500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)^[1]被誉为“中国天眼”，是国家“十一五”重大科技基础设施建设项目，是具有中国自主知识产权，世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，于2016年9月25日落成使用，2020年1月11日通过国家验收，2020年3月31日正式向全世界开放, 如图 1所示。

FAST以接收面积为突破方向，提高了综合性能及灵敏度，从而实现了大天区面积、高精度的天文观测，此两项指标远高于其他射电望远镜。

FAST设备众多，加之机构庞大、系统复杂、地理位置特殊，使其维护和保养具有独特性：1) 置于野外环境中，设备由大规模机电部件构成；2) 自身非标准产品居多，技术要求高；3) 跨学科多系统共同作业；4) 电磁兼容要求高。不同于其他日常大型加工企业的设备维保，FAST维保工作的开展与实施情况极为特殊，更需要做好日常维保，才能保证其健康运行。2020年12月，美国的Arecibo望远镜^[2]就因为年久失修最终倒塌，为FAST维保工作敲响了警钟。本文对FAST维保工作的重点、难点进行了分析，列举了主要的维保项目及其实施方法，介绍基于FAST维保方法和数据建立的维保管理系统，对未来FAST维保工作的开展提出详细建议。

1 FAST设备结构与工作原理

为了对FAST进行更好的维护，首先需要分析其设备结构与工作原理，在此基础上进行相应的维护。FAST全新的设计思路开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500 m的球冠形主动反射面，该反射面由4 450块三角形和四边形面板组成，安装在大型索网结构上，通过主动控制索网变形。反射面在观测方向形成300 m口径瞬时抛物面，其变形抛物面的均方差不超过5 mm，可使无线电波最大限度地汇聚到抛物面焦点位置。同时，采用钢索并联机构支撑轻型馈源平台的方式，用6座钢塔支撑6根跨度达600 m的钢索，在140 m的高空上牵引30 t重的馈源舱实现高精度定位，馈源舱内的A/B转轴和Stewart平台实现馈源的高精度指向，最终将安装在Stewart平台上的馈源定位到10 mm精度误差范围内，使馈源在反射面焦点位置能够高效接收通过反射面汇聚来的无线电波，如图 2所示。

2 FAST设备维保体系与维保内容 2.1 维保体系

目前FAST日常维保系统按照不同专业划分为3部分，分别是结构部分、机械部分和电气控制部分，如图 3所示。每个部分都有其相应的侧重点，在此基础上分别进行维修和保养，以专业划分安排相应的技术人员完成所有维保计划和任务。

2.2 设备主要部分维保内容

1) 结构部分维保内容。

FAST结构系统分为台址和主体支撑结构2部分。

台址部分为FAST的基础，包括开挖坡面、道路系统、排水系统及设备基础等，需要常年进行监测与维护。贵州是典型的喀斯特地貌地区，雨季山体滑坡较为严重，地质灾害是需要重点关注的方面，需要对落石及垮塌隐患部位进行日常目视巡查及记录，并定期请专业技术人员进行清理和维护。在维保方面，技术人员可以学习借鉴科研成果，如刘亮成等^[3]提出的关于台址部分的边坡稳定性采用改进后的简化Bishop法计算，为边坡稳定性提供了新的评估途径。

FAST主体支撑结构部分主要由钢结构组成，包括圈梁结构^[4]、索网结构、反射面单元结构、馈源支撑塔结构和馈源舱结构等5部分。此部分组成以钢材料为主，是FAST的骨架。受气候因素影响，易发生构件锈蚀导致变形，因此防腐是维护和保养的主要工作。国内在单元结构的维护技术方面也有研究创新，如陈德茂等^[5]提出了柔性吊装方案，完成了FAST反射面单元结构的吊装，比传统吊装方案节省了35%的时间。

圈梁结构支撑整个望远镜的反射面及索网结构，由于承重最大，其基础、螺栓连接件、滑移支座和焊缝等需要重点关注，日常巡视的主要工作是记录锈蚀部位等，简单部位(如过道、栏杆等钢结构)发现后需要及时处理，困难及巡视死角部位(如球节点焊缝、反射面转运车轨道等)待统计完成后需要委托专业人员进行集中处理，包括圈梁螺栓更新、整体除锈及油漆喷涂等。

