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河北译普赛斯信息技术咨询有限公司 信息来源：译普赛斯技术咨询团队摘编自 《超星·期刊》 作者：赵强   01 CBM理论概述 近些年，基于状态的维修（CBM）得到了迅猛发展。尽管CBM出现时间较晚，但由于其显著的优点，一经出现便成为了装备（设备）使用与维修领域关注的焦点，目前已成为维修理论与应用研究领域的热点问题。发达国家已经在一些军用装备或民用设备上应用CBM，并取得了很好的效果。CBM是一种建立在对装备状态实时或近实时评估基础上的维修方式。是在传统的状态监控和故障诊断技术基础上综合多种先进技术，准确判定部件实际状态，以决定对其进行更换或维修的过程。CBM通过掌握装备的现行技术状态，运用数据分析与决策技术预测装备的剩余寿命并实施“精确化”维修保障，能够有效地缩短非计划停场时间，减少维修费用，延长装备使用寿命，提高装备的完好率、可用度和安全性。  1.1 CBM概念分析 CBM是从设备内部植入的传感器或外部检测设备中获得系统运行时的状态信息，通过对这些状态信息进行实时或周期性的评价，最终确定装备的维修需求。CBM在确定维修需求时最突出的特点是考虑了装备的运行状态信息，根据不断获取的新状态信息更新维修决策时间，尽可能地在故障发生前采取维修措施，可以明显带来维修费用、维修任务减少等一系列效益。需要注意的是，CBM不能简单地理解为状态监控维修，状态监控是CBM 的前提与基础，根据获得的状态信息进行数据处理、寿命预测等一系列活动是CBM的核心，确定维修需求、做出维修决策是CBM的最终目标。通俗地讲，对同一种型号的装备总体进行连续监控，分析并确定该类装备的可靠性水平，做出是否继续使用还是维修的判断，是CBM的主要内容，如图1所示。 1.2 CBM与PHM、EHM的关系 在复杂装备状态维修及健康管理研究中，CBM、PHM和EHM这三个理论和技术关系比较密切。下面从概念定义、应用模式对三者进行分析。  概念分析 CBM（Condition Based Maintenance）的定义是，通过测量设备的工作状态，构建一套设备维修的策略，以预计设备在未来是否工作不正常。如果运行中出现异常，能给出相应的措施以避免异常带来的问题。通过检测设备的性能或人工传感器，采用条件监控和统计处理控制技术，可以监测设备的工作状态。在设备状态监测的基础上，根据监测和分析诊断的结果安排检修的时间和方式。 PHM（Prognostic and Health Management）在很多文献中被译为故障预测与状态管理技术，它没有标准的定义，重点是利用先进的传感器并借助各种算法和智能模型来监控、预测和管理飞机的状态。PHM通常分为两部分来理解：一是故障预测，即诊断或预计部件/系统完成其功能的状态，包括确定部件的剩余寿命或正常工作的时间长度；二是状态管理，即根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对维修活动做出正确决策。 EHM（Equipment Health Management）是一种对设备及其部件健康状态的影响因素进行全面管理的过程。EHM通过整合设备管理规章制度和业务流程，以状态维修、定期维修等维修活动为手段，对涉及设备健康的方方面面（日常管理、维护保养、操作使用、状态监测等）进行全过程管理，是一种促进设备全面健康的管理新模式。 应用模式  从目前的应用情况看，CBM理论已经被工业部门广泛接受。机械、化工、冶金、汽车及电力等许多行业都使用CBM技术，取得了巨大的经济效益。同时，CBM理论还在军事领域获得了应用，美军主要在陆军航空兵中积极发展CBM，它代表了美军在装备维修保障中正在进行的工作和未来的发展趋势。 美国国防部已将PHM认定为是一项能够显著降低使用和保障费用、提高飞行安全和飞机可用性的综合性技术。美军各军种制定的若干重大相关研究项目中就包括联合战斗攻击机（JSF）的PHM系统，此外，还有海军的综合状态评估系统（ICAS）、陆军的诊断改进计划（ADIP）等。