民用航空发动机维修工程分析平台设计与实现

蒋平，王向辉，宋利，龚艳，包丽，余涛

（1.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海200241）

（2.上海市慧程航空科技有限公司 技术部，上海200241）

0 引 言

随着国内外航空发动机的使用和维修需求不断提高，国际发动机制造厂家（通用电气、普惠、罗罗等）均建立了维修保障服务体系，在维修工程、技术出版物、航材保障等专业开展了大量工作，这些措施既提升了发动机产品的客户服务质量，又降低了发动机产品全寿命周期维修保障成本［1］。此外，中国民航局也制定了相关规范，要求航空器制造厂家建立相应的运行支持体系，用以保证其航空器及发动机的运维水平［2-3］。

国内关于维修工程分析方法和平台的研究虽然起步较晚，但范围广、速度快，涵盖了军用飞机、民用飞机和船舶等多个领域。关于候选项的研究，敬军等［4］结合船舶的4A需求对S3000L规范中候选项的判定方法进行了优化和完善，提出了一种覆盖货架产品、标准件和散装件的候选项判定方法。计划维修分析方面，柏文华［5］以MSG-3为指导思想，结合S3000L规范构建了大飞机的维修大纲工作流程，以支持主制造商和供应商开展维修工程分析工作，该方法与国际机型的维修工程分析工作［6］相一致；夏哲［7］将MTA方法结合国产民用飞机研制经验进行了实践和应用，提出了国产民用飞机维修工程分析的工作程序和方法。维修工程分析数据和维修成本方面，蒋庆喜［8］以MSG-3规范为基础，对维修数据进行了研究，以指导维修工程分析的编制和应用。对于维修工程分析的研究，主要以S3000L、S4000P、MSG-3等标准/规范开展［9-12］。而在维修数据收集和优化方面，徐 小 芳 等［13］、Hong Sheng等［14］提 出 了 多 种RCM数据优化方法以提高产品维修性，包括试飞阶段维修数据收集和优化。

不难看出，基于S3000L的维修工程分析工作通过一整套系统的流程和方法，规范了维修工程分析的工作内容和输出数据，是提高产品保障性、派遣可靠度的重要工作指南。因此，维修工程分析也日益成为发动机综合后勤保障服务的核心业务，对于发动机技术出版物和航材工程等专业的工作开展至关重要。而维修工程分析平台作为维修工程分析和维修任务制定的重要载体和信息化工具，对于确保航空发动机维修工程设计的合理性、规范性具有重要意义。而当前维修工程信息化平台主要围绕综合保障设计、维修计划制定等工作，在航空发动机维修工程分析领域的应用较为薄弱［15-17］。

对于航空发动机维修工程分析，发动机制造厂家又面临以下两个问题：（1）在民用航空发动机维修工程分析领域，维修工程专业多以MTTR、MTBR等维修性指标为依据开展发动机的维修性设计和分配工作［18-19］，这些工作相对侧重产品的设计指标，无法直接满足航空器制造厂家的维修工程分析要求，也难以指导航空公司制定具体的维修方案和维修任务。因此，发动机制造厂家必须先建立符合维修工程分析的技术方案，再将其应用到平台上。（2）在平台应用方面，OmegaPS等虽然满足了航空器维修工程分析的基本要求，但对于航空发动机维修工程分析，又有两点不足：①缺乏对S系列规范的有效融合，难以满足技术出版物等专业的需求，在服役数据的收集和优化管理上也存在问题；②对于航空发动机维修工程分析，在技术参数方面缺乏针对性，需要做二次开发和梳理工作。

为了确保航空发动机维修工程分析工作及其数据的完整性和可持续发展，本文以S3000L、S4000P等规范为基础开展民用航空发动机维修工程分析平台的设计和开发工作，并以发动机燃控系统为例来验证平台的可操作性；通过维修工程分析平台的研制和验证，完善航空发动机维修工程分析工作的技术要求。

