基于RFID 技術(shù)的機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)

朱志勝，丁淑君，許松林

（中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

0 引 言

一架民用運(yùn)輸飛機(jī)包括上百個(gè)機(jī)載設(shè)備，這些機(jī)載設(shè)備必須在飛機(jī)全生命周期內(nèi)持續(xù)維護(hù)，使其保持適航狀態(tài)。飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備的維護(hù)包括“定期維護(hù)”和“視情維護(hù)”兩種。前者屬于傳統(tǒng)的維護(hù)方式，也是目前航空公司主流的維護(hù)方式，體現(xiàn)了以預(yù)防事故為中心的維護(hù)思想。由于大部分故障在發(fā)生前都有一個(gè)發(fā)展過程，“視情維護(hù)”的理念是基于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備或系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，即“健康管理系統(tǒng)”。在傳統(tǒng)的定期維護(hù)方面，航空公司主要通過“機(jī)載設(shè)備履歷本”來(lái)記錄和管理機(jī)載設(shè)備日常使用、維護(hù)等信息。在飛機(jī)健康管理方面，已從早期簡(jiǎn)單的自檢測(cè)設(shè)備（BITE）演變?yōu)閷?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)健康狀態(tài)信息并下傳到地面。飛機(jī)制造商波音公司和空客公司在某些機(jī)型上分別建立了飛機(jī)健康管理（Air?craft Health Management，簡(jiǎn)稱AHM）系統(tǒng)和飛機(jī)維 修 分 析（Aircraft Maintenance Analysis，簡(jiǎn) 稱AIRMAN）系統(tǒng)，實(shí)時(shí)收集飛機(jī)的狀態(tài)信息。飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商中國(guó)南方航空公司開發(fā)了自己的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，中國(guó)國(guó)際航空公司（簡(jiǎn)稱國(guó)航）在AHM、AIRMAN 系統(tǒng)基礎(chǔ)上做二次開發(fā)對(duì)國(guó)航運(yùn)行的飛機(jī)設(shè)備故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？梢姍C(jī)載設(shè)備維護(hù)策略正由基于時(shí)間的“定期維護(hù)”逐步向基于狀態(tài)監(jiān)控的“視情維護(hù)”發(fā)展。目前飛機(jī)機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理實(shí)踐中以“定期維護(hù)”為主，“視情維護(hù)”為輔，但兩者又各有不足。在“定期維護(hù)”中雖已實(shí)現(xiàn)“機(jī)載設(shè)備履歷表”的電子化和信息化，但仍然以人工錄入和維護(hù)數(shù)據(jù)為主，無(wú)法高效準(zhǔn)確地監(jiān)控和維護(hù)設(shè)備的狀態(tài)，包括設(shè)備的健康管理、維修維護(hù)記錄、物理定位與追蹤等。在視情維護(hù)理念下的“健康管理系統(tǒng)”中目前僅針對(duì)部分重要機(jī)載設(shè)備做實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，即便如此還面臨機(jī)載設(shè)備供應(yīng)商所提供的設(shè)備軟件即數(shù)據(jù)通信格式不一致以及空地?cái)?shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)膸捪拗频葐栴}。此外，民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的維護(hù)管理不僅限于設(shè)備維修維護(hù)這一環(huán)節(jié)，還涉及機(jī)載設(shè)備的采供、裝配、財(cái)務(wù)、出入庫(kù)管理等環(huán)節(jié)。RFID 技術(shù)作為一個(gè)較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有可能將上述業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)綜合起來(lái)，提高工作效率。在國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)制造領(lǐng)域，目前僅在飛機(jī)裝配環(huán)節(jié)有基于RFID 的數(shù)字化裝配管理系統(tǒng)的研究。

