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硕士论文-民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 南京航空航天大学 硕士学位论文 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 姓名：王敬敏 申请学位级别：硕士 专业：交通信息工程及控制 指导教师：王华伟 20090201 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 维修是保障飞机固有可靠性和安全飞行的基础。随着国内民航机队规模的不断扩大及飞机 老龄化的加剧，航空维修市场需求日益增大,维修工程能力是保证完成维修任务的能力，对保证 飞机安全运行意义重大。在民航快速发展的机遇下，维修行业国际化竞争愈发激烈，因此，有 必要对当前的国内维修行业发展水平作一个全方面的、深入的评估，其评估结果既可以为政府 制定宏观政策提供数据支持，也可为国内维修单位的发展规划提供依据。本文就民航维修工程 能力评估进行了研究，主要包括以下内容： 1 建立了民航维修工程能力评估指标体系。依据指标体系构建原则从人力资源、物质资源、 信息技术资源、管理资源以及维修类别角度建立指标体系，并制定了指标的评价标准，为民航 维修工程能力评估的研究奠定了基础。 2 研究了数据清洗与指标预处理技术。数据质量和指标不规范影响评估的结果和可信度， 为保证数据源的正确性，数据清洗技术可以实现评估工作所需的健康的数据源。指标预处理技 术实现了指标的规范化及一致化，使指标数据符合统一的标准。 3 建立了基于ahp 法与d-s 证据融合的灰关联综合评估模型。考虑到指标权重对评估结果 的影响，采用d-s 证据融合削弱ahp 法确定权重的不确定性，进一步采用灰关联综合评估，明 确评估对象与参考对象之间的差距以及需要改进的程度。 4 开发了以维修工程能力评估为核心的维修管理评估系统，通过实例验证了本文建立的评 估模型的有效性。该系统是基于b/s 结构，实现了动态建立指标体系，能够及时反映当前系统 状况。系统还可以扩展到其他类似评估领域。 关键词：维修工程能力，数据清洗，层次分析法，d-s 证据理论，灰关联分析，评估系统 i 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 abstract the maintenance is the foundation of ensuring the inherent reliability and safe flight of the aircraft. with the expanding of the civil aviation aircraft and the aggravation of aging airplanes, the demand in the aircrafts maintenance market is larger and larger. the maintenance engineering ability is the ability to complete the repair task of the aircraft, which have significant meaning in ensuring the safe flight of the aircraft. along with the advance of the commercial aviation, the global competition of the maintenance industry is progressing faster. it is necessary to makes a thorough and full range of evaluation of the development level of the current civil maintenance industry. this evaluation not only provides the data support for the government to make macroscopic policy, but also provides the basis for the domestic maintenance enterprises to make development plans. the paper presents the research of civil aviation maintenance engineering capability evaluation, and the primary work includes: 1 the construction of evaluable target system for civil aviation maintenance engineering capability has been established. based on the construction principle of the indicator system and considered from the human resources, the substance resources, the information technology resources, the management resources as well as the maintenance category, this paper has formulated the target evaluation criteria, which laid the foundation for a deeper research in the future. 