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1、空军装备维修智能决策支持系统研究 刘敬军孙权傅俭毅 ( 国防科技大学信息系统与管理学院系统工程系) 摘要空军装备维修智能决策支持系统( A E M I D S s ) 是用于空军装备维修管理的种新型维修信息系统，其体系 结构同传统的空军装备维修信息系统有很大的不同。文章中，作者自先提出rA 1 | ：m 1 D S S 的体系结构，在此基础上，对体 系结构L l 维修数据收集与提取、维修信息的内容、维修知识的内容、预防维修模型、更新维修模型、状态维修模型、备什模型 等进行r 洋细的讨论。 关键宇知识库，模型库，决策支持，备件 前言 随着科技的进步，空军装备日益复杂化、多样化，装备的保养、维修、
2、H 靠性管理和更新等工作也变得 难以控制，如何对装备维修进行有效的管理，成为一个重要的课题。我窄军装备维修管理目前多采用粗略 的人一定时维修，造成了人力、物力的浪费，凭借这种方式很难提高装备的使用效率、作战性能。空军装备 维修智能决策支持系统的目标就是提高装备在军事作战上的效能、经济上的效益，力强空军在未来高科技 战争中的后勤保障能力。 当前，决策支持系统的周边科学，如专家系统、网络技术、系统T 程、人工智能等都有了长足的进步，为 它开拓了广阔的发展空间，同时本系统提供了强劲的推动力。A E M I D S S 是t H ；j 于空军装备维修管理的一 种新型的维修信息系统，它建立柱信息论、计算
3、机技术、管理科学和运筹学的基础r ，把维修专家、技术人 员的判断力和计算机的信息处理能力结合在一起，提高央策者的效能和决策的质量而叉不妨碍他们的主 观能动性。 1 系统介绍 空军装备维修决策支持系统( 见幽1 ) 的开发与建立，主要有以下几个关键问题需要解决。第一个是 装备维修数据的收集与提取；第二个是装备维修知识库的建立；第三个是维修模型库的建立与维护使用。 我们一一作简要介绍，其中维修模型库是整个系统的核心，将作重点说明。 1 1 维修数据收集与提取 空军装备维修数据的收集与提取主要是利用了象素级数据融合技术。象素级数据融合就是直接在 采集到的装备原始维修数据的基础之上进行的综合和分析，如
4、故障信息的收集、整理，装备履历、b 参数据 的纪录、统汁分析等。 空军装备维修信息是有关航空维修活动特征及其变化的表达及陈述。一切有关航空维修活动的事实 和现象( 直接的或间接的) ，一切经过维修工作人员利用语言、文字、符号、图纸加工整理得出的有关维修活 动的数据、公式、资料、指令，含有一定的信号、代码、规章制度、理论、概念等，都属于装备维修信息，装备维 修信息是进行维修决策活动的基础。维修信息分类如下： ( 1 ) 装备实力信息 主要包括飞机、发动机和机载设备的实力、技术状态和计划使I H j 情况，以及b 机、发动机和机载设备的 购置和分配情况， 8 4 2 应用高新技术提高维修保障能力会
5、议论文集 用户 ! 一二墼塑堕塑一 ；区圃 ! i知识库系统 模型库系统 ! ； 方法库系统 1r r r 一一1 匦回； 压圃； 图1A E M 一1 D S S 系统结构 ( 2 ) ! J L 务保障信息 用来反映维修保障工作质景，完成任务的程度，以及完成修理、定检任务情况。 ( 3 ) 装备可靠性信息 町靠性信息包括四个方面内容：一是飞机各系统或装置、发动机和机载设备，以及他们的部件、附件的 主要技术参数标准和检查纪录；二是飞机、发动机及有寿机件寿名情况及控制信息；三是飞机、发动机和机 载设备的故障信息；四是机务责任问题信息。 ( 4 ) 装备维修性信息 主要包括维修工时纪录和统计分析