在國(guó)外，空客公司、波音公司以及其他航空公司已嘗試在民航領(lǐng)域應(yīng)用RFID 技術(shù)。波音公司最早在飛機(jī)工具管理中使用RFID 技術(shù)，并配備了所有包含歷史以及運(yùn)輸、航線和海關(guān)信息的RFID 微芯片的工具和工具箱；而空客公司則是對(duì)其地面設(shè)備和工具進(jìn)行RFID 標(biāo)記；之后波音公司與日本航空、美國(guó)阿拉斯加航空等合作開展關(guān)于RFID 技術(shù)的研究?？湛虯350、A380 飛機(jī)已逐步采用RFID 技術(shù)管理機(jī)載設(shè)備。在國(guó)內(nèi)民航運(yùn)輸和維修領(lǐng)域，中國(guó)東方航空公司與中國(guó)南方航空公司等運(yùn)營(yíng)商在航空管理、庫(kù)房管理等方面均開展了RFID 技術(shù)的應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)部分飛機(jī)維修機(jī)構(gòu)在飛機(jī)某個(gè)機(jī)載設(shè)備維護(hù)上采用RFID 技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，但是還未有采用RFID 技術(shù)對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行全生命周期的維護(hù)管理用于應(yīng)用研究的案例。

本文提出一種民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備在全生命周期中維護(hù)與管理系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)根據(jù)機(jī)載設(shè)備全生命周期維護(hù)管理的業(yè)務(wù)流程，以客艙應(yīng)急設(shè)備檢修工作為例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)本系統(tǒng)推廣應(yīng)用挑戰(zhàn)較大的三個(gè)因素進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述的系統(tǒng)（如圖1 所示）包括一個(gè)基于云數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)”）【100】；一個(gè)手持終端設(shè)備【200】，作為RFID 讀寫器，與波音公司發(fā)明的“用于在飛機(jī)上實(shí)時(shí)RFID定位的方法和系統(tǒng)”不同，波音公司發(fā)明的系統(tǒng)為固定位置RFID 讀寫器，而本文所述系統(tǒng)為便攜式移動(dòng)讀寫器；一組安裝于機(jī)載設(shè)備上的RFID 標(biāo)簽【300】。手持終端設(shè)備【200】具備蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信功能、RFID 射頻發(fā)射與接收功能。數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)【100】與手持終端設(shè)備【200】之間通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括但不限于5G、WiFi 等，具體取決于應(yīng)用環(huán)境。用戶通過手持終端設(shè)備【200】可以及時(shí)上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)【100】，反之也可以通過手持終端設(shè)備【200】隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)【100】獲取數(shù)據(jù)。RFID 標(biāo)簽【300】采用無(wú)源高頻標(biāo)簽，它與手持終端設(shè)備【200】的無(wú)線適配距離達(dá)10～15 m。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System configuration

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)關(guān)聯(lián)了企業(yè)的一般業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示，包括財(cái)務(wù)與采供系統(tǒng)【102】、機(jī)載設(shè)備健康管理系統(tǒng)【103】、工單管理系統(tǒng)【104】、物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】等。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)Fig.2 Database configuration

財(cái)務(wù)與采供系統(tǒng)【102】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的采購(gòu)信息，如名稱、件號(hào)、序列號(hào)數(shù)量、單價(jià)、適航批單等數(shù)據(jù)，并反饋工時(shí)統(tǒng)計(jì)信息、設(shè)備/耗材使用信息等數(shù)據(jù)至財(cái)務(wù)與采購(gòu)系統(tǒng)【102】。健康管理系統(tǒng)【103】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的定檢計(jì)劃、維護(hù)記錄、維修記錄、故障報(bào)告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)等，并反饋相關(guān)的維修維護(hù)信息等數(shù)據(jù)至健康管理系統(tǒng)【103】；工單管理系統(tǒng)【104】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的工單派發(fā)計(jì)劃，并反饋工單作業(yè)報(bào)告等數(shù)據(jù)至工單管理系統(tǒng)【104】。物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的庫(kù)存信息、出入庫(kù)信息等數(shù)據(jù)，并將設(shè)備的及時(shí)物理位置信息等數(shù)據(jù)反饋給物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】。

1.3 機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)

