基于rfid技術(shù)的機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)

無線射頻識別（RFID）技術(shù)近年來在民用航空機場運輸領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，但在國內(nèi)民用航空制造領(lǐng)域和飛機運營維護領(lǐng)域還未得到推廣應(yīng)用，其中大量的工作仍通過原始人工處理等方式進行。提出一種將RFID技術(shù)應(yīng)用于民用飛機機載設(shè)備全生命周期維護和管理的系統(tǒng)，對其關(guān)鍵組成部分的功能及配置進行說明，并通過一項客艙應(yīng)急設(shè)備的例行維護任務(wù)對該系統(tǒng)進行驗證。結(jié)果表明：本文提出的系統(tǒng)可以實現(xiàn)機載設(shè)備全生命周期的高效維護和管理，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞

民用航空；RFID技術(shù)；電子工單；機載設(shè)備管理；全生命周期

PART/0

 引言 

一架民用運輸飛機包括上百個機載設(shè)備，這些機載設(shè)備必須在飛機全生命周期內(nèi)持續(xù)維護，使其保持適航狀態(tài)。飛機及機載設(shè)備的維護包括“定期維護”和“視情維護”兩種。前者屬于傳統(tǒng)的維護方式，也是目前航空公司主流的維護方式，體現(xiàn)了以預(yù)防事故為中心的維護思想。由于大部分故障在發(fā)生前都有一個發(fā)展過程，“視情維護”的理念是基于實時監(jiān)控設(shè)備或系統(tǒng)的運行狀態(tài)來預(yù)測故障的發(fā)生，即“健康管理系統(tǒng)”。在傳統(tǒng)的定期維護方面，航空公司主要通過“機載設(shè)備履歷本”來記錄和管理機載設(shè)備日常使用、維護等信息。在飛機健康管理方面，已從早期簡單的自檢測設(shè)備（BITE）演變?yōu)閷崟r監(jiān)測飛機健康狀態(tài)信息并下傳到地面。飛機制造商波音公司和空客公司在某些機型上分別建立了飛機健康管理（Aircraft Health Management，簡稱AHM）系統(tǒng)和飛機維修分析（Aircraft Maintenance Analysis，簡稱AIRMAN）系統(tǒng)，實時收集飛機的狀態(tài)信息。飛機運營商中國南方航空公司開發(fā)了自己的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，中國國際航空公司（簡稱國航）在AHM、AIRMAN系統(tǒng)基礎(chǔ)上做二次開發(fā)對國航運行的飛機設(shè)備故障進行實時監(jiān)控?？梢姍C載設(shè)備維護策略正由基于時間的“定期維護”逐步向基于狀態(tài)監(jiān)控的“視情維護”發(fā)展。目前飛機機載設(shè)備維護管理實踐中以“定期維護”為主，“視情維護”為輔，但兩者又各有不足。在“定期維護”中雖已實現(xiàn)“機載設(shè)備履歷表”的電子化和信息化，但仍然以人工錄入和維護數(shù)據(jù)為主，無法高效準(zhǔn)確地監(jiān)控和維護設(shè)備的狀態(tài)，包括設(shè)備的健康管理、維修維護記錄、物理定位與追蹤等。在視情維護理念下的“健康管理系統(tǒng)”中目前僅針對部分重要機載設(shè)備做實時狀態(tài)監(jiān)控，即便如此還面臨機載設(shè)備供應(yīng)商所提供的設(shè)備軟件即數(shù)據(jù)通信格式不一致以及空地數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膸捪拗频葐栴}。此外，民用飛機機載設(shè)備的維護管理不僅限于設(shè)備維修維護這一環(huán)節(jié)，還涉及機載設(shè)備的采供、裝配、財務(wù)、出入庫管理等環(huán)節(jié)。RFID技術(shù)作為一個較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有可能將上述業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)綜合起來，提高工作效率。在國內(nèi)民用飛機制造領(lǐng)域，目前僅在飛機裝配環(huán)節(jié)有基于RFID的數(shù)字化裝配管理系統(tǒng)的研究。