馈源支撑塔^[6]管构件由于是整体热浸锌处理，处理防腐问题相较圈梁结构容易许多，但是由于长期受馈源舱牵引钢丝绳的牵拉作用，部分支撑塔的塔腿基础使用泥土回填，因此需要对其整体变形和沉降进行监测，频率为1年/次，经多年数据分析，支撑塔整体结构并未发生明显变形及沉降，如图 4所示。

FAST的反射面及索网结构^[7-9]由于长时间的往复运动，会造成连接件的变形，日常巡检监测显得尤为重要，对断裂背架杆件进行临时保护性绑扎及更换将是一项长期性的工作，操作现场要求工作人员采购部分反射面、背架杆件及索作为备件，在工作中可对问题部分进行及时更换^[10]。

30 t的馈源舱^[11]是FAST的核心部件，受索牵拉力的影响，焊缝检测是必不可少的维保项目，每年由第三方专业检测机构进行焊缝的无损检测，并集中时间段对整体结构进行防腐处理。

2) 机械部分维保内容。

机械维保内容主要包含索驱动结构、馈源舱内机械设备、工程液压促动器、铁塔攀爬机、机修车间、缆索吊车以及库房7部分。

(1) 索驱动结构是FAST机械设备的关键核心部位，负责驱动钢丝绳牵引馈源舱按照既定轨迹在空间中进行移动，对天文观测计划的完成起到决定性的作用^[12]。索驱动系统包括索驱动机房、牵引主索及缆线入舱机构的所有机械设备，其维保形式包括日常巡检、定期维护和故障维修，其中日常巡检和定期维护根据时间分为每日常规巡检、月度维护、双月维护、半年维护和年度维护等。

(2) 馈源舱内机械设备主要是Stewart平台和A/B轴结构，此部分负责对接收机对焦进行二次精调^[13]。舱停靠平台^[14]是馈源舱停靠及检修用的专用平台，关键部位是支撑馈源舱的3个蜗杆升降立柱。这部分维护保养工作均以设备机构的润滑为主，每月进行定期维护检查及防腐除锈等作业。

(3) 工程液压促动器^[15]是望远镜反射面变形的驱动设备，工作原理如图 5所示。促动器共计2 225台，均匀分布于反射面下方，维保形式有日常巡检、故障维修和液压油定期检测等。

(4) 铁塔攀爬机的维保内容包含发电机及轿厢的月度维护和拆装维保作业等。

(5) 机修车间的维保内容主要包括机加车间和液压车间的所有设备，维保形式有日常维护和月度维护。

(6) 缆索吊车的维保内容主要包含缆索吊及转运车设备运行检查、专用吊具检查及圈梁轨道检查等。

(7) 库房维保相对独立，以清理、清点库存为主; 报销、报废各类耗材及残损固定资产; 此外，库房作为维保工作的支撑部门，还要及时补充各类备品备件物资，满足现场各项维保任务的需要^[16]。

3) 电气控制部分维保内容。

FAST设备的电气控制系统包括索驱动、馈源舱及其停靠平台和液压促动器3部分，其中：索驱动电气控制系统包括供配电系统、传动系统、控制和仪表系统；馈源舱电气控制系统主要包括A/B轴伺服驱动系统、Stewart平台伺服驱动系统、接收机电气控制系统、传感系统和防雷系统等；舱停靠平台电气控制系统主要包括舱支撑装置控制系统、滑轮支撑装置控制系统、传感系统等；液压促动器电气控制系统包括中继室和促动器2部分，其中中继室主要包括CPU主模块、四段DP模块、光电转换模块和环网交换机等设备，促动器电气控制单元内部主要包括电控装配体、散热总成、电源输入组成和光纤输入总成4部分。

FAST总供电系统分为0#变电站(35 kV)和1—7#箱式变压器(10 kV)。其中，0#变电站是FAST的主动力源，有两路进线(一用一备)；7#箱式变压器主要为综合楼供电；1—6#箱非变压器主要为FAST运行设备供电，如表 1所示。