6、，各专业人员的匹配以及维修品质等信息。 ( 5 ) 维修人员信息 主要包括维修人员的数量、文化和技术业务水平、教育训练等信息。 ( 6 ) 维修物资保障和维修费用信息 主要包括维修用仪器设备、机场设施数量和技术状况，航材、油料的库存及消耗、工程车辆情况等信 息。 ( 7 ) 技术文件管理信息 它包括各类技术通报、指令性文件和指导性文件的登记、存档、检索、落实等情况的信息。 ( 8 ) 机场及其自然环境信息 包括机场位置、建设情况，气象特点等信息。 雪 空军装备维修智能决策支持系统研究8 4 3 ( 9 ) 装备研制和维修发展动向信息 主要包括新装备的设计制造和引进等信息，有关维修理论、维修管理
7、、维修技术和科研成果等信息。 1 ，2 维修知识库 空军装备维修智能决策支持系统所研究的对象主要是飞机、发动机、特设装备、重要航材、维修技术人 员，因此维修知识库就是建立与这些对象相关的知识和推理机制。针对各种类型的空军装备，提供所需的 知识、推理方法和数据信息，在实际的使用过程中，调用与之相对应的知识库、模型库来完成装备维修的职 能决策。知识库工作流程图如图2 ： 图2 知识库工作流程图 维修知识包含了符号型知识和数据型知识两大类，而符号型知识既有精确知识又有模糊知识。不同 类型的知识的组织方式是不同的。 1 2 1 数值型知识的组织 装备状态的预测i _ l 神经两络自动完成。装备维修预测
8、网络的结构如何建立、网络特征参数如何确定 等将由数值型知识库提供解答。数值型知识库的组织结构为： 数值型知识的维护与管理，由神经网络算法半自动地完成。如果原来的知识不合适，预测结果小太町 靠，可由装备维修方面专家或技术人员选择样本来训练网络，就能自动更新知识库内容，且不需要对知识 库进行一致性检查。 1 2 2 符号型知识的组织 在装备性能评价和维修决策两项任务中，以符号型知识为主，既有精确知识又有模糊知识。对符号型 知识的组织，采用所谓“先面向功能后面象结构”的策略。具体就是，将庞大的知识库按所涉及的维修模型 进行划分和组织，即面向功能划分，这样就形成了针对维修模型的几个大的符号知识子库；再
9、在每一知识 子库内，按所要进行维修决策的装备类型进一步分解知识组织结构。例如，将重要航材分解为：仪器类、飞 行装具类、救生物品类，那么每一知识子库也根据这种划分来组织知识，这样便于知识库的维护和管理。 符号型知识库独立于系统推理机，由标准文本编辑工具编辑，再经系统语法编译后生成，因而知识更新方 便。 8 4 4 应用高新技术提高维修保障能力会议论文集 网络输人节点数一隐藏节点数一输出节点 隐层节点( 装备) 2 的特征参 权重模糊矩阵 1 3 模型库 空军装备种类、型号繁多，因此装备维修模型管理非常复杂。我们简要介绍各种模型代表形式或介绍 模型装备维修模型简化形式。我们依据不同的维修策略对维修
10、决策模型进行和维修保障模型进行分类介 绍，主要包括预防维修模型、更新维修模型、状态维修模型、维修保障模型( 备件储备量模型) 。这里我们主 要介绍预防维修模型和更新维修模型。 13 1 预防维修模型 预防维修的模型可按其故障分布情况分为确定性模型、随机模刊和儿何模型。 1 ) 确定性模刑 确定性模型是指在不同的预防维修间隔期T ，相应的故障次数期望值H ( T ) 大小确定。这样就丌J 以确 定出最佳的预防维修间隔期，使得空军装备在单位时间内停机时问的期望值最小。 E D ( T ) ：丛型掣生尘( 1 ) 式中，E D ( T ) 表示P M 间隔期为T 时，单位时间内的停机时问期望值；西(
11、 t ) 表示P M 间隔为T 时，每次 故障的平均停机时间；H ( T ) 表示P M 间隔期为T 时。T 时间内故障次数的期望值；d 尸表示每次检矗时的平 均停机时间。 ( 1 ) 式中的d ，( ，) ，出可根据以往的维修数据纪录，统计分析和计算得冉。间隔期内T 内故障次数的 期望值的大小可以根据( 2 ) 式求出。 H ( T ) = a r + b T 2( 2 ) 2 ) 随机模型 随机模型的目标函数与确定性模型是相同的，所不同的是前者的故障次数期望值H ( T ) 大小是随机 的，需要用随机过程函数来描述。 r 一】 H ( T ) = 1 + 日( 丁 i = 0 且H ( 0
