(tài)維修”的整體工程提供借鑒和參考。

1 CBM+概述

CBM是指根據(jù)設(shè)備 (裝備)的狀態(tài)，實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的評(píng)估而采取的一整套維修措施，其宗旨是在有需要維修的客觀證據(jù)時(shí)才進(jìn)行維修，同時(shí)保證設(shè)備的安全性和可靠性，并降低使用和維修的費(fèi)用［1］。2004年12月20日，美國(guó)國(guó)防部指出，CBM旨在根據(jù)裝備的跡象來(lái)實(shí)施維修［2］。CBM+是CBM的擴(kuò)展，引入了更多的先進(jìn)技術(shù)和方法，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷能力、維修性和可靠性方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)陸航與導(dǎo)彈司令部 (AMCOM)前些年提出了在“阿帕奇”、“黑鷹”等直升機(jī)上安裝傳感器監(jiān)測(cè)元件健康狀況的計(jì)劃，西點(diǎn)軍校根據(jù)這一計(jì)劃將CBM+應(yīng)用于直升機(jī)維修中。結(jié)果表明，CBM+確實(shí)收到了預(yù)期的效果，它在減少裝備故障、縮短維修時(shí)間和減少維修費(fèi)用等方面都取得了較好的效果。隨著CBM+的繼續(xù)發(fā)展，其很有可能導(dǎo)致維修方式發(fā)生革命性的變化，從而“將維修從20世紀(jì)的工業(yè)時(shí)代帶入21世紀(jì)的信息時(shí)代［2］”。

CBM+作為CBM的增強(qiáng)型，繼承了CBM的理論，以狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以設(shè)備狀態(tài)信息與處理技術(shù)及維修分析決策技術(shù)為核心，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和故障診斷等技術(shù)對(duì)故障進(jìn)行診斷、檢測(cè)和隔離，確定設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行維修分析及決策，并實(shí)施維修活動(dòng)［1］。CBM+依靠傳感器監(jiān)測(cè)元件狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)信息進(jìn)行分析決策，能夠減少大量的計(jì)劃維修和計(jì)劃外維修，增加設(shè)備的可用度。

CBM+ 主要有以下特點(diǎn)［3］:

1)能把故障消除在萌芽狀態(tài)。事先檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)先巡檢，主動(dòng)巡查并確定異常狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行事先維修。

2)計(jì)劃性更符合實(shí)際。CBM+是建立在“狀態(tài)”基礎(chǔ)上的，它強(qiáng)調(diào)計(jì)劃?rùn)z測(cè)，事先搜集信息，計(jì)劃適時(shí)適度修理，因此它的計(jì)劃性更符合實(shí)際。

3)核心是巡回檢測(cè)、故障診斷和適時(shí)適度修理。CBM+又叫“預(yù)知修理”，就在于修理之前預(yù)知“狀態(tài)”，因而檢測(cè)工作十分重要。

4)按照需要進(jìn)行修理。CBM+只需更換或修理?yè)p壞的部件，減少了停機(jī)時(shí)間和隨機(jī)配件的消耗，提高了裝備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

從CBM+的介紹不難看出，應(yīng)用CBM+時(shí)，應(yīng)該充分考慮其3個(gè)主要的環(huán)節(jié):監(jiān)測(cè)、分析和決策。CBM+的主要內(nèi)容也是圍繞這3個(gè)方面來(lái)開(kāi)展的。根據(jù)文獻(xiàn) ［4］的介紹，CBM+的主要內(nèi)容包括:

