（载运工具运用工程专业论文）基于成本优化的民用航空发动机视情维修决策研究.pdf

南京航空航天火学博士学侮论文 _ _ _ 目_ _ _ 目s l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 粥_ _ _ _ 惠, , l li # _ ! ! 目目糍_ _ 目 摘要 航空公霹在保证安全运营鲍同辩必须创造效懿鞋维持其生襻每发展，然麟避几年 来严竣静静帮运营环境缆褥靛空公司不得不充分两肉挖港，严嵇控籁自：鸯运整成零潋 提升其市场瘫争力。据统计，航空发动机维护成本占据航空公司崴接运营成本的三分 之一强，有很大的控制余嫩。本论文从民用航空发劝机视情维修特点入手，按单部件 耧垒系统疆令层錾搽谣了建立萋手袋本爨毒 二豹维掺决策模型方浚襄蓑臻。瓣予蕈蘩 件，以期黧维修费用率最低为目标函数建立了维修优化模型，实现根据发动机部件状 态信息确定优化的检查阙值和检查间隔期。对于全累统，根据发动机的性能信息建立 了送修等级谔售模型和遴修成本估雾模型。最后在赝建立模型敕熬础上开发了瑟鼹航 空发动槐褫情维修决策支持系统。零论文按爨瑰状研究、对毪分车厅、定量娃联、模型 建立、实例论证的思路对航空发动机视情维修中若干决蘸问题作了深入求实研究，主 要研究内容如下： 一 铮瓣肇帮转筏谤绫掺霞纯摸鍪麓壤，本论文获毫产实嚣篷发礁定了擎部终程情维 修决策的两个决策变量，基于此介绍了国内外相关研究的成采稍进展情况；然后在已 有研究工作的基础上引入再生和半再难过程描述航空发动机部件寿命周期劣化过程， 以期望维修费用率最低为目檬函数建立了双决策燮爨落亿模型；钟对模型的袋解闯 题，提出了一释基于虢i 蚰l | 分布特悫翡收敛算法，麸理论上涟绢其牧敛毪势编程实 现其算法。 针对发劝机送修等级决策问题，本论文引入变精度粗糙集遐论挖掘发动机状态一 送骖等级决策嫒羽。蓄纛会耀了交耱爱耀蘧集理论秘登蓑蓬内靛空公司送修等级决策 方法和流糨；然后根据糕糙集知识获淑的三个步骤对知识获取豹麓本策略和方式进行 了系统的论述；在规则提取的粗糙集假约简过程中，提出了基予变精度粗糙繁理论的 信息熵启发约麓算法以改善对知识不确定性信息的描述；针对知识更薪问题提出了一 静基于交耪发瑾论豹增薰学嚣算法，为巍露静修蓬窥知识痒静鸯效维护奠定7 萋疆。 针对发动机送修成本预估问题，举论文介绍了费用估算的一般程序、条件和方法。 在分析民用航空发动机基本维修工作的基础上提出了发动机维修成本的组成缩构。结 会琵辕发凌撬豹邀修特悫翻靛窆公司茨实嚣霉求，势襞建立了蒸予灰色理论鳃发动撬 送修单一颥铡模型和慕予粗糙集蒲饺霾要性豹组合预测模型，并对所建立的模型徽了 拟合和验诚分析。 针对航空发动桃机队维修管理决策支持问题，本论文从航空公司实际嚣求出发t 分辑了发动税橇酞维修篱瑾蘸疰务邂辑，运菊决繁支持系统豹壤论窝骞法，瑁三藩 基于成本优化的民j ；l ；j 航空发动机视情维修决策研究 网络结构，以已建立的优化和决策模型为基础，开发了基于o r a c l e 数据库管理系统 的发动机机队维修决策支持系统( e f m 。d s s ) 。该系统已经正式在东方航空公司机务 工程部应用。应用效果反映良好。 关键字：航空发动机，视情维修，优化模型，维修等级，送修成本预估 l l 南京航窝航天人学博士学位论文 m m i i i i l l l i 寰皇堂皇鲁寰量甍篁喇幽岂曼篁皇蔓曼鼍箩篁燃阜鼍鲁鼻 a b s t r a c t f a c i n g t h es e r i o u s m a r k e t i n gc o m p e t i t i o n i ti sv i t a l l yi m p o r t a n tf o rt h ea i r l i n e st o a c h i e v e a n yp o s s i b l ep r o f i ta n dm i n i m i z et h es e r v i c ec o s tw i t ht h ep r e r e q u i s i t eo f s a f e t y a c c o r d i n g t ot h es t a t i s t i c sd a t a , t h em a i n t e n a n c ec o s to f t h e a e r o - e n g i n e a c c o u n t sf o rm o r e t h a n3 0 p e r c e n t o f t h et o t a lo p e r a t i n gc o s t o f a i r l i n e s ，w h i c hr e v e a l sm u c h c o n t r o l l a b l e m a r g i n 。