工齡探索技術(shù)研究

王池權(quán)* 石 亮 王俊濤

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京100028）

0 引言

工齡探索（Age Exploration，以下簡稱AE）一詞源于以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，以下簡稱RCM）。在采用RCM分析制定飛機初始維修大綱的過程中，由于缺少必要的數(shù)據(jù)支持，在確定預(yù)防性維修（Preventive Maintenance，以下簡稱PM）任務(wù)及其間隔時通常偏于保守，此外，在飛機的實際使用場景中部分維修項目（潤滑、檢查、翻修、報廢等）不適用或無法實施，導(dǎo)致維修大綱存在不夠有效和經(jīng)濟的問題，而工齡探索就是指通過分析飛機在實際使用或維修中的數(shù)據(jù)對預(yù)防性維修任務(wù)及其間隔進行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，以確保維修大綱能滿足飛機的安全性、環(huán)境性、使用性和經(jīng)濟性要求。

自20世紀60年代起，波音、空客等航空制造商就開始對飛機維修大綱中的維修任務(wù)及其間隔進行工齡探索，在保證飛機可靠性不降低的前提下顯著降低了飛機使用過程中的PM任務(wù)成本，同時維持甚至改善了產(chǎn)品的可用性[1-5]。此外，美國海軍在20世紀70年代初也采用工齡探索技術(shù)來延長艦隊彈道導(dǎo)彈潛艇定期大修的時間，隨后又將工齡探索技術(shù)逐漸應(yīng)用到所有的潛艇、航空母艦等艦船，并取得了良好的效果[6]。目前，國內(nèi)外在工齡探索技術(shù)方面的研究主要集中在飛機特定預(yù)防性維修任務(wù)及間隔的優(yōu)化模型及方法[7-14]，但缺少針對飛機初始維修大綱中的預(yù)防性維修任務(wù)及間隔開展工齡探索的一般方法及邏輯流程的闡述，與此同時，盡管工齡探索技術(shù)在國外相關(guān)標準[1-4，15]中均有涉及，但更偏向于概念性描述，難以直接借鑒。隨著國產(chǎn)飛機的下線及大量服役，初始維修大綱中確定的維修任務(wù)及其間隔在飛機實際使用過程中的適用性與有效性問題日益突出，因此，開展對工齡探索技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。

1 工齡探索與RCM的關(guān)系

工齡探索是RCM中的重要部分，在執(zhí)行RCM分析時，常常無法獲得最優(yōu)決策所需的數(shù)據(jù)，譬如精確的零件或系統(tǒng)工齡-可靠性（即P-F，Potential failure-Functional failure）曲線，此時設(shè)計人員必須根據(jù)經(jīng)驗來預(yù)估執(zhí)行預(yù)防性維修任務(wù)的初始間隔，而為了保證可靠性該間隔通常是偏保守的，這就需要開展一個工齡探索任務(wù)，即從實際操作和試驗環(huán)境中收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以替代在初始RCM分析和預(yù)防性維修任務(wù)設(shè)計時所做的假設(shè)。因此，一個產(chǎn)品的RCM計劃應(yīng)該提供關(guān)于如何開展和實施AE任務(wù)的詳細信息。

RCM的目標是保持而不是改變產(chǎn)品設(shè)計時的固有可靠性，這是因為固有可靠性取決于設(shè)計而不是維修，而當產(chǎn)品理論設(shè)計壽命與實際設(shè)計壽命之間存在差異時，可以利用工齡探索過程中的使用維修數(shù)據(jù)來改進原始設(shè)計，RCM的分析資料則有助于評估執(zhí)行AE任務(wù)的潛在成本和優(yōu)先級。