波音公司将PHM应用于民用航空领域，称为飞机状态管理（AHM）系统。 EHM也在很多企业得以应用。对于某一特定的企业而言，其设备健康管理策略是个性化的，是适当的技术手段和专业资讯的优化组合，该策略包含设备健康状态管理的设计、执行/实施和持续提高，是建立有效体制的有效路径。EHM是状态监控、健康评估、维修决策支持、计划及控制等组合。 综上所述，在技术推动和现代维修理念发展的双重作用下，CBM、PHM和EHM之间的联系将更加紧密，差异将越来越小。 02 美军应用现状分析 美军20世纪90年代末引入民用领域的CBM理论。目前，CBM是美国国防部近年来大力推行的一种维修策略，各军兵种装备均推广采用CBM 技术。 2.1 美国海军 1998年美海军在装备维修中提倡CBM。1998年5月6日，美海军作战部颁布OPNAV INST 4790.16指令-《基于状态的维修政策》。美海军以综合状态评估系统（ICAS）作为CBM的实施工具，该系统能监测机械数据的趋势，能对舰船及其设备进行器材需求评估、设备状态评估等，对每个系统或设备的主要性能参数监测结果予以评估，给出汇总表格，用绿、黄、红色分别表示其可用、注意和不可用，最后提出具体的维修建议，为实现“在正确的时间、以正确的费用进行正确的维修”提供了依据。ICAS系统还被应用于其他装备中，包括基于企业级的系统训练、共享后勤保障数据、共享系统保障费用、共享实施费用等。 2.2 美国陆军 20世纪90年代，美国国防部启动HUMS计划，为其Mk2/2a直升机配装健康与使用监控系统（Health and Usage Monitoring Systems，HUMS），HUMS是一个集成化系统，综合了健康监控系统和使用监控系统两个子系统，主要功能是监控直升机及其子系统的性能和使用参数，预测直升机剩余使用寿命（RUL），并提供维修决策信息。美军的HUMS系统也在其H-53、H-60和H-64等直升机上得以应用。据美国《今日防务》报道，配装HUMS系统的美国陆军直升机任务完备率提高了10%。 2.3 美国空军 美空军在联合攻击机上采用了PHM作为CBM技术的代表。该系统具有增强的诊断能力，评估装备实际状态、预测剩余寿命等功能。通过PHM，飞机处于飞行状态时就可以将其状态及故障数据等自动下传，以准备相应的维修资源，从而大大缩短下次出动的准备时间。据估计，JSF（F-35）采用PHM技术可以使其维修人力减少20%～40%，保障规模缩减50%，出动架次率提高25%，使用与保障费用减少50%以上。 2.4 其他领域 CBM技术不仅在军用装备上得到实施，更在民用企业的大型装备、航空、船舶等领域得到了应用。这些技术在波音747和DC9等大型客机上的成功应用，大大提高了飞行的安全性。 03 国内主要存在的问题 尽管国内在航空装备状态维修的研究与应用方面已经取得了较大的进展，但仍然存在许多问题需要认真研究并加以解决，主要包括以下几个方面。 3.1 对CBM及健康管理理论研究不够深入和系统 在国内，CBM及健康管理理论体系尚未形成，理论研究基本上是在外文文献的基础上进行介绍或探讨；缺乏统一性（如视情维修、状态维修、状态监测维修、基于状态的维修等）；概念界定较为模糊，有些概念之间的联系与区别不是很清楚（如CBM与PHM、EHM之间的关系，CBM与RCM、CMMS之间的关系等）。以上问题不利于深入系统地开展CBM及健康管理理论研究。 3.2 对维修分析与决策重视不够 国内侧重于研究状态检测和故障诊断技术，但缺少根据设备的状态信息进行维修分析决策这一重要功能，使得CBM难以充分发挥其应有的作用和效能。据统计，近十多年来，国内多个行业研制开发了总计约上百种的故障诊断系统。从研究范围来看，基本上跟踪了国外的发展，但真正投入使用的还不够多，应用后所取得的效果也难以满足人们预期的目标。在航空工业领域，基本局限于基于故障树的诊断模式，只有个别新机型具备核心子系统的健康管理功能，缺乏整机的健康管理应用，同时，在维修分析模型和分析策略上研究较少。 