基于CBR的飛機維修間隔輔助決策方法

張家偉

摘? 要：通航小飛機造價相對低廉，維護成本較低，因此在飛行員的訓練應用中逐漸成為趨勢。由于通航飛機結構相對簡單，運行過程中出現影響飛行計劃的故障里，頻率最高的是輪胎損耗，提前預知飛機機輪的到壽時間可以更加科學地安排飛行計劃，避免發生故障導致臨時飛機更換甚至無法使用的情況。本文以SR20和DA42型號飛機更換輪胎為案例，結合CBR思想與相似度算法，將維修過程中飛機重要參數提取并作出相似度判定，得出理論維修間隔，并探討研究CBR在航空器維護中對維修間隔的輔助決策的應用。

關鍵詞：維修間隔? CBR? 特征提取? 相似度算法? 輔助決策

中圖分類號：V267 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（b）-0007-06

Auxiliary Decision-Making Method of Aircraft Maintenance Interval Based on CBR

ZHANG Jiawei

（Luoyang College， Civil Aviation Flight University of China， Luoyang， Henan Province， 471000 China）

Abstract： The cost of navigable small aircraft is relatively low and the maintenance cost is low. Therefore， it has gradually become a trend in the training and application of pilots. Due to the relatively simple structure of navigable aircraft， the most frequent failure affecting the flight plan during operation is tire loss. Predicting the arrival time of aircraft wheels in advance can more scientifically arrange the flight plan and avoid the situation that temporary aircraft replacement or even unavailability is caused by failure. Taking SR20 and DA42 aircraft tire replacement as an example， combined with CBR idea and similarity algorithm， this paper extracts important aircraft parameters in the maintenance process and makes similarity judgment， obtains the theoretical maintenance interval， and discusses the application of CBR in aircraft maintenance.

Key Words： Maintenance interval; CBR; Feature extraction; Similarity algorithm; Auxiliary decision

1? 常用的飛機維修思想

現今飛機維護常用的理論思想是MSG維護思想。波音B-787機型在制訂其維修大綱的過程中，提出了基于MSG-3的維修間隔確立和優化系統。該系統中提出從相似維修任務數據查詢，到分析數據，再到確立維修間隔的過程，在生產管理上關注程序優化，逐漸改進了工序流程[1]?？湛凸緞t一般先查閱飛機制造商提供的維修間隔，然后組建分析小組，對制造商提供的維修間隔進行評估。評估標準一般采用MSG-3并對比相關專業人員的經驗。如果分析小組評估制造商推薦的維修間隔符合標準要求，那么就采用制造商推薦的維修間隔?？傮w來說，國外大飛機目前已經具備較為成熟的維修間隔標準，形成了一套較為體系化的維修文件制定流程。

傳統的MSG-3思想只為民航飛機維修提供制訂維修大綱的思想，而具體到新機型具體維修部件的維修間隔，其制定主要還是依靠長期從事維修工作工程師的相應經驗，同時結合一定的數學方法。

DA42飛機是中國民航飛行學院新引進的中教機，雖然是雙發飛機，但其運營成本低廉，安全性較高，逐漸替代PA44成為主力中教機。由于機型較新，缺乏運行經驗，航空輪胎主要負責完成飛機起降任務，其工作環境惡劣，胎壓變化大，容易發生爆胎事故[2]。一旦輪胎磨損出現見線，就會影響飛行安全，進而影響飛行計劃。了解并掌握輪胎損傷的原因、規律對保障飛機運行具有較為重要的現實意義[3]。參照傳統的MSG-3思想并結合基于案例推理（CBR）思想，以舊機型SR20為參照，提前算出DA42輪胎平均使用壽命，為飛機輪胎到壽預警提供理論幫助。

2? CBR思想

基于案例推理（以下簡稱CBR）及其在國外的系統開發研究受到廣泛關注，是人工智能領域中較新的一種基于知識的問題求解和學習方法。CBR系統所依賴的是系統在相關領域存儲問題的先前記錄。

從認知科學的角度講，它的構建基于兩個前提假設：

（1）相同或者相似的情況有相同或相似的解法[4];

（2）以前遇到的問題很可能在未來再次遇到。

與人類思維和問題解決模型一樣，CBR系統首先比較問題案例和以前案例的相似之處。一個最佳案例，也可以是一組相似案例，然后綜合各相似案例的解決方案，每一次遇到相同案例就有實例進行參考，通過擴大案例庫，系統的學習能力不斷提高，知識和經驗不斷增加。通常，完整的CBR系統模型由4個循環過程組成，即案例檢索（Retrieve）、案例重用（Reuse）、案例修正（Revise）和案例保存（Retain）。