1)狀態(tài)監(jiān)控

狀態(tài)監(jiān)控是指對(duì)設(shè)備的某些特征參數(shù) (如振動(dòng)、噪聲和溫度等)進(jìn)行測(cè)取，將測(cè)定值與規(guī)定的正常值進(jìn)行比較，以判別設(shè)備工作是否正常。設(shè)備的許多故障，在發(fā)生前都會(huì)有特定的征兆，其相應(yīng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生一系列的變化。狀態(tài)監(jiān)控就是要借助有效、可靠的儀器及技術(shù)手段，采集能真正表明設(shè)備故障狀態(tài)的參數(shù)，并把實(shí)測(cè)參數(shù)按一定數(shù)學(xué)模型計(jì)算出綜合指標(biāo)，從而得到反映設(shè)備現(xiàn)有狀態(tài)的實(shí)用參數(shù)。

2)故障診斷和預(yù)測(cè)

故障診斷，就是對(duì)設(shè)備產(chǎn)生故障的原因、部位、嚴(yán)重程度等一一做出判斷，從而為維修人員提供決策依據(jù)。故障診斷技術(shù)是對(duì)已經(jīng)采集到的狀態(tài)或故障信息進(jìn)行綜合分析、模式識(shí)別和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。隨著信號(hào)處理技術(shù)、專家處理系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)備故障診斷提供了良好的技術(shù)手段。故障預(yù)測(cè)就是通過(guò)建立的模型及各種智能方法對(duì)處于潛在故障的設(shè)備進(jìn)行故障間隔時(shí)間的預(yù)測(cè)。

3)維修決策

狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷的最終目的就是獲取維修決策。利用相關(guān)軟件可對(duì)所收集的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，得出維修決策，以決定對(duì)設(shè)備采用何種類型的維修。

經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展，尤其是在美國(guó)軍隊(duì)的實(shí)施中，CBM+技術(shù)更加成熟，各方面的配合也逐步形成。在信息化條件下，CBM+必將以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更加適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜裝備的維修需要，從而在未來(lái)復(fù)雜裝備的維修中發(fā)揮不可替代的作用。

2 CBM+應(yīng)用研究

CBM+存在著很多傳統(tǒng)維修方式難以具備的優(yōu)勢(shì)，美國(guó)陸航也提出了要在2011年大范圍實(shí)施CBM+，到2015年全部轉(zhuǎn)變維修方式的計(jì)劃。但是，要想徹底轉(zhuǎn)變維修方式，仍是一項(xiàng)具有重大挑戰(zhàn)的工程。

CBM+涉及的領(lǐng)域非常廣泛，要想實(shí)施基于狀態(tài)的維修，必須要考慮在部隊(duì)、工業(yè)和學(xué)術(shù)界之間建立緊密的合作、交流和資源共享關(guān)系［5］。因?yàn)?，基于狀態(tài)的維修，要利用大量先進(jìn)的技術(shù)和方法，將多方面的工作結(jié)合到一起，更重要的是，CBM+的實(shí)施，在有些情況下必須要在設(shè)計(jì)之初就予以充分考慮，否則后期便不能獲得預(yù)期的效果，這也是很多裝備面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，現(xiàn)存的很多裝備都很難達(dá)到實(shí)施CBM+的要求，相關(guān)的技術(shù)也欠成熟。事實(shí)上，如果CBM+的實(shí)施不夠謹(jǐn)慎，便很有可能事與愿違。因此，必須充分考慮到CBM+面臨的問(wèn)題和應(yīng)用條件:

1)CBM+元件的選取有一定的前提。并不是所有的元件都適合CBM+，CBM+對(duì)于有些元件是無(wú)能為力的。在選取元件時(shí)，必須要求元件是狀態(tài)可監(jiān)測(cè)的，并且，監(jiān)測(cè)到潛在故障的時(shí)間與功能故障時(shí)間必須有一定的間隔 (P－F間隔)，從而能夠在功能故障前進(jìn)行分析決策和及時(shí)維修。

2)CBM+應(yīng)該盡量應(yīng)用于那些檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、程序復(fù)雜、費(fèi)用較高、故障后果較為嚴(yán)重的元件。對(duì)于檢修容易、程序簡(jiǎn)單、費(fèi)用較低、故障后果不嚴(yán)重的元件，使用CBM+取得的成效也許就是得不償失的。在選取元件時(shí)，應(yīng)該充分考慮到上述因素。