3.3 需要对模型进行深入研究 CBM决策的理论基础研究可以分为两类：第一类是利用数理统计理论、点过程理论等，直接建立设备状态和寿命的统计分布，估计模型中未知参数，根据费用等目标做出优化决策。第二类是应用马尔可夫或半马尔可夫决策过程对费用目标的维修策略进行求解。在CBM模型中，关于设备健康评估和剩余寿命预测的模型相对较少，研究也不够充分；已有的不少模型比较复杂，不够简单实用，不利于计算机实现；在对设备进行健康评估时，对环境因素、使用因素装备应用场景以及用户战训要求等考虑不够。 3.4 需要进一步开展装备远程CBM及健康管理研究 尽管远程维修/远程支援/远程诊断等概念早已提出，在维修实践中也有一定的应用，但对于复杂装备而言，缺乏真正意义上的基于状态的远程维修及健康管理。因此，有必要深入研究复杂装备远程CBM系统的总体结构及相关技术。 04 未来亟需解决的问题 4.1 CBM及健康管理理论体系研究 由于CBM和健康管理涉及的学科专业领域众多，加上国内在CBM尤其是健康管理研究方面仍然处于起步阶段，一些问题在国际上仍然属于热点研究问题，因此，CBM及健康管理理论体系需要进一步完善，尤其是二者之间如何紧密结合以指导具体的研究和应用工作。 4.2 CBM技术标准的制定 为了制定基于状态的维修方法及实践所涉及的标准，美国空军司令部组建了一个工作组，在相关工程人员的协作下，对所有飞机采集到的信息进行数据挖掘，以便制定新的维修标准和参数，从而重新编制技术手册和指南，并最终对维修人员和维修管理人员的工作流程进行改进。为了更好地完成国产航空装备状态维修方式的转型，相关维修标准和参数的制定便是至关重要的一个环节。 4.3 CBM训练资料与训练方式的研究 美陆军训练保障中心保存的有关基于状态维修的训练资料可供所有士兵查阅，为使训练工作跟上新装备部署步伐，还开展了自适应训练、情景驱动沉浸式实战训练、基于网络的训练、新装备训练等训练形式。我军应该在实施维修方式转型之初，就整体规划CBM训练资料的编写、训练教程的安排、训练方式的统筹。 4.4 CBM预测及决策模型的研究和应用 这部分工作包括健康状态评估模型、剩余寿命预测模型、多目标下的CBM决策模型的研究，以及模型的运算工具或软件的实现等。 4.5 远程智能CBM技术的研究 随着计算机技术、传感器技术的迅猛发展及广泛应用，无线智能CBM已经成为CBM的一个发展趋势。远程智能CBM可以充分利用网络技术，实现基于状态的装备远程维修，同时加快CBM维修检测设备特别是小型化适合外场保障的设备的研制和推广使用。 4.6 建立装备监测间隔期的模型 状态监测的间隔期是人为规定的或是固定的监测间隔期，其确定带有一定的主观性。合理的监测间隔期能减少装备寿命周期费用，减少操作人员工作量等，因此，如何将监测间隔期与剩余寿命结合以确定装备的维修决策是一个有现实意义、值得研究的问题。 05 总结 （1） 对服务保障和维修人员来讲，CBM意味着新的工具、测试设备和内置机上故障诊断。这些工具利用目前商业的故障诊断技术，将系统状态数据（如温度、振动、周期时间等）以及环境因素（如沙漠、极地、高湿等）转换成主动维修活动，这些维修活动可以在实际维修中被执行。有了CBM，维修人员能够将武器系统或装备的状态数据转换成主动维修活动。 （2） 对战训指挥官来讲，CBM技术增加了武器系统的可用度。CBM为指挥官、任务计划人员和保障人员提供了获得更好的任务决策和任务分配所需的信息。 （3） 对联合作战来讲，当整个作战群装备运行数据实现共享时，CBM从故障诊断传感器和设备获得数据，通过实时评估装备的状态，将这些数据转化成预测趋势，预测故障什么时候将发生，确定哪些部件需要重新设计或替换，降低了高故障率，以此来确定整个作战群未来的维修活动，便于进行维修资源和维修计划的整体优化。各兵种或不同机型部队的资源共用将极大地减少服务保障费用和人员数量。 ·END· |
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