模型的建立目標是實現對待診案例和案例庫案例的匹配。利用檢索機制，系統可以直接獲取具有參考價值的案例[5]。根據案例庫找出的相似案例，再次對相似案例進行相似度篩選后進行相應的數據處理，找出匹配案例對待診案例提供可供參考的維修間隔決策參考。將舊機型的故障案例集合作為案例庫，新機型根據各種典型參數與案例庫相似故障案例對比，符合相似案例條件的篩選出來作為參照，再根據相似程度與特殊參數的影響，計算出新機型的理論維修間隔。

3? 模型建立

3.1? 案例的表示

本文對應用CBR模型的飛機維修進行分析，將以往維修案例集成一個案例庫以備查詢。每個案例是集合了故障機型、故障部位和故障的描述較為復雜的情況，如果將一段對案情的大段描述完整的備注在案例庫中無疑會極大地增大案例庫的占用內存，再加上后續對案例的不斷擴充，這無疑會增加案例庫的儲存負擔。為了使所有案例在被查詢、定性和被比較時能有較區分度，將飛機的特性賦予一定的量化屬性。不管是案例在對比案例庫內案例時或是在對案例進行分析和儲存時，為了更有利于之后的量化分析，將待診案例提取特征并對其賦予特征值都勢在必行。對案例進行特征值化處理，則需要有如下要求：（1）要完整的對案例進行相應表示;（2）便于檢索，效率高效;（3）有利于對案件的整理等。

3.2? 案例的索引

由于飛機維修是較為復雜的過程，因此各種錯綜復雜的情況比較多。在案例檢索之前，雖然已經對案例做出了特征化處理，但是案例的檢索工作任務還是過于繁重。為進一步優化模型，保證檢索效率，需要在案例檢索之前加入索引工作，初步篩選掉大量無關案例。常用索引方式有4種，即按照某一特征的相似度進行索引、對案例進行分類并按不同類型建立索引、根據不同重要系數進行索引和根據案例差別最大的特征值進行索引。維修過程首先判斷維修對象，因此本模型采用根據維修對象這以特征值的相似度進行索引。對于維修對象這一特征值有重合才選入，無重合不選入檢索。

3.3? 案例檢索

檢索是整個模型中最為重要的環節。關于相似度計算的設計，將在第4節進行設計，并在第5節進行結合實例驗算，本節對檢索的建模進行闡述。案例庫的案例經過索引后篩選掉大量無關案例，得到相近維修對象。對相似的維修案例，還要對其進行進一步相似度運算。索引得到的案例根據不同的特征值排列，每個相似案例帶著其他不同的特征值，將其特征值帶入設定好的相似度運算公式，得到相似度結果，設定一個篩選值二次過濾掉設定相似度篩選值以下案例，選找到最相似案例。

3.4? 案例重用和修正

將相似度符合要求的參考案例的維修決策方法應用到待診案例上，對相似案例根據相似程度對參考間隔進行處理，得到參考維修間隔值。如果難以找到相同案例，則找出最為相似的案例，吸取可以借鑒的解決手法并對其方案進行修改、修正，直到符合當前待診案例的情況。

3.5? 案例保存和審核

在案例解決后，將這一新的案例存入案例庫。由于相似度與案例庫有一定的相差，因此在保存時不會因為案例過于相似而無端浪費了案例庫的儲存空間。新的儲存案例也為以后的新問題提供了新的參考，經歷多次案例的豐富，最終會形成一個覆蓋面極大的案例庫。

對于相似案例重用和較相似案例修正后得到的維修間隔參考值，為避免公式運算出現誤差，需要審核小組對其審核后才能進入案例庫。相似度遠大于二次篩選值以上的待診案例一般只需較小的微調，相似度只滿足于相似的案例和未能匹配到相似案例的則需審核小組進行處理，一般由富有經驗的工程師對其分析后進行決策再保存入案例庫。

3.6 基于CBR的維修間隔輔助決策模型圖

基于CBR的維修間隔輔助決策的模型圖如圖1所示。

4? 相似度算法設計

將舊機型的故障案例集合作為案例庫，新機型根據各種典型參數與案例庫相似故障案例對比，符合相似案例條件的篩選出來作為參照，再根據相似程度與特殊參數的影響，算出新機型的理論維修間隔。

待診案例與案例庫的匹配是模型中最核心的步驟。飛機有很多其固有特征可作為對其定性的點，如機型、發動機布局、ATA章節號、名稱、發動機供應商、故障類型等，將其本體與CBR結合可有效提高知識的表示效能[6]。對于簡單的問題維修，采取定性屬性占據主要研究成分，對于復雜的問題，則需要采取更多定量屬性來細化問題研究。