在國外，空客公司、波音公司以及其他航空公司已嘗試在民航領(lǐng)域應(yīng)用RFID技術(shù)。波音公司最早在飛機工具管理中使用RFID技術(shù)，并配備了所有包含歷史以及運輸、航線和海關(guān)信息的RFID微芯片的工具和工具箱；而空客公司則是對其地面設(shè)備和工具進行RFID標(biāo)記；之后波音公司與日本航空、美國阿拉斯加航空等合作開展關(guān)于RFID技術(shù)的研究。空客A350、A380飛機已逐步采用RFID技術(shù)管理機載設(shè)備。在國內(nèi)民航運輸和維修領(lǐng)域，中國東方航空公司與中國南方航空公司等運營商在航空管理、庫房管理等方面均開展了RFID技術(shù)的應(yīng)用研究。國內(nèi)部分飛機維修機構(gòu)在飛機某個機載設(shè)備維護上采用RFID技術(shù)進行了應(yīng)用嘗試，但是還未有采用RFID技術(shù)對機載設(shè)備進行全生命周期的維護管理用于應(yīng)用研究的案例。

本文提出一種民用飛機機載設(shè)備在全生命周期中維護與管理系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)根據(jù)機載設(shè)備全生命周期維護管理的業(yè)務(wù)流程，以客艙應(yīng)急設(shè)備檢修工作為例對系統(tǒng)進行驗證，對本系統(tǒng)推廣應(yīng)用挑戰(zhàn)較大的三個因素進行分析。

PART/1

 系統(tǒng)實現(xiàn) 

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文所述的系統(tǒng)（如圖1所示）包括一個基于云數(shù)據(jù)庫的服務(wù)平臺（以下簡稱“數(shù)據(jù)庫平臺”）【100】；一個手持終端設(shè)備【200】，作為RFID讀寫器，與波音公司發(fā)明的“用于在飛機上實時RFID定位的方法和系統(tǒng)”不同，波音公司發(fā)明的系統(tǒng)為固定位置RFID讀寫器，而本文所述系統(tǒng)為便攜式移動讀寫器；一組安裝于機載設(shè)備上的RFID標(biāo)簽【300】。手持終端設(shè)備【200】具備蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信功能、RFID射頻發(fā)射與接收功能。數(shù)據(jù)庫平臺【100】與手持終端設(shè)備【200】之間通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)絡(luò)包括但不限于5G、WiFi等，具體取決于應(yīng)用環(huán)境。用戶通過手持終端設(shè)備【200】可以及時上傳數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫平臺【100】，反之也可以通過手持終端設(shè)備【200】隨時從數(shù)據(jù)庫平臺【100】獲取數(shù)據(jù)。RFID標(biāo)簽【300】采用無源高頻標(biāo)簽，它與手持終端設(shè)備【200】的無線適配距離達10～15m。

1.2數(shù)據(jù)庫平臺

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫平臺關(guān)聯(lián)了企業(yè)的一般業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，如圖2所示，包括財務(wù)與采供系統(tǒng)【102】、機載設(shè)備健康管理系統(tǒng)【103】、工單管理系統(tǒng)【104】、物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】等。

財務(wù)與采供系統(tǒng)【102】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的采購信息，如名稱、件號、序列號數(shù)量、單價、適航批單等數(shù)據(jù)，并反饋工時統(tǒng)計信息、設(shè)備/耗材使用信息等數(shù)據(jù)至財務(wù)與采購系統(tǒng)【102】。健康管理系統(tǒng)【103】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的定檢計劃、維護記錄、維修記錄、故障報告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)等，并反饋相關(guān)的維修維護信息等數(shù)據(jù)至健康管理系統(tǒng)【103】；工單管理系統(tǒng)【104】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的工單派發(fā)計劃，并反饋工單作業(yè)報告等數(shù)據(jù)至工單管理系統(tǒng)【104】。物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】是企業(yè)既有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)【101】從中獲取設(shè)備的庫存信息、出入庫信息等數(shù)據(jù)，并將設(shè)備的及時物理位置信息等數(shù)據(jù)反饋給物料申領(lǐng)系統(tǒng)【105】。

1.3機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)

機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)包括用戶管理、功能管理、飛機管理、機載設(shè)備管理等功能模塊。其中用戶管理模塊主要是用于授權(quán)用戶維護和管理該系統(tǒng)；工單管理模塊用于向終端派發(fā)電子工單以及接收和管理從終端接收到的工單流程、工時信息、工單作業(yè)報告等；飛機管理模塊用于定義和管理現(xiàn)有飛機的基本信息，包括飛機型號、飛機注冊號、制造序列號、飛機機載零部件清冊信息、飛機機載設(shè)備安裝位置信息等；機載設(shè)備管理模塊用于定義和管理機載設(shè)備的基本信息，包括設(shè)備名稱、件號、序列號數(shù)量、單價、適航批單、定檢計劃、維護記錄、維修記錄、故障報告、可靠性與維修性數(shù)據(jù)、設(shè)備申領(lǐng)記錄、設(shè)備實時位置管理等信息。各系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

