基于故障预测技术的装备预知维修策略研究
摘要：首先对传统的维修方式——事后维修与计划维修的局限性进行了分析。阐述了故障预测和预知维修的基本概念，指出预知维修是一种针对未来任务，面向装备实际状态的按需维修方式。提出了一种基于故障预测技术的，具有四个层次的装备预知维修模型：数据采集层、数据处理层、评估与预测层以及维修决策层。并对预知维修技术的内容及实现方法进行了探讨。
关键词：预知维修；故障预测；状态监测；装备
1 引言
目前，在装备的维修保障领域，传统的维修方法在对瞬息万变的新情况的应变能力上存在严重不足。特别是多样化、严酷化的作战环境，导致了装备维修环境更加恶劣、维修目标更加综合，致使许多传统维修手段无能为力。同时，对部队装备维修管理的调查表明，维修费用约占装备研制生产成本的15%-40%，并且1/3的维修费用由于不必要和不准确的维修工作引起的。因此，采用新技术、新手段实现装备的维修和技术管理成为提高部队战斗力，节约维修费用的重要途径。
2 事后维修和计划维修的局限性
传统的维修方式主要有两种：一种是在装备已发生功能性故障以后才进行的维修，即事后维修；另一种为计划维修，即按预先人为规定的固定检修周期实施小修、中修和大修。事后维修是以装备故障为依据的，在装备运行到出现故障后才进行维修以恢复装备正常功能。事后维修是最原始的维修方式，能够减少一些不必要的维修费用，但是当一个部件出现故障时它可能损坏其它部件、毁坏整个系统、甚至危及人身安全，特别对于执行作战任务的主战装备而言，一旦在关键时段发生故障，将严重影响部队的战斗力，乃至整个战役的进程。因此，事后维修仅适用于一些不重要的装备和设备，而且还应该满足：系统发生故障时损失很小，不会对其它装备的正常运行产生影响，不会对人身和环境造成影响，故障的定位和排除可以很快完成。
计划维修是以装备的使用时间为依据，它的基本思想是利用同类或类似装备的故障统计规律对装备寿命进行估计，并根据这个估计寿命安排维修时间。传统的观点认为装备的故障率与时间的关系基本上是“浴盆曲线”（图1）。三个故障时期都符合一定的统计分布：磨合期可用
的威布尔分布描述，平稳期可以用指数分布进行描述，而耗损期可用
的威布尔分布描述。计划维修就是在装备的耗损期内安排维修以延长装备的使用寿命（图1中的曲线2），这是一种理想的情况。实际上，计划维修对装备的故障率的估计往往偏于保守，而且实际维修周期的制定还必须兼顾很多其它装备，这就使进行维修的时间实际上是在各个装备的故障平稳期开展的。因此，实际的计划维修对故障率的影响是使浴盆曲线进行了平移（图2）。显然，对装备进行维修后不仅没有降低系统的故障率，反而使其重新进入另一个磨合期，将磨合期的高故障率引入稳定的系统中，增加了装备的总故障率。
可靠性的研究表明，计划维修只适用于有明显耗损故障的装备，而对偶发性故障基本是无效的。实际上对于大多数装备，特别是复杂装备，故障的模式呈现多样性，故障率曲线也呈现多样化，浴盆曲线仅适用于少数耗损性故障占绝对优势的简单装备。有的没有明显的早期故障期，故障率持续缓慢增长，直接进入耗损故障期；有的没有耗损故障期，故障率呈现为常数，故障完全是随机的，与运行时间无关。因此，基于浴盆曲线的计划维修是不能满足多种故障模式维修的需求的[1]。
事后维修和计划维修很难预防灾难性的故障，而且常常引起不必要的停机、不可接受的风险。计划维修虽然是一种预防性维修方式，但经常会造成不足维修和过剩维修。不足维修很可能会导致装备运行状况进一步恶化，过剩维修则会增加不必要的停机时间，影响装备的利用率。而且正是由于计划维修的盲目性，使得事后维修往往在所难免，甚至带来灾难性的事故。
随着现代科学技术的发展，装备科技含量越来越高，复杂性迅速增加。系统往往由许多零部件组成、功能单元很多，各单元都可能产生故障，使用寿命也存在个体差异。零部件越多，偶然性就越强。为了有效地提高部队的战斗力，减少维修费用，需要对系统的故障机理进行深入研究，在对系统的实际状态监测、趋势分析以及可能发生故障进行预测的基础上作出维修决策，将故障消灭在萌芽状态。也就是说必须采用新的维修策略，这种维修策略是一种按需维修策略，即根据装备实际状态的需要安排装备的维修活动，这就是预知维修。
预知维修与计划维修一样，也属于预防性维修，不同的是，它是以装备的运行状态监测为基础，以对系统进行故障预测和性能评估的结果为依据而采取维修决策的，因而更具有客观性、科学性。
3 故障预测技术
装备的故障预测技术是一门涉及机械、电子、材料、控制以及计算机仿真技术和人工智能等多学科综合的新兴边缘学科，以当前武器装备的使用状态为起点，对装备未来任务段内可能出现的故障进行预测，向用户及时提出警告，以便及时在任务之前更换零部件，保证训练和作战任务的顺利完成。