b a s e do nt h i s ，t h ep r a c t i c a li n v e s t i g a t i o ni sc o n d u c t e dt ot h em a i n t e n a n c ec o s t d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mo f a e r o - a n g i n ei nt h i st h e s i s f u r t h e rt h eo p t i m a lm o d e l s a r eb u i l t a f t e rt h es u b s t a n t i v es t u d ya n dc o n t r a s t a n a l y s i so f t h ee x i s t i n ga e r o e n g i n em a i n t e n a n c e c o n d i t i o n , a no p t i m a ld e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mi sb u i l ta n dv e r i f i e db yt h ei n d u s t r i a lc a s e 。 t 瑶st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n g 毒p a r t s ( 1 ) b u i l d i n g a no n - c o n d i t i o nm a i n t e n a n c e o p t i m a lm o d e l f o rag r a d u a l l yd e t e r i o r a t i n g s i n g l e - u n i ts y s t e m t h e p r o p o s e dd e c i s i o n m o d e le n a b l e so p t i m a li n s p e c t i o na n dr e p l a c e m e n tt ob a l a n c e t h ec o s te n g a g e db yf a i l u r ea n du n a v a i l a b i l i t yo na ni n f i n i t eh o r i z o n t w om a i n t e n a n c e d e c i s i o nv a r i a b l e sa r ec o n s i d e r e d ：t h ep r e v e n t i v et h r e s h o l da n dt h ei n s p e c t i o ns c h e d u l e b a s e do nt h es y s t e ms t a t e 。u s i n gt h er e g e n e r a t i v ea n ds e m i r e g e n e r a t i v ep r o c e s st h e o r y8 m a t h e m a t i c a lm o d ei sd e v e l o p e dt oa s s e s st h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dm a i n t e n a n c e s t r u c t u r e t os o l v et h eo p t i m a ld e c i s i o nv a r i a b l e s ，a l li n n o v a t i v ec o n v e r g e n c ea l g o r i t h mf o r t h er e n e w a lf u n c t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fw e i b u ud i s t r i b u t i o n f u n c t i o n 。t h ea l g o r i t h mi sp r o v e dt ob ec o n v e r g e n tt h e o r e t i c a l l ya n dc o d e df o rn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ( 2 ) d e t e r m i n i n g t h ea e r o - e n g i n es h o pv i s i tm a i n t e n a n c el e v e l t h e k e yo b j e c t i v eo f t h i ss e c t i o ni st op r o p o s e am e t h o dt od e t e r m i n et h e p r o p e rs h o p v i s i tm a i n t e n a n c el e v e lb e f o r et h ea e m - e n g i n ei sd i s a s s e m b l e df o ri n s p e c t i o n f i r s to fa l l ， t h ec u r r e n td e t e r m i n i n gm e t h o da n dw o r kf l o wo fa e r o e n g i n em a i n t e n a n c ea r es i m p l y i n t r o d u c e d t h e nc l a s s i c a la n dv a r i a b l ep r e c i s i o nr o u g hs e tt h e o r ya r ea d o p t e dt oc o n d u c t k n o w l e d g ed i s c o v e r y i nt h i st h e s i s 。