3)傳感器發(fā)現(xiàn)潛在故障的概率以及發(fā)現(xiàn)潛在故障的時(shí)間對(duì)于CBM+效能是有直接影響的。因此，如何選取針對(duì)性強(qiáng)、與元件良好結(jié)合的傳感器也是一個(gè)很重要的因素，這最好在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮，為元件設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)針對(duì)性的傳感器。這需要在部隊(duì)、工業(yè)部門和學(xué)術(shù)界之間建立良好的合作關(guān)系。

4)備件供應(yīng)的延遲時(shí)間會(huì)嚴(yán)重影響CBM+的效能。研究表明［2］，如果從預(yù)訂到備件到達(dá)的時(shí)間比較長(zhǎng)，那么CBM+的優(yōu)勢(shì)雖然存在，但是已經(jīng)明顯下降了，并不能達(dá)到預(yù)期的效果，即不能節(jié)約大量的停機(jī)時(shí)間，裝備可用度并不能大幅度提高。因此，后勤保障也必須跟上CBM+發(fā)展的需要。

5)傳感器帶來(lái)的費(fèi)用必須計(jì)入總費(fèi)用之中。傳感器帶來(lái)的費(fèi)用包括傳感器本身的費(fèi)用、傳感器維修費(fèi)用以及由于傳感器故障導(dǎo)致無(wú)法有效監(jiān)測(cè)裝備而造成的系統(tǒng)損失費(fèi)用。在設(shè)計(jì)裝備時(shí)，也應(yīng)該考慮不要為檢修一項(xiàng)故障而增加其他故障的可能［2］。但在CBM+中，為了監(jiān)測(cè)元件狀態(tài)，引入了一套監(jiān)控設(shè)備，增加了可能故障的種類和數(shù)量，尤其是嵌入式傳感器，其故障不方便檢測(cè)，也存在一定的檢修時(shí)間和檢修費(fèi)用，甚至因?yàn)閭鞲衅鞴收隙鴺?lè)觀地相信元件狀態(tài)良好，從而造成嚴(yán)重的損失?？赡艹霈F(xiàn)的情況是，綜合監(jiān)控設(shè)備的故障和維修費(fèi)用，以及可能引發(fā)的系統(tǒng)損失費(fèi)用，總花費(fèi)大大超過(guò)了傳統(tǒng)維修。

6)CBM+在一定程度上利用了元件壽命周期模型，依照模型分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確還值得研究。另外，P－F間隔 (潛在故障到功能故障的時(shí)間)的模型不一定準(zhǔn)確，這也是影響分析決策的重要因素。從出現(xiàn)潛在故障到發(fā)現(xiàn)潛在故障的時(shí)間也需要實(shí)驗(yàn)和仔細(xì)分析，模型假設(shè)未必符合實(shí)際，仍需要做大量的工作，而這些工作又往往是難以在短期和少樣本的情況下進(jìn)行的。

7)影響CBM+綜合效能的一個(gè)重要因素是虛警率［2］。由于虛警率的存在，CBM+的效能會(huì)受到極大的影響。文獻(xiàn) ［2］給出了具體的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，虛警率只要小幅度上升，就會(huì)引起CBM+效能的迅速下降，從而掩蓋其所有的優(yōu)勢(shì)。

3 案例分析

3.1 幾種維修方式的比較

通過(guò)下面的例子來(lái)對(duì)比說(shuō)明CBM+與2種傳統(tǒng)維修方式，即事后維修和計(jì)劃維修的優(yōu)劣。

某裝備正常情況下，每年故障4次，每次故障造成的損失和維修費(fèi)用為30000元。一直以來(lái)采用按月檢修的辦法來(lái)預(yù)防，可保證每年故障僅為2次，但每次檢修費(fèi)用和停機(jī)造成的損失總共花費(fèi)為2000元?，F(xiàn)采用CBM+，不必進(jìn)行檢修，但由于傳感器漏報(bào)，每年仍會(huì)發(fā)生1次故障。傳感器平均每半年還可能虛警1次，由此造成計(jì)劃外維修，每次損失和花費(fèi)共計(jì)10000元，傳感器每年的采購(gòu)、維修費(fèi)用為10000元。試比較事后維修，計(jì)劃維修和CBM+的總費(fèi)用。