1 基于标准的分析平台设计

1.1 平台开发需求分析

维修工程分析是维修支援体系的基础和核心，是对发动机产品维修要求进行约束、确定维修对象、维修程序、维修资源、维修费用的基础，为维修培训、航材管理、技术出版物、工具设备提供基础输入。其目的是通过产品研制数据，解决维修什么、怎么维修、何时维修、在哪维修、怎么维修经济等重要问题。维修工程分析平台作为维修工程分析的载体，其开发需求应结合发动机使用和维修分析工作中的各项内容进行具体分析。

平台开发需求分析工作的开展，首先以S3000L［20］、S4000P［21］规范为基础，结合航空发动机维修工程展开深入研究，维修工程分析涵盖如下内容：

（1）维修工程分析活动选择：依据维修工程分析总体要求进行维修工程分析活动选择，满足发动机产品维修类客户服务产品开发需要；

（2）顶层工作流程开发、确定分析方式：明确各项工作内容，并进行流程控制；

（3）维修工程分析活动基本流程定义：针对每项分析活动定义基本的分析流程；

（4）内外部接口/输入输出关系定义：给出维修工程分析内部接口关系，给出维修工程与航材管理、技术出版物、维修培训等维修类客户服务产品研发间的接口关系；

（5）维修工程分析源数据清单梳理：针对各项维修工程分析活动，给出源数据清单；

（6）MEA候选项清单编制方法：针对各项维修工程分析活动给出候选项编制方法；

（7）MEA顶层架构适用性评估：针对发动机产品设计属性及维修类客户服务产品需求，进行适用性评估。

同时，参考国内外已有航空维修工程实践经验，以及国内民航产品研制项目经验，结合国内航空产品设计理念及变化趋势，研究规范在民用航空发动机维修工程分析上的具体应用，并适当剪裁。平台的主要功能需求包括但不限于：

（1）候选项定义和分析；

（2）产品综合保障分析——故障模式影响分析；

（3）排故需求分析；

（4）使用相关分析。

此外，还结合维修工程分析的工作内容，开展计划维修任务模块的需求分析。各模块的初步需求以及功能目标如表1所示。

表1 发动机维修工程分析平台需求Table 1 Platform requirements about engine maintenance engineering analysis

1.2 平台功能设计

前期需求分析工作主要基于S3000L、S4000P、ATA 2200等规范开展，并结合维修工程分析总体要求和工程人员的实际使用需求开展平台设计。维修工程分析平台的功能模块和核心功能架构如图1所示。

图1 模块化设计Fig.1 Interface of module

各模块的功能如下：

（1）候选项选择模块：主要实现对发动机系统候选项与系统标准规范间的关联与确认、候选项分析、变更等具体功能。

（2）计 划 维 修 分 析（Schedule Maintenance Analysis，简称SMA）模块：主要实现维修重要项目、结构重要项目、区域重要项目的分析工作，包括项目选择、确认、分析、汇总以及报告编制等功能。

（3）综合保障分析故障模式影响分析（Logis‐tic Support Analysis Failure Mode and Effect Anal‐ysis，简称LSA FMEA）模块：主要实现候选项FMEA数据整理、FMES、任务分析和报告编制等功能。

（4）损伤及特殊事件分析（Damage and Spe‐cial Events Analysis，简称DSEA）模块：主要实现特殊事件项目创建、任务分析、任务合并以及报告编制等功能。

（5）后勤相关使用分析（Logistics Related Op‐erations Analysis，简 称LROA）模 块：主 要 实 现LRO任务创建、任务分析和报告编制等功能。

（6）排故分析（Trouble Shooting Analysis，简称TSA）模块：主要实现排故需求创建、任务分析、排故程序制定和排故分析报告编制等功能。

（7）维修任务分析（Maintenance Task Analy‐sis，简称MTA）模块：主要实现维修任务导入、维修任务合并、频次计算和优化、MTA分析报告编制等功能。

（8）修理级别分析（Level of Repair Analysis，简称LORA）模块：主要实现修理级别创建、修理级别分析和决策、LORA分析报告编制等功能。

（9）直接维修成本（Direct Maintenance Costs，简称DMC）模块：主要实现维修项目目标值分析、预测，子系统成本分析和发动机运营成本分析等功能。