2 工齡探索任務(wù)的主要步驟

工齡探索可以分解成一系列步驟進行，一般可將其分為三個階段。

1）準備階段：主要完成使用維修信息搜集工作，并進行預(yù)防性維修任務(wù)及間隔的有效性及適用性分析；

2）分析階段：對分析任務(wù)列表中的每個預(yù)防性維修任務(wù)及間隔進行詳細分析；

3）跟蹤階段：對預(yù)防性維修任務(wù)及間隔進行動態(tài)調(diào)整與持續(xù)優(yōu)化。

下面對三個階段的分析流程和方法進行詳細討論。

2.1 準備階段

2.1.1 信息收集

全面準確地收集信息是進行工齡探索的重要前提，因此必須盡可能詳細地定義所需的數(shù)據(jù)，以確定需要收集哪些數(shù)據(jù)以及執(zhí)行數(shù)據(jù)收集的責(zé)任人，其中需要搜集的信息主要包括：（1）預(yù)防性維修任務(wù)信息，包括任務(wù)描述（功能故障模式和故障影響）、維修現(xiàn)狀和失效數(shù)據(jù)等；（2）確定收集數(shù)據(jù)所需的維修和技能水平；（3）相關(guān)政策法規(guī)文件。

通?？蓪⑹占臄?shù)據(jù)分為兩大類：正在收集的數(shù)據(jù)和必須收集的數(shù)據(jù)。對于正在收集的數(shù)據(jù)，只需要定義它將被評估的頻率和工作的持續(xù)時間。對于必須收集的數(shù)據(jù)，有必要設(shè)置一個任務(wù)來收集特定的數(shù)據(jù)，這包括定義任務(wù)的頻率和持續(xù)時間以及用于向機隊支持團隊或集成的程序團隊傳輸數(shù)據(jù)的方法。

信息的來源主要包括：（1）飛機設(shè)計資料，如執(zhí)行初始RCM分析后給出的政策指導(dǎo)手冊（Policy and Procedures Handbook，以下簡稱PPH）和使用維修計劃（Operator Maintenance Plan，以下簡稱OMP）以及研制與使用試驗結(jié)果等；（2）后勤指揮管理數(shù)據(jù)庫或倉庫檢修數(shù)據(jù)庫；（3）通過實地考察維修活動收集數(shù)據(jù)，并與維修人員進行溝通交流。

2.1.2 預(yù)防性維修任務(wù)及間隔的適用性與有效性分析

預(yù)防性維修任務(wù)的適用性與有效性分析主要包括以下三個方面：

（1）任務(wù)分類。明確每一個預(yù)防性維修任務(wù)類型及對應(yīng)的故障后果，以便于評估不同類型任務(wù)的適用性，維修任務(wù)的類型可以是防止一種故障模式，如條件導(dǎo)向、時間導(dǎo)向、保養(yǎng)和潤滑任務(wù)，也可以是識別一種故障模式，如故障查找任務(wù)。維修任務(wù)類型的故障后果一般分為安全、法律/環(huán)境、任務(wù)和經(jīng)濟后果。

（2）適用性分析。如果維修任務(wù)可以確保所有已確定的故障模式得到解決，并且可以恢復(fù)或維修固有的設(shè)備、系統(tǒng)或部件的可靠性，那么該任務(wù)是適用的。需要說明的是，不同類型的任務(wù)適用性標準不同。如果任務(wù)不滿足適用性標準，分析人員應(yīng)給出能使任務(wù)滿足適用性標準的改進建議，如更改任務(wù)類型、修改任務(wù)流程或范圍及調(diào)整任務(wù)間隔等。

（3）有效性分析。對于具有安全、法律/環(huán)境影響的故障后果，當且僅當維修任務(wù)將故障發(fā)生的可能性降低至可接受的水平時，任務(wù)才是有效的。對于具有任務(wù)影響的故障后果，當維修任務(wù)能夠?qū)⒐收巷L(fēng)險降低至可接受的水平時，任務(wù)是有效的。對于具有經(jīng)濟影響的故障后果，當開展預(yù)防性維修任務(wù)的成本低于修理費以及性能退化的費用時，任務(wù)是有效的。如果任務(wù)不滿足有效性標準，分析人員應(yīng)給出能使任務(wù)滿足有效性標準的改進建議，如延長任務(wù)周期、修改任務(wù)流程等。

（4）結(jié)果整理。將符合條件的維修任務(wù)及間隔列入分析任務(wù)列表中，將不符合條件的維修任務(wù)及間隔反饋到RCM決斷過程中或設(shè)計過程中進行替換更改。

