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侯建 等 | 航空装备维修保障模式数字化转型

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侯建, 王礼沅

(北京航空工程技术研究中心,北京100076

 

摘要:针对航空装备维修保障未来发展需求,通过分析维修保障模式转型的外部需求、内在特点和技术支撑条件,提出了转型的必要性和前景,认为航空维修保障模式下一步转型的方向是全面数字化。数字化转型的本质是全行业、全业务数字化,其基础是全要素数字化,关键是全要素互联,核心是现实世界与数字镜像构建的信息物理系统。必须建立系统科学的观点,依托数字技术手段并通过信息网络的互联和智能科学的支撑方能实现。此外,还提出了相应的研究方向和课题。

 

关键词:数字化转型;数字化;航空装备;维修保障模式

中图分类号:V241.07文献标识码:A文章编号:1000-8829202012-0016-06

doi10.19708/j.ckjs.2020.12.003

 

在一个孤立系统里,如果没有外力做功,其总混乱程度(熵)会不断增大(熵增)。对于任何一个系统,维修保障就是减少系统熵以维持其持续不断运行的一种必不可少的措施。军用航空装备和装备体系是一个复杂系统,由于其空中使用对安全性的要求很高,以及任务系统技术状态完好性会对战斗胜败有直接影响,因此在其更新换代中,对维修保障不断提出更高要求,其维修理论、模式和技术,引领了维修理论创新和技术进步。在当前全球各行业数字化转型浪潮推动下[1-4],系统运维(Operation and MaintenanceO&M)模式发生巨大变化,正处于量变到质变的前夜,但军用航空装备领域维修理论和维修模式相对平静,首次出现落后于其他领域维修进步的境况。究其原因,一方面是航空装备设计、实现和运行的周期长,对安全稳妥的要求高,对新理论新模式新技术等引入需要严格认证;另一方面,本领域内长期形成的严格管理规则和管理保障模式存在一定惰性。这些已不能适应数字化时代技术快捷变化的发展特征。主动拥抱新兴技术的冲击挑战,是航空装备维修保障的必然选择。

本文通过对各种维修保障模式或类型内涵实质及其演变分析,研究其下一步演进需求和方向,展望在数字化转型大背景下军用航空装备维修保障模式、类型方式的发展趋势,提出需加强应用研究的相关新技术。

 

1航空装备维修与维修保障模式

1.1维修内涵要求

“维修”作为一个专业名称,通常是指在产品生命周期中为保持或恢复到能完成规定功能的状态而使用的各种技术和管理活动的集合,其关键目的是在产品整个生命周期中使其可用性、可靠性达到最优,以在规定的时限内产生期望的使用效益[5]。

航空维修随着飞机的发明而诞生和发展。由于维修对象的数量、种类、复杂度和重要度的增加,维修本身的复杂性、重要度也随之提高。维修还要与不断提高的期望值相适应,如军事装备的完好率、出动强度、任务成功率等。新的期望不断给维修带来新的压力,原有的“保持或恢复”,已经不能反映维修的本质要求。

现今,维修的概念更加广泛,早已脱离了其词源的涵义,实质是以保持装备持续运用能力为目的,由一系列管理和技术活动而构成的集合体,也可以称为广义维修。这类似于近年来国外军事维修保障领域中使用频度越来越高的“sustainment”一词。牛津词典对“sustainment”的解释是“making sth continue for some time without becoming less”。一个词的变化,体现了内涵和重要性的变化。美国空军还将原本的装备维修保障中心改组成立了Sustainment中心(Air Force Sustainment Center,AFSC)2011年,美国国家研究委员会应美空军负责科学技术和工程的部门委托开展了相关研究,发表了《Examination of the U.S.Air Forces Aircraft Sustainment Needs in the Future and its Strategy to Meet Those Needs》[6]。该报告对“sustainment”的定义是:为使武器系统、子系统、软件和支持系统达到要求完好性等级和作战能力,所需要的保障功能之集合。该报告是从目标的角度来定义的,并建议在装备设计时,应提出“sustainability”要求,反映出维修保障概念的革新性变化。

