民用飛機(jī)維修中的科學(xué)問(wèn)題

摘 要：本文凝練并給出了民用飛機(jī)維修的價(jià)值追求，包括飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的安全性、機(jī)載系統(tǒng)的能觀性與能控性、維修經(jīng)濟(jì)性以及維修流程的可操作性與可推廣性。梳理并總結(jié)了現(xiàn)行維修體系的實(shí)現(xiàn)路徑，包括初始適航、維修技術(shù)體系、維修成本控制以及維修技術(shù)和管理的普適性。對(duì)比分析了預(yù)防性維修和預(yù)測(cè)性維修的主要特征，指明未來(lái)的民用飛機(jī)維修將以預(yù)測(cè)性維修模式為核心特征。詳細(xì)討論了民用飛機(jī)維修面臨的6個(gè)方面的需求和對(duì)策以及對(duì)科學(xué)問(wèn)題的思考。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)維修； 維修思想； 預(yù)測(cè)性維修； 科學(xué)問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：V37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.07.001

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金（62173331）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（23JCYBJC00060）

在民用飛機(jī)維修從預(yù)防性維修模式躍升到預(yù)測(cè)性維修模式的技術(shù)背景下探討其中蘊(yùn)含的科學(xué)問(wèn)題是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作。在探討和分析的過(guò)程中，首先要明確民用飛機(jī)維修的價(jià)值追求，它決定了科學(xué)問(wèn)題的提出或者科學(xué)研究的主要方向；其次是要對(duì)民用飛機(jī)維修技術(shù)現(xiàn)狀做出準(zhǔn)確判斷，找到技術(shù)進(jìn)步的“基準(zhǔn)線”，它決定了科學(xué)研究的現(xiàn)實(shí)起點(diǎn)；最后要搞清面向未來(lái)的預(yù)測(cè)性維修模式的具體需求并從中提取出關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，它決定了科學(xué)研究的具體內(nèi)容和采用的主要方法或手段。

1 民用飛機(jī)維修的價(jià)值追求

無(wú)論是目前的預(yù)防性維修模式還是未來(lái)的預(yù)測(cè)性維修模式，二者的價(jià)值追求是一致的，可以概括為以下4個(gè)方面。

1.1 飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的安全性

一架飛機(jī)在交付給航空公司進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)之前，其安全性、可靠性及可維修性的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)水平對(duì)后續(xù)的維修保障行為具有重大影響，因此，飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的安全性可以看作維修價(jià)值追求的邏輯起點(diǎn)。從最頂層的安全性設(shè)計(jì)理念來(lái)考察，自代表性機(jī)型波音707開(kāi)始，到波音737NG，再到波音787、空客A350和中國(guó)C919等，在安全性設(shè)計(jì)理念方面，大概經(jīng)歷了完整性設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、失效安全設(shè)計(jì)和系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)等4個(gè)階段。完整性設(shè)計(jì)突出強(qiáng)調(diào)的是飛機(jī)功能層面的完整性。所謂冗余設(shè)計(jì)指的是為了保障飛行器本體運(yùn)行的高度安全，對(duì)關(guān)鍵的機(jī)載系統(tǒng)（如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IRS）、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）等）采取多套備份、互相冗余的設(shè)計(jì)，使飛機(jī)具備故障之后的工作能力。失效安全設(shè)計(jì)指的是機(jī)載系統(tǒng)、部件發(fā)生部分失效或功能降級(jí)之后，依靠剩余的能力仍然能夠在可以接受的安全性水平線之上運(yùn)行一定的時(shí)間，以便完成應(yīng)急處置的程序。系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)則是引入了系統(tǒng)工程的理念，把飛機(jī)整體的安全性指標(biāo)體系逐層分解，直至分解到某個(gè)具體部件，從而為飛機(jī)部件級(jí)的設(shè)計(jì)、制造提出量化的可靠性指標(biāo)。

從適航規(guī)章的角度考察，民航是一個(gè)極其注重規(guī)章、規(guī)范的行業(yè)，其適航規(guī)章的演進(jìn)大致經(jīng)歷了事故經(jīng)驗(yàn)總結(jié)推動(dòng)規(guī)章完善、技術(shù)理論研究驅(qū)動(dòng)規(guī)章完善、系統(tǒng)安全理論發(fā)展引領(lǐng)規(guī)章變革三個(gè)階段。事故經(jīng)驗(yàn)總結(jié)推動(dòng)規(guī)章完善指的是規(guī)章完善的主要?jiǎng)恿?lái)自發(fā)生事故之后的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。技術(shù)理論研究驅(qū)動(dòng)規(guī)章完善是隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平的提升、相關(guān)學(xué)科理論研究的進(jìn)步，以及飛機(jī)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累，加深了我們對(duì)飛機(jī)本體的認(rèn)知程度，從而驅(qū)動(dòng)規(guī)章的完善，此時(shí)的規(guī)章是系統(tǒng)性與經(jīng)驗(yàn)性并存的。系統(tǒng)安全理論發(fā)展引領(lǐng)規(guī)章變革，指的是把系統(tǒng)安全的理念和分析方法全面引入飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將規(guī)章中定性描述式的要求轉(zhuǎn)變?yōu)槎渴奖磉_(dá)，如發(fā)生災(zāi)難性事故的概率不得超過(guò)10-9/飛行小時(shí)。

從適航管理的角度考察，我國(guó)管理模式大致經(jīng)歷了蘇聯(lián)模式、規(guī)章“跟隨者”和規(guī)章“參與者”三個(gè)階段，并將最終成為規(guī)章“制定者”。蘇聯(lián)模式下的適航管理由空軍領(lǐng)導(dǎo)，以行政管理為主，主要是實(shí)施型號(hào)定型審查。隨著全面引進(jìn)歐美飛機(jī)、裝備，我國(guó)同步引入了歐美系的適航規(guī)章及標(biāo)準(zhǔn)，參考美國(guó)聯(lián)邦航空條例（FAR）等建立起自己的適航規(guī)章體系，開(kāi)展了MA60等多種型號(hào)的合格審定，并與美國(guó)簽署有限雙邊協(xié)議，成為規(guī)章“跟隨者”。隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)戰(zhàn)略的提出和中國(guó)航空制造業(yè)水平的快速提升，我國(guó)與美國(guó)簽署了全面雙邊協(xié)議，并開(kāi)展C919飛機(jī)等型號(hào)的合格審定，成為規(guī)章“參與者”。面向未來(lái)，隨著C929型號(hào)的推進(jìn)和ARJ21、C919等型號(hào)的迭代升級(jí)，我國(guó)將成為適航規(guī)章的重要“制定者”。

總的來(lái)看，通過(guò)規(guī)范化的設(shè)計(jì)和制造，賦予并實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)本體的高度安全性。

