全軍電子裝備智能化維修保障的改進(jìn)建議

■ 杜時杰 萇軍紅

隨著眾多新型武器系統(tǒng)研制成功，諸多電子裝備遇到了產(chǎn)能與故障同步提升的問題，部隊官兵對其可靠性多有怨言，維修部門對這些新型復(fù)雜電子裝備，缺少充分的原理認(rèn)知、缺少檢測維修手段，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)前軍事裝備快速發(fā)展的建設(shè)需要。美軍在新型裝備研制合同中均提出了PHM（Prognostics and Health Management，故障預(yù)測與健康管理）健康管理智能診斷的技術(shù)要求，并進(jìn)行了成功的應(yīng)用。受制于基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)成熟度、研制周期、經(jīng)費(fèi)等問題制約，我軍裝備至今尚未見到類似的有效應(yīng)用和成果推廣。本文詳實地分析了當(dāng)前形勢、問題根源，比較了諸多解決方案的利弊，以問題為導(dǎo)向，針對電子產(chǎn)品硬件隨機(jī)失效的自然規(guī)律，充分理解眾多國軍標(biāo)和國標(biāo)之間的技術(shù)關(guān)聯(lián)，按照型號研制中設(shè)計、工藝、質(zhì)量、檢驗、六性、管理部門普遍接受的要求，從總體論證的宏觀角度到信號處理的微觀角度進(jìn)行了充分的研究和實踐，對多個重點型號的成功經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，創(chuàng)造性地形成了這一全軍普適的電子裝備質(zhì)量監(jiān)測、安全預(yù)警、智能診斷系統(tǒng)總體設(shè)計方案與實現(xiàn)方法。

一、新形勢下裝備智能化保障的需要

目前我軍主戰(zhàn)裝備均采用三級維修體系（基層級、中繼級、基地級），其管理體制、維修方式主要參照機(jī)械化裝備維修保障特點規(guī)律構(gòu)建，已經(jīng)很難適應(yīng)未來信息化戰(zhàn)爭條件下部隊裝備維修的需求，存在著諸多不足，比如：

（1）層級偏多的維修作業(yè)體系難以適應(yīng)裝備高效化維修的要求，部分裝備上裝與平臺由于維修管理體制的不同，結(jié)構(gòu)特點和故障規(guī)律的差異，使得兩者沒有作為一個完整的系統(tǒng)實施全壽命、全系統(tǒng)維修。

（2）相對滯后的方法手段難以適應(yīng)裝備智能化維修的要求，社會面已經(jīng)成熟的資源可視化、虛擬維修、遠(yuǎn)程維修、交互式電子技術(shù)手段等技術(shù)，促進(jìn)了傳統(tǒng)監(jiān)測與診斷技術(shù)進(jìn)步，推動了維修決策支持系統(tǒng)的智能化發(fā)展，加速了維修信息系統(tǒng)與作戰(zhàn)指揮等系統(tǒng)的融合?，F(xiàn)有裝備維修仍以傳統(tǒng)的拆解、檢查、修復(fù)（換件）、組裝、試驗為主，維修新技術(shù)、新方法并未充分發(fā)揮其作用。

美軍已經(jīng)實現(xiàn)了裝備保障的成功轉(zhuǎn)型，F(xiàn)-22 猛禽戰(zhàn)機(jī)在80 年代設(shè)計初期便采用先進(jìn)的兩級維修體制進(jìn)行了自主診斷和故障預(yù)警的功能設(shè)計，使其在戰(zhàn)備完好性、戰(zhàn)場生存性、精準(zhǔn)維修、智能診斷、安全預(yù)警等多方面的能力大大提高，全壽命周期的費(fèi)用顯著降低，極大的推動了三級維修體制向兩級的變革。