运行与维修(Operation and Maintenance,O&M)本来就是不可分割的整体,而系统复杂度、规模、持续性等要求的增加,使得运行与维修一体化,成为现代几乎所有复杂系统和领域运作特点和趋势要求。必须改变单纯维修观念,将维修进一步纳入运行体系,为从根本上提高维修对系统/体系的贡献率创造前提条件。

本文所称维修,主要是广义维修,在不引起混淆的情况下有时也指传统意义上的侠义维修。

1.2维修保障模式分类

维修模式是一个常用概念,遗憾的是至今没有看到权威的解释。本文所称维修模式(维修保障模式),是基于通常的理解,主要是指在维修保障领域内一个较长时期相对稳定的、关于维修理念、战略、概念和方式的认识和实践措施。维修保障模式,随着装备性能特征、复杂程度和装备运用对维修性能的要求而不断进化,逐渐形成了不同的维修模式或维修类型[7]。常见的类型包括:预防性维修(Preventive MaintenancePM)、修复性维修(Corrective MaintenanceCM)、改进性维修(Improvement MaintenanceIM)和基于状态的维修(ConditionBased Monitoring MaintenanceCBM)。Kobbacy等[8]提出了预防性维修和修复性维修两个简单的分类,这也是欧洲标准化委员会EN 2206-2001划分的维修类型。

修复性维修的定义是,在故障识别完成后,为使产品(系统/装备)恢复到能够执行规定的功能的状态而执行的维修,它可以是即时的(Immediate)也可以是延期的(Deferred)。所谓即时维修,是在识别出故障后立即执行的维修,目的是避免发生不可接受的后果;延期维修,是在识别出故障后并不立即执行,而是根据既定维修规则延期到适当时候进行。

预防性维修的定义是,以预定的间隔或按照规定的标准,为降低产品(系统/装备)失效概率或功能降级概率而执行的维修,它一般是在故障发生前执行,可以包括基于状态的维修和预定维修。预定维修(Predetermined Maintenance,PdM),是按照事先确定的时间间隔或使用次数执行的一种预防性维修,且不考虑产品先前的状态;基于状态的维修(CBM),是一种包括状态监控、检查、测试、分析和保障的预防性维修。CBM中的监控、检查、测试,既可以是定时的、视情的,也可以是事后的[9]。

“维修”涵义的关键词是“保持”或“恢复”,实际上这就是对维修类型的一个永恒不变的要求和分类:“保持”就是通过维修活动,使产品(系统/装备)不出现故障持续可用,也就是“预防性维修”;“恢复”就是当产品(系统/装备)出现故障后通过维修活动,使之恢复到能完成规定功能的状态,也就是修复性维修。后来出现的CBMPdM等各种维修类型,都可以分属于PMCM。即使有各种各样的分类,都不会导致结果的变化。例如Shin等[10]将CBM提升到与预防性维修相同的级别,将维修分为修复性维修、预防性维修和基于状态的维修3类[10]。近年来又提出了Prescriptive Maintenance的概念[11],它能够针对装备的状态提供个性化的维修“处方”,这是对维修的更高境界的要求。

虽然维修模式可万变不离其宗地仅分为PMCM两类,但是研究其不断衍生出的新概念出现的缘由和意义,对于维修模式的发展进步是有重要实际价值的。

1.3维修模式演进机理

维修模式是由其内在动因、外部条件和运用要求等3个方面的驱动而演进的。Moubray在《以可靠性为中心的维修》[12]和Ahmadi等[13]将修的演变分成3个阶段。第一阶段,设备机械化程度不高,故障停机无足轻重;第二阶段,故障停机问题突出,形成了以定时为主的预防性维修;第三阶段开始于1970年代中期,这一阶段产业变革异常迅猛,对维修的新期望值、新研究(对故障发生规律的认识)和新技术等3方面因素促成了这一阶段的维修变革。Moubray的原著出版于1991年,30年之后的今天,维修对象发生了极大变化,但其从3个方面分析的思想,仍然可以作为指导。