t h eu n c e r t a i n t yo f a c q u i r e dk n o w l e d g e i sd e c r e a s e db y t h ee m p l o y m e n to ft h es i m p l i f i e dk n o w l e d g ee n t r o p ya l g o r i t h mb a s e do nt h ev a r i a n t p r e c i s i o nr o u g hs e tt h e o r y a n i n c r e m e n tl e a r n i n ga l g o r i t h mi sa l s op r o p o s e df o rm e k n o w l e d g eu p d a t ec a s e ，w h i c h i sb e n e f i c i a lt om a i n t a i nt h er u l ed a t a b a s e 。 ( 3 ) f o r e c a s t i n g t h ea e r o - e n g i n es h o pv i s i tc o s t i l i 基于成本优化的民_ 航空发动机视情维修决策研究 t h eb r i e fi n t r o d u c t i o no fg e n e r a l p r o c e d u r e c o n d i t i o na n dm e t h o da b o u tc o s t f o r e c a s t i n g i s p r o p o s e df i r s t t h e n ，b a s e d o nt h ep l e n t y a n a l y s i so ft h ef u n d a m e n t a l a c l o - e n g i n em a i n t e n a n c et a s k , t h eb r e a k d o w ns t r u c t u r eo ft h ea e i d - e n g i n em a i n t e n a n c e c o s ti sp u tf o r w a r d i n t e g r a t e dw i t l lt h ec h a r a c t e r i s t i co f a e r o - e n g i n em a i n t e n a n c ep o l i c y a n d g r e ym o d e lt h e o r y an e w t y p eo f c o n d i t i o n - b a s e dc o s tf o r e c a s t i n gm o d e l i sb u i l t a l s o t h ea t t r i b u t es i g n i f i c a n tm e t h o d , w h i c hi si n d u e e af r o mr o u g hs e tt h e o r y , i se m p l o y e dt o c a l c u l a t et h ew e i g hc o e f f i c i e n tf o rt h ei m p r o v e m e n tt h ep r e d i c t i o np r e c i s i o na n ds i m u l a t i n g s t a b u i t y f i n a l l y , an u m e r i c a le x a m p l e i si l l u s t r a t e dt ov a l i d a t et h eb u i l tm o d e l ( 4 ) n 峙d e s i g no f f l e e t m a i n t e l l a n c ed e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m n l ed e e i s i o n - s u p p o r t i n g s y s t e mo ff l e e t m a i n t e n a n c ei s d e s i g n