军用装备CBM应用研究

摘要:本文在介绍CBM基本原理和应用关键技术的基础上,结合我军现行维修管理体制,采用总体目标驱动,分层逐步实施的思路,设计了军用装备CBM应用流程,明确了组织机构与人员分工,探讨了军用装备CBM应用流程的功能实现,为军用装备采用基于状态的维修方式建立基础,从而提高装备维修效率与效益。

Abstract: This paper based on the introduction of the basic principle and application key technology of CBM, combined with the China’s current maintenance management system, and used the idea of the overall goal-driven and the layered step by step implementation, designed the the application process of military equipment CBM, cleared the organization and personnel division of labour, discussed the function realization of military equipment CBM application process, and established a basis for military equipment using CBM, so as to improve the efficiency and effectiveness of equipment maintenance.

关键词:军用装备;基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM);应用研究

Key words: military equipment;CBM;application research

中图分类号:E0文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0118-03

0引言

随着科学技术的不断发展,军用装备以定期维修为主的维修管理制度将逐渐被更加先进的基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM)所取代,在军用装备中应用CBM可以极大地提高维修的效率与效益,克服“维修不足”与“维修过剩”的矛盾,具有重要的军事意义[1-4]。为了更好地促进CBM在军用装备中的应用研究,加速CBM应用的步伐,本文结合我军现行的军用装备维修管理制度,探索军用装备CBM的应用研究。

1CBM基本原理

CBM是随着状态监控和故障诊断技术的不断发展而逐步出现的,通过内置传感器或便携式外部检测设备进行测试,获取装备运行的特征量信息,借助各种智能推理算法(如物理模型、神经网络、数据融合、模糊逻辑、专家系统等)实时评估装备的技术状态,在装备故障发生前对其剩余寿命进行预测,并根据各种可利用的资源信息结合不同的决策目标实施决策的维修过程。其工作原理如图1所示。

CBM是测试和维修诊断的一种革新方案,是一项综合性的维修工程,它的引入不是为了直接消除故障,而是为了了解和预报故障何时可能发生,仅当装备状态劣化到一定程度,产生维修需求时才进行维修,能够有效地节约维修资源,降低维修费用,提高装备的完好性,因此,CBM又是一种“按需维修”。

2军用装备CBM应用研究关键技术

2.1 健康状态评估技术健康状态评估技术是指通过综合分析各种数据(传感器测量的数据、人工测量的数据、历史数据等),同时考虑装备的使用、维修、环境等因素的影响,利用各种算法对装备的健康状态进行评估,确定装备所处状态的一种技术。

健康状态评估是CBM系统的重要组成部分,其作用主要是通过准确评估装备的健康状态,为装备的维修决策提供依据,为精确化维修提供技术支持[5]。常用的健康状态评估方法主要有对比分析法、模型分析法、Bayes分类法、BP神经网络分类法、距离函数分类法、支持向量机分类法、灰色评估法、模糊评估法等。

2.2 预测技术预测是检测和监控故障部件的先兆指示,并沿着故障到失效的时间线不断进行精确的剩余使用寿命预计[6]。常用的故障预测方法主要有以下几种:

2.2.1 曲线拟合法:其基本思想是用一个简单的函数曲线来近似地表达给定数据所反映的规律。

对于数据样本x■,y■i=0,1,2,…,m,曲线拟合就是要找到一个函数gx■,y■,使函数与给定数据的误差最小。

一般常用的有线性拟合、二次曲线拟合等。线性拟合就是用一个线性函数来近似表达x■,y■i=0,1,2,…,m。

寻找近似函数gx■,y■的过程,实质上是一个优化过程,一般工程上均采用最小二乘法,即使得gx■,y■和x■,y■之间的误差最小。

2.2.2 基于特征扩展的智能预测已知故障/失效的“降级路径”随时间不断扩展,采用神经网络等AI技术对所测量/提取的这些“路径”的特征进行训练,神经网络将根据失效曲线与相关的特征量级自动调节加权和门限值。训练后的神经网络结构可以用于预计在相似工作条件下的不同试验的同样特征的进展情况。

2.2.3 状态评估预测基于卡尔曼滤波或其他各种不同跟踪过滤器的状态评估技术,也能作为一种预测技术使用。对于测量值或提取的一个特征,构造出状态向量,然后,利用状态转移方程来更新这些建立在模型基础上的状态,模型和测量结果之间的最小误差来预计未来特征属性。

2.2.4 基于物理的预测建立基于物理的随机模型,可用于评价多种不同类型的机械部件的剩余使用寿命分布。该分布是部件强度/应力的不确定性或某一特定故障条件的函数。利用该模型的结果来产生一种神经网络或基于概率的自主式系统,用于实时失效预测性预计。该预测模型的其它输入信息包括:诊断结果、当前的状态评估数据和工作剖面预计。这些知识性信息可以从多传感器数据融合并结合从数据挖掘过程获得的内场经验和维修信息产生。

3军用装备CBM应用流程设计

应用流程设计是对军用装备CBM应用的进一步深化和可操作性的研究[7]。在流程设计过程中,充分地考虑了与我军目前军用装备维修管理体制的结合,具有很强的实际操作性。具体方案如图2所示。

3.1 组织机构及人员分工军用装备应用CBM是一项系统工程,牵涉到各个方面,建立健全组织机构,制定相应的规章制度,明确各部门的职责,协调一致,才能取得良好的效果[8]。

3.1.1 组织机构在军用装备CBM应用中,涉及到的组织机构主要有:装备使用单位、装备机关、装备维修单位。三个部门在共同的目标框架下,相互联系、相互协作,共同完成装备维修任务,三者的关系如图3所示。