20世纪70年代相比,世界范围内军用航空装备已经历了多次换代,军用飞机已从以机械化为主的“飞行机器”转变为“机械化+信息化”的综合作战系统。

从对维修的需求影响来看,主要体现在飞机平台信息化、任务系统软件化、作战体系网络化、作战行动迅捷化。

从期望值来看,装备运用样式、运用范围扩大,运用节奏加快,技术复杂度大幅提升,维修保障任务更为复杂、机动性要求更强、时效性要求更高,对维修保障的依赖性更大。

从故障特点规律来看,任务系统维修保障占比和要求显著提升,软件高度密集,故障分布更广,随机性更强,对复杂电子信息设备/系统交联故障和软件相关故障判别问题突出。

从技术发展来看,维修保障领域新技术新手段应用及其信息化网络化水平,显著滞后于维修保障对象,用落后的方式和技术手段,难以保障好先进的装备系统;而风行全球的数字化转型带来的许多新兴技术,为改变这种状况提供了有利条件。

综上,航空维修保障正处于模式转型的前夜。

 

2航空装备维修保障模式数字化转型

2.1航空装备维修保障模式数字化及其特点

20世纪80年代起在引入先进维修理论的推动下,航空装备维修就开始了数字化转型的探索。以原位检测、无损探伤、油液分析等技术手段为支撑,使航空维修由经验技能为主向科学维修转型。20世纪90年代,以综合自动测试技术为核心,逐步开始迈入信息化阶段。信息技术的广泛应用,使航空维修技术、维修管理和维修活动等发生了深刻变化。Candell等[14]提出eMaintenance概念,对飞机维修需求、数字化维修解决方案和管理框架进行了初步论述。郑东良[15]概括了信息化条件下航空维修的6大特点:① 检测监控技术的广泛应用,使航空维修智能化;② 技术资料的电子化和便携式PMA系统的应用,使航空维修便捷化;③ 计算机及其软件系统的大量应用,使航空维修软件化;④ 专家系统的开发应用,使航空维修远程化;⑤ 新技术、新材料、新工艺的大量运用,使航空维修新型化;⑥ 现代管理理念与信息技术的融合,使航空维修高效化。文献 将飞机维修。此外,信息化还对航空维修保障模式,包括组织体系、系统运行机制和法规制度都产生了较大的积极影响。

但是由于受到各种因素的限制,航空维修保障模式数字化应用水平还有差距、效益还没有得到充分发挥。而当前的数字化转型理论和相关技术,为航空维修保障模式升级,直接跨入新阶段带来了可能。

2.2航空装备维修保障模式数字化转型的内涵

数字化转型(Digital Transformation)简单地说,就是运用快速发展的数字新技术解决领域问题。信息化时代的数字化实质是以模数转换(AnalogtoDigital Converter,A/D)为基础的数字化(Digitization),是将以模拟形式表达的信号转变为数字化的表达,是信号层面的。而当前的数字化转型,是组织、流程和业务层面的,它建立在数字转换基础上,进一步触及组织的核心业务,是以新建一种业务模式为目标的高层次转型。当前异常活跃的电商营销体系,就是数字化转型的突出代表,它绝不是物流的条形码、二维码,而是全链条的数字化运作。实践表明,一个组织只有对其业务进行系统性、彻底的(或重大和完全的)重新定义——不仅仅是采用IT技术,而是对组织活动、流程、业务模式和员工能力的方方面面进行重新定义的时候,才能获得由数字化转型带来的巨大效益。对于维修保障,则是将参与维修保障活动的被修装备、保障资源、维修人员等物的要素数字化,并构建保障要素之间的数字化关联规则,以此为基础构建全新的维修保障业务流程,发挥数字化后复杂系统涌现性、作业流程高并发性、态势感知的全局性特征,提升维修保障的整体效能效益。这也就解释了航空维修保障领域过去以信息存储、传递为核心所做大量信息化建设,为什么并未充分发挥出系统性新特征大量涌现的原因。