1.2 機(jī)載系統(tǒng)的能觀性與能控性

機(jī)載系統(tǒng)能觀、能控是民用飛機(jī)維修價(jià)值追求的技術(shù)前提。機(jī)載系統(tǒng)的能觀性指的是能全面感知機(jī)載系統(tǒng)的健康狀態(tài)，此時(shí)的維修行為是高效的，否則將會(huì)導(dǎo)致維修不足或者維修過(guò)度。機(jī)載系統(tǒng)的能控性指的是能準(zhǔn)確評(píng)估維修體系和維修行為的有效性，即維修行為必須能夠有效地保持系統(tǒng)和部件固有的安全性和可靠性水平。當(dāng)然，機(jī)載系統(tǒng)的能觀能控是一種理想狀態(tài)，而在技術(shù)發(fā)展的某一個(gè)階段，這種目標(biāo)不一定能夠完全做到。在不能完全做到對(duì)機(jī)載系統(tǒng)的能觀能控時(shí)，所采取的最典型的一種做法就是MSG-2維修思想。MSG-2是基于預(yù)防性思想的維修，它是面向過(guò)程的[1]。由于無(wú)法準(zhǔn)確、全面感知機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并精確刻畫(huà)系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的性能衰退規(guī)律，所以采用MSG-2制定出來(lái)的維修大綱，對(duì)飛機(jī)每類(lèi)組件（系統(tǒng)、部件或結(jié)構(gòu)）采用由“從下往上”的分析方法，采用定時(shí)（HT）、視情（OC）和狀態(tài)監(jiān)控（CM）三種方式來(lái)完成計(jì)劃性維修。這里的“從下往上”指的是遵循部件、系統(tǒng)、區(qū)域、整機(jī)的順序進(jìn)行分析。視情檢查（OC）是通過(guò)定期檢查和測(cè)試來(lái)確定部件或系統(tǒng)的工作狀況，其目的是在部件失效前拆下部件，因此需要保證部件在下次檢查前工作正常，其檢查間隔是基于使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。而監(jiān)控項(xiàng)目（CM）允許故障發(fā)生，狀態(tài)監(jiān)控部件不要求計(jì)劃性地翻修或維修任務(wù)，需要通過(guò)分析部件的拆換和故障數(shù)據(jù)來(lái)確定適當(dāng)?shù)木S修計(jì)劃。

1.3 維修經(jīng)濟(jì)性

維修經(jīng)濟(jì)性即維修成本控制，是航空公司、航空維修企業(yè)（MRO）永恒的追求。

在此提供幾個(gè)維修成本控制的典型示例。第一個(gè)例子是MSG-3維修思想下的飛機(jī)定檢。飛機(jī)定檢時(shí)，要對(duì)各項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行分類(lèi)，以便于制訂維修計(jì)劃和組織維修生產(chǎn)。利用“聚類(lèi)”的手段把維修間隔相近的維修任務(wù)打包合并，通過(guò)一次停場(chǎng)完成維修包內(nèi)的全部任務(wù)，避免了重復(fù)打開(kāi)口蓋、拆裝蓋板等操作，實(shí)際上是減少了維修任務(wù)的總量，提升了維修經(jīng)濟(jì)性。例如，空客320s飛機(jī)的A檢間隔是750FH/ 100DAY/500FC（典型值），C檢間隔是6000FH/20MO/4500FC（典型值）。第二個(gè)例子是維修任務(wù)組合優(yōu)化。如波音777，其維修方案規(guī)定了系統(tǒng)C檢和結(jié)構(gòu)C檢兩種不同的間隔，其中，系統(tǒng)C檢間隔為7500FH；結(jié)構(gòu)C檢間隔為4000FC或750DAY（先到為準(zhǔn)）。在維修實(shí)踐中，系統(tǒng)檢和結(jié)構(gòu)檢的維修間隔差距不大，可以整合在一起執(zhí)行，從而節(jié)省飛機(jī)的累計(jì)停場(chǎng)時(shí)間。第三個(gè)例子是維修間隔的優(yōu)化，分為延長(zhǎng)維修間隔和縮短維修間隔兩種類(lèi)型。某型飛機(jī)的維修方案一直要求在航前執(zhí)行燃油箱放沉淀工作。在半年時(shí)間內(nèi)對(duì)該機(jī)型6架次進(jìn)行油箱放沉淀抽樣工作，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一架飛機(jī)的油樣含有水分，結(jié)合飛機(jī)自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將燃油箱放沉淀工作的間隔延長(zhǎng)至三天，并且獲得適航當(dāng)局的批準(zhǔn)，大大節(jié)約了維修成本。在縮短維修間隔方面，某型飛機(jī)曾出現(xiàn)電子艙設(shè)備冷卻系統(tǒng)故障，最低設(shè)備清單（MEL）規(guī)定該系統(tǒng)故障為不可放行項(xiàng)目。而冷卻風(fēng)扇的MTBF只有800FH，送修費(fèi)用為1500～2000美元。由于冷卻風(fēng)扇的可靠性太低，為保證航班正常，必須增加風(fēng)扇的庫(kù)存數(shù)量，這樣會(huì)導(dǎo)致航材庫(kù)存成本大幅提高，而根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)，縮短其維修間隔就會(huì)使這個(gè)維修項(xiàng)目得到優(yōu)化，更加經(jīng)濟(jì)。

1.4 維修流程的可操作性與可推廣性

從可操作性和可推廣性的角度考察，民用飛機(jī)維修是跨地域、跨種族、跨文化的全球性的技術(shù)行為。

圖1展示了完整的民用飛機(jī)維修流程。飛機(jī)制造商會(huì)聯(lián)合管理當(dāng)局、設(shè)備供應(yīng)商和航空公司成立工業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)（ISC），ISC基于 MSG-3維修思想編制飛機(jī)的初始維修大綱，以維修審查委員會(huì)報(bào)告（MRBR）的形式發(fā)布，并報(bào)管理當(dāng)局批準(zhǔn)。飛機(jī)制造商在拿到MRBR之后，會(huì)添加一部分制造商經(jīng)驗(yàn)和關(guān)注事項(xiàng)，形成維修計(jì)劃文件（MPD），MPD隨同飛機(jī)一并交付給航空公司，航空公司在MPD基礎(chǔ)上，再添加自身和所在國(guó)管理當(dāng)局關(guān)注的維修項(xiàng)目，形成航空公司維修方案（OMP），以O(shè)MP為基本遵循，結(jié)合各種維修（排故）手冊(cè)，編制出維修工卡（Job Card）。航線維修、定檢維修和附件維修的操作都是在工卡的具體指導(dǎo)下實(shí)施的。如果在維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)飛機(jī)有維修性設(shè)計(jì)方面的缺陷或者需要改進(jìn)的地方，可以提出問(wèn)題報(bào)告（Task Report），結(jié)合飛機(jī)制造商提供的數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，提出維修間隔、維修任務(wù)的增刪等方面的調(diào)整建議，并交由工業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)（ISC）下設(shè)的各個(gè)維修工作組（MWG），MWG匯總收集調(diào)整建議并經(jīng)ISC評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)之后，就可以對(duì)飛機(jī)的維修大綱做出改進(jìn)和完善。這就是完整的民用飛機(jī)維修技術(shù)流或者信息流。從這個(gè)角度可以清晰地看出，民用飛機(jī)維修是一項(xiàng)貫穿飛機(jī)設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行全鏈條的技術(shù)行為，這套流程最重要的意義是成功實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)制造活動(dòng)和飛機(jī)維修活動(dòng)之間的隔離，即飛機(jī)制造商不承擔(dān)飛機(jī)維修任務(wù)，而把飛機(jī)維修任務(wù)交由航空公司或MRO來(lái)負(fù)責(zé)，這是與軍用飛機(jī)維修活動(dòng)的重大區(qū)別。

2 現(xiàn)行維修體系的實(shí)現(xiàn)路徑

基于對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的安全性、機(jī)載系統(tǒng)的能觀性與能控性、維修經(jīng)濟(jì)性以及維修流程的可操作性與可推廣性的價(jià)值追求，現(xiàn)行的維修體系涉及維修技術(shù)和維修工程管理，已經(jīng)給出了系統(tǒng)性的解決方案，保障了飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的高度安全性和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)行維修體系的主要觀測(cè)點(diǎn)可以概括為以下4個(gè)方面。