1.4手持終端

手持終端設(shè)備包括用戶管理、工單管理、RFID射頻信號收發(fā)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號收發(fā)等功能模塊，如圖4所示。其中用戶管理模塊主要是用于登陸用戶的審核及授權(quán)；工單管理模塊用于接收、處理工單任務(wù)，上傳工單報告等；RFID射頻信號收發(fā)功能模塊用于手持終端和RFID標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸；蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號收發(fā)功能模塊用于和機載設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

PART/2

 應(yīng)用實踐 

2.1業(yè)務(wù)流程

從飛機制造商或飛機運營、維修商角度而言，所采購（或自制）的機載設(shè)備先后經(jīng)歷的主要業(yè)務(wù)流程如圖5所示，包括檢驗出廠、檢驗入庫、領(lǐng)用出庫、裝機、定期維護、拆卸、故障入庫、送修出庫、定點維修，再返回檢驗出廠的閉環(huán)流程。一般來說，在每個業(yè)務(wù)流程環(huán)節(jié)均通過相應(yīng)的表單來記錄和控制機載設(shè)備的實時狀態(tài)。

系統(tǒng)利用RFID技術(shù)，通過讀/寫每個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的表單數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對機載設(shè)備全生命周期的監(jiān)控和管理。具體可描述為通過RFID技術(shù)，在每個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)掃描機載設(shè)備上的RFID標(biāo)簽以寫入或讀出相應(yīng)的狀態(tài)表單。

2.2客艙應(yīng)急設(shè)備檢修工作實例

客艙應(yīng)急設(shè)備包括便攜式滅火瓶、救生衣/筏，這些設(shè)備需要在航線上定期維護。航空公司機務(wù)在手持終端登錄，通過身份驗證后，可獲得當(dāng)前該用戶待處理的工單任務(wù)列表，如圖6所示。

點擊圖6中第一項，執(zhí)行“航線維護”工單，機務(wù)手持具備RFID閱讀器功能的終端設(shè)備，在客艙過道行走時，貼有RFID標(biāo)簽的設(shè)備會自動向RFID閱讀器發(fā)出信號，傳輸信息。相關(guān)RFID位置感知技術(shù)領(lǐng)域的研究表明，RFID終端設(shè)備能夠準(zhǔn)確感應(yīng)到貼有RFID標(biāo)簽的設(shè)備的具體位置，精度可達到“最后一米”，該精度已滿足本應(yīng)用場景的精度要求。執(zhí)行維護工單如圖7所示，紅色圓點表示設(shè)備缺失，終端設(shè)備未在固定位置識別到相應(yīng)的設(shè)備，需機務(wù)進行人工確認；綠色方塊表示正常，終端設(shè)備被識別，且當(dāng)前仍在正常使用期限內(nèi)；黃色菱形表示即將到期，根據(jù)設(shè)備反饋信號，該位置設(shè)備即將超出使用期限，需要做進一步維護處理。全部檢查完成后，點擊“生成工單報告”按鍵，獲得工單報告，進入頁面如圖8所示。機務(wù)可在工單報告中輸入檢查結(jié)果，并報告有無異常等。此外，機務(wù)還可以針對圖7中的單個設(shè)備查詢追溯其維護歷史記錄，如圖9所示。

2.3手持終端操作流程

本系統(tǒng)根據(jù)航空公司機務(wù)工作實踐開發(fā)，利用RFID技術(shù)將機載設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)電子工單管理系統(tǒng)，實現(xiàn)工單的派發(fā)、執(zhí)行、工單報告編制以及機載設(shè)備維修維護追溯的全過程管理。

手持終端操作系統(tǒng)操作過程如圖10所示，第一步，登錄系統(tǒng)；第二步，瀏覽所有待辦任務(wù)；第三步，選擇并執(zhí)行工單；第四步，編制與生成工單報告?？紤]到業(yè)務(wù)實踐的需求，該電子工單系統(tǒng)還具備查閱產(chǎn)品歷史維護記錄的功能。