2 the data cleaning technology and preprocessing techniques has been studied. the quality of data and unification of target influence the result and reliability of evaluation, but the data cleaning technology and preprocessing techniques guarantee it. 3 the gra comprehensive evaluation model combining ahp and d-s evidence theory was constructed. considering the impact of target weight on evaluation, the d-s evidence theory helped to depress the uncertainty of the target weight based on ahp. afterwards, the grey relational comprehensive evaluation method was used to clear the differences between the evaluation object and the reference object as well as room need to be improved. 4 established evaluation system of maintenance management with a core of maintenance engineering capability evaluation, and the example showed the comprehensive evaluation model is effective. based on the b/s structure, this system created target system dynamic and reflected the condition itself in time. the system can be expanded to other evaluation field. key word: maintenance engineering capability, data cleaning technology, analytic hierarchy process, d-s evidence theory, grey relational analysis, evaluation system ii 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1.1 本文章节逻辑关系.7 图2.1 民用航空维修工程能力评估体系构建过程.8 图2.2 民用航空维修工程能力评价指标体系.15 图3.1 数据质量问题分类.22 图3.2 数据清洗原理.24 图3.3 中国西北地区维修单位.25 图4.1 综合评价的逻辑框图.29 图4.2 民用航空维修工程能力评价流程框图.31 图4.3 专家信息的不确定表示.34 图4.4 ahp 法与d-s 理论结合确定权重模型.38 图4.5 民用航空维修工程能力综合评估模型.43 图5.1 民航维修评估系统结构设计图.50 图5.2 系统主界面.52 图5.3 数据导入界面.53 图5.4 维修单位信息录入界面.53 图5.5 综合查询.54 图5.6 指标体系的实现形式.54 图5.7 指标权重的计算.55 图5.8 权重确定模型的融合结果.55 图5.9 综合评估结果.56 表2.1 民用航空维修工程能力评估的影响要素.10 表2.2 民用航空维修工程能力综合评估系统层次结构模型.18 表2.2 （续）.19 表4.1 指标赋权方法归类.29 表4.1 （续）.30 表4.2 判断矩阵标度及其含义.32 表4.3 两位专家的权重信息组合.37 表4.4 专家信息依次融合结果.37 表4.5 维修单位评估指标得分及规范化数值.44 v 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 注释表 a 判断矩阵 