2.1 初始試航暨飛機(jī)本體安全

初始適航側(cè)重對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)的管理和控制。在飛機(jī)交付使用前，適航部門(mén)依據(jù)各類(lèi)適航標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造所進(jìn)行的型號(hào)合格審定和生產(chǎn)許可審定，主要涉及型號(hào)合格證（TC）、生產(chǎn)許可證（PC）和適航證。TC[2]用于證明民用航空產(chǎn)品（飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳）符合相應(yīng)適航當(dāng)局的適航規(guī)章以及環(huán)境保護(hù)要求。取得TC的民用航空產(chǎn)品意味著認(rèn)可其設(shè)計(jì)已經(jīng)符合相應(yīng)的適航標(biāo)準(zhǔn)，是飛機(jī)投入生產(chǎn)和使用的前提條件。PC[3]用于表明允許按照經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的質(zhì)量系統(tǒng)生產(chǎn)民用航空產(chǎn)品 （飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳）。PC是對(duì)航空產(chǎn)品生產(chǎn)的批準(zhǔn)。適航證[4]用于表明該飛機(jī)符合經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的設(shè)計(jì)并且處于安全可用的狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)制造階段，與飛機(jī)本體安全相關(guān)的過(guò)程主要包括安全性/可靠性計(jì)劃、飛機(jī)級(jí)功能危害評(píng)估（FHA）、系統(tǒng)級(jí)FHA、初步系統(tǒng)安全性分析（PSSA）、系統(tǒng)安全性分析（SSA）、系統(tǒng)安全性需求傳遞、供應(yīng)商活動(dòng)、共因分析（CCA）、特殊風(fēng)險(xiǎn)分析、區(qū)域安全性分析、人為因素分析、首飛活動(dòng)、飛機(jī)安全性綜合、運(yùn)行可靠性等。

飛機(jī)的安全性設(shè)計(jì)是初始適航管理的核心要點(diǎn)之一。目前，民用飛機(jī)對(duì)安全性要求有明確的適航標(biāo)準(zhǔn)，如發(fā)生災(zāi)難性事故的概率要求為≤10-9/飛行小時(shí)。

2.2 維修技術(shù)體系

圖2展示了目前民用飛機(jī)維修技術(shù)體系的基本脈絡(luò)，從維修思想到維修大綱，到維修方案，到生產(chǎn)任務(wù)，到生產(chǎn)控制，最后到技術(shù)工藝和裝備，整個(gè)維修技術(shù)體系呈現(xiàn)一個(gè)從“慢變”到“快變”的過(guò)程。目前的維修思想是MSG-3?；贛SG-3所編制的維修大綱和維修方案是面向任務(wù)的維修文件；具體到維修任務(wù)實(shí)施及其生產(chǎn)控制，目前所依靠的支持系統(tǒng)主要是半人工和半信息化的形式；而核心的維修技術(shù)、工藝和裝備，目前還主要掌控在歐美原廠設(shè)備制造商（OEM）手中。

這里簡(jiǎn)單回顧一下維修思想。自從有了飛機(jī)維修實(shí)踐活動(dòng)之后，人們就在不斷地探索新的維修思想。從“預(yù)防性維修為主”的MSG-1、MSG-2維修思想發(fā)展到目前“以可靠性為中心”的MSG-3維修思想。MSG-3建立在可靠性數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，通過(guò)收集數(shù)據(jù)（能觀）、分析數(shù)據(jù)，找出數(shù)據(jù)發(fā)展變化趨勢(shì)，以判斷系統(tǒng)、部件的可靠性水平，從而采取有針對(duì)性的維修工作，以保持系統(tǒng)和部件固有的安全性和可靠性水平（能控）。MSG-3是面向任務(wù)的維修，以預(yù)先規(guī)定的維修任務(wù)，預(yù)防飛機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生故障[5]?；贛SG-3的維修大綱包括系統(tǒng)/動(dòng)力裝置（包括部件、附件和輔助動(dòng)力裝置）、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、區(qū)域檢查和閃電/高強(qiáng)度輻射場(chǎng)4個(gè)部分。對(duì)飛機(jī)的每部分采用由“從上往下”的分析方法，通過(guò)預(yù)設(shè)的維修任務(wù)（潤(rùn)滑/勤務(wù)，檢查/功能測(cè)試，恢復(fù)，報(bào)廢等）來(lái)完成計(jì)劃性維修。所謂“自上而下”指的是整機(jī)、區(qū)域、系統(tǒng)、部件。維修技術(shù)體系還涉及一份重要的文件是維修可靠性控制方案（MRCP）。初始MRCP須報(bào)民航局批準(zhǔn)，包括可靠性控制原理、可靠性控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示和報(bào)告系統(tǒng)、性能標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、糾正措施系統(tǒng)、維修方案的更改、可靠性方案文件的修訂等。而與MRCP相對(duì)應(yīng)的可靠性控制體系是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、性能標(biāo)準(zhǔn)、糾正措施、數(shù)據(jù)顯示和報(bào)告、維修間隔的調(diào)整和方式改變等子系統(tǒng)。

總的來(lái)看，目前的維修技術(shù)體系體現(xiàn)了體系化、系統(tǒng)性的思想。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制造階段，就開(kāi)始融入“可維修性設(shè)計(jì)”的內(nèi)容，從而產(chǎn)生了最低設(shè)備清單（MEL）。允許飛機(jī)帶故障放行，減少對(duì)航班運(yùn)行的影響，顯著提高了飛機(jī)可利用率。目前維修技術(shù)體系的主要缺陷是側(cè)重“故障后”的隔離和修理，缺少預(yù)測(cè)性、缺少空地協(xié)同和新技術(shù)的運(yùn)用，“就故障談維修”。

2.3 維修成本控制

從維修成本控制的角度考察，如圖3所示，首先要保證維修任務(wù)精確下達(dá)，也就是在最合理的時(shí)機(jī)下達(dá)維修任務(wù)，充分利用維修間隔；其次是維修過(guò)程的精益化管理，主要是維修任務(wù)分解和生產(chǎn)控制的平臺(tái)化、數(shù)字化。再次是對(duì)工作人員的狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，這里的監(jiān)控包括生理狀態(tài)和心理狀態(tài)兩個(gè)方面。我們之前一直強(qiáng)調(diào)的是對(duì)航材和工具的管理，而忽略了人的因素。近期，民航局對(duì)工作人員的生理狀態(tài)，尤其是工作負(fù)荷非常關(guān)注；最后是維修資源的智慧化調(diào)度和分配，指的是圍繞人、機(jī)、料、法、環(huán)來(lái)建設(shè)智能供應(yīng)鏈，也就是說(shuō)，在實(shí)現(xiàn)維修任務(wù)精確下達(dá)、維修過(guò)程精細(xì)化管理、工作人員狀態(tài)持續(xù)監(jiān)控和維修資源的智慧化調(diào)度之后，我們的維修模式將從目前“基于診斷結(jié)果的計(jì)劃性維修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎谥R(shí)發(fā)現(xiàn)的預(yù)測(cè)性維修”，即精益維修。這里的精益維修指的是面向全工作流程，在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間由最能勝任的維修人員按照最優(yōu)的維修方案實(shí)施操作，并取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。其觀測(cè)點(diǎn)有：（1）全工作流程：從生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)支援和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全方位著手進(jìn)行改善，通盤(pán)考慮；（2）維修時(shí)機(jī)：對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)、部件的性能衰退過(guò)程進(jìn)行全面、精準(zhǔn)感知；（3）維修人員：關(guān)注生理、心理和工作環(huán)境對(duì)維修人員工作狀態(tài)的影響；（4）維修方案：指的是廣義的技術(shù)方案，涵蓋從維修方案的制定，到生產(chǎn)計(jì)劃控制，再到維修資源組織調(diào)度等方面的工程管理方法。