PART/3

 典型應(yīng)用場景與局限性分析 

3.1客艙時壽件維護

客艙時壽件主要指救生衣、救生筏、滅火瓶、氧氣瓶等安裝在客艙內(nèi)，同時需要在航線上進行定期維護的機載設(shè)備。目前此類工作主要是由機務(wù)通過目視檢查的方式進行，這種檢查方式存在諸多由人為因素導(dǎo)致的潛在風(fēng)險，如忘記檢查點、忽略檢查點、對檢查項目的評判標(biāo)準(zhǔn)掌握程度不一致等，且這種檢查方式效率低。波音公司B777飛機氧氣瓶維護的項目，使用RFID技術(shù)后，檢查時間只需要8.5min即可完成。而借助本系統(tǒng)，機務(wù)通過手持RFID終端設(shè)備在客艙過道走一圈即可完成客艙所有時壽件的檢查，并在線編制和提交工單報告。

3.2飛機重要LRU件維護

LRU（Line Replaceable Unit）是指航線可更換設(shè)備，對于飛機上重要的LRU件要在航前或航后做例行檢查。例如通過RFID技術(shù)對起落架進行健康監(jiān)控，以幫助降低運營和維護成本。本系統(tǒng)能夠在此類檢查中發(fā)揮作用，提高效率。

3.3推廣應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

RFID技術(shù)在上述場景中的應(yīng)用仍然有局限性，主要表現(xiàn)在以下4個方面。

（1）標(biāo)簽的安裝

將RFID標(biāo)簽安裝在機載設(shè)備上通常有三種方式，分別為粘接、鉚接或螺接、綁扎?？梢愿鶕?jù)不同的設(shè)備類型，恰當(dāng)?shù)剡x用這三種方式。但是在目前，RFID標(biāo)簽主要由OEM（飛機制造商）實施安裝，在實踐中會遇到大量的機載設(shè)備，由于設(shè)備外形、機載設(shè)備位置等因素，導(dǎo)致這三種方式均無法牢固地將RFID標(biāo)簽安裝在設(shè)備上。因此建議由上游機載設(shè)備生產(chǎn)商在設(shè)備設(shè)計和生成時就將RFID標(biāo)簽一并安裝好，但是需要由OEM大力推動并獲得上游機載設(shè)備生產(chǎn)商的支持。

（2）適航問題

在民航應(yīng)用領(lǐng)域需要獲得適航當(dāng)局批準(zhǔn)的應(yīng)用一般有：備件管理、飛機部件管理、航空貨運、維修維護等。而局方的適航符合性審查將耗費大量的時間，這對申請方（OEM或航空公司）來說意味著增加了成本，因此應(yīng)用推廣難度很大。

（3）標(biāo)簽成本

近些年RFID標(biāo)簽越來越輕薄，價格也越來越低，已經(jīng)從21世紀初的1美元左右降到0.1美元左右，但是與傳統(tǒng)的條碼標(biāo)簽相比，RFID標(biāo)簽仍然沒有成本優(yōu)勢。

（4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

RFID技術(shù)在航空領(lǐng)域主要的通用標(biāo)準(zhǔn)是ATASpec2000《物料管理電子商務(wù)規(guī)范》，適用于航程和可靠性數(shù)據(jù)交互協(xié)議；SAEAS5678《航空器用要求的無源無線頻率識別（RFID）標(biāo)簽》，闡述了標(biāo)簽的耐溫、耐壓、抗沖擊和腐蝕等性能要求；我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為MN/T1025—2009《民用航空行李運輸無線RFID規(guī)范》，適用于民用航空運輸企業(yè)的行李運輸服務(wù)。整體來說，RFID技術(shù)在航空制造業(yè)和維修維護領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范雖有一定的基礎(chǔ)，但尚不完善，不利于RFID技術(shù)在此領(lǐng)域的推廣使用。

PART/4

 結(jié)論 

（1）本文提出了一種基于RFID技術(shù)的機載設(shè)備維護管理系統(tǒng)。通過利用RFID技術(shù)，對機載設(shè)備進行維護狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理與檢索，實現(xiàn)機載設(shè)備在制造、運營、維護等各個操作業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)過程的監(jiān)控和管理，極大提高了機載設(shè)備全壽命周期的自動化、信息化管理效率，可以在機載設(shè)備制造、運營及維護等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

（2）RFID技術(shù)在其他行業(yè)應(yīng)用廣泛，這些行業(yè)往往比民用航空業(yè)更能作為早期應(yīng)用方對該技術(shù)做出響應(yīng)。在民用航空領(lǐng)域，越來越多的航空公司、機場和飛機制造商將這項技術(shù)作為未來的關(guān)鍵戰(zhàn)略優(yōu)勢。