民用產(chǎn)品的保障也出現(xiàn)了很多創(chuàng)新且成功的做法，通過供應(yīng)鏈集成、大數(shù)據(jù)云平臺等手段，對保障進(jìn)行優(yōu)化，并將它變成一種戰(zhàn)略優(yōu)勢，這對推行裝備智能化保障轉(zhuǎn)型是個很大的鼓舞。比如：奔馳已經(jīng)不再將備胎、千斤頂作為隨機(jī)備件，而是在出現(xiàn)問題后，提供云平臺調(diào)配最近的4S 店提供備胎更換服務(wù)。這樣可以在滿足客戶需求的同時，既表現(xiàn)出良好的反應(yīng)能力，也省去很大的成本。

美國國防部頒布的DoDD5000《國防采辦》指出“保障性和持續(xù)保障是武器系統(tǒng)性能的關(guān)鍵要素”。打仗就是打保障，為適應(yīng)新形勢下軍事戰(zhàn)爭對裝備智能化保障的要求，隨著裝備信息化的提升，創(chuàng)新維修技術(shù)的應(yīng)用，尤其是先進(jìn)智能診斷技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高裝備完好性、提高保障效率、降低保障費(fèi)用。應(yīng)重點發(fā)展智能化檢測、監(jiān)測技術(shù)，建立智能化、信息化的裝備質(zhì)量管理、維修保障體系，實時搜集和整理裝備技術(shù)性能和關(guān)鍵系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，為故障預(yù)判、故障定位、快速維修提供依據(jù)，并預(yù)測裝備故障和剩余壽命，從而提升任務(wù)成功率、裝備可用性和安全性、避免不必要的維修，從而適應(yīng)裝備精準(zhǔn)、智能、高效的維修保障要求。

二、發(fā)達(dá)國家裝備智能化保障的主要做法和收益

裝備智能化保障要求在裝備研制初期就開展兩級維修體系所必需的測試性設(shè)計，以預(yù)置BIT（built in test，機(jī)內(nèi)測試）模塊的方式開展自檢或狀態(tài)監(jiān)控，以預(yù)留可檢測點結(jié)合ATE 的方式開展故障檢測或診斷，并綜合傳感采集、人工智能、嵌入式信號處理、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，對裝備狀態(tài)進(jìn)行實時或接近實時的健康評估，采取科學(xué)的維修措施，在出現(xiàn)早期故障征兆時進(jìn)行科學(xué)的維修，同時保證設(shè)備的安全性、可靠性。

因其在設(shè)計早期進(jìn)行了融合，從而可以實現(xiàn)全壽命周期的應(yīng)用，比如：

（1）研制階段可以應(yīng)用于裝備質(zhì)量檢測、監(jiān)測，確保將合格的裝備交付部隊。

（2）按照裝備實戰(zhàn)化的考核要求，在試驗鑒定階段可以實現(xiàn)狀態(tài)鑒定、作戰(zhàn)試驗、列裝定型、在役考核、事故追溯等環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)測和責(zé)任界定。

（3）服役階段可以實現(xiàn)安全預(yù)警、智能診斷功能。

（4）維修保障階段實現(xiàn)精準(zhǔn)維修、輔助決策功能。

（5）實現(xiàn)事前預(yù)防、事中考核、事后追溯的裝備全壽命周期合同質(zhì)量監(jiān)管。

（6）可以解決現(xiàn)行預(yù)防性維修的諸多弊端，如：費(fèi)用高、備件庫存多、過早拆卸部件、不能預(yù)先防止災(zāi)難性故障、不能記錄和再現(xiàn)NFF 故障等。

由于裝備智能化保障的諸多收益，美軍積極開展了一系列的型號應(yīng)用，如：

①空軍開展了預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(JSF-PHM，Joint Strike Fighter-PHM)；

②海軍開展了綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS，Integrated Condition Assessment System)；

③陸軍開展了陸軍診斷改進(jìn)計劃（ADIP,Army Diagnostic Improvement Program)等。

開展智能化保障的收益頗豐，以F-35 聯(lián)合戰(zhàn)機(jī)JSF-PHM 為例，其裝備保障規(guī)模減少了50%，出動架次提高了25%，保障費(fèi)用減少了30%，維修人員減少了20%～40%。