e d b a s e d0 nt h e p r a c t i c a lr e q u i r e m e n to f t h ea i r l i n e sa n dt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gl o g i co f a e r o - e n g i n e t e a mm a i n t e n a n c e w i t ht h et h e o r yo fd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m , a na f f f o e n g i n e f l e e t m a i n t e n a n c ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ( e f m - d s s ) w i t h 3 - t i en e t w o r ks t r u c t u r ei sb u i l tu p o nt h eb a s i so f o r a c l ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m 脚o r d s ：a e m - c n g i n e ，o n - c o n d i t i o nm a m t e n a n c e ，o 西m a lm o d e l ，m a i n t e n a n c e l e v e l 承满鹳 本人郑重声鹃；掰呈交瓣学佼沦交，是本人在嚣辉攒蛰一f ，独立避行研究王露麟敲褥 的成辩。尽我所知，除文中已经注明引用的内密外，本学位论文的研究成果不包古饺何他 人事搿罄作投豹内绺。对李论文晰涉及豹研究工作做出贡献的其他个人并； 】集体，均融在文 字繇骥浚方式器臻； 本人授权南京航奎航天大学可以有权保辩邀交论文静藏辩徉，竞溶论文被套褥窝谂淹， 可以将学位论文的鱼部或部分内释编入有关徽据库进行检濑，可以采用影印、缩印溅凝他 复制筝黢保存论文。 豫密蓑学建论文盎瑟密嚣逶爨零承落蕊 鬻畿签鐾： 鞘期： 南京航空航天大学博十学位论文 1 1 研究问题提出 1 1 1 引言 第一章绪论 安全和效益始终是航空公司关心的两大主题，安全是根本，效益是目的。在保证 飞行安全的前提下，航空公司运营的最终目的是最大限度获取利润。然而近年来航空 企业面临严峻的外部生存环境：自1 9 9 8 年来中国民航效益严重滑坡，行业全面亏损； 9 1 l 事件后对航空企业更是雪上加霜。据国际航空运输协会( i a t a ) 2 0 0 2 年度国际 航空运输行业报告，2 0 0 1 年全球航空运输业总体亏损约达1 2 0 亿美元，几乎相当于 前4 年利润的总和【1 l ；第二次伊拉克战争以来，世界燃油市场价格居高不下，飞行成 本急剧上扬：随着中国进入w t o ，一方面为国内航空公司带来了开拓广阔的国际航 空运输市场的新机遇，但另一方面是随之而来的国外先进航空公司的强大竞争压力。 目前国内航空公司在竞争中暂时处于劣势，反映此状况的典型例证就是同一国际航线 上国内航空公司的票价要比国外同行高出许多；国内航空公司之间的竞争也空前激 烈，各航空公司都在想方设法增强自身的竞争力，占领市场，从而获得经济效益；与 此同时，面对高速铁路、高速公路以及船运等其它交通运输方式的蓬勃发展，民航业 更是感到了巨大的竞争压力。 根据波特的竞争理论，企业的竞争优势可以通过成本领先和标新立异的方式获 取，因此航空公司通常有三种方式改善自己的盈利状况：( 1 ) 提高票价和运费；( 2 ) 改善运营环境；( 3 ) 降低成本 2 1 。我国航空公司目前的现实是运价已经接近甚至超过 国际平均水平再涨价的可能性不大，实际上中国现有和潜在的民航顾客希望降价的 呼声很高；运输环境受国际航运业影响很大，航空公司自身的改善在全球航空业低迷 状况下效果不显著。因此创造成本领先就成为提高我国航空公司经济效益和争取竞争 优势的根本途径。成本降低一方面可以直接创造公司的盈利，另一方面会促成运输价 格的降低，增加运输产品的竞争力，从而带来运量的进一步扩大，形成盈利水平不断 增长的良性循环。 飞机在使用阶段的经济性评价标准是飞机直接运营成本( d o c ) 和间接运营成本 ( i o c ) 。i o c 整体呈现很不稳定状态，并且变化具有非线性的趋势，不好控制。所 以行业内对飞机使用经济性分析与评估的依据主要是直接运营成本。d o c 成本包括 拥有飞机费用( 折旧费、利息、保险金、高价件摊销、经营性租赁等) 、空勤组费用 i 蕊艘本徒纯的璐瑚航空发动枫被情维穆决策研究 ( 驾驶曼戚本、客舱服务掇成本) 、维修成本( 机体绻修成本、黢靴枫维修成本) 、运 费赞溪、燃漓蕊奉蠢餐鑫鼹等掰。考察1 9 9 5 - - 2 0 0 0 轰军孛耍溪簸窒公零棼蕊零蘸橡 w 以发现，航油、维修、折旧、起降、旅客搬务游爨用占据全黼d o c 成本的8 0 以 上【2 j 。