機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)包括用戶管理、功能管理、飛機(jī)管理、機(jī)載設(shè)備管理等功能模塊。其中用戶管理模塊主要是用于授權(quán)用戶維護(hù)和管理該系統(tǒng)；工單管理模塊用于向終端派發(fā)電子工單以及接收和管理從終端接收到的工單流程、工時(shí)信息、工單作業(yè)報(bào)告等；飛機(jī)管理模塊用于定義和管理現(xiàn)有飛機(jī)的基本信息，包括飛機(jī)型號(hào)、飛機(jī)注冊(cè)號(hào)、制造序列號(hào)、飛機(jī)機(jī)載零部件清冊(cè)信息、飛機(jī)機(jī)載設(shè)備安裝位置信息等；機(jī)載設(shè)備管理模塊用于定義和管理機(jī)載設(shè)備的基本信息，包括設(shè)備名稱、件號(hào)、序列號(hào)數(shù)量、單價(jià)、適航批單、定檢計(jì)劃、維護(hù)記錄、維修記錄、故障報(bào)告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)、設(shè)備申領(lǐng)記錄、設(shè)備實(shí)時(shí)位置管理等信息。各系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示。

圖3 機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Function modules of equipment maintenance and management system

1.4 手持終端

手持終端設(shè)備包括用戶管理、工單管理、RFID射頻信號(hào)收發(fā)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)等功能模塊，如圖4 所示。其中用戶管理模塊主要是用于登陸用戶的審核及授權(quán)；工單管理模塊用于接收、處理工單任務(wù)，上傳工單報(bào)告等；RFID 射頻信號(hào)收發(fā)功能模塊用于手持終端和RFID 標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸；蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)功能模塊用于和機(jī)載設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 手持終端設(shè)備功能模塊Fig.4 Function modules of handheld terminal equipment

2 應(yīng)用實(shí)踐

2.1 業(yè)務(wù)流程

從飛機(jī)制造商或飛機(jī)運(yùn)營(yíng)、維修商角度而言，所采購(gòu)（或自制）的機(jī)載設(shè)備先后經(jīng)歷的主要業(yè)務(wù)流程如圖5 所示，包括檢驗(yàn)出廠、檢驗(yàn)入庫(kù)、領(lǐng)用出庫(kù)、裝機(jī)、定期維護(hù)、拆卸、故障入庫(kù)、送修出庫(kù)、定點(diǎn)維修，再返回檢驗(yàn)出廠的閉環(huán)流程。一般來(lái)說(shuō)，在每個(gè)業(yè)務(wù)流程環(huán)節(jié)均通過相應(yīng)的表單來(lái)記錄和控制機(jī)載設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖5 機(jī)載設(shè)備生命周期作業(yè)流程Fig.5 Entire life cycle process of airborne equipment

系統(tǒng)利用RFID 技術(shù)，通過讀/寫每個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的表單數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載設(shè)備全生命周期的監(jiān)控和管理。具體可描述為通過RFID 技術(shù)，在每個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)掃描機(jī)載設(shè)備上的RFID 標(biāo)簽以寫入或讀出相應(yīng)的狀態(tài)表單。

2.2 客艙應(yīng)急設(shè)備檢修工作實(shí)例

客艙應(yīng)急設(shè)備包括便攜式滅火瓶、救生衣/筏，這些設(shè)備需要在航線上定期維護(hù)。航空公司機(jī)務(wù)在手持終端登錄，通過身份驗(yàn)證后，可獲得當(dāng)前該用戶待處理的工單任務(wù)列表，如圖6 所示。