三、裝備智能化保障的主要技術(shù)實現(xiàn)方法

美軍規(guī)劃和構(gòu)建裝備智能化保障是以測試性、故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，集故障檢測、狀態(tài)影響評價、故障處置、輔助引導(dǎo)、預(yù)測裝備運(yùn)行趨勢和使用壽命，為裝備使用和維修人員提供維修決策支持。

以美國NASA Diagnostics and Prognostics Group 開展飛行器綜合健康管理的應(yīng)用為例，其將智能化保障的核心工作劃分為故障檢測、診斷、預(yù)測和輔助決策等進(jìn)行研究，其核心是：故障診斷技術(shù)、可靠性系統(tǒng)工程技術(shù)、容錯控制技術(shù)。

（1）現(xiàn)有的故障診斷技術(shù)可大致分為基于模型的方法、基于數(shù)據(jù)的方法和基于知識的方法三類。表1 中對這三種故障診斷方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了簡單的總結(jié)。值得一提的是：這三種方法各有利弊，沒有一種方法可以解決所有問題，不能一味求全，否則會導(dǎo)致無可用的方案。

表1 不同故障診斷方法的對比

目前國內(nèi)外對電子裝備故障檢測、診斷、預(yù)測技術(shù)的研究主要集中在對正常功能電學(xué)指標(biāo)（電壓、電流、頻率等）偏離的檢測，最大的障礙是電子產(chǎn)品功能各異、構(gòu)成復(fù)雜、集成裝配后不易檢測，另外電子產(chǎn)品故障具有不確定性、不穩(wěn)定性以及非線性等特征，且電子產(chǎn)品間歇性故障難以檢測。如果針對每一型電路板卡定制一個專用的故障檢測、預(yù)警電路，需要設(shè)計師增加大量的原理設(shè)計變更、Layout 布局變更、電路結(jié)構(gòu)變更、試驗鑒定、聯(lián)調(diào)測試等工作，并且設(shè)計師普遍擔(dān)心附加的檢測電路的兼容性和可靠性會對其功能電路構(gòu)成影響、降低其功能系統(tǒng)的可靠性、增加了成本、增加了聯(lián)調(diào)測試風(fēng)險、增加了排故困難、會嚴(yán)重拖長研制周期，并影響自身的績效考核。因此目前尚無獲得廣泛認(rèn)可的成熟的電子產(chǎn)品智能診斷預(yù)警系統(tǒng)。

（2）2015 年國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》明確指出：加強(qiáng)可靠性設(shè)計、試驗、驗證技術(shù)的研究與應(yīng)用。推廣先進(jìn)的在線故障預(yù)測與診斷技術(shù)及后勤系統(tǒng)；國產(chǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品可靠性指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。中國要從制造大國走向制造強(qiáng)國，可靠性系統(tǒng)工程是唯一的可行之路。錢學(xué)森說“可靠性是設(shè)計出來的、生產(chǎn)出來的、管理出來的”。裝備智能化保障最關(guān)心的故障檢測、監(jiān)測、預(yù)警與產(chǎn)品設(shè)計特性緊密相關(guān)，主要包含六個方面：可靠性、維修性、測試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性和安全性。如圖1所示：

圖1 裝備質(zhì)量特性設(shè)計技術(shù)

可靠性系統(tǒng)工程是圍繞產(chǎn)品質(zhì)量保障規(guī)律組織管理的工作方法論，其指標(biāo)共有七個方面，分別是：長壽命、高可靠、快診斷、能預(yù)測、易維修、好保障、要安全。這七個方面的要求在可靠性系統(tǒng)工程的技術(shù)體系里都有對應(yīng)的定量指標(biāo)，如何做好這一工作，本質(zhì)上是故障和應(yīng)對故障的權(quán)衡，如圖2 所示：