从成本控制的角度来看，燃油、圣斥旧、旅客服务费用出于蛾策或其他原闭可控 褡度攫巾，罄至扶菜个较缀蕊露勰饕没蠢聪漓空秘；占撂d o c 藏本1 0 一2 0 【3 | 戆 雅嫠覆奉瓣蠢稷大兹嚣缭空蕊，嚣热试粪建舅羲黎豁赞弱袭缀藏、嚣麓滚齑、彩嫡嚣 潦就非常必瓣，对成本挎制也显得切宓可行。 航空公铽维修成本构成如图1 1 辨示【4 l ，从中馘默蓉出动力靛霪部分占划3 8 星 客。熬瑟，瓣健琵薤蓑蓟辍歪气凝露舔毙襄潺籍黪燃气湛痊等越寒蘧褰，王终袈嫠菱 加恶劣。同时，为满足鞭海快速安全瀚器求，对发潮机的推力靛熊和可靠穗鼗求也越 来越高。因此发动机的娥修成本对航嫩公司经济性的影响更是翻擞突出。如今鼹用航 空发蘩橇维修成零已经成瓷了蓬器蛰攘熟疑钱逢磷、靛窒公司戥发维掺袁稻勰笑注戆 焦燕窝蘧。 熬l ， 民甩飞机维撩成本绪梅篷 1 , 1 2 航燃发动机的绦修方式 一蹬赣蠢鑫嚣壬 黉 随着研究人员对绻僚本质认谈的深入，维修域论经历了从玩瑟日有，从滞熊视到备 受重视的越程。目前指撵民航维修的耀论是m s g w 3 t 它是在1 9 6 0 年美国联郏航空局 每袋会簸燮凳霉鎏或熬黢巷豢导枣鬃( m s g ，m a i n t e n a n c es t e e r i n g g r o u p ) 瓣霉靠睦 与拆穆篱黼期之离豹菇系避行骚究辩蒸稿土菱鼹随宋煞t 薅答缝嫠霪论黪鬟麓，缍移 南寐航空航天大学博士学住论文 方式也呈现蹬多样化的特征。从5 0 颦代以前单纯的故障后维修( r u nt ob r e a k d o w n m a i m e n a n c e ) 方式，发震劐“攀一定辩绦穆”霎雩颓熬窿瓣维器( h a r d - t i m e ) 方震，褥 发展到现在修复性维修、定时、视情镣多种维修方斌并存5 1 。 ( 1 ) 修复性维修 修复馁维修( c m ，c o r r e c t i v em a i n t e n a n c e ) 燕搬设备( 或蕊概俸) 发生敬障后， 往其浚复戮规定状态耩邋行的维修活动，也称撵除敬障维修。修篾性缨修包撬放障定 位、故障隔离，分解更换、再装、调校检验，以及修复损坏件锌工作内容。 ( 2 ) 定时维修( f i t , h a r dt i m e ) 定薅缭修遥爰予邑翔骞翕分蠢飘镣嚣豆奏耗袋辅懿设冬。这耪设备数漳翁发生、 发展与使用圈寸间有明确的关系。其可以分为定对拆修( r w ，r e w o r ka ts o m ei n t e r v a l ) 和定时报废( d s 。d i s c a r da ts o m ei n t e r v a l ) 两类。 r w 爨攒设备使鼹戮裁定的时闻予跌拆修，使其恢复到越是的状态。此处豹“规 定的对阕”碍以是规定豹闯隔籀，桑计工雩# 霹淘、穗绣露闻、鬃程蟊次数等。d s 是 指设备使用到规定的时间予以废弃。 ( 3 ) 擞情维修 程猪缀骖( o c ，o nc o n d i t i o nm a i n t e n a n c e ) 裁楚蔽摇霹磺嚣定凝或连续熬状态 监测结果所寓施的预防维修也叫做“以状态为萋稿i i 的预防性维修”。视情维修是基 于这样一种枣实进行的，即大量的故障不是瞬时发生的，故障从开始发生到发展成为 最蜃的故孵状态，总有一段出现异常琰象的时闻，蕊且有征兆蔚粪罨。这种方式羲限 予每台设备鹃具体技零状况，对设备惩转情凝静裁簇密留遥踩簸溅。滋妖态为蘩磁熬 预防维修方式，其维修间隔时间是不嗣定的，它根据机器设备的实际状况来确定，因 此是最经济的一种维修置作，能最充分地利用设备淹命，使维修正作量达到最低。 系绞载避鍪采翅麓稳维罄应该瀵怒黻下条箨； ( a ) 可靠性要求尚，发生事故麓影响恶劣。这类系统或设备的故障需凝尽量在 发生前排除掉，因此必须实时的掌握其状态信息。 强) 囊备一定数监控手段。要知晓系统或设蠢约状态信息，必须能够预先设置 橹蓥装置，准确豹传递獭其状态信惠。 ( c ) 按单元体设计。每个单元体具有相对独藏的功能，这样一方面便于根据状 态信息判断故障源勇方面发现异常后可以快遴作维修决策 ( 二) 靛空发凌氍戆缭黪特熹 ( 1 ) 赢接关系列飞机的安全性 航空发动机是飞机的心脏，与飞机的飞行安垒息息相关，因此无论是发动机制造 亵、靛空公司还是逶靛巍弱郡采取了搬多措施力求保证发动枫蛉飞行安全，假由于其 内繇结构缀复杂，经常曩铬在高澄，犬应力等瑟掰象箨下等，这些播捷嵇苓憩疆完全 基r 成本优化的鼬j ： 航空发动机视情维修决策研巍 , ,i i l l i i ! ! l i l l lp i ii i i l l i 一曼i 麓糕e _ 一 保证其使用中的可靠性。1 9 8 9 - 1 9 9 3 年熊6 年闻，燧器民熙靛空运输共发生2 7 9 起飞 簿事鼓，蠹极禳羧薄导致麴飞霉辜藏热占2 5 - 3 0 e 0 。在造凌各粪枣薮熬诸凝械飘素 中，发动机敞障又是关键，占机械故障导致事故的6 0 。据美圈窑军材料实验蜜统 计。1 9 6 3 1 9 7 5 年间，美阑空军战斗机熬发生飞行攀敞3 8 2 4 起，其中由于发动机原 瓣懿毒1 6 6 4 起+ 占慧数鹣4 3 。5 。数攘表臻，必须僳涯菱动辊懿安全使角，对于任 何胃麓遣戒发动褫空串襻率或藏赫戮飞杭安全静簸潞必须在事辩撩除捧。 ( 2 ) 维修费用高昂 航空发勰枫本身结构复杂，为了糖供大的推力，设计中采用了大量鲍糕技术、新 毒手辩，捷褥其维罄黄瘸瞧嚣霉毒，我酱褰公霉翁p w 4 0 0 0 巍铡，警蚜每次送掺裁震在 1 5 0 万美元庭右，对航空公司而言是键很大的费用支出。 ( 3 ) 嶷有成熟的监控技术 靛空发渤瓤凌态监控经疆了露令输菠“：( a 手工诞囊；( b ) 橇鼗记蒙；( e ) 飞 辊状态益控系统：( d ) 实时篮控系统。从最孬始翡l 手工楚控发震虱1 0 0 鹤梳 器监控，形成了完善的蛾掩方法和体恭。特别是最避发展起来的熬于地空数据镳的飞 棍发动桩状态监控系统，能够实时蛉把性能工程师感兴趣的状态镲息通过卫毽传输戮 缝嚣系统，孬裂蘑发动撬簇逢裔提供豹数霆势辑较转、维蘩手黔淡及工疆爨黪爨掌握 的专业领域知识，就能根好的了解发潮机实时的性能状况。 ( 4 ) 按单元体设计 发动税饿迄囊扶摄崧系统可维修链鞍降低维修戏本囊凄爨发，对发穗戳捺蹑一定 功麓分块谈计，每一分块构成一个挚嚣体。警在航线出现难毯珑场簿涂魏敖簿瓣，童 接更换掉敞障单元体，从而保证飞机的出勤可靠度。发动机送修时，只分解性隧衰退 严重的单元体，对其他荤元体只作铡霉予工作。从丽姆低维修成本。 三) 魏空发凄撬采蘧懿维咨方式褰意义 根据航空发动机维修的特点，甜：| ；l 清晰的看出；( 1 ) 发动机赢接影嫡飞行赛全， 其故障必须尽量在发生前排除掉；( 2 ) 具有成熟的j i 茳控技术，襁师能很好的知晓发 动辊篷窦对状态镶息；( 3 ) 发动梃采耀了单元傣设计按寒。这些奄果爵援情缭修篷条 侔耜一致。瓣孵，采蘑撬僚维蘩避免了弱夫妻定对撰抉造或酶蘧裁缝蘩窝零京# 髂裁余 寿命浪费。阑此对航空发动机实施基于状态的视情维修就显得j 峨理成章。 对民髑航空发动桃采用视馕维修镣略具有以下徽义： ( 1 ) 掇据凌态蕊嚣颡鼗障诊疑麓络果磊形戍靛缍骖决繁，繇可控裁谤簿l 缎簦孛 的“翠修”，又可防止“必修”。 ( 2 ) 以许多定期擞测点代替计划维修中的窟嬲维修点，减少了维修任务t 降低 了维修成本。 ( 3 ) 黻可靠毪理论为菝攥，馘靛悫薤控绪论海嚣提，霹嚣辨建毪逮实瓣骖瑾或 4 南京航空航天人学博十学仇论文 傈养。 发动机送修维修成本预估研究 根据发动机的状态参数和性能参数，建立发动机送修成本估算模型。通过对送修 成本的估算，为发动机维修费用年度计划安排和送修厂家选择提供定量依据。 发动机维修决策支持系统研究 建立一个决策支持系统，将建立的优化决策模型代码化，应用到航空公司日常的 维修管理中，方便工程师的维修决策；同时，通过收集实际使用数据进一步修正建立 的优化模型。 1 1 4 研究的目的和意义 面对越来越庞大的机队和多样化的机型，发动机工程师凭借个人经验作维修决策 的工作方法已不能适应民航企业的需要。这种传统做法容易因为任务繁重或不熟悉机 型导致决策失误。本文试图通过对三个典型和急待解决的发动机维修决策问题为例作 深入分析，以降低维修费用和优化维修任务为目标建立维修优化模型，为发动机工程 师维修决策提供定量评估方法，帮助发动机工程师作出客观、科学的维修决策。同时， 本文以提出的优化模型为基础开发了发动机机队维修决策支持系统，以方便工程师快 速的对发动机维修问题作出决策。 本项目的研究主要是针对航空公司的日常维修管理。通过对维修决策问题的分 析，实现航空公司对维修成本的量化管理，做到事前预测，事中监控和事后分析。快 速反映成本的动态变化情况，使管理人员及时得到维修成本的信息，发现影响维修成 本的重要因素分析影响原因并找到控制办法，为公司合理制定维修计划，有效评估 维修工作和加强维修成本管理提供参考依据。 同时，该课题的研究对发动机制造商和发动机维修厂家都一定的现实意义。对于 发动机制造商来说，发动机视情维修决策问题的研究可以发现影响其产品使用性能 和成本的主要的因素，进而从设计和制造的角度对发动机进行改进，提高其产品的市 场竞争力。同时，也可以通过提高售后服务中指导用户进行日常的维护和修理的能力， 改善售后服务质量。对于维修厂家来说，研究发动机视情维修问题，从维修角度找出 降低维修成本的方法，一方面使自己获得高效益，另一方面也增强了自身的市场竞争 力。 6 南京航空航天大学博士学位论文 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 单部件优化维修策略研究 b a r l o w 和p r o s c h a i l 【7 j 首先开创性地提出用数学方法建立设备最优维修策略，并于 1 9 6 0 年在“o p e r a t i o nr e s e a r c h ”上发表了自己的预防性维修优化模型。随后的4 0 年 间，大量有关设备优化维修模型公开发表。 1 9 6 5 年，m c c a l l 【8 l 在其文章“随机失效设备的维修策略综述”( “m a i n t e n a n c e p o l i c i e sf o rs t o c h a s t i c a l l yf a l l l i n ge q u i p m e n t ：a s u r v e y ”) 中对6 0 年代初期提出的维 修模型作了简单的回顾和分析。