2.4 維修技術(shù)和管理的普適性

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)民航通過(guò)規(guī)范的維修方案（一致性好）和嚴(yán)格的按卡施工（操作性強(qiáng)）來(lái)保證民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)階段的高度安全，這在本質(zhì)上體現(xiàn)了維修技術(shù)和管理的普適性。初始維修大綱是按照全球統(tǒng)一的技術(shù)思想編寫(xiě)的，這在客觀上為不同的航空公司提供了一致的技術(shù)遵循和指引，最大程度地避免了由于技術(shù)路線上的差異所導(dǎo)致的不安全事件。而“按工卡、手冊(cè)施工”一直是中國(guó)民用飛機(jī)維修系統(tǒng)所嚴(yán)格要求的，它從具體施工的角度保證了維修行為的普適性，最大程度地避免了維修操作的隨意性和經(jīng)驗(yàn)主義。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)全行業(yè)使用飛機(jī)的平均日利用率在10h左右（旺季，2023年數(shù)據(jù)）。

另外，維修技術(shù)能力和工程管理水平是民用飛機(jī)維修系統(tǒng)公認(rèn)的兩條主要支柱。 中國(guó)民航通過(guò)嚴(yán)格的資質(zhì)授權(quán)（基礎(chǔ)執(zhí)照+機(jī)型簽署）來(lái)確保整支維修人員隊(duì)伍的技術(shù)能力達(dá)到/保持在一個(gè)基本的水準(zhǔn)。民航局和航空公司聯(lián)動(dòng)，通過(guò)科學(xué)、高效的維修工程管理方法（實(shí)際上是航空公司個(gè)性化的，不同航空公司都具體提出了與自身適配的維修工程管理方法）來(lái)提高維修系統(tǒng)的持續(xù)安全能力、運(yùn)行保障能力和運(yùn)行可靠水平。

3 預(yù)測(cè)性維修

最近十多年以來(lái)，預(yù)測(cè)性維修的概念逐漸興起并成為學(xué)術(shù)界和航空工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。目前的預(yù)防性維修有兩個(gè)最基本的特征（或者說(shuō)是缺陷），即“計(jì)劃性的預(yù)防”和“非計(jì)劃性的排故”。根據(jù)預(yù)先制定的維修方案實(shí)施維護(hù)操作，最大程度地預(yù)防飛機(jī)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生故障；一旦飛機(jī)出現(xiàn)了故障，則要進(jìn)行故障隔離并在維護(hù)手冊(cè)的指導(dǎo)下開(kāi)展排故操作。與之相對(duì)應(yīng)的、真正意義上的預(yù)測(cè)性維修則不需要預(yù)設(shè)維修任務(wù)，它是建立在對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)性能衰退規(guī)律精確刻畫(huà)基礎(chǔ)上的，此時(shí)的維護(hù)操作只在需要的時(shí)候（最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)）介入，從而使飛機(jī)維修的效益達(dá)到最優(yōu)。當(dāng)然，預(yù)測(cè)性維修的實(shí)現(xiàn)必須依賴于飛機(jī)性能的提升和強(qiáng)大的地面技術(shù)支持。

3.1 預(yù)防性維修和預(yù)測(cè)性維修的對(duì)比

對(duì)于預(yù)防性維修，如圖4所示，其技術(shù)限制是無(wú)法準(zhǔn)確、全面感知機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，無(wú)法精確刻畫(huà)系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的性能衰退規(guī)律；從而在維修行為上的表征是以預(yù)先規(guī)定的維修任務(wù)（潤(rùn)滑/勤務(wù)、檢查/功能測(cè)試、恢復(fù)、報(bào)廢等），盡可能地通過(guò)計(jì)劃性維修來(lái)預(yù)防飛機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)生故障；其局限性是“故障發(fā)生之后談維修”，存在“防過(guò)頭”即虛警，導(dǎo)致過(guò)度維修或“防不住”即漏警，導(dǎo)致非例行排故的現(xiàn)象。

盡管仍然存在局限性，但是預(yù)防性維修的提出及其實(shí)踐已經(jīng)做出了三個(gè)重大科學(xué)貢獻(xiàn)：（1）提出了維修邏輯決斷的方法論或者說(shuō)決斷模型（從MSG-2開(kāi)始）；（2）在民用飛機(jī)維修工作中引入了“系統(tǒng)論”的深刻思想（緊盯部件的維修模式過(guò)渡到從系統(tǒng)向部件方向逐層分解的維修模式，從MSG-3開(kāi)始）；（3）實(shí)質(zhì)引入了“聚類(lèi)優(yōu)化”思想，把整個(gè)維修大綱分為4個(gè)部分，給維修操作的生產(chǎn)組織和管理帶來(lái)極大便利。

對(duì)于預(yù)測(cè)性維修，如圖4所示，其技術(shù)前提是準(zhǔn)確、全面感知機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，精確刻畫(huà)系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的性能衰退規(guī)律以及空地之間高效聯(lián)動(dòng)，地面提供強(qiáng)大智力支持；從而在維修行為上的表征是無(wú)需預(yù)設(shè)維修任務(wù)，維修行為變成“需求驅(qū)動(dòng)”即根據(jù)故障預(yù)測(cè)的結(jié)果實(shí)施有針對(duì)性的維修操作，此時(shí)，維修任務(wù)的規(guī)模將會(huì)急劇減少，維修經(jīng)濟(jì)性大大提升；其優(yōu)勢(shì)是故障發(fā)生之前談維修，在安全性不降低的前提下，極大提升維修經(jīng)濟(jì)性直至推動(dòng)目標(biāo)機(jī)型的商業(yè)成功。

對(duì)于預(yù)測(cè)性維修，有三個(gè)需要解決的重大科學(xué)問(wèn)題：（1）在引入系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的故障/剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果之后，維修邏輯決斷模型的配套更新及其評(píng)估驗(yàn)證；（2）系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的故障/剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；（3）與預(yù)測(cè)性維修模式相契合的新型的維修資源優(yōu)化調(diào)度模式。

如圖5所示，從目前預(yù)防性維修模式躍升到預(yù)測(cè)性維修模式是維修技術(shù)體系迭代進(jìn)步的核心標(biāo)志，將會(huì)在維修思想、維修大綱（方案）、維修任務(wù)及其生產(chǎn)控制、維修技術(shù)、工藝和裝備等方面發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，而面向未來(lái)的民用飛機(jī)維修將以預(yù)測(cè)性維修模式為核心特征。

3.2 預(yù)測(cè)性維修模式對(duì)應(yīng)飛機(jī)性能提升

從可維修性的角度來(lái)考察，這里的飛機(jī)性能指的是機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和故障隔離能力。表1展示了機(jī)載維護(hù)系統(tǒng)（OMS）的演進(jìn)歷程。從第一代機(jī)械/模擬系統(tǒng)進(jìn)化到現(xiàn)在的第4代模塊化系統(tǒng)。

對(duì)于整機(jī)規(guī)模的故障診斷，目前主要是基于ARINC624協(xié)議來(lái)設(shè)計(jì)OMS或維護(hù)功能模塊（OMF），如圖6所示。對(duì)于部件的內(nèi)置自測(cè)試（BITE）監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，依次完成故障抑制/特殊事件自檢、連鎖反應(yīng)去除、故障合并與隔離、維護(hù)信息關(guān)聯(lián)和存儲(chǔ)等步驟，最終給出維護(hù)信息，主要包括發(fā)生故障的根源部件和排故所需要的維修手冊(cè)。故障隔離信息可以顯示在駕駛艙儀表上，也可以通過(guò)空地?cái)?shù)據(jù)下傳，還可以通過(guò)機(jī)載打印機(jī)打印出來(lái)或者利用便攜性維護(hù)終端（PMAT）讀取。