2.3维修模式数字化转型路径

如前所述,数字化转型的本质是全行业全业务数字化,其基础是全要素数字化,关键是全要素互联,核心是现实世界与数字镜像构建的信息物理系统(CyberPhysical System,CPS)[16-17]。因此,必须建立系统科学的观点,依托数字技术手段并通过信息网络的互联和智能科学的支撑方能实现。

(1)全要素数字化。

全要素数字化是维修模式数字化转型的基础,要求所有的维修单元数字化[18],并基于“数字化”思维开展维修[19]。经过20多年信息化建设,装备、维修手段已实现了一定的零散未经整合的数字化,离全要素数字化还有较大距离。例如,为了装备故障的提前预测和维修,要在装备动力特性、疲劳特性、物理化学特性、电磁效应特性等数字化基础上,通过先进传感器、诊断推理模型等,实现装备健康状态的智能测试与自我感知;为了装备维修决策的精确化个性化,不仅要对当前技术状态数字化,还要实现装备研制、试验、制造、使用过程全寿命信息的数字化;为了达到装备维修保障指挥控制的自主化智能化,就要实现装备状态、空间、能力,以及所有保障装备设备、物资资源的数量、位置、供应速率、保障关系数字化。为达到以上数字化,除现有成熟数字化技术外,还需解决自然语言理解、语音/图像/图形识别,以及低成本高可靠低功耗的传感等使能技术的应用问题,实现从维修支持文本、维修作业影像、机件图像判识,直到检测仪器设备、维修支持设备乃至拆装工具等都实现数字化感知和数据采集。其发展方向是所有的维修作业和管理行为,都自动、自主、自发地产生可供系统利用的数字化信息,如图1所示,分为主装备的数字化、保障资源的数字化和保障管理的数字化。其中,主装备数字化为维修保障系统运行提供驱动力;保障资源和保障管理数字化则是为实时、准确响应主装备保障需求,实现精确保障奠定基础。

 

1维修保障全要素数字化

 

(2)全要素泛在互联。

信息的价值在于链接。装备维修保障能称其为一个复杂系统,其前提之一就是要素之间的关联,而最重要最有价值的是信息关联。在前信息化时代(当前的维修保障仍处于这个时代),信息泛在而孤立,信息化只是对末端作业的支撑(简化工作),并未产生系统功能的涌现。要素互联是必然要求,同时只有从顶层到末端的所有要素都能实现随时随地无线和无缝互联,才能产生新的特征。而目前装备维修离全要素互联还有较大差距,大量的使用维修数据还依赖于手动输入,虽然在物流方面已经采用了二维码、射频标签对保障物资进行跟踪,但对维修过程信息的记录还主要依靠维护人员手工登记,时效性、准确性难以满足要求,主要存在的问题如下。

① 数据传输和处理能力有限,新装备采用了大量的传感器、BIT,以飞机为例,每个架次产生超过10 GB的系统运行监控数据,但由于地面处理能力有限,大量数据没有得到利用。

② 维修基地内部已完成有线互联,但到单个装备末端,尚未建立自动实时的数据无线接入手段,装备数据主要依靠读卡方式上传。

③ 跨地域互联能力较差,已建立的通信网络仅有数兆带宽,无法满足基于装备群维修大数据的趋势分析、远程维修支援视频图像和测试数据实时传输需求。

④ 缺乏自动化处理能力,维修计划、维修决策、维修方案等还主要依靠维修管理人员经验制定,效率低灵活性差。

大数据[20-21]、工业物联网(IoT)[22-23]、边缘计算、云计算[24-25]等技术,是解决上述问题、实现全要素泛在互联的主要使能技术。其发展方向是全要素数字化产生的全部信息都能在系统的不同层级上,通过高效的协议机制实现信息“所需即所得”。