从图中可以看出,当装备发生故障后,装备使用单位向装备部门提出维修申请,装备机关接到申请后,汇总资料,根据维修保障资源的具体配备情况,适时向装备维修单位下达维修指示,装备维修单位接到上级的维修指示后,制定维修计划,准备维修备件与修理技工,同时听取装备使用单位对故障装备的具体描述,而后对损坏装备实施换件修理,并将修理情况向装备机关汇报,装备机关则对装备的修理情况进行评估,确定维修效果。

3.1.2 人员分工军用装备CBM应用中,人员分工及职责明确如下:

3.1.2.1 状态获取层主要由装备使用单位的人员组成或装备具体操作人员,如:自行火炮可由驾驶员与车长组成,其主要职责是:①按规定完成对所属装备的检查、测试和数据采集工作;②通过与维修阈值的比较,确定装备所处的状态;③当装备处于异常状态时,及时向装备所属单位负责人进行报告;④负责对装备实施维护保养。

3.1.2.2 预测层主要由装备维修单位取得相应资格的技术人员组成,其主要职责是:①对处于异常状态或性能衰退状态的装备进行剩余寿命预测,并确定装备停机时机;②对处于异常状态或性能衰退状态的装备,提出装备使用建议;③汇总装备所属单位故障情况,向装备机关进行汇报;④指导状态获取层人员的检测工作。

3.1.2.3 决策层主要由装备机关负责人和装备维修单位负责人组成,其主要职责是:①确定军用装备CBM应用的目标;②组织、领导CBM应用流程施人员的培训工作;③审批预测层的维修申请并进行决策;④检查军用装备CBM工作的进度和质量,评估实施的效果;⑤组织对备件的请领,并对不具备换件修理条件的故障装备向上级送修。

3.1.2.4 维修层主要由装备维修单位具有相应资格的修理技工组成,其主要职责是:①进行备件和人员的准备,实施换件修理;②对不具备修复能力的故障件,向装备机关报告,组织送修;③指导状态获取层人员实施对装备的维护保养工作;④对具备修复能力的故障件进行修复,修复后转化为备件;⑤向装备机关汇报装备维修情况。

3.2 功能实现

3.2.1 状态获取层装备维修人员根据检测计划的安排,利用车炮场日或日常维护保养的时机,使用便携式检测仪器获取军用装备的状态参数,(随着我军装备建设的不断发展,装备的现代化水平越来越高,装备本身就集成了大量的传感器,因此,我们也可以采用传感器技术对军用装备运行时的工况敏感参数(如温度、压力、流量、速度等)进行实时监测、分析和记录;同时,通过装备运行的实时工况参数获得零部件的工作性能、机械强度、疲劳极限与磨损程度等重要参数信号。)并进行记录,做好故障数据的保存,作为日后复查的依据。

3.2.2 预测层装备维修单位具有相应技术资格的维修人员,收到装备使用单位的故障报告后,了解装备的具体故障情况,利用剩余寿命预测软件,进行异常设备的剩余寿命预测。根据设备剩余有效工作时间的长短,确定装备是否停机:

3.2.2.1 对无需停机的设备,根据剩余有效工作时间的情况给出装备使用建议,对接近故障发生,但仍可运行的装备,给出设备维修的具体时间,在此期间缩短状态检测间隔期,加强检测,发生异常及时报告;

3.2.2.2 对剩余有效工作时间很少,故障发生迫近的设备,应果断下达装备停机命令,而后将装备使用单位的相似情况进行汇总,向装备机关提出维修申请。

3.2.3 决策层装备机关在收到维修申请后,批准申请,并在装备部门进行备案。同时向维修单位下达换件维修指示。根据维修单位的具体情况,对是否具备换件能力进行决策,对不具有换件能力或换件条件不充分,无法实施换件修理的故障设备,应向上级请求维修,批复后组织向上一级装备维修单位送修;对具有换件能力,可以实施换件修理的故障设备,根据备件的具体储备情况,如备件不足,向上级提出备件请领请求,积极向上级请领备件,获取备件后实施换件修理;如备件充足则进行换件修理。

3.2.4 维修层装备机关向装备维修单位下达维修指示后,装备维修单位制定维修计划,对维修所需的人员、备件进行准备,同时听取装备使用单位对发生故障装备的描述,而后对故障装备实施换件修理。换件修理完毕后,对于替换下的故障件进行修理,修理之前应对是否具备故障件修理能力进行决策,对不具备修理能力的故障件,向装备机关提出送修申请,积极组织送修;对具备修理能力的故障件实施修理,故障件修复后,将其转化为备件进入备件仓库,并将有关维修情况向维修机关进行汇报。

4结束语

CBM是一种先进的维修思想,美国等军事发达国家开发了各种各样的CBM应用系统,并在军事领域进行了广泛的应用,取得了较好的军事与经济效益。而我国在CBM应用领域方面的研究起步较晚,现在仍处于探索阶段,加快CBM在我军的应用具有重要的战略意义。

军用装备CBM应用流程设计是对CBM在军用装备应用中的一次探索,随着我军装备现代化步伐的不断加快,装备的性能越来越先进,复杂程度越来越高,维修在整个装备建设发展中所占的地位也将越来越重要,如何结合现代先进的维修理论,提高装备的维修水平还需要做大量的研究工作。

参考文献:

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[7]贺小明,王俊新,闫秀峰.火电厂基于状态检修思想的现代设备管理模式研究[J].华东电力,2004,32(12):41-44.

[8]国家电力公司.火力发电厂实施设备状态检修的指导意见[J].中国电力,2002,35(2):1-5.