浅谈运用状态监测与故障诊断技术建立舰艇装备预知维修系统

熊 玲，姚智刚

（91872部队，北京 102442）

一、引言

预知维修与面向实际故障的事后维修和面向服役期的计划维修都不相同，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突发故障，从本质上消除昂贵的周期性的维修工作，最大可能地减少装备故障的发生。

二、预知维修系统

在一些发达国家，设备的维修管理体制经历了“事后维修”和“定期维修”后，已基本实现了在状态监测与故障诊断技术支持管理下的预知维修。近几年来，我们运用状态监测与故障诊断技术在舰艇装备保障中取得了比较明显的成绩，做出了重大贡献。但是，离真正意义的预知维修和对装备的全寿命、全系统管理还存在很大的距离。目前还不能胜任全面、系统和完整地指导舰艇装备的预知维修，这使海军舰艇装备的维修方式难以有跨越式的发展，设备的“过剩维修”或“维修不足”的现象仍在不同程度上存在。

要改变这个局面，必须加快设备的状态监测与故障诊断工作的步伐，状态监测与故障诊断技术是舰艇装备管理的一种重要手段。正确科学运用装备的状态监测与故障诊断技术，尽快建立一个融设备管理技术与监测诊断技术于一体的预知维修系统（PredictiveMaintenanceSystem，简称PMS），对于提高舰艇装备运行可靠性，减少或避免装备突发性故障，延长装备的使用寿命，降低维修费用和保障舰艇的在航率和战斗力具有明显而且重大的军事和经济价值。

1.PMS的数据组成

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，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。

（1）数据采集。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，做出故障预测的结论，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。

2.PMS的体系结构

将预知维修系统分为组织体系、监测诊断对象和技术及资源体系。其中，组织体系是PMS行为实施的主体；监测诊断对象集是PMS行为的客体；而技术及资源体系则是PMS工程实施的技术基础和必要的手段。如图1所示。

（1） 组织体系。PMS的组织体系包括：高层决策者，主要是总体部署与督导实施；中层规划，主要职责是制定计划、确定监测方式、现场监测诊断、数据归档、趋势分析、状态评估、决策维修、制定监测诊断标准、修改并完善监测标准；基层实施，主要职责是配合中层组织进行精密监测诊断并组织开展简易监测、根据监测诊断情况对设备进行管理和维修，不断向中层组织反馈设备运行维修情况等。

（2）诊断技术及资源体系。PMS工程是一项较为复杂的系统工程，其技术基础是设备的状态监测与故障诊断技术。随着相关领域理论、方法研究的不断深入和发展，特别是传感器技术、信号处理技术、计算机软硬件技术的飞速发展，使现代设备诊断技术在国内外许多军用及民用企业得到了很好的应用，尤其在美军，这项技术已应用的十分成熟。参照国内外有关资料，我们的PMS工程诊断技术及资源体系由以下几部分构成，如图2所示。

三、PMS工程的实施

PMS工程的实施过程一般可分为技术准备与规划、监测诊断、维修与评估三个阶段。舰艇装备多而复杂，尤其目前大量新装备及引进装备相继装备部队，PMS工程的技术实施涉及到各类设备原理与结构、各类测试技术、信号处理技术、监测诊断技术、信息的组织管理技术和计算机软硬件等多学科的综合技术。因而，PMS工程是一个多因素、多变量、多目标且随时间性不断变化的复杂的动态系统。对于这样一个复杂的动态系统，如何根据各种信息做出决策，进行总体协调或平衡，实行以“规划—组织—实施—控制—反馈”为主的系统管理模式，保证系统运转的灵活性、各阶段的协调性及输出的有效性，这都要在PMS实施过程中不断研究和完善。

1.选择监测舰艇及设备

鉴于舰艇装备结构的多样化，构成设备的零部件使用的寿命不同，发生故障的几率相差很大。此处，由于设备的功能不同，对舰艇的影响程度也不同。对于那些安全可靠性较高的设备，开展状态监测故障诊断的意义不大。所以，可以采取由点及面、由部分到全体分阶段实施，在保证重要的战斗舰艇重点设备的前提下，兼顾一般舰艇设备监测诊断的原则。在选择设备时，应首先对设备逐台进行风险分析，选择对舰艇战斗力影响大、易发生故障的设备作为监测诊断的对象。

2.确定监测等级

设备监测的重要性等级划分和确定，其目的是为监测诊断方式的择定提供依据。划分时可根据实际情况，对监测诊断受控制设备实行ABC分级管理，A级为关键设备，B级为重要设备，C级为一般设备。根据舰艇装备的实际情况，一般把主动装置作为A或B级对待，其它辅助设备则为C级。相应的测定方式和管理方法见表1。目前，在尚无在线监测条件的情况下，把A级设备视为B级对待。

3.设备档案

在PMS工程实施过程中，一切有关的分析与决策活动都是以被测设备的监测信息为中心并结合相应的诊断参考标准进行的。因此如何做好各类被测设备档案及监测诊断信息的收集、总结与管理对PMS工程的有效实施十分重要。一般主要包括以下几个方面。

表1 设备监测等级表

（1）设备的出厂的自然信息。包括设备的类型、名称、规格、产地、价格、出厂日期等。

（2）设备各项原始标准。包括①设备的振动参考标准和相对参考标准数据。②设备运行正常运行时，润滑油中各金属（摩擦副）磨粒浓度的含量。③电机各项绕组的正常原始电阻、电感、相位角、I/F值等参数。

（3）设备的有关详细的技术资料。包括设备结构图、主要标准部件的型号（如轴承的型号）、主要设备（如发动机）的各摩擦副表层的材料及厚度。

（4）设备维修备件信息。包括备件名称、型号、来源、数量和价格等。

（5）设备的监测诊断数据库。包括各种工况下设备在某个时间（累计工作时间） 测得的振动信号（时频域信号等）、润滑油光谱分析数据、润滑油铁谱分析数据、润滑油理化指标分析数据等、重要工况参数和趋势分析数据及各诊断分析报表等。

（6） 设备故障征集（故障集信息索引表）。将平时监测诊断的各种设备故障事例记录在数据库中。

（7）维修统计报表。包括维修类型、维修部位、备件名称、停机时间、维修费用、诊断准确性及维修效果评估。

4.制定监测标准

监测诊断标准是对装备技术状态进行检查、判断、分析、评价的技术准则，是开展装备的预知维修的重要基础，也是对设备的监测诊断工作进行组织管理的工作标准。标准阈值定得偏高，设备的运行状态已经劣化还以为一切正常，使设备带“病”运行；反之，定得偏低，则设备稍有异常就频繁报警停机。

监测诊断标准的制定，有三个途径：一是采取拿来主义的方法，将国内外已经成熟的通用类设备的监测诊断标准，结合舰艇装备的实际情况，作适当的修正后，就可暂作为参考标准，并在以后监测诊断中不断修正；二是通过对设备状态（最好是新设备的原始技术状态）的大量监测所积累大量的监测数据，将经验性的平均值乘上一定的系数作为设备的警戒值，并在实践中不断修正和完善；三是新舰艇在建造之前，有关部门要向厂方提出索要装舰设备的有关监测诊断标准的要求。可会同生产厂家、科研部门和各质控室三方共同参与装备的监测诊断标准的收集和制定，只有这样，才能快速、高效、合理地建立各类设备的有关监测诊断标准。