FAST电气维保形式包括各箱式变压器、中继室及设备的日常巡检、定期维护及故障维修，并形成相应文件记录。

3 FAST维保实施项目现状分析 3.1 维保实施基本概况

在机械结构部分，经过几年的运行维护和保养，虽然目前索驱动设备状态良好，但是部分大型设备已进入寿命中期，维护保养的程度和重点都需要进行调整。驱动机构是机房内设备的重要构成部分，包括电机、减速机、卷筒、制动器等，制动器又分为减速机侧的工作制动器、辅助制动器和卷筒侧的安全制动器，对于制动器来说制动力是关键，推动器齿轮磨损和摩擦片的磨损厚度是维保需要重点关注的细节，也是日常的维保巡视工作，并需对各项数据进行一一记录，如图 6所示。

FAST索驱动牵引主索钢丝绳由平均长度达630 m的6根主索钢丝绳组成，如图 7所示。因有超过一半的部分长时间暴露在外，无法进行近距离巡视，所以现场维保的关注部分为塔顶及塔底的滑轮过弯段，此区间的钢丝绳是主要受力部位，需对其进行定期检测，通过磨损量或断丝来分析判断钢丝绳的寿命，操作现场需要采购2台检测仪，对塔顶及塔底过弯段进行同时检测，经多年监测，钢丝绳使用状况良好，磨损量极小且并未出现断丝。

现场的2 225台促动器巡检周期为45 d，检查项目主要包括促动器外观锈蚀情况、节点箱生物侵害问题等，每年共需要完成8轮，如图 8所示。在故障维修中，日常巡检过程中发现的故障及总控反馈的故障需要进行维修，使其恢复正常功能，并详细记录维修过程，因现场通信受限，导致故障维修响应时间较长，一般约为26 h/台，其中，故障维修时长2 h，故障等待时长24 h。促动器液压油定期检测主要运用现场在线检测设备，根据需求对促动器的液压油进行抽检，并根据抽检次数对相应促动器损耗的液压油进行补充，详细记录检测结果和补油情况。

3.2 维保实施方案

1) 计划性维保。

计划性维保是指可以通过FAST现场自身能力进行的维保，按计划周期完成相应设施设备的维修保养。通过计划预防性维修保养，可优化系统的可靠性和可用性，更大限度地提高系统和构件寿命，将系统维保成本降到最低，使系统保持在最高安全水平。

设施设备的计划性维保并不是静态计划。在检修实践中，应该不断总结和积累经验，经常对计划中的维保作业内容进行复核和更新，对维保作业的周期进行适度调整和修改。如索驱动机房内的减速机机油，长期使用后需要定期进行采样检验，原先的采样检验周期为半年，但经过3年的监测数据分析，油品在半年内几乎不会出现明显污损的情况，所以采样检验周期适度地调整为1年。

索驱动的设计中，为了实时监测馈源舱在完成观测计划路径的过程中每根牵引主索的索力变化，在馈源舱与钢丝绳间增加了索力传感器，如图 9所示，牵引主索设定的工作过程中拉力上限为39 t，超过就会造成系统报警并停止工作^[17]。索力传感器作为监测用的测量仪器，校准是必不可少的工作，数据不准确带来的影响将会是灾难性的，有可能会造成牵引主索的断裂，而工作人员却无法提前预知。为此，委托中国计量科学研究院对更换下来的索力传感器进行了集中校准，校准结果如图 10所示，校准后的数据可为升降舱及大天顶角观测时的索力提供参考，从而进一步保证了索驱动设备运行过程的安全性与可靠性。此类检测项目需要第三方专业权威检测机构的参与完成，因此，第三方检测也应列入常规维保项目中去，可对原有计划性维保项目进行有效补充和完善。