目前，整機(jī)規(guī)模的故障診斷模型在故障隔離的準(zhǔn)確性方面能夠滿足要求，但一個(gè)明顯的缺陷是不具備預(yù)測(cè)能力。面向未來(lái)，具備預(yù)測(cè)能力的OMS或OMF將利用盡可能少的傳感器采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)；借助各種智能推理算法評(píng)估系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生之前實(shí)施預(yù)測(cè)；結(jié)合可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的視情維修。

3.3 預(yù)測(cè)性維修模式必須依賴地面支持

將飛行管理、運(yùn)控和簽派等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合和知識(shí)挖掘，這些運(yùn)算全部都集中在機(jī)載端運(yùn)行是不現(xiàn)實(shí)的，必須依賴地面服務(wù)器強(qiáng)大的存儲(chǔ)和算力支持。依賴地面支持，構(gòu)建一套能夠貫穿故障診斷與剩余壽命（RUL）預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程技術(shù)支援、機(jī)隊(duì)級(jí)規(guī)模維修工程管理等業(yè)務(wù)的數(shù)字化維修系統(tǒng)，助力民用飛機(jī)維修領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)段升級(jí)。

另外，還有兩個(gè)與預(yù)測(cè)性維修相伴相隨的技術(shù)，第一個(gè)是維修數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，第二個(gè)是數(shù)字孿生。對(duì)于維修數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)，在大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)據(jù)本身就是對(duì)諸多故障的再現(xiàn)與反射，使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)窺探問(wèn)題的細(xì)節(jié)與本質(zhì)，形成“飛行大數(shù)據(jù)+機(jī)器學(xué)習(xí)+機(jī)務(wù)維修”的策略。例如，目前很多航空公司正在實(shí)施的飛機(jī)過(guò)載實(shí)時(shí)監(jiān)控、飛機(jī)空調(diào)/APU運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和飛機(jī)輪胎偏磨大數(shù)據(jù)分析等工作。對(duì)于數(shù)字孿生，通過(guò)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和西門(mén)子已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)起落架的數(shù)字孿生體[6-7]，但在航空電機(jī)、機(jī)載通信導(dǎo)航系統(tǒng)、飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件等方面尚未見(jiàn)到相關(guān)典型應(yīng)用案例。數(shù)字孿生技術(shù)需要進(jìn)一步解決的主要問(wèn)題是建立動(dòng)態(tài)多維多時(shí)空尺度高保真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)實(shí)體的精準(zhǔn)映射，跨協(xié)議/跨接口/跨系統(tǒng)的實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)交互，保證孿生模型與機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)實(shí)體性能衰退規(guī)律的一致性/真實(shí)性。

如圖7所示，預(yù)測(cè)性維修模式將在機(jī)載端、空地傳輸和地面端等三個(gè)地方發(fā)生顯著的變革。在機(jī)載端，將在目前的診斷推理程序、異常推理（捕獲）程序基礎(chǔ)上，增加預(yù)兆推理程序，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載高價(jià)值部件的故障或RUL預(yù)測(cè)。在空地傳輸方面，將會(huì)從目前飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）的字符傳輸系統(tǒng)升級(jí)為高通量大帶寬的衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)鏈或空地（ATG）鏈路，更快速、更豐富地傳輸飛機(jī)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)。在地面端，將會(huì)基于預(yù)測(cè)性維修模式編寫(xiě)新的飛機(jī)維修大綱（方案）和維修手冊(cè)文件，引入完備的維修規(guī)劃和生產(chǎn)控制信息支持系統(tǒng)，并采用更多的智能化維修工具。

4 民用飛機(jī)維修面臨的需求、對(duì)策和科學(xué)思考

結(jié)合航空公司和MRO在維修實(shí)踐中主要關(guān)注的痛點(diǎn)問(wèn)題，本節(jié)從維修方案的評(píng)估及優(yōu)化，維修資源配置、組織與調(diào)度，維修工程管理，維修施工管理，預(yù)測(cè)性維修技術(shù)及其應(yīng)用和先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)修理與改裝6個(gè)方面逐一探討民用飛機(jī)維修面臨的技術(shù)需求、可采取的對(duì)策以及背后的科學(xué)問(wèn)題。

4.1 維修方案的評(píng)估及優(yōu)化

維修方案是保證民用飛機(jī)持續(xù)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，其核心內(nèi)容就是維修任務(wù)和維修間隔，這是一切維修工作的源頭。因此維修方案的持續(xù)評(píng)估及優(yōu)化成為航空公司的重要任務(wù)。在維修實(shí)踐中，主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）建立維修間隔優(yōu)化模型集合。目標(biāo)是在維修任務(wù)實(shí)施的時(shí)刻，維修任務(wù)包中所包含的各項(xiàng)維修任務(wù)，按照FH/FC/FD統(tǒng)一折算后的方差達(dá)到最小，即min（σ），實(shí)現(xiàn)批量維修時(shí)效的最大化，盡量降低對(duì)維修間隔的浪費(fèi)。另外，該模型最好是以每一架飛機(jī)為分辨率的，即面向單架飛機(jī)的維修間隔優(yōu)化模型。

（2）建立維修任務(wù)組合優(yōu)化方法集合。目標(biāo)是在保證滿足維修審查委員會(huì)（MRB）最低維修要求的前提下，充分考慮航線結(jié)構(gòu)、地理位置、維修經(jīng)驗(yàn)，在可靠性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)維修項(xiàng)目、維修方式等進(jìn)行科學(xué)分析和合理權(quán)衡，尋求彼此間的最佳組合，使飛機(jī)的維修成本最低、飛機(jī)停場(chǎng)的損失最小。如均衡和拆分300FH以上A檢。目前空客A320系列維修方案規(guī)定750FH（典型值）進(jìn)行一次A檢工作，加上其他非例行工作和一些工程指令，工作內(nèi)容較多，此時(shí)若將A檢工作包均衡和拆分為兩次進(jìn)行，均衡后的A檢執(zhí)行間隔為375FH或50DAY或250FC（先到為準(zhǔn)），就可以避免飛機(jī)停廠維修。

（3）建立維修任務(wù)決策模型集合。目標(biāo)是合理界定單次維修任務(wù)的規(guī)模和資源需求，并與航空公司或MRO所能提供的維修能力達(dá)到最佳契合。

（4）建立維修級(jí)別分析模型集合。目標(biāo)是確定機(jī)載系統(tǒng)/部件的最佳修理級(jí)別或報(bào)廢決策，即合理界定某個(gè)部件是否需要更換、修理或報(bào)廢，在哪里進(jìn)行更換、修理或報(bào)廢，以提升維修的經(jīng)濟(jì)性。

4.2 維修資源配置、組織與調(diào)度

維修資源配置、組織與調(diào)度一直是航空公司或MRO的一個(gè)工作重心，也是一個(gè)工作難點(diǎn)，其對(duì)于企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本有較大的影響。隨著機(jī)隊(duì)規(guī)模和航班數(shù)量的增長(zhǎng)，問(wèn)題的復(fù)雜性和難度也有很大的增加。

在維修實(shí)踐中，主要是設(shè)計(jì)出維修資源的優(yōu)化配置算法。目標(biāo)是以維修任務(wù)為研究對(duì)象，研究其所涉及的人、機(jī)、料、法、環(huán)等各類(lèi)資源的優(yōu)化配置，建立智能優(yōu)化理論模型，進(jìn)而構(gòu)建面向定檢或大修等所有維修任務(wù)的、所有資源的、全局優(yōu)化配置方法，最終形成合理的維修資源優(yōu)化配置方案。