除维修工程分析核心功能外，平台还包括标准管理、权限管理、基础数据配置、项目管理、质量控制、源数据管理、文档管理等功能，实现维修工程分析全过程规范化、过程监控可视化、构型与数据管理集成化，保证了分析数据的完整性、准确性、有效性，最终确保数据存储、传输、使用的安全和准确。

2 基于B/S架构的平台开发和实现

维修工程分析平台的开发采用B/S架构。该模式可以实现客户登录端口的统一管理，并将平台功能的实现集中到主服务器中，确保数据的安全。采用B/S架构还具有功能权限开放灵活、维护便捷、扩展兼容性良好的优势，便于平台后期的持续优化。

2.1 平台的技术架构

维修工程分析平台基于MVC模式将整个系统分为表示层、业务层、基础架构层和数据库层，如图2所示。

图2 维修工程分析平台架构Fig.2 Architecture of maintenance engineering analysis platform

各层的实现方式如下：

（1）表示层：采用并列形式展示系统管理、基础数据管理、维修工程分析等功能模块，表示层采用形式化表达方式构建交互界面，便于维修工程分析人员准确、简洁地定位分析工作。表示层还包括系统登录、任务分派、维修工程会议等工作界面。

（2）业务层：是将各分析模块具体分析方法和算法模型封装到具体模块中，结合工作流程和数据驱动，业务层还包括各类分析报告的生成。业务层主要包括产品分解、分析工具模块两类业务。产品分解基于产品型号、构型、区域和功能等对发动机产品进行候选项分解。分析工具模块则包括具体的各维修工程分析模块。

（3）基础框架层，平台的中间层：通过软件工程产品分解模型组件和各类分析数据报表等将维修工程人员填写的信息存储到数据层的表单中。基础框架层实现了工作流引擎、日志组件等基础功能。

（4）数据库层：采用关系型数据库和开源大数据构成，用于存储平台中产生的发动机维修工程分析数据，包含发动机型号信息、构型信息、维修需求信息、工程数据等。数据层还可以通过符合S3000L数据库协议的各类报表模板、过滤器加工、存储、输出标准化、规格化的维修工程分析数据。

2.2 平台的实现

平台采用B/S架构中较为先进的SPA架构开发，其前后端互相分离。前端使用HTML 5、JavaS‐cript、AngularJS、Bootstrap技术实现功能，使用浏览器作为容器及运行环境；后端采用符合REST规范的WebAPI提供微服务，以HTTP协议和JSON格式的数据与前端进行交互。底层数据库可支持关系型数据Oracle、My SQL、SQLServer和大数据平台Hadoop，也可支持关系型数据库+大数据的复合架构。

平台采用JAVA语言开发，技术路线的设计思想按照MVC设计模式，分为三层架构，应用web服务层，提供页面与用户进行人机交互，javaee层提供后台逻辑，为前台页面提供数据支撑。数据层采用关系型数据库，对结构化数据进行表存储。

基于SPA架构下开发的应用，具有界面响应快、界面美观、功能易于扩展、支持移动终端等特点。开发完成的平台可在不同网络状态的设备上进行操作和数据处理，满足了多用户、多终端的维修工程分析工作需求。通过平台实施，为维修工程分析人员提供高效率的维修工程分析过程。维修工程分析平台典型工作界面如图3所示。

图3 维修工程分析平台典型工作界面Fig.3 Interface of platform about engine maintenanceengineering analysis