FAST设施设备的计划性维保内容参照了各设施、设备的使用说明书。各设施、设备的计划预防性维保等级按维保周期通常可分为：日常巡检、周检、月检、双月检、季度检、半年检和年检，具体内容因设备不同而不同，其中还包含对机械设备的润滑等常规性作业，馈源舱的月度例行维护如图 11所示。FAST启用至今，已良好运行6年，很多机械设备或将迎来第一个大型检修周期，但是大修是否需要具体实施，应邀请第三方专业评估机构或设备厂家等专业人员进场实地考察后给出相应的建议。

2) 故障维修。

故障维修是在设备某个部件出现故障后所采取的维保方式。FAST观测任务是全天24 h按计划进行，设备几乎没有休息时间。目前出现的各类故障中，以机械系统部分最为突出，最具代表性的就是促动器，因其体量大，且同时处在工作状态的促动器多，个别设备难免会出现故障问题。故障处理流程如图 12所示，促动器经过大规模升级更换以后，目前故障类型主要包括断通信、速度低、无速度等，大部分是因为硬件自身问题引起，经过更换处理后均可解决。

现场大部分故障均未影响观测计划的进行，因电磁静默环境的要求，现场通信受限，所以故障处理响应时间较其他单位设备故障处理时间过长，此类不确定因素可能会给系统整体运行带来一定风险。一般来说，故障维修要求在最短时间内完成故障排查、分析和解决，通常包括故障报警识别、设备外观检查、经验推断、部件替换、确认故障点、临时性解决或彻底解决等流程。

目前，FAST的大部分设备故障基本上处于Ⅱ期末期，即偶发故障期，此时设备的零部件均未达到使用寿命，不易发生故障，如促动器的通信故障等。此时期的故障处于不可预测的状态，并且随着时间的流逝，故障基本会保持一定比例且无规则地发生。此阶段的设备检修周期要尽可能短，便于及时发现故障并进行排除。这个阶段必须维持正常的检修和维保运行管理，按各设备的故障频次适当地调整检修计划及周期。随着设备即将进入第Ⅲ期，又称为磨损故障期，由于零部件的磨损、腐蚀以及疲劳等原因，造成故障率上升，尤其以2021年最为突出。一般的处理措施为加强维修，及时更换即将到达寿命的零部件，可降低故障率。但当维修费用过高时，则应考虑设备的整体升级更新。

3) 建立维保管理软件系统。

为了便于FAST维保工作进行管理，由FAST维保团队牵头与第三方软件公司合作开发了FAST维保管理系统软件，如图 13所示。此软件主要负责管理FAST设备维保过程中所产生的维保数据及备品备件数据，用于各种数据的记录、查询、分析，备品备件的入库及出库，便于维保人员及时掌握FAST相关设备的运行状况及备品备件的库存及使用情况，并根据需求一键生成对应的维保数据表、备品备件统计表，界面简洁易操作，可同时保障多人多地对系统进行快速访问，稳定性好。

以促动器为例，每日巡检完成后需对已巡检完成的促动器按编号进行上传，系统可实时反映已完成的工作量、今日完成工作量和未完成的工作，故障申报完成后，还可按颜色区分存在故障且未完成维修的促动器及其具体编号位置，对未来工作计划进一步细化和量化，如图 14所示。

按照故障处理流程进行故障申报处理，如图 15所示，如维修需要更换备品备件，还可与备件库数据联动，实时反映剩余备品备件数量，便于及时补充。维修完成后，系统自动对已维修的促动器进行数据记录，统计频次及故障类型如图 16所示，对后期促动器维保工作具有重要意义。

此软件系统功能还在逐步完善阶段，下一步将与总控室值班人员联动，各项设备故障报警信息由总控值班人员进行录入，然后通过系统传达给相关专业维保责任人及维保人员，相关人员可以在现场通信条件较苛刻的情况下及时收到设备故障信息并进行处理，辅助提高维保工作的效率，从而提升FAST的有效观测时长。

4 FAST维护和保养存在的问题

目前，FAST维保工作虽然基本满足了日常巡检及简单维修的需求，保障了现场设备的运行稳定，但仍存在不少问题，随着累计使用时间的增加，这些问题会逐步暴露出来，必须重视。