2.1.3 信息記錄

工作組應(yīng)該制定一個可審計的信息記錄表用于記錄AE任務(wù)收集和分析的數(shù)據(jù)以及對預(yù)防性維修任務(wù)及間隔的更改，以支持工作組對主管部門的建議。

首先，應(yīng)根據(jù)開展工齡探索任務(wù)的需要成立對應(yīng)的專家工作組。工作組成員應(yīng)該由來自利益相關(guān)方（運營商、制造商、供應(yīng)商和監(jiān)管當局）的專家組成。為了確保工齡探索任務(wù)的順利開展，所有參與分析工作的人員都必須在開始分析工作之前進行培訓(xùn)。

其次，作者一般不超過5人，署名及署名排序應(yīng)協(xié)商一致。姓名的英譯采用漢語拼音，姓前名后，姓全大寫，名首字母大寫。如：ZHANG Ying（張穎），WANG Xilian（王錫聯(lián)），ZHUGE Hua（諸葛華）。

最后，單位應(yīng)為論文首次投稿時的作者所在單位，如果作者此后換了單位，可在文末的作者簡介中說明并提供新的聯(lián)系地址。單位的著錄一般應(yīng)到系一級，單位應(yīng)著錄全稱，單位名稱的英譯應(yīng)統(tǒng)一正確[3，5]。

2.2 分析階段

在分析階段，首先根據(jù)分析任務(wù)列表中的預(yù)防性維修任務(wù)對應(yīng)的功能故障影響后果（Functional Failure Effect Consequence，以下簡稱FFEC）進行工齡探索任務(wù)設(shè)計，以確定在線或定期狀態(tài)監(jiān)控的方法并執(zhí)行成本-效益分析，然后根據(jù)在線或定期狀態(tài)監(jiān)控信息，對預(yù)防性維修任務(wù)及間隔進行邏輯決斷，以確定需要擴展、縮短或在某些情況下建立或消除的預(yù)防性維修任務(wù)和（或）間隔。

2.2.1 工齡探索任務(wù)設(shè)計

工齡探索任務(wù)需要根據(jù)預(yù)防性維修任務(wù)對應(yīng)的功能故障影響后果進行分類設(shè)計。

當AE任務(wù)的目的是收集會造成安全/環(huán)境后果影響的維修項目的數(shù)據(jù)時，AE任務(wù)必須以確保安全/環(huán)境符合性不受損害的方式進行，譬如在AE任務(wù)收集數(shù)據(jù)的過程中可能達到對操作人員造成危害的功能故障狀態(tài)時，該任務(wù)可以在實驗室環(huán)境中進行。這種設(shè)計為工程測試-失效過程類型的AE任務(wù)通常是用來確定定期維修項目的安全壽命極限，但也可以用來確定PF間隔。當正在操作使用中的具有安全/環(huán)境后果的項目已經(jīng)設(shè)置了潛在的故障和功能故障限制，那么AE任務(wù)可以用來收集抗損傷性能降低或項目退化的數(shù)據(jù)。譬如，在操作環(huán)境中可以使用AE任務(wù)來確定一個損傷容限結(jié)構(gòu)的裂紋擴展速率，前提是可以確保該項目永遠不會到達功能故障狀態(tài)。

當AE任務(wù)的目的是收集可能對預(yù)期任務(wù)或經(jīng)濟造成重大影響的維修項目的數(shù)據(jù)時，這些項目的AE任務(wù)通?？梢栽诋a(chǎn)品使用時或通過例行的維修信息系統(tǒng)監(jiān)測執(zhí)行。該類任務(wù)通過分析技術(shù)（譬如精算分析或允許被抽樣的項目在服役中失效）來確定定期替換任務(wù)的有效性，也可用于評估設(shè)備的物理特性，譬如可觀察的故障指示，以評估PM任務(wù)的技術(shù)可行性或確定設(shè)備故障的真實后果。

AE任務(wù)中的抽樣數(shù)量應(yīng)由統(tǒng)計方法如超幾何、威布爾或泊松分布等確定，以確保所收集的數(shù)據(jù)足以準確地代表總體。此外，在保證置信度與可靠性要求的前提下樣本應(yīng)該盡可能少，以降低成本和操作影響。