圖6 手持終端待辦任務(wù)頁(yè)Fig.6 Task page in waiting of handheld terminal

點(diǎn)擊圖6 中第一項(xiàng)，執(zhí)行“航線維護(hù)”工單，機(jī)務(wù)手持具備RFID 閱讀器功能的終端設(shè)備，在客艙過道行走時(shí)，貼有RFID 標(biāo)簽的設(shè)備會(huì)自動(dòng)向RFID 閱讀器發(fā)出信號(hào)，傳輸信息。相關(guān)RFID 位置感知技術(shù)領(lǐng)域的研究表明，RFID 終端設(shè)備能夠準(zhǔn)確感應(yīng)到貼有RFID 標(biāo)簽的設(shè)備的具體位置，精度可達(dá)到“最后一米”，該精度已滿足本應(yīng)用場(chǎng)景的精度要求。執(zhí)行維護(hù)工單如圖7 所示，紅色圓點(diǎn)表示設(shè)備缺失，終端設(shè)備未在固定位置識(shí)別到相應(yīng)的設(shè)備，需機(jī)務(wù)進(jìn)行人工確認(rèn)；綠色方塊表示正常，終端設(shè)備被識(shí)別，且當(dāng)前仍在正常使用期限內(nèi)；黃色菱形表示即將到期，根據(jù)設(shè)備反饋信號(hào)，該位置設(shè)備即將超出使用期限，需要做進(jìn)一步維護(hù)處理。全部檢查完成后，點(diǎn)擊“生成工單報(bào)告”按鍵，獲得工單報(bào)告，進(jìn)入頁(yè)面如圖8 所示。機(jī)務(wù)可在工單報(bào)告中輸入檢查結(jié)果，并報(bào)告有無(wú)異常等。此外，機(jī)務(wù)還可以針對(duì)圖7 中的單個(gè)設(shè)備查詢追溯其維護(hù)歷史記錄，如圖9 所示。

圖7 執(zhí)行維護(hù)工單Fig.7 Execute work order of maintenance

圖8 工單報(bào)告頁(yè)Fig.8 Report page of work order

圖9 手持終端產(chǎn)品歷史追溯頁(yè)面Fig.9 History searching page of handheld terminal

2.3 手持終端操作流程

本系統(tǒng)根據(jù)航空公司機(jī)務(wù)工作實(shí)踐開發(fā)，利用RFID 技術(shù)將機(jī)載設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)電子工單管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工單的派發(fā)、執(zhí)行、工單報(bào)告編制以及機(jī)載設(shè)備維修維護(hù)追溯的全過程管理。

手持終端操作系統(tǒng)操作過程如圖10 所示，第一步，登錄系統(tǒng)；第二步，瀏覽所有待辦任務(wù)；第三步，選擇并執(zhí)行工單；第四步，編制與生成工單報(bào)告。考慮到業(yè)務(wù)實(shí)踐的需求，該電子工單系統(tǒng)還具備查閱產(chǎn)品歷史維護(hù)記錄的功能。

圖10 手持終端操作流程Fig.10 Operation process of handheld terminal

3 典型應(yīng)用場(chǎng)景與局限性分析

3.1 客艙時(shí)壽件維護(hù)

客艙時(shí)壽件主要指救生衣、救生筏、滅火瓶、氧氣瓶等安裝在客艙內(nèi)，同時(shí)需要在航線上進(jìn)行定期維護(hù)的機(jī)載設(shè)備。目前此類工作主要是由機(jī)務(wù)通過目視檢查的方式進(jìn)行，這種檢查方式存在諸多由人為因素導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如忘記檢查點(diǎn)、忽略檢查點(diǎn)、對(duì)檢查項(xiàng)目的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)掌握程度不一致等，且這種檢查方式效率低。波音公司B777飛機(jī)氧氣瓶維護(hù)的項(xiàng)目，使用RFID 技術(shù)后，檢查時(shí)間只需要8.5 min 即可完成。而借助本系統(tǒng)，機(jī)務(wù)通過手持RFID 終端設(shè)備在客艙過道走一圈即可完成客艙所有時(shí)壽件的檢查，并在線編制和提交工單報(bào)告。

3.2 飛機(jī)重要LRU 件維護(hù)