m a 基本概率分配函数 ? ahp 层次分析法 ij 最大绝对差 i j a min min ? ij 判断矩阵元素 i j ij 最小绝对差 bel a 信任函数 rj 加权关联度 b 归一化矩阵元素 平均随机性指标 ij ri caac 中国民用航空局 x , x ,l , x 评估指标值 1 2 m ccar-145 中国民用航空条例145 部 , , , 专家信任度 1 2 3 4 ci 度量相容性指标 分辨系数 cr 一致性指标值 ij 关联系数 c , c , c , c 评估指标 关联系数矩阵 1 2 3 4 d-s dempster-shafer 证据理论 判断矩阵的最大特征值 gra 灰色关联分析法 ij 指标权重 k 不一致因子 vi 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究目的与意义 近年来，中国经济持续稳定快速增长，带动了中国航空运输业蓬勃发展。中国民航维修市 场在航空运输市场的带动下也表现出强劲增长态势。据统计，2002 年中国民航维修市场总量约 11.9 亿美元，2007 年增长至16.4 亿美元，年增长速度超过7.5%，其中发动机维修占总量的40% ， 航线维护、飞机大修及改装、附件修理及翻修各占20%左右。由于中国经济的巨大拉动作用， 航空运输快速发展，中国各个航空公司机队的规模正逐渐扩大。截至2007 年底，中国民航运输 航空器在册数量已达1144 架，并且以每年100 多架的速度增长1 。机队规模的不断扩大，对飞 机维修人员，维修设备等各个方面的要求也在不断增强。现代民用航空维修单位还将面临新技 术的挑战、生产能力的局限、航空服务方式、维修人力资源管理等方面的问题。 随着中国民航维修市场的快速增长，申请中国民用航空局（caac ）维修许可证的国内外 维修单位数量越来越多，包括独立维修单位、航空运营人的维修单位和制造厂家的维修单位。 中国民航维修行业的发展水平直接影响中国民用航空器的运营安全和航空公司的运营成本，是 中国民航业的重要基础，在国内民航业快速发展的机遇和国外民航维修业竞争压力下，如何引 导国内民航维修单位提高企业竞争力，降低航空公司维修成本，促进国内民航业持续、健康、 有序发展，是政府和企业都必须面对的问题。 随着国内机队使用的增加，飞机老龄化趋势日渐增长。机队规模的扩大和飞机老龄化趋势 要求我们必须提高保障飞机安全运行的维修工程能力。维修工程能力是保证完成维修任务的能 力，是确保设备保持、恢复或改善到规定技术状态的本领，是用于维修任务的人力、物力、财 力、信息技术和管理水平等因素与特定的维修对象的匹配程度和结合程度的综合反映2 。在民 航快速发展的机遇下，维修行业国际化竞争日益加剧，如何确保国内维修单位健康、有序地发 展，有必要对现有的维修行业发展水平作一个全方面的、深入的评估，这个评估结果既可以为 政府制定宏观政策提供数据支持，同时也为国内维修单位的发展规划提供依据。值得说明的是， 本文的研究对象是航空维修单位的维修工程能力。维修工程能力评估是针对维修工程系统进行 的综合评估，评估要素包括维修人员，开展维修工作所需要的维修设施、设备、工具、器材、 技术资料、计算机等资源，当然，一个工程系统的正常运作离不开有效的管理，所以管理因素 也是要素之一。而维修能力只是进行维修工程能力评估工作中的一个影响因素，是维修单位能 够从事维修工作的某种能力，如部附件维修、发动机大修等。 维修工作的好坏，维修工程能力的高低不仅对企业的生产有着直接地影响，甚至对整个社 会经济都起着极其重要的作用。因此，建立切实针对民航维修单位维修工程能力的综合评估指 1 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 标体系，用合理有效的方法对维修单位进行全面的、客观的评估与选择，对保障我国民航维修 业的快速发展具有非常重要的现实意义。维修单位的综合评估是一项复杂的系统工程，维修工 程能力也是一个多属性问题。因此，维修工程能力评估研究，对于客观反映维修单位综合能力 的问题与不足，对于健全和完善航空维修单位质量管理体系，提高企业的赢利和竞争能力，进 一步提高我国飞机整体维修质量和管理水平，具有重要的意义。 本文以建立民航维修工程能力的评估指标体系和综合评估为研究基础，构建了民航维修工 程能力综合评估模型，全面评估维修单位的维修工程能力，克服传统方法的不足，进一步解决 维修工程能力评估中存在的问题。通过正确的评估，以量化的方式反映维修单位的综合能力， 不仅为技术监督部门和维修管理部门对维修单位的管理、监督、检查提供有效的手段，而且通 过开展维修单位之间的评估和竞争，调动各方面的积极因素，使维修单位向最优化目标逼近， 这无疑对提高维修单位的综合实力起到重要的作用。 1.2 国内外研究现状 国内外在装备维修保障能力领域已经积累了一些有价值的研究，研究重点集中于研制期间 的装备维修资源种类与数量确定方法、研制期间的装备保障性评估、维修流程建模与分析及系 统可用度模型等。而在民用航空领域的研究则鲜有涉及，但以上研究成果为我们进一步开展在 民航领域的相关研究奠定了基础。 