(3)数据智能与数字镜像。

全要素数字化和泛在互联的维修保障系统,是一个典型的人工它组织系统,需要内部的它组织机制,即CPS。装备作为维修保障对象,也是一个复杂的人工系统,在这个系统由诞生到消亡过程中,维修保障是维持其生存的主要措施。但是,航空装备型号繁多、功能多样、技术复杂,给维修过程带来许多困难。其中最重要的一点是,在装备生成初期,人们难以对其维修特征进行全面设计和完整认知,这些特征需在生存期间不断认识和积累。与民用航空器相比,军事航空装备具有小批量、多型别、多功能的特点,因此航空维修的基于人的经验的属性非常明显。人工智能尤其是数据智能为解决这一矛盾创造了前所未有的条件。初步研究已经发现,数据分析工程师基于飞行记录参数对发动机工作性能的一般判断,已经可以与领域专家相当,而且效率更高。

数字镜像,又称数字孪生,是建立数字化维修保障CPS的另一个概念[26-28],集成了多物理、多尺度、多学科属性,具备实时同步、忠实映射、高保真度等特性。通过在数字空间镜像一个与现实空间相对应的虚拟模型(“平行系统”),实时运行、评估和超前预运行这个模型,支撑维护人员在虚拟环境中直观、全面、准确、及时、预知地掌握装备状态,可以更加精准地实现对装备预知性、个性化的保障和维修;数字镜像还可以支持更为精准的远程维修支援,通过现场装备运行数据、检测数据和环境数据的实时回传,在远端数字镜像体上模拟运行真机运行状态,支持技术专家远程排故。要实现这个目标,首先要求被保障的装备先行实现镜像。目前装备研制过程产生的三维、装配、力学、材料、电路等数字模型为装备数字镜像奠定了基础。在此基础上还需根据业务需要提取其合适的参数、特征,采用合适的方法来构建其虚拟模型,如需要预测产品故障,就需要选择其CAD、振动、热特性等仿真模型,并构建故障相关性模型,以产品经历的各类应力数据为模型输入,通过仿真预测故障发生时机。此外,还需构建数字线程架构,确保数字镜像系统与真实系统有效关联、实时更新,以及数字镜像的访问者随时能够使用系统最新信息。波音公司已经采用数字孪生技术来设计飞机,为每一架出厂飞机创建一个数字孪生飞机,通过运行模型预测产品全寿命周期中的性能,以及何时出现故障。通用电气与ANSYS公司借助数字镜像理念,提出物理机械与分析技术融合的途径,让每个发动机、每个涡轮、每个核磁共振设备都拥有一个数字化的“双胞胎”[29]。

 

2数据智能与数字镜像

 

(4)末端使能。

在维修保障的末端,如何应用虚拟/增强/混合现实(VR/AR/MR)3D扫描、现场增材制造(3D Print)、电子模块现场制造、人工外骨骼等技术,也是值得研究的方向。例如,已有手持式3D扫描设备辅助维修人员从3个维度测量机件的轻微缺陷,并自动进行判读[30];通过增强现实设备,在维修作业中,智能识别维修对象,实时为维护人员提供拆卸安装、功能检查、分解装配等维修工作的方法步骤、工艺标准和三维动作指引,提高维修效率,降低对人员技能的高要求;采用人工外骨骼,辅助维护人员快速完成弹药装挂、大设备拆装等工作,可减少协同工作人员数量和体能消耗;3D打印技术能够在前线按需生产维修备件,可显著减少后勤补给需求。

 

3结束语

航空维修保障及保障系统,是航空作战与作战体系的重要组分。该系统正处于装备升级、任务升级和技术升级的关键节点。在信息化尚未完成之际,又面临着数字化转型的客观且紧迫的需求,除了主动应对别无他法。为此,应加强以下研究。

① 装备系统设计中的主动维修设计技术。主动维修是高级系统的本质特征之一,应在传统维修性设计基础上,运用自主系统理念,研究主动维修概念、方法、流程和途径,实现维修与运营的有机融合。

② 深入挖掘信息互联的革命性价值。打破传统的信息化思维,研究建立全要素数字化的技术框架和体系结构,形成基于数字化体系的维修模式转型。

③ 开展实际维修中产生的海量数据的自动化保护和自主性利用技术研究,以及新兴技术与维修保障的嫁接研究。在上述研究基础上,实现装备维修保障数字化转型,为下一代维修模式——“处方”维修(Prescription Maintenance)转变创造条件。

 

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