將AE任務(wù)中的任務(wù)描述、初始檢查間隔、任務(wù)間隔、任務(wù)持續(xù)時間和樣本數(shù)量等信息記錄在AE信息記錄表中，以便在將來的分析中檢索和使用。

2.2.2 工齡探索任務(wù)成本- 收益分析

在開展一個AE任務(wù)前應(yīng)對其進行成本 收益分析，首先應(yīng)確定AE任務(wù)對維修資源的需求，資源的消耗至少應(yīng)與AE任務(wù)的預(yù)期收益相當。因此，在設(shè)計AE任務(wù)時應(yīng)盡量減少對特殊設(shè)備和專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)的需要，并盡可能地利用現(xiàn)有的設(shè)備設(shè)施、人員和技術(shù)方法，以減少開展AE任務(wù)的成本，此外，還可將具有類似周期性的任務(wù)組合在一起，以減少在工作站點上花費的時間和停機時間。

2.2.3 工齡探索邏輯決斷

在進行邏輯決斷前，應(yīng)該準備有關(guān)預(yù)防性維修任務(wù)及間隔的所有數(shù)據(jù)和參數(shù)文件，以便分析人員進行后續(xù)分析。邏輯決斷流程通常是由多個模塊構(gòu)成的，但這些模塊應(yīng)涵蓋所有的維修任務(wù)類型分析，根據(jù)維修任務(wù)類型，必須回答有關(guān)保養(yǎng)任務(wù)、檢查/功能測試、定期更換項目/定期檢修、重要結(jié)構(gòu)項或區(qū)域檢查的問題。

根據(jù)在線或定期狀態(tài)監(jiān)控信息，對預(yù)防性維修任務(wù)及間隔進行邏輯決斷，邏輯決斷結(jié)果可以為刪除維修任務(wù)及間隔、提出新的或額外的維修任務(wù)及間隔、維持維修任務(wù)類型并減少間隔、將維修任務(wù)間隔維持在上限、延長維修任務(wù)間隔、建議更改設(shè)計等，最后由工作組提出需要擴展、縮短或在某些情況下建立或消除的預(yù)防性維修任務(wù)和（或）間隔的建議。當主管部門批準這些建議后，所有相關(guān)證據(jù)和分析應(yīng)在需要時被合并成一個最終報告提交給相關(guān)監(jiān)管部門。

2.3 跟蹤階段

在AE分析階段以系統(tǒng)化的方式對預(yù)防性維修任務(wù)的初始間隔進行優(yōu)化，從而提高了任務(wù)間隔的準確性，但工齡探索是一個不斷趨近于最佳維修間隔的過程，不可能只進行一次就能達到最佳狀態(tài)，因此需要在跟蹤階段對其進行持續(xù)優(yōu)化。該過程將會一直重復(fù)直到檢查表明現(xiàn)有間隔下產(chǎn)品出現(xiàn)老化或磨損撕裂等特征，此時停止AE進程并確定最終的任務(wù)間隔。

此外，在工齡探索過程中也可能會根據(jù)實際情況對現(xiàn)有的AE任務(wù)進行修改，譬如更改需要分析的樣本數(shù)量或者重寫檢查任務(wù)和數(shù)據(jù)記錄過程。此外，有效的RCM程序必然會對AE程序進行頻繁的更改，譬如添加新的AE候選項、刪除已完成的或無效的任務(wù)、更改樣本大小或調(diào)整任務(wù)間隔。

3 結(jié)論

目前，工齡探索技術(shù)在國外的航空、航天、航海等工程領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，并且應(yīng)用范圍還在不斷擴展。工齡探索技術(shù)可以指導(dǎo)人們?nèi)绾握_收集產(chǎn)品在實際使用維修中的信息，并在保證產(chǎn)品可靠性和安全性不降低的前提下對初始維修大綱中的預(yù)防性維修任務(wù)及間隔進行持續(xù)優(yōu)化，從而確保維修大綱能滿足產(chǎn)品的安全性、使用性和經(jīng)濟性等要求。