4.1 维保时间与观测计划冲突

由于FAST要求全天24 h进行观测，观测任务重，留给停机维护时间较为随机，大部分维保工作需集中进行，导致维保间隔时间不确定。若两次傍机维保间隔时间过长，上期维保已完成工作或许会失效；若间隔时间过短，维保工作或许没有意义。由此带来的维保工作实际效果其实难以评估，增加了FAST设备在使用过程中出现安全问题的概率，同时也会缩短相应设备的使用寿命，间接降低了设备运行的经济性。

4.2 大型设备的定期维保与备件采购

索驱动相关设备在FAST运行中起到至关重要的作用，负责配合总控按照既定路线将馈源舱移动到观测焦点位置，是观测过程中不可或缺的环节。其中大部分设备均不是国产，包括电机、减速机和钢丝绳等，此类大型设备的日常维保工作只是简单的目测、听异响等，工作人员对于内部齿轮等运转传输部件的使用现状尚不清楚，不具备对故障的提前预警能力。非国产设备整机采购周期长，且价格昂贵，现场并未存有备品备件，如设备遇到维修，势必造成长时间停机，会大大影响FAST的观测时间。

以减速机为例，设计寿命为30年，按照使用说明，需每2年进行一次齿轮油更换，而以目前现场维护人员的技术能力，在进行换油作业的同时，无法对减速机进行全面检查，如无法对齿轮的磨损程度等进行专业评估。若要获得具体的检测评估信息，就需要将整机移除后返厂检验，部分零部件还需运送至国外总部进行系统检测或维修，耗时且费用高昂，性价比较低。

此外，鉴于国外存在的各种不可控因素，会影响到非国产备件的采购，因此备件国产化势在必行。备件的国产化不仅能节省费用，更关键的是后期维护响应时间短，可为FAST节省更多的观测时间。

4.3 相关设备的可维护性及优化

由于FAST设备众多，导致巡检及维护的工作开展面大，随着使用年限的增加，问题也逐步显露出来，如钢结构锈蚀、过壁轴轴承异响和编码器联轴器断裂等均涉及专业技术人员或专业工具设备，但现场有能力维护的技术人员并不多。

类似圈梁及支撑塔等大型钢构件的防腐工作，必须由专业公司团队进行处理，每年1次，虽然现场增加了巡检力度，但是仍然有很多高空作业部位的锈蚀问题是技术人员无法及时观察到的，给设备使用造成一定隐患。

钢丝绳设计寿命是5年，即需要每5年整体更换一次，随之更换的还有悬垂段的缆线入舱机构(每根索包含87套滑车机构及光缆电缆)。钢丝绳长时间处在高空，巡视仅可用小型双筒望远镜进行，由于钢丝绳是免维护的，因此巡视的侧重点放在缆线入舱机构上，滑车滑动出现卡滞或者受力不均衡都会造成隐患，此项设计应尽量考虑拆装及免维护问题，在下次更换前完成，避免因人为安装将问题带入，给后期维护工作带来不必要的麻烦。

电气设备使用寿命已陆续到达使用年限(5~10年)，随着更新换代的加速，部分产品或者备件已经停产，考虑目前设备的升级和兼容问题，就需要做好分类和记录，并以现有条件为基础搭建测试平台进行测试，为后期设备升级改造提供理论实践依据。如目前正在使用的电机维护测试平台，包含伺服控制柜机及电机等，作为驱动机构重要的控制和动力设备，维护费用较其他设备更为昂贵。有了测试平台，工作人员可在无负载的情况下模拟更多类型的故障报警，并复现现场已出现的各类故障，极大地缩短了维护人员对伺服控制器故障处理的时间。平台的搭建为后期设备部件的升级提供了可能，经过长时间的验证与测试，可极大减少新产品实际运用过程中带来的风险及隐患。

针对此类设计改进的工作还有很多，应从维保的便捷性和有效性考虑，在保障望远镜观测计划完成的前提下，尽量缩短维保时间，减少因人员维护频繁带来的其他问题。

现场维护还面临生物侵害问题，如老鼠、马蜂、蚂蚁、蛇侵害等，尤其是鼠咬问题，会造成通信故障，导致设备停机，影响观测计划的完成。针对此类问题，考虑到现场气候及条件，可以施展的预防手段比较有限。