维修工程能力评估指标体系研究现状 要建立完善合理的民航维修工程能力评估指标体系涉及因素繁多，当前直接研究民航维修 工程能力评估指标体系构建的还比较少，但对于装备保障能力评估指标体系的讨论，国内外一 些著作和文献已经进行了研究。但总体上来说，给出的指标体系科学性、完备性还需要进一步 探讨。 袁洪涛等3针对装甲装备，在对维修保障能力评估进行初步研究的基础上，给出了装甲装 备维修保障能力评估的定义、构建指标体系应遵循的基本原则以及指标体系建立程序。王亚民 等4分析了维修保障能力的内在规律，探讨了影响维修保障能力形成和提高的内在因素，指出 维修保障能力是建立在具体的维修保障对象以及具体的维修保障条件基础之上的。通过研究指 出，维修保障是面向对象的维修保障，必要的保障条件是完成维修保障任务的前提，维修保障 能力只有在针对具体的维修对象和保障条件时，才能得到真正的实现。但这些研究均未给出具 体的评估指标。 李会山等5针对车辆建立了器材保障能力综合评估指标体系，定义了车辆器材保障度的概 念，并把它作为保障能力的顶层评估指标，车辆器材保障度是指在规定的条件下，在任一随机 时刻需要任意器材时均有器材的概率。车辆器材保障度的主要影响因素有器材可修复时间、器 2 南京航空航天大学硕士学位论文 材的获取时间、器材的库存水平、器材的需求率等。 王学义等6提出了具有业绩评估和保障潜力评估因素的保障能力评估指标体系，并结合部 队保障机构建设的实际情况，将部队装备保障能力指标划分为人员、保障设备、备件、能源、 技术支援、管理能力和综合情况等7 类，具体包括28 项指标。给出部分具体底层指标的计算公 式与统计方法，然后运用模糊数学与层次分析法相结合的模糊层次综合评估法建立了部队装备 保障能力的评估模型。但是建立的指标体系没有考虑维修器材、信息技术资源等保障性资源对 保障能力的影响。 国外专门描述维修保障能力评估指标体系的文献还没有找到，但是从有关文献中可以看出 7-9，国外学者把装备的平均修复时间 mttr 、平均后勤延误时间 mldt 、使用可用度、可执行 任务率 mcr 等作为重要的维修保障能力评估参数，并给出不同的装备系统在不同的维修策略、 备件库存水平、维修人员的数量和能力、维修时间等条件下的指标计算或者仿真方法。 美军认为: “总指挥部的任务就是最有效地运用有效的资源去达成战略目的。不明智地过度 消耗后勤资源与设备，就意味着使作战部队既丧失人力和装备，也不能受到训练”。如何合理 地使用资源，提高维修保障资源的使用效率，是贯彻于装备维修保障活动一切方面的问题。只 有解决了这个问题，才能找到充分发挥资源使用效果的最佳途径。在现代技术特别是高新技术 的推动下，航空装备的电子化、信息化和综合化水平日益提高，对维修保障的依赖程度不断增 加，维修保障能力成为空军战斗力的重要组成部分和物质技术基础。要使航空装备在平时能保 持尽可能高的战备完好率，在战时能够提高可执行任务率并能发挥出应有的作战效能，就需要 有完备的维修保障体系。这涉及到组织指挥、人员训练、制度法规、保障资源等多方面因素的 10 问题 。 在维修器材管理方面，美军实现了网上请领和供应，可以通过统计方法得到装备维修器材 消耗规律。而国内通过经验对装备维修器材消耗规律的探索来对装备维修器材的管理标准进行 修改与完善，存在的主要问题是维修器材的“积压”与“短缺”现象并存。美军实行的统计方 11 法为民用航空维修器材的管理提供了有效的解决方法 。 新的美军空军指示afi21一101 飞机维修管理中，规定了评判飞机维修质量的八项指标， 人员合格率就是其中之一，说明了人在评估指标系统中的重要性。 纵观上述研究可以看出，装备维修保障能力与民航维修工程能力有相似之处，都是保障人 员、设施设备、手段、技术、备件和管理水平等因素的综合反映，它不仅取决于保障资源的数 量和质量，而且还取决于对这些资源的使用方式和整体效能的发挥，这些资源是开展维修工作 的重要组成部分。但是两者又有区别，研究对象有所不同。装备维修保障能力强调的是装备的 战备完好性和部队战斗力恢复的及时性，因此其分能力必然有快速出动保障能力、战场抢修能 力等。而民航维修工程能力评估是对维修工程系统的综合评估，要全面反映民用航空领域维修 3 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 单位的维修工程能力，主要目的是通过评估各种资源的有效性与充分程度，反映维修单位综合 能力的高低，不仅仅需要维修保障系统本身的静态指标，还需要在评估指标体系中强调人的组 织协调作用，即人在管理层上体现的能力，管理层指标可以为维修工作的顺利开展提供统筹协 调管理作用，对维修工程能力指挥具有更大的指导意义。当前，装备保障能力的研究已形成理 论体系，为民用航空领域的维修工程能力评估奠定了基础。 民用航空维修工程能力评估方法的研究现状 评估方法主要分为三类：定性法、定量法以及定性与定量相结合的分析评估法。定性评估 法主要是根据以往的经验和专家知识来评估维修工程能力，定量分析评估法则是通过对维修工 程能力影响要素的实际数据进行比较来评估维修单位的能力。对民用航空维修工程能力的评估 选择定性与定量相结合的方法更加合理。具有代表性的有层次分析法、模糊综合评判法、群决 策方法和灰关联分析法等。 