发展故障预测技术，除了可减少或避免装备在使用过程中发生重大恶性事故外，对于改革现行的装备管理和维修制度也具有重要作用。目前采用的事后维修和计划维修，既可能造成不足维修（规定的检修期未到，装备已出现故障），也可能因过剩维修（规定的检修期已到，装备并未损坏，但不得不按制度进行例行检修）造成人力和物力的浪费。运用故障预测技术指导装备进行视情预知维修既可减少因过剩维修而引起的费用上升，也可防止因不足维修而导致事故的发生。特别在执行训练或作战任务之前，对装备在未来任务段内的故障发生情况进行预测，及时维修更换零部件，保证充裕的无故障工作时间，对于完成训练和作战任务，提高部队的战斗力都具有十分重要的意义。
4 基于故障预测技术的装备预知维修模型
4.1 预知维修的基本概念
与面向实际故障的事后维修和面向服役时间的计划维修都不相同，预知维修是面向装备实际状态和发展趋势的。预知维修的基本思想是根据对装备当前和将来状态的正确和可靠的预测来安排维修活动，因此对装备当前状态的描述，以及对下一时段状态和故障的预测是实现预知维修的根本。预知维修的目的是减少维修费用、把灾难性故障的风险降到最小，使装备具发挥最大的作战效能，并且减少备件的库存量。这就使部队仅仅在需要的时候才进行维修工作，防止任务执行过程中装备出现故障，从本质上消除昂贵的周期性的维修工作，并最大可能地减少装备故障的发生。
国际上很多知名的制造和电力企业已将他们主要的维修维护工作从基于时间的计划维修转移到基于实际状态的预知维修。这些企业的目标是将整个维修任务减少50%，同时改变现有维修方式的比例：使预知维修占整个维修工作的45%（原来15%），计划维修不到40%（原来35%），而事后维修不到15%（原来50%）[2]。
4.2 预知维修模型
实现装备的预知维修需要获得与系统当前状态相关的数据并对这些数据进行处理，从而对装备的性能做出判断并预测在未来时段内可能发生的故障，及各部件和系统的剩余寿命，根据判断和预测的结果做出是否需要维修、什么时候进行维修、需要什么样的人员和工具、以及如何进行维修的决策。从数据收集到做出维修决策是一个非常复杂的过程，我们可以把它分为四个层次：数据采集层、数据处理层、故障预测及性能评估层、维修决策层。随着传感器技术、计算机技术、信息处理技术和人工智能等的快速发展，这四个方面都得到了长足的发展。图3所示的流程图为预知维修的主要实施步骤。
（1）数据收集：由具有一定理论水平和实践经验的技术人员，借助离、在线状态监测仪器、仪表，在执行训练和作战任务之前对装备进行状态监测，利用各种检测仪器和设备，提取反映装备性能的特征数据，存入数据库；
（2）数据处理：收集的数据通过适当的处理即为装备任务执行前的初始状态，装备的初始状态是故障预测的出发点，不同的装备在数据收集时选取不同的特征参数，在数据处理时采用不同的处理方法；
（3）故障预测、趋势分析和性能评估：这些功能是建立在对样本统计数据进行分析的基础之上，并且借助于人工智能和计算机仿真技术，根据特征参数的变化规律建立数学模型，描述故障的发生和发展过程，作出故障预测的结论，进而实现装备在未来任务段内的性能评估。
（4）维修决策：根据故障预测结论和性能评估结果，判断装备能否在未来任务段内保证一定的无故障工作时间，顺利完成训练或作战任务，如果需要进行维修，则按照制订的维修标准来判断预知维修的时间和规模，制定维修计划。维修结束后，把相关故障和维修记录存入维修记录数据库，为装备的管理和再次维修提供科学依据和经验[3]。
可见，要实现装备的预知维修，必须满足以下要素：（1）具有先进的状态监测和故障预测技术的支持，包括必须的软硬件；（2）具备专业技能和现场经验的技术人员；（3）建立以装备状态检测和故障预测技术为基础的装备点检、检修等管理制度，明确从发现潜在故障至进行维修保障过程中各职能部门所采取的各项措施，如对检修
项目、备件库存、检修计划、检修人员组织等方面采取的各项措施。这一切都必须溶汇于部队日常的装备管理和保障工作这中。
5 结论
随着现代科学技术的飞速发展及现代战争对部队作战能力要求的不断提高，装备的维修保障能力成为提高部队战斗力的一个重要因素。传统的救火式的事后维修方式已经被证明存在很多不足，严重影响装备作战效能的发挥，预知维修的重要性自然日益突出。预知维修是根据装备的故障规律制定维修计划，以保证装备在未来任务中具备一定的无故障工作时间，保证训练和作战任务的顺利完成。虽然装备故障问题的复杂度和诸多随机因素影响了预知维修的精确性和实用性，但预知维修可以有效地提高部队战斗力和装备维修保障能力，降低维修费用，节省备品备件，有效地防范了突发故障造成训练或作战任务的失败，具有很大的实用价值和推广价值。
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发表于 2010-9-15 03:28:15