如維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度算法[8]。維修機(jī)位資源是寶貴的生產(chǎn)要素，航空公司對(duì)提高維修機(jī)位利用率有著迫切需求。中國(guó)民航大學(xué)團(tuán)隊(duì)以提高機(jī)位利用率目標(biāo)，研究維修機(jī)位動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)度和飛機(jī)移動(dòng)路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)維修機(jī)位自動(dòng)化調(diào)度，提高機(jī)位綜合利用率，并在廣州飛機(jī)維修工程有限公司（GAMECO）進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。解決了復(fù)雜維修場(chǎng)景下維修任務(wù)與機(jī)位的非線性動(dòng)態(tài)優(yōu)化匹配、復(fù)雜維修場(chǎng)景下待修飛機(jī)移動(dòng)路徑的實(shí)時(shí)計(jì)算兩個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題。

上述討論的維修方案評(píng)估及優(yōu)化和維修資源配置、組織與調(diào)度，這兩類(lèi)工程需求在本質(zhì)上都屬于“多因素評(píng)估與決策問(wèn)題”，即首先要分析出多因素、多約束條件之間的相關(guān)性（相關(guān)性分析）；然后確定決策變量（主成分變量）；進(jìn)而設(shè)計(jì)出優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)（體現(xiàn)價(jià)值追求）；最后是決策模型求解并根據(jù)解的質(zhì)量或適用性對(duì)決策模型實(shí)施迭代完善。解決多因素評(píng)估與決策問(wèn)題時(shí)，主要涉及組合規(guī)劃和強(qiáng)化學(xué)習(xí)兩類(lèi)技術(shù)。

（1）組合規(guī)劃

組合規(guī)劃模型是建立在約束條件上的單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化，這一類(lèi)的精確模型通常以最小化飛機(jī)停場(chǎng)時(shí)間、最小化FH/FC/FD方差等作為優(yōu)化目標(biāo)，旨在從多個(gè)角度對(duì)資源利用效率實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的規(guī)劃調(diào)度，從不同維度考察，可分為線性規(guī)劃模型與非線性規(guī)劃模型，整數(shù)規(guī)劃模型與混合整數(shù)規(guī)劃模型等，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行規(guī)則對(duì)模型求解加以約束。

組合規(guī)劃算法的優(yōu)勢(shì)屬于精確建模方法，可得到全局最優(yōu)解；后續(xù)的模型求解算法很成熟，已有商用的求解器，如Grubi求解器、杉數(shù)求解器等。缺陷是在組合規(guī)劃模型中，由于約束條件通常都會(huì)做一定程度的簡(jiǎn)化，這將不可避免地引起模型失真，進(jìn)而使得后續(xù)模型求解的結(jié)果不適用；另外，當(dāng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，精確方法將產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，很難拓展到超大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題的求解。

（2）強(qiáng)化學(xué)習(xí)

由于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的“動(dòng)作選擇”與優(yōu)化調(diào)度即“在離散決策空間內(nèi)進(jìn)行決策變量的最優(yōu)選擇”具有天然相似的特征，并且深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)“離線訓(xùn)練、在線決策”的特性使得優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的在線實(shí)時(shí)求解成為了可能，因此利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法求解傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題是一個(gè)很好的選擇。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的優(yōu)勢(shì)是較之組合規(guī)劃模型，求解速度更快、泛化能力更強(qiáng)，適用于超大規(guī)模的多因素評(píng)估與決策，尤其是與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（DLN）相結(jié)合之后，能夠迸發(fā)出令人激動(dòng)的效果。缺陷是該技術(shù)正處于快速發(fā)展進(jìn)程中，尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)框架；求解算法的設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的理論性和個(gè)性化，開(kāi)發(fā)者需要機(jī)器學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)。

4.3 維修工程管理

如何克服在維修實(shí)踐中由于機(jī)型、地區(qū)和人員不同而造成的不確定性；如何通過(guò)科學(xué)客觀的管理方法來(lái)提高民用飛機(jī)維修系統(tǒng)的持續(xù)安全能力、運(yùn)行保障能力、運(yùn)行可靠水平和解決問(wèn)題能力，仍然是維修工程管理迫切需要解決的問(wèn)題。在維修實(shí)踐中，主要開(kāi)展了以下兩個(gè)方面的工作。

（1）建立具備堅(jiān)實(shí)理論支撐的維修工程管理理論。目標(biāo)是維修工程管理理論要有完整的內(nèi)容表述，簡(jiǎn)潔的理論模型，明確的理論精髓和清晰的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)現(xiàn)路徑，即有優(yōu)秀的普適性、可推廣性。

（2）建立科學(xué)的維修工程管理綜合評(píng)估體系。目標(biāo)是多源數(shù)據(jù)的采集和一致性處理（評(píng)估動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)的有效性）；指標(biāo)的設(shè)計(jì)（評(píng)估輸出結(jié)果的表征能力）；方法的選取（評(píng)估輸出結(jié)果的合理性和可用性）；結(jié)果的使用（評(píng)估整個(gè)體系的自我持續(xù)完善能力），評(píng)估框架如圖9所示。

如飛機(jī)維修管理APS理論[9]。從2014年開(kāi)始，中國(guó)民航大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)與南方航空深度合作，提出了APS理論。APS理論是在完成維修任務(wù)所需生產(chǎn)準(zhǔn)備（A）、施工程序（P）和工作標(biāo)準(zhǔn)（S）的運(yùn)行背景下，以人員、工具和技術(shù)相關(guān)運(yùn)行特征為約束，對(duì)維修安全實(shí)施源頭管理和過(guò)程控制的維修工程管理理論。

維修工程管理本質(zhì)上屬于博弈論與納什均衡問(wèn)題。博弈是在一定條件和一定規(guī)則下，參與方從各自可供選擇的策略中進(jìn)行選擇并加以實(shí)施，從中各自取得相應(yīng)結(jié)果或收益的過(guò)程。博弈論研究競(jìng)爭(zhēng)中決策主體（參與方或博弈方）為爭(zhēng)取其最大利益而采取有關(guān)決策的數(shù)學(xué)方法。所謂納什均衡指的是參與人的這樣一種策略組合，在該策略組合上，任何參與人單獨(dú)改變策略都不會(huì)得到好處。換句話說(shuō)，如果在一個(gè)策略組合上，當(dāng)所有其他人都不改變策略時(shí)，沒(méi)有人會(huì)改變自己的策略，則該策略組合就是一個(gè)納什均衡。納什均衡得出的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是：“從利己的目的出發(fā)，結(jié)果既不利己也不利他?！?/p>

根據(jù)博弈論基本原理，民用飛機(jī)維修工程管理中的博弈基本假設(shè)（框架）[10]：參與人：督察（局方）、干部（負(fù)責(zé)管理員工安全生產(chǎn)工作）、員工。行動(dòng)：督察行為集合 A={認(rèn)真檢查，不認(rèn)真檢查}；干部行為集合 B={認(rèn)真管理，不認(rèn)真管理}；員工行為集合 C={認(rèn)真工作，不認(rèn)真工作}。信息：博弈三方相互了解可能采取的行動(dòng)，并知曉對(duì)方的收益水平，但是在一次的行動(dòng)中對(duì)方會(huì)選擇何種具體的行動(dòng)并不清楚。支付：因偷懶給個(gè)人帶來(lái)的工作輕松的收益記作Q，因進(jìn)行安全檢查造成的人情損失（干部和督察）和因努力工作帶來(lái)的精力付出（員工）記作R，因出了不安全事件或被上級(jí)發(fā)現(xiàn)安全違規(guī)被追責(zé)處分的記作C。均衡：根據(jù)各種博弈情況，構(gòu)建支付矩陣，并尋找所有參與人最優(yōu)戰(zhàn)略的組合，即求解博弈模型。結(jié)果：對(duì)博弈模型的納什均衡解進(jìn)行分析，得到安全管理對(duì)策。

