1.3.3　基于状态的维修策略

为了避免定时维修策略维修间隔不合理造成的“维修不足”或“维修过度”的问题，人们又提出了另外一种维修策略，即基于状态的维修策略（condition based maintenance，CBM），基于状态的维修又称为视情维修。顾名思义，基于状态的维修就是视设备的当前状态情况确定设备是否需要维修。基于状态的维修没有规定设备维修的硬时限，只是根据规定的维修状态标准对设备整机或子系统进行周期性的检查，并根据检查结果决定是否需要进行维修。当设备出现“潜在故障”时就进行调整、维修或更换，从而避免“功能故障”的发生。所以，基于状态的维修也属于预防性维修。值得注意的是，和定时维修一样，基于状态的维修所进行的检查也是周期性的，如基于工作时间或者工作循环进行检查，不同的是，基于状态的维修策略的维修时机是根据设备的实际运行状态确定的，事先往往没有规定的固定维修间隔，所以它是一种变间隔的维修策略，并且每一次的维修间隔都必须根据设备的当前状态来确定。设备状态监测、故障诊断和维修准则是基于状态的维修策略实施的关键。所以，基于状态的维修策略的实施必须具备完善的状态监测手段，全面准确地掌握设备的健康状态，及时发现设备存在的问题并采取相应对策，使有些故障在发生之前就能得到有效的预防，有些严重的故障可以在有轻微苗头时就能得到有效的控制并被排除，从而遏制严重故障的发生。基于状态的维修策略体现了“按需维修”的思想，可以解决定时维修中“该修不能修，不该修却要修”的问题，也就是说可以有效减少“维修不足”或“维修过度”的问题。

在决策机理上，基于状态的维修基于这样一种事实，即设备的大部分故障是其健康状态劣化的结果，而设备健康状态的劣化是逐渐发生的，也就是说设备健康状态的劣化有一个由量变到质变的过程，在这个过程中，总有一些征兆会表现出来，即表现出“潜在故障征兆”。通过对这些“潜在故障征兆”的捕捉和分析，可以判断设备的健康状态，进而确定设备是否需要进行维修以及进行何种维修。以航空发动机气路故障为例，航空发动机在使用过程中，其气路性能会发生衰退，当性能衰退到一定程度时，可以据此诊断发动机的健康状态是否发生异常或气路是否出现故障。在故障早期，其故障征兆往往非常微弱，以至于难以用常规的检测手段检测出来。随着发动机的健康状态进一步劣化，其故障会进一步发展，最终导致发动机的功能失效，即从“潜在故障”发展到“功能故障”，在这个过程中，反映发动机异常程度的故障征兆会逐渐明显。例如：当航空发动机性能衰退到一定程度时，发动机滑油中的金属颗粒数量可能会增加，发动机旋转部件的振动可能会加剧，发动机的排气温度可能会升高，发动机叶片的裂纹可能会扩大，发动机的工作声音可能会发生异常，等等。通过收集大量的航空发动机运行状态大数据和故障信息，基于运行状态大数据可以进行发动机故障征兆检测和故障机理分析，然后在发动机机理模型和经验知识的指导下，判断航空发动机运行状态的异常程度，进行发动机的故障诊断，并分析发动机产生故障的原因。当航空发动机健康状态劣化到规定程度时就要对其进行调整、维修或更换，这样可以避免“功能故障”的发生。

如图1-5所示的P-F曲线描述了设备在偶然失效期内健康状态的变化过程。图1-5中A点为故障开始发生点，此时设备的故障征兆非常微弱，以至于难以用常规的检测手段检测出来。P点为故障征兆发展到能够用目前的检测手段检测到的潜在故障点。F点为功能故障点，即设备系统功能失效的点。T为由潜在故障点P发展到功能故障点F经历的时间，又称其为P-F间隔。为了防止功能故障的发生，设备维修应该在功能故障点F以前进行。由于设备故障征兆只有发展到潜在故障点P后才能被检测到，因此设备维修只能在潜在故障点P之后进行。为了能够尽可能地利用设备、部件（或零件）的有效使用寿命，应该通过设备状态检测和分析，在潜在故障点P和功能故障点F之间寻找一个合适的时间点进行设备的维护或维修，进而实现设备维修时机的最优化，这就是基于状态的维修策略的基本思想。当然，随着检测技术的不断发展和微弱故障征兆提取能力的不断提高，潜在故障征兆的发现会越来越早，此时潜在故障点P会越来越接近故障开始发生点A，这为基于状态的维修策略优化提供了更多的决策时间，有利于设备的早期异常检测和故障诊断，也有利于维修时机确定和维修资源规划的科学化。

图1-5　描述设备状态变化的P-F曲线

从基于状态的维修策略的基本思想可以知道，基于状态的维修是根据设备的“实际健康状况”来确定设备当前时刻是否需要进行维修以及进行何种维修的维修策略。采用基于状态的维修策略的关键是对设备健康状态的准确把握，而先进的检测设备、科学的分析手段是把握设备健康状态的前提。所以，基于状态的维修策略的实施应该满足以下条件。

（1）设备昂贵且使用可靠性要求高，设备发生故障后影响恶劣，后果严重。这类设备的故障应该尽量在功能故障发生前予以排除或预防，因此必须实时把握设备的健康状态与故障信息，并制定合适的维修策略。

（2）设备必须具备一定的健康状态监控手段。要准确及时地感知设备的健康状态与故障信息，就必须预先安装合适的健康状态检测装置。

（3）设备必须按单元体设计，且每个单元体具有相对独立的功能，这样一方面便于根据健康状态信息进行故障隔离；另一方面可以在设备故障产生后快速做出维修决策。

与定时维修相比，基于状态的维修能大大降低设备的故障率，有利于提高设备的可用率，减少维修工作，降低维修成本，使维修工作变被动为主动。随着设备结构和工况复杂度的增加，其状态检测的难度也将增加。及时精准掌握复杂设备的健康状态变得困难，特别是当故障征兆非常微弱时，采用一般的检测技术往往难以及时感知到，所以检测方案设计、检测装置安装、状态信息分析和多状态信息的融合都是基于状态的维修策略实施的难题。在实际工程中，由于对设备真实状态感知的不准确性以及设备工况的复杂多变，常常造成基于状态的维修决策的维修时机的确定未必十分合理，从而有时会出现“维修过度”或“维修不足”的现象。此外，由于基于状态的维修是根据设备的当前状态进行维修决策的，因此它没有状态预测的功能，难以对中长期维修计划的制定提供支持。