这篇综述中作者介绍了在这个领域作出了开创性工作 的b a r l o w 、p m s c h a n 、j o r g e n s o n 、m c c a l l 、r a d n e r 以及h u n t e r 等学者建立的维修优 化模型。根据设备的状态信息是否可知，m c c f l l 将模型分为两类：预备维修模型 ( p r e p a r e d n e s sm o d e l s ) 和预防维修模型( p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c em o d e i s ) 。文章中还 根据设备故障分布是否己知介绍了最大最小策略( m i n i m a xm a i n t e n a n c ep o l i c i e s ) 和 贝叶斯自适应法( b a y e s a d a p t i v e m e t h o d ) 。 1 9 7 6 年，p i e r s k a l l a 和v o e i k i i f f e1 9 1 发表了“维修模型综述：劣化系统的管理与 监视”( “as u r v e yo f m a i n t e n a n c em o d e l s ：t h ec o n t r o la n ds u r v e i l l a n c eo f d e t e r i o r a t i n g s y s t e m s ”) 。在对2 5 9 篇有关设备维修的文献进行综合分析的基础上，他们按时间是 否连续把维修模型分为非连续时间维修模型和连续时间维修模型。前者又根据是否考 虑维修所需备件的库存情况进行分类：后者则细分为：1 ) 控制理论模型：2 ) 更新模 型；3 ) 冲击模型；4 ) 关联维修模型。关联维修模型主要是针对多元系统而言，包括 机会更新模型、拼修模型、多阶段更新模型以及变化维修率模型。 1 9 8 1 年s h e f i f 和s m i t h1 1 0 1 ，1 9 8 9 年f l o r e s 和f e l d m a n i “1 分别发表了维修优化模 型的综述文献。在s h e r i f 和s m i t h 的文章中列出了8 1 8 篇参考文献，f l o r e s 和f e l d m a n 又列举了1 2 0 篇自1 9 8 2 年以来的相关研究文献。 大量模型的出现，将不得不面对这样的两个问题：( 1 ) 维修优化模型对维修管理 的价值有多高? ( 2 ) 有多少模型在多大程度上应用成功? 出于对此问题的关注，r o m m e r td e k k e r f l2 】在1 9 9 6 年发表了综述性文献“维修优 化模型的应用回顾与分析”( “a p p l i c a t i o n o f m a i n t e n a n c e o p t i m i z a t i o nm o d e l s ：a r e v i e w a n da n a l y s i s ”) 。1 9 9 7 年，p h i l i p a s c a r f i u j 也发表了类似的文章“维修数学模型应用 “( “o n t h ea p p l i c a t i o n o f m a t h e m a t i c a l m o d e l s i n m a i n t e l l a n c e ”) 讨论维修模型的应用问 题。 d e k k e r 在文章中就维修的目的，维修优化模型能解决的问题，理论与实际之间 7 基 成本优化的民瑚航空发动机视情维修决策研究 脱节的原因等方硒做了较深入的分析，最艏指出，虽然维修优化模型的应用存在诸多 不翔豢豹建方，毽楚菝拳豹接逡葶羹经济瞧懿鼹求决定了黯绫掺霞诧摸黧戆骚究不会终 止但在建模方法，数据收集途径，维修决策方式等方麟有所改进，会更加关注计辣 机系统在维修横溅和维修决策中的应用。 s c a r f 在论文巾对建模的数据获取方式撼出了自己的麓法，认为妻观数据体现的 是专家豹个人意悫，不一定麓缑恰耋貔反跌设备酶实际情况，对l | 殳鬃瓣主蕊鼗器登须 要做慎重的处理。该文还强调建立的维修模趔必须与企舭采用的维修方式相适应。文 章攒出，现阶段荧于视情维修的研究侧重予选择合适的聊监测变量；设计状态监控的 数豢毁集系统；豢予状态篮荻熬毅漳诊凝系统，毽露默惫溪篷兹确定，羧态检查阉骚 期的确定研究不怒。s c a r f 也程文章中提到了建立维修管理信息系统( m m i s ) 对维修 优化模型的建立、模型的应用都具有非常熬耍的意义。文章中提到对艇杂设备建擞 m m i s 必须要能够实现：( 1 ) 创建专家经黢知识库：( 2 ) 处理专家的_ 燕双数据；( 3 ) 对缀修活动封毽形成维修方案：( 4 ) 霹维修资源季# 赉蕊潮；( 5 ) 译依维修活动酶蠢羧 性。这些思想已缀具备了建囊决策支持系统的特征。 以上优化模挺都是针对单部件而建立的。v a n d e rd u y us c h o u t e nl w j 指出优化模型 蚕黢缮到广泛黢攒夔嚣嚣之一楚：荸都终绽纯模型过于麓纯嚣不毙难甥约反浃系绕实 际鬣杂的运行环境，因此，近十年来大量的学者投身予研究多部件鲍维修优化模黧研 究。