冯国涛等12运用层次分析法，实现了以维修效益最佳为目标对维修方案的综合评估，通过 建立ahp分析模型，以维修效益最佳为目标对维修方案进行评估，为做出合理的决策，选择最优 维修方案提供辅助决策支持。 于娜等13对设备的维修保障能力进行了研究，建立了设备维修保障能力评估体系，运用层 次分析法的基础上融入模糊综合评判法，对设备维修保障能力评估进行研究，对于反映企业设 备维修保障问题，提高设备维修保障能力具有一定的参考价值。 schniederjans等14利用层次分析法确定属性的相对权重，并据此建立目标规划模型来选 择信息系统。lai15运用层次分析方法进行多媒体创作系统的选择，并进行案例分析，取得了 较好的效果。 chun-chin wei等16建立了erp系统的评估指标体系，根据层次分析法原理，建立了erp系 统的评估模型，模型分为七个步骤，最后作者用实例验证了该模型的有效性。 由于民航维修工程能力涉及的影响因素众多，而且各影响因素并非都可精确量化表述，如 敬业程度、规章制度等。因此民航维修工程能力的评估不是一个简单的结构化 可用数学模型精 确表述 问题，而是包含了结构化与半结构化的复杂问题。 甘旭升17等提出了应用多层次模糊综合评判法来解决维修保障能力的评估问题。在评判过 程中，综合考虑了多种因素的影响，从指标的模糊化处理，到指标权重的确定，都充分考虑到 各位专家的定性分析，通过将其量化并进行科学计算，最终得出了合理的评判结果。 时和平等18研究了基于模糊综合评判方法的装备维修人员保障能力评估，他指出装备维修 人员保障能力的评估是一个复杂的、随机波动的动态系统，单纯依靠评语进行评估，存在着盲 目性和随意性，评定结果往往受到主观因素的影响,缺乏真实性和科学性,不能全面准确地反映 4 南京航空航天大学硕士学位论文 装备维修人员的专业能力。本文根据模糊数学的原理，采用模糊综合评判的方法,对装备维修人 员的保障能力进行了评估，结果表明这种评判方法科学地将定性与定量有机结合起来,计算结果 客观全面。 崔崇立等19为全面评估航材装备的保障能力，运用模糊数学的有关理论，结合层次分析法， 建立了适用于对航材装备保障能力进行全面评估的指标体系及多层次模糊评估模型，用于战前 保障准备阶段对航材装备保障能力进行评估，具有一定的实际指导意义。 史超等20将灰色理论和模糊理论应用于保障性评估中，提出了全新的保障性评估模糊白化 灰色关联模型。在定性指标模糊白化的基础上,对整个系统进行灰色关联分析,对提高保障性评 估结果的准确性和推动保障性评估技术的发展具有极大的实际应用价值。 评估决策系统的研究现状 综合评估是人类社会中经常且重要的一类认识活动。但是评估领域内存在着“理论与实践 严重脱节”的现象，很难为实践中的诸多评估问题提供科学的决策支持。在信息技术飞速发展 的今天，实现综合评估理论向实践迅速转化最有效，同时也是唯一的途径开发综合评估决 28 策支持系统 。 崔荣洪等21将影响航空装备保障能力的众多因素分解成不同的子因素，并根据不同因素间 的相互关联及隶属关系，将其按不同的层次聚类组合，形成一个多层次的优化模型，根据模糊 综合评判法原理建立了评估的数学模型，得到其综合评估结果，为科学合理地进行航空装备保 障能力评估提供了一种有效的方法，并开发了相应的评估系统。 付克亚等22运用模糊理论，紧密结合航空器维修的实际，进行了模糊综合决策研究，提出 一套完整的航空器维修模糊综合决策方法，并强调该方法可广泛应用于其他复杂设备维修决策 支持系统内部决策模块的开发。 史永胜等23将层次分析法用于维修能力的综合评估，在ahp 方法基础上，将定量与定性分 析相结合，细化评估指标，提高ahp 使用灵活性，进一步减小人为因素的影响，增强评估决策 的客观性、科学性。文中指出为了对维修能力进行客观、准确、有效地评估，指标体系的确定、 方法的选择和模型的建立等是亟待解决的问题，并且开发了基于层次分析法原理的评估软件。 针对维修器材配置问题的研究，michael 利用美国海军维修和器材管理系统中给出故障数 据的装备的故障特征，通过分析提出了一个产品可靠性统计和经济评估方法，编制了相应的计 算机软件。 纵观上述国内外学者的研究，取得了一定的成果，同时也存在着一些需要解决的问题： （1）当前有关军事领域装备维修保障能力的研究，已经取得了一定成果。但任何军事领域 与民航领域都有一定的区别，相对于军事领域来说，民航领域更强调任务与经济性兼顾，增加 5 民用航空维修工程能力评估及辅助决策支持系统开发研究 了分析和研究的维度。 （2）目前国内外有关评估工作的研究主要集中在两点：一是如何建立评估指标体系，二是 各种评估方法的选择与应用。但是大多数研究都忽略了如何处理模糊不确定信息，如何建立起 两者之间的桥梁关系，还需要进行深入研究。 （2）方法的实用性与可操作性必须以相关的系统做支持，通过对相关文献的研究，尚未开 发出全面且可实际应用的系统，一定程度上限制了方法的推广与应用价值。 1.3 本文研究内容及章节安排 本文以民用航空维修单位的维修工程能力为研究目标，以维修工程能力指标体系的构建为 基础，采用定性、定量集成的方法，运用数据清洗、信息融合以及综合评估等技术，研究了维 修单位维修工程能力的综合评估模型，进一步开发了维修单位评估管理系统，提高了方法的实 用性、可操作性。