5 FAST维保的发展与优化建议 5.1 维保相关制度的完善与执行

目前，FAST已建立了一系列维保相关的管理制度，人员管理规范居多，正在逐步细化各项设备使用及操作规范。

未来，应加强对各项制度、规范的执行，定期组织相关人员学习各项规范及操作流程，建立健全人员奖惩制度，从工作态度与专业能力等方面进行全方位考核，在提高大家的积极性的同时，也让大家时刻敲响安全的警钟，从而保障FAST的良好运行。

5.2 维保项目内容及周期的适应性制定

经过5年运行，尽管FAST各项设备的使用状态良好，但是大部分设备还未经过详细的大修前检查，急需设备厂家安排专业技术人员进场详勘，并给出评估性报告和未来维保项目及周期建议。为了降低故障率，更好地细化设备的维保检查项目，应在各设备大修前检查，结合设备厂家的建议制定更加合理的维保计划。在维保过程中，对易损坏零件找出其磨损规律，按照规律制定更加合理的维修计划与维修时间，从而能在具体的维护时间内进行定期维护。对于非易损零件及非经常性触发报警的功能，可适当延长维保时间间隔，减少检查次数，在保证原有维保范围的基础上，突出维保工作内容的重点。

规范维保项目数据记录格式，对于数据的产生应有理有据，结合维保系统软件进行记录与分析，可为后期维保提供参考和依据。

5.3 专业维保团队的整体提升

因为不同设备本身的运行特性及维保要求不同，对维保团队的专业能力提出了更高的要求，但目前的维保人员能力水平及整体素质参差不齐，所以在后期维护费用里，应增加资金投入用于培养高素质维保技术人员，如定期组织专业教育培训活动、参加设备展会等，帮助维护人员学习前沿理论和技术，夯实业务能力。增加维护技术人员间的交流和沟通，共享设备维护经验，更好地开展维护工作。同时，增加对维保后备人员的培养工作，做好传帮带的同时，保障维保工作正常有序开展，避免因人员流动导致现场维保工作停滞。

5.4 维保技术的发展与优化讨论

随着现代设备自动化程度的不断提高，今后FAST设备必将面临升级改造问题，各设备状态信息的复杂程度与日俱增。在对状态信息分析的过程中，传统的人为主观分析判断方式已无法满足现场的维保需求，需要向智能化方向发展。

由于现场电磁屏蔽要求，设备底层状态信息无法通过网络进行传输，未来可以结合维保管理系统，将各设备状态信息进行人工接入，定期发送状态信息给各设备生产厂家的远程诊断工程师，远程诊断工程师通过计算机对数据进行分析诊断后，可对设备的性能衰退状态做出评估及走势预测，结合自家产品的升级发展趋势对各设备相应的升级及维护提出建议。此方法可实时掌握各设备的残余使用寿命，有效减少设备故障的发生，真正做到预测性维护，大大提高FAST的有效观测时长，同时也可缩短现场设备运行状态信息数据的存储周期，减轻存储压力，不过会在原有基础上增加一定的维保费用。

对于高空设备(馈源支撑缆索及滑车、反射面激光靶标等)的维护方法，目前已取得了一定进展，可利用专门研制的智能机器人代替人工进行作业。例如，反射面激光靶标维护机器人、馈源支撑缆索及滑车检测机器人等，目前项目研制进展顺利，投入使用后可消除人员高空作业的风险，也为高空设备的运行使用提供有效保障。

6 结语

FAST的健康运行离不开维保工作的良好开展，作为我国的大科学装置之一，FAST的维保工作成果也应该成为其他大科学装置的榜样。建立完善配套的设备维护和保养制度，提升维保人员的专业技术水平，及时发现和解决设备故障问题，与时俱进地发展智能化维保系统及优化维保策略，才能最大限度地保障FAST的正常观测, 延长整体设备使用寿命，从而通过其产出更多更优秀的科研成果。