納什均衡博弈用于維修工程管理的主要觀點(diǎn)：只有建立督察、干部和員工的工作責(zé)任與不安全結(jié)果事件相關(guān)聯(lián)的追責(zé)機(jī)制，督察、干部才會(huì)以結(jié)果事件為導(dǎo)向，認(rèn)真履行監(jiān)察和檢查職責(zé)，員工的最優(yōu)選擇是認(rèn)真按照程序標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行工作，各層級(jí)人員參與安全管理工作的效能才能得到充分發(fā)揮?；诟鞣嚼娌┺拈]環(huán)安全體系，無(wú)論采取何種具體的管理方法，各層級(jí)參與人員無(wú)人可以游離于體系之外，暴露系數(shù)均有所增加，就會(huì)形成一種納什均衡，這種安全管理的均衡會(huì)使各參與人都融入安全檢查中，安全行為被互相牽制和互相約束，各參與人的最優(yōu)策略選擇實(shí)現(xiàn)上下同欲，個(gè)體的行為目標(biāo)與集體安全目標(biāo)一致。

4.4 維修施工管理

如何規(guī)范維修操作行為，做到按標(biāo)準(zhǔn)施工；如何減少維修差錯(cuò)；如何提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；如何提升維修質(zhì)量；如何持續(xù)增強(qiáng)一線人員的技術(shù)能力，培養(yǎng)卓越的飛機(jī)維修人員是維修施工管理需要關(guān)注的問(wèn)題，也是航空公司和MRO管理者們關(guān)注的重要問(wèn)題。

在維修實(shí)踐中，主要是開(kāi)展閉環(huán)管道式施工管理。目標(biāo)是針對(duì)具體維修項(xiàng)目（任務(wù)），首先明確施工標(biāo)準(zhǔn)（對(duì)輸出側(cè)的評(píng)估）；然后厘清完成該維修項(xiàng)目（任務(wù)）所需人員、航材、工具和工作環(huán)境的清晰的邊界，重點(diǎn)是評(píng)估所受到的約束條件（對(duì)施工全過(guò)程的評(píng)估）；最后隨著維修施工的進(jìn)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

“閉環(huán)管理”概念是由Singh等[11]于2008年首次提出的，它注重實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，依據(jù)一個(gè)目標(biāo)而實(shí)施全面控制。閉環(huán)管道式管理是通過(guò)系統(tǒng)的輸出值與目標(biāo)值之間的對(duì)比得出差距，針對(duì)該差距對(duì)事物進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，使輸出值不斷地向目標(biāo)值靠攏，最終達(dá)到理想狀態(tài)。“閉環(huán)管道”也被稱為反饋控制系統(tǒng)，目前在維修施工管理中到廣泛應(yīng)用。在維修信息化過(guò)程中，維修信息閉環(huán)管理起著舉足輕重的作用。它是將各環(huán)節(jié)的輸出與預(yù)先設(shè)定的輸出基準(zhǔn)進(jìn)行匹配校對(duì)，以此判斷各環(huán)節(jié)執(zhí)行的準(zhǔn)確性，最終實(shí)現(xiàn)維修操作的過(guò)程化管理和周密化管理。

4.5 預(yù)測(cè)性維修技術(shù)及其應(yīng)用

預(yù)測(cè)性維修技術(shù)目前面臨兩個(gè)突出的問(wèn)題：（1）得到故障/剩余壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果之后（假定預(yù)測(cè)結(jié)果是可信的），如何指導(dǎo)相應(yīng)的維修施工（通過(guò)維修手冊(cè)文件），即如何把預(yù)測(cè)結(jié)果合乎規(guī)范地應(yīng)用到維修實(shí)踐中；（2）針對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)，尤其是高價(jià)值系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)，故障/剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性能否滿足要求以及如何驗(yàn)證。

在維修實(shí)踐中，目前遵循的是IP180協(xié)議[12]。IP180協(xié)議推薦了針對(duì)現(xiàn)有MPD（基于MSG-3編寫(xiě)）的替代程序，允許通過(guò)對(duì)故障/剩余壽命的預(yù)測(cè)替代現(xiàn)有維修方案。當(dāng)機(jī)載AHM系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)到故障并且能夠提供足夠的時(shí)間裕度進(jìn)行排故時(shí)，在經(jīng)過(guò)ISC指導(dǎo)委員會(huì)批準(zhǔn)后可將AHM排故方式加入MRBR中，作為MPD項(xiàng)目的替代方案。IP180協(xié)議的出臺(tái)觸發(fā)了三大方面的問(wèn)題。

4.5.1 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范問(wèn)題

IP180協(xié)議實(shí)質(zhì)上框定了一種從MSG-3到MSG-4（本文暫定）的過(guò)渡態(tài)。從目前形勢(shì)判斷，該過(guò)渡態(tài)（即MSG-3融合AHM）會(huì)長(zhǎng)期存在，直到MSG-4分析方法完全確定下來(lái)。過(guò)渡態(tài)階段需要解決的主要問(wèn)題是：（1）機(jī)載AHM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范（統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成、駐留位置和推薦的實(shí)現(xiàn)形式等）+機(jī)載AHM系統(tǒng)能力的定位（業(yè)務(wù)功能的邊界）+綜合性能評(píng)定驗(yàn)證方法（AHM系統(tǒng)可靠性、準(zhǔn)確性的測(cè)定）；（2）地面配套分析/監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案；（3）過(guò)渡態(tài)結(jié)束后，主要是制定整機(jī)規(guī)模的AHM維修邏輯決斷方法或決斷模型，并基于該方法模型編制基于AHM思想的飛機(jī)維修大綱，以及維修計(jì)劃的定量組構(gòu)（非固定維修間隔組合優(yōu)化方法+維修任務(wù)組合優(yōu)化方法）等，這都需要完成充分的理論分析、測(cè)試驗(yàn)證和運(yùn)行評(píng)估。

以上都是確保預(yù)測(cè)性維修模式能夠取得成功的重大課題。

4.5.2 故障/剩余壽命預(yù)測(cè)的技術(shù)問(wèn)題

準(zhǔn)確可信的故障/剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果是后續(xù)調(diào)度維修資源，提高飛機(jī)整體完好性、減少地面停場(chǎng)維修概率，提升機(jī)隊(duì)/航空公司安全水平和運(yùn)營(yíng)效益的技術(shù)性前提，也是未來(lái)民用飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)的核心技術(shù)要素。故障/剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)關(guān)注的主要問(wèn)題是：（1）故障/剩余壽命預(yù)測(cè)的精確性問(wèn)題：準(zhǔn)確感知機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)；提取刻畫(huà)其性能衰退和演化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和特征；進(jìn)而建立預(yù)測(cè)模型，對(duì)其故障/剩余壽命進(jìn)行長(zhǎng)周期精確預(yù)測(cè)。（2）典型機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生體：構(gòu)建動(dòng)態(tài)多維多時(shí)空尺度高保真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)實(shí)體的精準(zhǔn)映射；跨協(xié)議/跨接口/跨系統(tǒng)的實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)交互，保證孿生模型與機(jī)載部件/系統(tǒng)實(shí)體性能衰退規(guī)律的一致性/真實(shí)性。