12、 ) = 0 ，其中“1 ) 表示故障率密度函数。 3 ) 几何模型 ( 3 ) 当装备尚无故障纪录时，特别是一些装备性能改进的情况下，显然小能按照原来的预防维修方J j = ，这 时应该增加预防维修的问隔期。由于缺乏故障数据，故无法准确地估计出故障概率。比较合理的做法足： 逐渐增加预防维修的间隔期，计算出相应的故障发生概率大小，如表1 所示。这样，维修工程师就可判断 由于预防维修问隔期增长而相应地增加的故障风险大小。 令T 表示预防维修的时间间隔；n 表示无故障发生所经历的预防维修周期个数，第( n + 1 ) 个预防维修 周期时故障发生。 空军装备维修智能决策支持系统研究 8 4 5 根据
13、文献 1 ，在第( n + 1 ) 个预防维修周期，故障发生概率最大似然估计值为t 几+ 1 。例如，T ：6 ( 月) ，故障服务服从负指数分布( 参数为“) ，即 F ( T ) = 1 e 砷( 一d ) = 1 n + 1 ( 4 ) N I d Ad = o 0 2 5 7 表1 预防维修间隔期增长和相应增加的故障风险大小 1 3 2 更新维修模型 更新维修的模型可按其费用函数是否确定分为低劣化模型、最小费用模型和随机维修费用模型。这 三种模型都是追求装备寿命期内的费用最低为目标，当装备的费用最低的年数也就是装备的最佳更新期。 1 ) 低劣化模型 如果装备的使用费用每年按一定值x 真
14、线增加，则T 年中平均低劣化值为) , T 2 。令装备的投资为 ，因此，平均每年的装备总费用c 为 。：i k O + ( 5 ) 。2 下+ i “ ( ，J 求最小的年装备总费用时，令d e d T = 0 ，则 T = 学 ( 6 ) 2 ) 最小费f 【；f j 模犁 如果装备的低劣化值每年变化率并不相同，则可采用最小年费用模型计算装备的最佳更新期。 乙C 。+ t 一K 。) C l = 世_ 一 ( 7 ) 式中，c 。表示某一确定年份的年平均费用( 元) ；G 表示某年装备的使用成本( 年) ；K o 表示装备原值； K 表示装备残值；t 表示某一确定年。 G 最小时的年数就是
15、装备更新的年限。 3 ) 随机维修费用的装备更新模型 当装备故障的发生时间和强度是随机变量时，相应的装备运行成本也是随机的变量。针对这种情况， 文献中 1 研究了基于装备故障次数及其概率的最小费用中期更新模型。该模型的基本思想就是通过统 计分析确定出空军装备的故障模式，目B 故障服从哪种分布，相应地也就确定出维修费用，这样就可以确定 出了卒军装备更新的时机。 7 ： 在t 时期空军装备退役时，空军装备的最小费用周期满足： r a i n 1 ( C n 一丘G ) P ( y = n ，T f ) 1 ( 8 ) 式中，y 表示故障次数随机变量，相应地p ( r = n ，r ) 表示故障发生
16、n 次的概率；c 。表示发生n 次 故障时装备的运行成本。它是一个依n 变动的凸函数，在 o ，t 内装备的平均运行成本是宝C p ( v ：。，r f ；k ；( n ) 表示装备的残留值，它是依n 变动的递减函数。 由此可见，问题的关键是求出P ( Y = n ，r f ) 。只要我们通过收集故障间隔期样本X l ，X 2 , ，；然 后构造出故障间隔期的概率分布密度函数，( x ) ，即可求出p ( y = n ，) 。 1 3 3 状态维修模型 状态维修是根据空军装备的实际技术状态，利用一定的参数检测设备如B I T ( B u i l t i n T e s t ) ，控制其可 8 4 6 应用高新技术提高维修保障能力会议论文集 靠性的一种维修，其理论根据是功能故障发生前必定有从量变到质变的过程，伴随着一过程必定有特征量 ( 参数) 的变化，恰当的拟定检定时间问隔和诊断检测手段，当参