本次問題主要研究飛機機輪更換，在案例庫檢索時，首先對案例表現出的直觀問題定性：（1）故障表現;（2）飛機發動機類別，包含渦輪風扇發動機（賦值為1）;渦輪螺旋槳發動機（賦值為2）;（3）故障所在ATA章節號;（4）部件制造商;（5）故障影響類型包括A-明顯的安全性、B-明顯的使用性、C-明顯的經濟性、D-隱蔽的安全性、E-隱蔽的非安全性;（6）MTBF（平均故障間隔時間），后面用起落次數代替。

對案例屬性做出劃分，按數據特點劃分定性屬性和定量屬性。針對定性屬性，使用Jaccard相似度算法計算相似程度;針對定量屬性，根據其對飛機的影響大小視情給出權重系數，最后帶入運算做出相似度判定，并將重要系數設為δ，得出結果如表1所示。

根據所給的定性屬性和定量屬性，與目標待診案例相對比，定性屬性中符合的賦值為1，不符合的賦值為0。對于“故障表現”，由于該項目比較特殊，采取Jaccard相似系數的判定算法。

以最先進入篩選流程的“故障表現”舉例：

故障表現（X，Y）=0.5（1）

對于后面其他定性屬性：

（2）

總共6項重要屬性，根據其重要程度，將其賦值乘以不同的占比分數，得到的每一項將其求和，得到定性相似度S：

（3）

得到相似案例后，將相似案例比較，若故障部件工作原理相同，則引入定量參數進行下一步運算。

對于本次研究的起落次數T，對公式賦予修正參數θ（此參數定為飛機翼面比值），平均故障周期與飛機自身質量m呈負相關，所以還應加入定量參數質量。最終公式定為：

（4）

5? 實例匹配

DA42 飛機是中國民航飛行學院新引進的中教機，雖然是雙發飛機，但其運營成本低廉，安全性較高，逐漸替代PA44成為主力中教機。由于機型較新，缺乏運行經驗，一旦出現輪胎見線等臨時故障，就會影響飛行計劃，造成較大麻煩。以飛機機輪輪胎更換的典型故障為案例，為做好提前預警，參照給出的相應數據并結合CBR算法，算出DA42平均使用壽命，為飛機輪胎到壽提前預警提供理論幫助。

列出索引得到的案例庫案例，如表2所示。

根據判定的定性屬性表和權重系數表的數值，帶入公式，得到定性相似度，如表3所示。

可以看到案例3、案例7、案例8的相似度都在90%以上。根據模型，對比3個案例的剎車機構原理：案例3機型剎車部件裝備多圓盤式剎車裝置，案例7和案例8中SR20飛機剎車系統裝備單圓盤式剎車裝置[7]。案例7、案例8與待診機型裝備一致，可將其作為參考案例。對于該案例，θ取值為SR20與DA42飛機機翼面積比值0.75。

根據公式，算出理論維修間隔

（5）

對案例7和案例8，分別得出參考維修間隔：

T待診7=1111

T待診8=1087

得出結果后，把理論數據與實際數據進行對比。根據DA42 飛機實際運行數據，實際維修間隔為1104次起落?；贑BR維修間隔輔助決策方法得出的結果與實際周期分別相差0.6%和1.5%，得出的值與實際相差較小，有實際參考價值SR20飛機機輪磨損前后對比如圖2、圖3所示。

6? 結語

本次試驗結果驗證了基于CBR的飛機維修間隔輔助決策方法算法的可行性和有效性。該方法將關鍵詞輸入其中，利用案例表示模塊，就可以直接形成案例，其應用使新引進機型的部件維修間隔制定提供了更多決策參考信息，使之智能化并使其具有一定的可靠性和可行性，利于飛行計劃的編排，使飛機訓練和運行更加科學。將算法加入更多的選擇條件甚至可以為新機型制定新的維修大綱做參考，也會使部件維修間隔預警的適用性不僅局限于輪胎，具有較大的應用前景。

參考文獻

[1] 趙琳.波音空客主流機型的發展及其對中國商飛的啟示[J].競爭情報，2020，16（6）：34-40.

[2] 劉國鋒.基于某型斜交航空輪胎爆破的仿真與誤差分析[J].新余學院學報，2020，25（6）：23-28.

[3] 王羽.航空器輪胎在道面扎傷的原因分析及管控措施研究[J].科技創新與應用，2019（34）：194-196.

[4] 孫巖.基于案例應用的指揮控制輔助決策技術研究[J].信息通信，2017（9）：15-16.

[5] 張建華.基于領域本體與CBR的案例知識工序匹配研究[J].情報雜志，2020，39（10）：144-150.

[6] 張磊.基于CBR的飛機引氣系統故障診斷技術探究[J].科技創新與應用，2018（12）：156-157.

[7] AIRPLANE MAINTENANCE MANUAL For the CIRRUS SR20[EB/OL].SR20飛機維護手冊（32-42page1）.