c h o 和p a d a r i t s ! ，d e k k e r e t a l 【1 6 1 对1 9 9 7 年以前的多部件模型作了介绍和分析。 w a n g i t t 在其论文“a s u r v e y o f m a i n t e n a n c e p o l i c i e s o f d e t e r i o r a t i n g s y s t e m s ”中列举了 2 0 众篇多部件缀傍往往模螫，势按照不圈鹣维修策酶分为藏缀维修繁貉和辍会缭掺 策略两类。 综观已有优化模型，其建模的目标函数邂常为：停机时间的期望假最短：单位时 弱肉维掺费羯弱麓鋈毽最零t 鬏缓豹虿震发期望篷最大；霹穆复 孛豹霹靠往与安全靛 指标或上述单一秘标的缎合。模型的决策凝量主要有：部件的剩余寿命；更换，修瑗 阈德；检查间隔期等。 上述优化模型在一定条传下都证明悬霄效豹，一些模型甚至在实际中取得了成功 酌威用，毽敷该在以下死令穷嚣佟谖整耪滚透t ( 1 ) 基乎状态的视情维修优化模型研究 视情维修通过随时监测和掌握装备的技术状况，对熟可能发生的功能性故障作必 要瓣羧黪缍掺，基本主敛劐“该缝掺辩羧绫修”。稳对嗲定孵羲臻热缭修，援德缎修 针对性强，能够充分利用梳件的工作寿命又能有效地预防偶然故障，可以使维修的有 效性、经济性和及时性大为掇高。因此视情维修代表莆维修方式未来的发展方向，特 别是对于航空发动枫这类结构复杂、重要穗度高的设舔娥系统显得燮为急迫和必骤， 簌这秘背录下氇簧求建立更多翡茎予裰情维修翡霞纯耩整。已有筏稼模型孛丈部分都 8 南京航空航天大学博士学位论文 是在定时预防性维修方式情况下建立的优化模型，而基于视情维修的优化模型不多。 其原因大概是：( 1 ) 视情维修的开展需要良好的检测设备，前期投入高，所以应用还 不是非常广泛：( 2 ) 视情维修真正开始推广使用的时间不长：( 3 ) 视情维修优化模型 比定时维修要考虑的因素更多，建模用的数学工具也复杂的多，所以有一定的难度。 ( 2 ) 多部件系统维修优化模型研究 v a n d e r d u y ns c h o u t e n 认为已有模型不能在实际中得到广泛应用的原因之一就 是，建模时对实际情况作了过多的简化。一个系统可以划分为若干个子系统，如果 各子系统之间物理结构、故障甚至维修费用等都是相互独立的，就可以把每个子系 统视作单部件，采用已有的单部件优化方法对维修策略作出决策。但事实是各个子 系统之间存在千丝万缕的联系，对于一个给定的子系统，其维修决策必然和其他子 系统的状态有很大的相关性( 比如一个子系统的失效，往往会导致另外一个子系统 也要作相应的维修工作) 。因此对于维修的优化建模必须考虑多部件的情况，建立多 部件维修优化模型。 ( 3 )不完全维修维修优化模型研究 在已有的维修优化模型中，往往假定检查和修理是完全的( p e r f e c t ) ，如果有缺陷 经过检查一定就能发现，设备经修理后也处于“修复如新”状态。这些假定方便了建 模，但是与设备的实际运行情况存在差异，为了使模型更好的与实际情况相符合，通 过模型得到的优化结果更准确，必须考虑检查和修理都是不完全的( i m p e r f e c t ) ，只 是以一定的概率发现缺陷或“修复如新”。 1 2 2 维修等级决策研究 航空发动机、船舶以及其他大型工业设备在制定维修策略时会根据设备的损伤情 况、使用时限等因素采用不同的维修等级实施维修工作。以民航发动机为例，其有三 种级别；一般性检查( v i s u a lc h e c k , v c ) 、性能恢复( p e r f o r m a n c eo v e r h a u l ，p o h ) 和翻 修( o v e r h a u l ，o i - i ) 。一般性检查不需要对发动机进行分解，主要任务是作一些润滑、 保养工作。性能恢复对发动机作部分分解，针对分解过程中发现的问题作相应的维修 工作。翻修要彻底分解到零部件级别，所有的件都要作检查、修理或更换。由于每种 级别涉及的工作范围差异很大，导致维修费用变化也非常大，所以企业总是想在保证 设备正常使用的前提下，尽量少作无谓的维修工作，即根据需求确定合适的维修等级， 从而控制维修成本。 维修等级确定的本质依据是设备的性能。航空发动机气路参数( 压力、温度等) 和发动机各气动部件的特性( 效率、流通能力等) 之间存在严格的气动热力学关系。 因此，很多学者从这个角度出发确定维修等级，即通过测量气路参数的变化判断发动 9 蒸于戚本优化的姹瑚航空发动机视情维修决策研究 桃都徉特技豁变健，扶搿迭烈蠖能监控黥基魏。靛空浚动极酌这辩憔艇整控方法嘲骰 气臻分鬟法。 气路法漾初由u r b a n 于1 9 7 2 年搬出的。他根攒所测量参数的偏差来估弊性能 参数的偏麓* 囡也被称为“小偏差法”( 。小偏差法埘建立起严格的可用于性熊评 德鼹数擎搂黧，鼙准臻裳褰速令数学骥鐾嚣要转臻溅爨攘姿多骢气鼹参裂8 。受 籍浃这一蕊鼹，簪交癸学嚣提窭了多稀聪怒霸方法，翅：多获签气潞势辑法 蛾， 斑因子模型溅1 2 l 】以及神