采用事后維修方式，每年費(fèi)用為

30000×4=120000(元);

采用計(jì)劃維修方式，每年費(fèi)用為

30000×2+2000×12=84000(元);

采用CBM+，每年費(fèi)用為

30000×1+10000×2+10000=60000(元)。

由此可見(jiàn)，采用CBM+在總花費(fèi)上具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 傳感器的虛警問(wèn)題

傳感器的虛警會(huì)給CBM+造成非常嚴(yán)重的影響。一般來(lái)說(shuō)，檢測(cè)狀態(tài)的傳感器要求有較高的靈敏度，但是靈敏度提高又很有可能導(dǎo)致虛警率的上升，理論分析表明，現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中，虛警率對(duì)綜合效能的影響比發(fā)現(xiàn)概率更為顯著。下面的例子可以較好地說(shuō)明這一點(diǎn)。

某裝備安裝了監(jiān)控狀態(tài)的傳感器，傳感器及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障的概率為99%，虛警率為0.5%，假設(shè)裝備出現(xiàn)潛在故障的概率為0.05%。某時(shí)刻傳感器報(bào)警，求此時(shí)實(shí)際存在潛在故障的概率。

用S表示存在潛在故障，用S1表示傳感器報(bào)警，由貝葉斯公式得

不難看出，實(shí)際上存在潛在故障的概率不足0.1，如果根據(jù)傳感器報(bào)警進(jìn)行分析，就可能會(huì)由于信息誤差導(dǎo)致決策失誤，使不必要的維修時(shí)間和費(fèi)用大量增加，那么CBM+便起到負(fù)作用了。而實(shí)際問(wèn)題中先驗(yàn)信息并不會(huì)像本例中給出的這么詳細(xì)、準(zhǔn)確和固定，因此，在使用CBM+的時(shí)候就必須特別注意類似的誤區(qū)，從而防止CBM+的負(fù)面作用。

4 結(jié)語(yǔ)

從前文分析可以看出，CBM+具有傳統(tǒng)維修所不能具備的優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜裝備的維修需要，能夠節(jié)約大量的人力、物力和時(shí)間，可以提高裝備的可用度，是未來(lái)維修的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。但是CBM+的使用要求較高，需要部隊(duì)、工業(yè)部門以及學(xué)術(shù)界進(jìn)行良好的溝通，依靠大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、先進(jìn)技術(shù)和方法以及較為先進(jìn)的工藝水平，既要保證監(jiān)控設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到實(shí)際的需要，又要使后勤保障跟上維修的需要，還要求多方協(xié)作，共同促進(jìn)，例如元件的選取、傳感器的設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、可靠指標(biāo)等，只有在這些方面都能夠進(jìn)行有效協(xié)作，才能促進(jìn)CBM+的快速發(fā)展，從而使CBM+發(fā)揮其應(yīng)有的積極作用，真正把維修方式從20世紀(jì)的工業(yè)時(shí)代帶入21世紀(jì)的信息時(shí)代。

［1］康建設(shè)，尹健，等.CBM系統(tǒng)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，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］張偉，康建設(shè)，王亞彬.基于狀態(tài)的維修及其建模研究［J］.計(jì)算機(jī)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.增強(qiáng)型基于狀態(tài)維修(CBM+)在美軍陸航的實(shí)施與發(fā)展［J］.航空維修與工程，2008(3):47－49.WANG Xin-zhou，F(xiàn)AN 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.