4.5.3 數(shù)學(xué)工具問(wèn)題

開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)性維修技術(shù)主要涉及三種數(shù)學(xué)工具。（1）深度學(xué)習(xí)：擺脫解析建模的束縛，搭建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，挖掘可用數(shù)據(jù)中隱含的性能狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，對(duì)機(jī)載系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)當(dāng)前和未來(lái)的健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和管理。（2）概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)，尤其是貝葉斯理論框架：從機(jī)器學(xué)習(xí)的角度，我們無(wú)法從全局獲知事件（A）發(fā)生的概率，但是如果能確認(rèn)一些事情發(fā)生，如事件（B） ，那么就可以更新事件（A）發(fā)生的概率，從而逼近真實(shí)值，這實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)貝葉斯條件概率問(wèn)題。（3）預(yù)訓(xùn)練大語(yǔ)言模型：隨著ChatGPT4的火爆，“大語(yǔ)言模型”進(jìn)入了人們的視野，但是大語(yǔ)言模型的作用域絕不僅僅停留在自然語(yǔ)言處理（NLP），它同樣可以應(yīng)用于預(yù)測(cè)性維修領(lǐng)域。

預(yù)訓(xùn)練大語(yǔ)言模型的優(yōu)勢(shì)[13]：不需要機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，因?yàn)榇笮驼Z(yǔ)言模型已經(jīng)預(yù)訓(xùn)練完成，開(kāi)發(fā)者無(wú)需對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)有深入理解，只需要知道如何調(diào)用模型API，即可使用模型生成相應(yīng)的輸出；不需要訓(xùn)練樣本，在許多情況下，只需要向模型提供合適的提示（prompt），模型就能生成相應(yīng)的輸出，而無(wú)需大量的訓(xùn)練樣本；不需要訓(xùn)練模型，模型已經(jīng)在大規(guī)模數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了預(yù)訓(xùn)練，開(kāi)發(fā)者無(wú)需再次訓(xùn)練模型。使用預(yù)訓(xùn)練大語(yǔ)言模型時(shí)，主要關(guān)注個(gè)性化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者主要工作變?yōu)樵O(shè)計(jì)有效的專業(yè)問(wèn)題，使模型能夠理解并生成合適的輸出。同時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)過(guò)程存在缺點(diǎn)：開(kāi)發(fā)者需要機(jī)器學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，需要理解不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，知道如何選擇合適的算法，如何設(shè)置參數(shù)，以及如何解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題；需要收集和準(zhǔn)備大量的訓(xùn)練樣本，以便訓(xùn)練模型，這通常需要消耗大量的時(shí)間和計(jì)算資源；需要密切關(guān)注最小化損失函數(shù)并設(shè)計(jì)和優(yōu)化損失函數(shù)，以便模型在訓(xùn)練過(guò)程中盡可能地減小損失，提高模型的性能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，使用預(yù)訓(xùn)練大型語(yǔ)言模型（LLM）開(kāi)發(fā)的主要優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程，降低了開(kāi)發(fā)的難度和門(mén)檻，而傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)則需要更多的專業(yè)知識(shí)和資源投入。

4.6 先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)修理與改裝

在先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)修理方面，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體成型技術(shù)以及損傷的局部性和多發(fā)性，對(duì)維修技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，雖然長(zhǎng)期被作為重點(diǎn)問(wèn)題研究，但仍然是障礙性問(wèn)題之一。先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)修理與改裝是多學(xué)科交叉、理論與工程融合的難點(diǎn)問(wèn)題。另外，隨著國(guó)產(chǎn)民機(jī)的服役，國(guó)內(nèi)維修企業(yè)客改貨業(yè)務(wù)遇到重大發(fā)展機(jī)遇，需要深入?yún)⑴c改裝方案設(shè)計(jì)、工裝研發(fā)、改裝包開(kāi)發(fā)、適航取證以及工程施工，這也成為國(guó)內(nèi)維修企業(yè)發(fā)展的最重要方向和利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

在維修實(shí)踐中，針對(duì)民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的航空公司和MRO充分借鑒歐美先進(jìn)結(jié)構(gòu)修理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方案精細(xì)分析方法、修理方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法、計(jì)算機(jī)輔助工具及結(jié)構(gòu)改裝工藝精細(xì)優(yōu)化等三個(gè)方面取得了顯著成果[14]。其中涉及的主要問(wèn)題是：

（1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理方案輔助快速設(shè)計(jì)與分析

建立結(jié)構(gòu)修理方案輔助快速設(shè)計(jì)與分析方法，快速制定超手冊(cè)結(jié)構(gòu)修理方案，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理變得更經(jīng)濟(jì)高效。隨著民用飛機(jī)設(shè)計(jì)水平的不斷提高和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的迅速發(fā)展，輕量化三維數(shù)字模型已應(yīng)用于飛機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)支持，積累了大量的有效工程經(jīng)驗(yàn)。因此，將輕量化三維數(shù)字模型推廣應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理方案輔助快速設(shè)計(jì)與分析，建立修理方案輔助快速設(shè)計(jì)與分析方法和軟件工具，能有效降低由結(jié)構(gòu)修理問(wèn)題引起的運(yùn)營(yíng)成本，具體包括民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理快速設(shè)計(jì)的輕量化模型、基于輕量化模型的典型結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法、基于輕量化模型的結(jié)構(gòu)修理方案輔助快速設(shè)計(jì)方法、民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)修理方案快速分析方法等。

（2）結(jié)構(gòu)健康管理的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)力學(xué)分析

攻克民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康管理中的多科學(xué)交叉問(wèn)題，必須充分利用現(xiàn)有歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)，從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)尺度、數(shù)據(jù)和力學(xué)分析兩個(gè)方面同時(shí)著手，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多尺度力學(xué)方法對(duì)結(jié)構(gòu)的局部和整體健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[15]。需要突破的重點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題包括：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)集成分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、驗(yàn)證的理論基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算力學(xué)方法對(duì)損傷進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)化評(píng)估；利用結(jié)構(gòu)歷史本構(gòu)、損傷數(shù)據(jù)、在線實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)力學(xué)分析；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)空多級(jí)多尺度力學(xué)的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)理論等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了民用飛機(jī)維修4個(gè)方面的價(jià)值追求，這是開(kāi)展民用飛機(jī)維修研究的背景；從4個(gè)方面總結(jié)了現(xiàn)行維修體系的實(shí)現(xiàn)路徑，這是民用飛機(jī)維修的技術(shù)現(xiàn)狀；對(duì)比分析了預(yù)防性維修和預(yù)測(cè)性維修的特征，指出了民用飛機(jī)維修未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)；詳細(xì)討論了民用飛機(jī)維修面臨的6個(gè)方面的需求和對(duì)策，并給出了針對(duì)科學(xué)問(wèn)題的思考結(jié)果。

民用飛機(jī)維修是人才、資金和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，是航空公司安全運(yùn)行的保障、成本控制的要害和技術(shù)積累的重要基地。伴隨國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)投入運(yùn)營(yíng)，民用飛機(jī)維修產(chǎn)業(yè)進(jìn)入新的戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇期。愿更多科研和產(chǎn)業(yè)力量投身研究民用飛機(jī)運(yùn)行支持與綜合保障，引領(lǐng)民用飛機(jī)維修領(lǐng)域的技術(shù)變革。

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Scientific Issues in Civil Aircraft Maintenance

Guo Runxia

Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China

Abstract： The value pursuit of civil aircraft maintenance is condensed and presented， including the safety in aircraft design and manufacturing， the observability and controllability of onboard systems， maintenance economy， and the operability and generalizability of maintenance processes. This paper have sorted out and summarized the implementation path of the current civil aircraft maintenance system， including initial airworthiness， maintenance technology system， maintenance cost control， and universality of maintenance technology and management. A comparative analysis was conducted on the main characteristics of preventive maintenance and predictive maintenance， indicating that predictive maintenance mode will be the core feature of future civil aircraft maintenance. Detailed discussion was conducted on the six aspects of the needs and strategies faced by civil aircraft maintenance， as well as considerations on scientific issues.

Key Words： civil aircraft maintenance； maintenance philosophy； predictive maintenance； scientific issues