圖2 可靠性系統(tǒng)工程中故障和故障應(yīng)對策略

這些工作看似分散，實則具有內(nèi)在的必然聯(lián)系，如果處理不好，就會出現(xiàn)工程中常說的“兩張皮”現(xiàn)象。以FMEA(Failure Mode and Effect Analysis,失效模式和影響分析)為例，其主要目的是發(fā)現(xiàn)、評價產(chǎn)品/過程中潛在的失效及其后果；找到能夠避免或減少潛在失效發(fā)生的措施并且不斷地完善。能夠容易、低成本地對產(chǎn)品或過程進(jìn)行修改，從而減輕事后修改的危機(jī)。并找到能夠避免或減少這些潛在失效發(fā)生的措施。

然而很多企業(yè)實施過程中存在諸多誤區(qū)，比如：

把FMEA 作為一份體系要求的文件來做，為了完成文件而做文件。通常在設(shè)計或者過程結(jié)束才開始補(bǔ)文件，經(jīng)常會以客戶開發(fā)時間節(jié)點太短為由，不愿花時間來分析風(fēng)險，問題發(fā)生后來臨時補(bǔ)救，反而導(dǎo)致更多的投入。

①FMEA工作被安排成某個人的工作，而不是一個團(tuán)隊工作。研發(fā)部、制造部、生產(chǎn)部、質(zhì)量部和物流部等很少會在設(shè)計初期共同討論風(fēng)險及其避免的方法。

②為應(yīng)付產(chǎn)品定型、軍方檢查、體系審核等需要，把FMEA 作為形式工作之一，或錯誤地把FMEA 文件全部交給可靠性人員來做，設(shè)計工程師、工藝工程師沒有參與到潛在失效分析工作中。

③錯誤的認(rèn)為FMEA 是解決問題的工具，F(xiàn)MEA 是負(fù)責(zé)提出問題、識別問題的工具，真正的解決問題需要專家團(tuán)隊做專題研究，從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或者設(shè)計指導(dǎo)書來進(jìn)行檢測、預(yù)防。

④錯誤的認(rèn)為FMEA 是不變的，F(xiàn)MEA 經(jīng)驗積累的過程，是動態(tài)文件。

⑤DFMEA(Design Failure Mode and Effects Analysis)忽視顧客的要求，沒有對用戶要求逐條分析，大多數(shù)PFMEA 不參考DFMEA。

（3）容錯技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑。所謂容錯：就是容許錯誤，是指設(shè)備的一個或多個關(guān)鍵部分發(fā)生故障時，能夠自動地進(jìn)行檢測與診斷，并采取相應(yīng)措施，保證設(shè)備維持其規(guī)定功能，或犧牲性能來保證設(shè)備在可接受范圍內(nèi)繼續(xù)工作。錯誤一般分為兩類：第一類是先天性的固有錯誤，如元器件生產(chǎn)過程中造成的錯誤、線路與程序在設(shè)計過程中產(chǎn)生的錯誤。這一類的錯誤需對其拆除、更換或修正，是不能容忍的。第二類是后天性的錯誤，它是由于設(shè)備在運(yùn)行中產(chǎn)生了缺陷所導(dǎo)致的故障。這種故障有瞬時性、間歇性和永久性的區(qū)別。

2021 年12 月24 日國家質(zhì)檢總局通告，華晨寶馬汽車有限公司召回生產(chǎn)日期從2021 年4 月30 日到2021 年8 月27 日的國產(chǎn)iX3 電動汽車，共計1974 量。原因是“動力電池內(nèi)部觸點系統(tǒng)插接口針腳處焊接質(zhì)量不良，可能導(dǎo)致溫度/電壓實際值和測量值出現(xiàn)偏差”，以圖3 為例：