LRU（Line Replaceable Unit）是指航線可更換設(shè)備，對(duì)于飛機(jī)上重要的LRU 件要在航前或航后做例行檢查。例如通過RFID 技術(shù)對(duì)起落架進(jìn)行健康監(jiān)控，以幫助降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。本系統(tǒng)能夠在此類檢查中發(fā)揮作用，提高效率。

3.3 推廣應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

RFID 技術(shù)在上述場(chǎng)景中的應(yīng)用仍然有局限性，主要表現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

（1）標(biāo)簽的安裝

將RFID 標(biāo)簽安裝在機(jī)載設(shè)備上通常有三種方式，分別為粘接、鉚接或螺接、綁扎。可以根據(jù)不同的設(shè)備類型，恰當(dāng)?shù)剡x用這三種方式。但是在目前，RFID 標(biāo)簽主要由OEM（飛機(jī)制造商）實(shí)施安裝，在實(shí)踐中會(huì)遇到大量的機(jī)載設(shè)備，由于設(shè)備外形、機(jī)載設(shè)備位置等因素，導(dǎo)致這三種方式均無(wú)法牢固地將RFID 標(biāo)簽安裝在設(shè)備上。因此建議由上游機(jī)載設(shè)備生產(chǎn)商在設(shè)備設(shè)計(jì)和生成時(shí)就將RFID 標(biāo)簽一并安裝好，但是需要由OEM 大力推動(dòng)并獲得上游機(jī)載設(shè)備生產(chǎn)商的支持。

（2）適航問題

在民航應(yīng)用領(lǐng)域需要獲得適航當(dāng)局批準(zhǔn)的應(yīng)用一般有：備件管理、飛機(jī)部件管理、航空貨運(yùn)、維修維護(hù)等。而局方的適航符合性審查將耗費(fèi)大量的時(shí)間，這對(duì)申請(qǐng)方（OEM 或航空公司）來(lái)說(shuō)意味著增加了成本，因此應(yīng)用推廣難度很大。

（3）標(biāo)簽成本

近些年RFID 標(biāo)簽越來(lái)越輕薄，價(jià)格也越來(lái)越低，已經(jīng)從21 世紀(jì)初的1 美元左右降到0.1 美元左右，但是與傳統(tǒng)的條碼標(biāo)簽相比，RFID 標(biāo)簽仍然沒有成本優(yōu)勢(shì)。

（4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

RFID 技術(shù)在航空領(lǐng)域主要的通用標(biāo)準(zhǔn)是ATA Spec2000《物料管理電子商務(wù)規(guī)范》，適用于航程和可靠性數(shù)據(jù)交互協(xié)議；SAE AS5678《航空器用要求的無(wú)源無(wú)線頻率識(shí)別（RFID）標(biāo)簽》，闡述了標(biāo)簽的耐溫、耐壓、抗沖擊和腐蝕等性能要求；我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為MN/T 1025—2009《民用航空行李運(yùn)輸無(wú)線RFID 規(guī)范》，適用于民用航空運(yùn)輸企業(yè)的行李運(yùn)輸服務(wù)。整體來(lái)說(shuō)，RFID 技術(shù)在航空制造業(yè)和維修維護(hù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范雖有一定的基礎(chǔ)，但尚不完善，不利于RFID技術(shù)在此領(lǐng)域的推廣使用。

4 結(jié) 論

（1）本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的機(jī)載設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)。通過利用RFID 技術(shù)，對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行維護(hù)狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與檢索，實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備在制造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等各個(gè)操作業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)過程的監(jiān)控和管理，極大提高了機(jī)載設(shè)備全壽命周期的自動(dòng)化、信息化管理效率，可以在機(jī)載設(shè)備制造、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（2）RFID 技術(shù)在其他行業(yè)應(yīng)用廣泛，這些行業(yè)往往比民用航空業(yè)更能作為早期應(yīng)用方對(duì)該技術(shù)做出響應(yīng)。在民用航空領(lǐng)域，越來(lái)越多的航空公司、機(jī)場(chǎng)和飛機(jī)制造商將這項(xiàng)技術(shù)作為未來(lái)的關(guān)鍵戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。