3 平台测试和样例验证

3.1 测试过程

平台的功能测试主要包括三大步骤：（1）项目管理测试，（2）候选项管理模块测试，（3）分析模块测试（以LSA FMEA模块为例）。

用户登录平台后，首先进入项目管理界面（如图4所示），在项目管理中实现如下功能：

图4 项目管理界面Fig.4 Interface of program management

（1）分析计划管理、会议计划管理等功能，全面实现基于分析程序的任务动态分配与提醒、计划动态定义、任务完成情况监控、行动项定义与监控等。

（2）各子功能间应建立强关联关系，实现数据集成管理。

（3）项目监控功能与候选项管理、会议管理、构型管理等功能强关联，能够有效控制源数据、会议、候选项等触发的计划变更。

（4）具有高级筛选功能，具备不同维度、不同利益相关方及其不同层级的报表输出功能。

（5）应配置适用的维修工程分析工作程序、分析指南等，其中计划维修需求开发工作流程应基于型号政策与程序手册等定义。

（6）实现基于流程的角色、权限定义与变更，实现不同利益相关方及其不同层级的工作任务指派与变更。

项目创建成功后，导入对应的发动机产品数据以便进行候选项选择。候选项管理模块与项目监控模块、维修工程分析各模块等强关联。候选项分析的功能包括：①实现候选项选择与分类逻辑、分析活动选择逻辑的配置及变更；②实现SNS的批量导入，并提供SNS手动修改功能；③实现SNS的候选项选择与分类，选择与分类过程符合质量管理要求；④实现候选项选择的分析活动选择，分析活动选择过程符合质量管理要求；⑤实现候选项变更管理，变更管理符合构型管理要求。

候选项选择完成后，用户可进入正式的维修工程分析过程，LSA FMEA分析界面如图5所示。

图5 LSA FMEA分析界面Fig.5 Interface of module for LSA FMEA

（1）实现基于SNS的LSA系统树构建与手动修改；

（2）实现系统描述内容的编制，包括文字与插图；

（3）实现工程FMEA/FMECA的批量导入与手动修改；

（4）配置综合保障分析故障模式（Logistic Support Analysis Failure Mode，简称LSA FM）定义逻辑，自动生成LSA FM编号，LSA FM与FMEA FM自动关联；

（5）实现LSA FM频率的自动计算；

（6）实现FM探测能力等级及虚警率等级定义，支持地面支援设备（Ground Support Equip‐ment，简称GSE）需求识别、测试性设计反馈等。

3.2 基于燃油分配子系统的样例验证

以发动机燃油分配子系统（73-11）为对象在维修工程分析平台（原型系统）开展工程分析测试。发动机燃油分配子系统包含五个部件，如图6所示，分别为燃油泵、燃油过滤模块、喷油嘴、燃油供给总管和燃油供给管路。

图6 样例：燃油控制系统Fig.6 The sample about fuel control system

通过将对应的部件设为候选项，分别开展LSA FMEA分析、MTA分析等工作。

首先，登录并创建型号项目，然后导入对应的发动机产品型号数据。基于产品结构分解得到可用于维修任务分析的候选项。

第二步，选择对应的候选项，候选项包括燃油泵、燃油过滤模块、喷油嘴、燃油供给总管和燃油供给管路，对候选项进行初步分析。

第三步，对燃油分配子系统开展FMEA分析，具体包括：LSA系统树构建、故障模式分组、故障模式探测方法分析、故障模式定位方法分析、报表生成。

第四步，将FMEA分析数据导出到MTA，开展MTA分析，将维修任务分解为作业步骤进行详细分析，用以确定各项产品支援工作所需的资源要求，包括维修任务的确认、任务编排、工序、工作频度、建议工时，以及各项工作所需的维修资源（如备件、保障设备、技术手册、维修人员数量及技术等级）。

第五步，维修任务汇总，针对燃油分配子系统不同故障原因导致的相同维修任务进行汇总。最终得到燃油分配系统的维修任务汇总清单，如表2所示。

表2 维修任务汇总Table 2 Summary of maintenance task

4 结 论

（1）航空发动机维修工程分析平台设计以使用需求和S3000L等规范为基础，该平台的研制表明航空发动机客户服务维修产品开发技术有了重大提升，为发动机产品全寿命周期的综合保障数据收集、优化等工作奠定了良好的信息化基础。

（2）维修工程分析平台的设计工作重点在于在数据设计上应符合标准中对各元素的定义。在此基础上，业务方面也需要结合不同类型的航空发动机维修工程的分析需求进行细化和定制。

（3）在S系列规范/标准融合的背景下，维修工程分析的工作成果将作为技术出版物、航材管理等工作的重要输入。平台未来的开发和优化应综合考虑不同业务领域所用标准的数据交换需求，确保维修工程分析的成果转化更加高效、准确。