圖3 電池分壓電壓偵測原理

以圖3 電池分壓電壓偵測原理為例，如果測量電池剩余電量的傳感器引腳虛焊，會產(chǎn)生額外的阻值，就會把3.7V 識別為3.5V，這個數(shù)值經(jīng)過ADC 芯片轉(zhuǎn)換，再傳給MCU 計算差的可不是0.2V（可能是電量驟降20%），剩余電量不足就會強(qiáng)制啟動待機(jī)模式，中控屏幕就可能在明明有電的情況下出現(xiàn)黑屏。

本案例如果按照可靠性系統(tǒng)工程的思想，按照GJB1391《故障模式、影響及危害性分析程序》通過分析潛在的失效模式并根據(jù)其嚴(yán)重程度，發(fā)生幾率和發(fā)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行優(yōu)先排序。就可以識別到MCU、R62、R26 為可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能失常的關(guān)鍵件，且嚴(yán)酷度等級較高，發(fā)生頻率較高，采取容錯設(shè)計、安全監(jiān)控手段，就可以得到有效的避免。由于缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)工作態(tài)度導(dǎo)致了眾多慘痛事故，比如：

1998 年瑞士航空111 號班機(jī)發(fā)生空難，經(jīng)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中一根電線上有電弧，由此便推出了空難原因：由電線短路引起的火花點燃了聚對苯二甲酸乙二酯（PET）隔熱層，造成229 人遇難的慘痛事故。

2014 年亞洲航空8501 號班機(jī)發(fā)生空難，經(jīng)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由其方向舵限動器的電路焊點存在虛焊，在過去一年內(nèi)出現(xiàn)了23 次重復(fù)的故障，卻沒有得到及時有效的根治，在當(dāng)晚的飛行中，故障反復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致了3 次警報，第4 次警報時飛行員錯誤造作最終導(dǎo)致飛機(jī)失速墜毀，造成162 人遇難的慘痛事故。

圖4 GE235班機(jī)事故調(diào)查報告pin34焊點的切片影像

2015 年臺灣復(fù)興航空235 號班機(jī)發(fā)生空難，事故調(diào)查員將飛行數(shù)據(jù)輸入模擬機(jī)，并重建了事故過程。發(fā)現(xiàn)右側(cè)發(fā)動機(jī)傳感器的電路板因為虛焊，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判發(fā)動機(jī)失效。緊接著飛行員錯誤操作最終導(dǎo)致飛機(jī)墜毀，造成43 人遇難的慘痛事故。

四、總結(jié)

2021 年陸軍裝備部發(fā)布的《關(guān)于加快推動陸軍裝備高質(zhì)量高效益高速度低成本發(fā)展的倡議書》指出，探索推開“研產(chǎn)供修管”一體化維修保障模式，實施維修保障經(jīng)費(fèi)定額撥付，倒逼設(shè)計、制造和生產(chǎn)環(huán)節(jié)就關(guān)注維修管理問題，進(jìn)一步強(qiáng)化質(zhì)量意識、服務(wù)意識和成本控制意識。

當(dāng)前將質(zhì)量進(jìn)行體系化的建設(shè)，融入到設(shè)計中，將質(zhì)量控制點前移至生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，將智能制造在早期失效期獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ停c設(shè)計進(jìn)行融合，就可以實現(xiàn)全壽命周期、全電系統(tǒng)的質(zhì)量提升和智能化提升。以問題為導(dǎo)向，可以將軍方關(guān)心的重大故障、重復(fù)故障，在可靠性、測試性、維修性、保障性設(shè)計中進(jìn)行工程實現(xiàn)，可以“故障”倒逼標(biāo)準(zhǔn)升級、倒逼產(chǎn)業(yè)升級、倒逼技術(shù)升級，可以非常有力的支撐軍委提出的裝備實戰(zhàn)化的試驗鑒定、在役考核的質(zhì)量管理，推動裝備采購合同監(jiān)督管理等工作，為我們從制造大國走向制造強(qiáng)國奠定堅實的質(zhì)量基礎(chǔ)。