某型無人機飛控系統FMECA分析＊

（陸軍軍官學院 合肥 230031）

1 引言

故障模式、影響及危害性分析［1～2］FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis）是從系統部件開始的從下而上的分析方法，它由兩部分［3］組成：一是定性的故障模式及影響分析（FMEA），通過FMEA 對系統部件所有的可能的故障模式及原因進行分析，可以確定系統潛在的故障及故障組合對系統安全性的影響，從而為適航驗證或改進設計提供依據；二是定量的危害度分析（CA），通過分析計算部件每個故障模式的危害度，結合FMEA 確定的故障模式的嚴酷度，可以確定系統危險的并且發生概率較大的故障，為系統安全性驗證提供依據。

對無人機系統進行FMECA，可使設計、制造、使用及維修部門明確哪些故障模式對無人機飛行安全、任務完成、維修和后勤保障有影響，其分析結果可為設計綜合評定、維修性、安全性等工作提供信息，還可為操作人員和維修人員診斷故障提供依據。通過對某型無人機飛控系統進行FMECA 分析，以求達到前述目標，從而為無人機系統使用和維修過程中各個階段提供必要的信息和指導，并可采用改進生產工藝、提高維修級別等措施，降低致命故障發生的概率，以保證該型號無人機系統的整體可靠性和安全性。

2 飛控系統組成及工作流程

某型無人機飛控系統由飛行控制計算機、陀螺儀、航向系統、高度傳感器、油量傳感器、缸溫傳感器及舵機組成，設備工作流程如圖1所示。

圖1 飛控系統工作流程

3 飛控系統FMEA 分析

按照GJB1391要求規定，FMECA 工作內容及操作流程如圖2所示。

圖2 FMECA 工作內容及操作流程

按故障模式最終對該型無人機飛控系統影響的最壞潛在后果，對該型無人機劃分了4類嚴酷度類別［4］，如表1所示。對Ⅰ類（災難的）和Ⅱ類（致命性的）故障模式，在設計中應盡量避免，對Ⅲ類（臨界的）和Ⅳ類（輕度的）故障模式，主要應作好預防維修工作。確定嚴酷度類別的目的在于控制識別Ⅰ、Ⅱ類故障模式。

表1 某型無人機嚴酷度類別劃分

現將飛控系統所有的故障列出得到FMEA 表［5］如表2所示。

4 飛控系統CA 分析

4.1 分析方法

4.1.1 解析式法［6］

解析式法主要計算故障模式的危害度Cmj和裝備的致命度Cr，先介紹幾個概念：

1）故障模式頻數比α。故障模式頻數比α是裝備故障表現為確定故障模式的比率。如果考慮無人機飛控系統所有可能的故障模式，則其故障模式頻數比之和將為1。故障模式頻數比一般通過統計得出。在缺少統計數據時，也可分析評估得出。

表2 無人機飛控系統FMEA 表

2）故障影響概率β。故障影響概率β是假定某故障模式已經發生，導致確定的嚴酷度等級的最終影響的條件概率。某一故障可能產生多種最終影響。要指明該故障模式引起的每一種最終故障影響的百分比，此百分比即為β。引起多種最終影響的β值之和應為1。β代表了某一故障模式可能發生的對系統的多重故障影響。

按照GJB1391規定β值：實際喪失為1，很可能喪失為0.1～1，有可能喪失為0～0.1，無影響為0。

3）零部件故障率λp。λp可通過可靠性預計獲得。如果是從有關手冊和其他參考資料查到的裝備的基本故障率λo，則可以根據需要用應用系數πA、環境系數πE，質量系數πQ，以及其他修正系數來修正工作應力的差異，即：

故障模式的危害度Cmj是裝備致命度的一部分。對給定的嚴酷度類別和任務階段而言；裝備的第j個故障模式危害度Cmj可由下式計算：

裝備的致命度Cr是指預計將由該裝備的故障模式造成的某一特定類型（以裝備故障模式的嚴酷度類別表示）的裝備故障數。就某一特定的嚴酷度類別和任務階段而言，裝備的危害度Cr是該裝備在這一嚴酷度類別下的各故障模式危害度Cmj的總和。Cr可按下式計算：

式中n為該裝備在相應嚴酷度類別下的故障模式數。

4.1.2 危害度矩陣［7～8］

繪制危害度矩陣的目的是比較每種故障模式的危害程度，進而為確定改進措施的先后順序提供依據。危害度矩陣是在某一特定嚴酷度級別下，裝備各個故障模式危害度或裝備危害度相對結果的比較。

危害度矩陣的橫坐標一般按距離表示嚴酷度類別（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）；縱坐標可以為裝備的致命度Cr、故障模式的危害度Cmj、故障概率等級。其做法是：首先按Cr、Cmj或概率等級在縱坐標上查到對應的點，再在橫坐標上選取代表其嚴酷度類別的直線，并在直線上標注裝備或故障模式的位置，從而構成裝備或故障模式的危害度矩陣。在該矩陣上，可得到故障模式危害度的分布情況。

圖3 危害性矩陣

危害度矩陣的應用是：從所標記的故障模式分布點向對角線作垂線，以該垂線與對角線的焦點到原點的距離作為度量故障模式（或裝備）致命性的依據，距離越長，其危害性越大，越需要盡快采取改進措施。

4.2 具體分析

將飛控系統的所有可能的故障模式和該故障模式的嚴酷度都列出來［9］，并計算各種故障模式出現的概率，從而計算出每種故障模式對飛控系統的危害度Cm，以及在不同嚴酷度下裝備的致命度C［11］r，如表3所示。

表3 某型無人機飛控系統危害度表

圖4 故障危害性矩陣

從表3可以看出，在嚴酷度Ⅰ中，危害度最高的是F14，舵機振蕩，可知該故障模式的原因是電位計接觸不良或電容損壞；在嚴酷度Ⅱ中，故障模式F11高度傳感器靈敏度很低危害度最高。在不同的嚴酷度下，對系統危害高的故障可以從表3的模式量化數據中直接得出。同時利用表3的數據，以嚴酷度為橫坐標，故障模式危害度為縱坐標，繪制危害度矩陣。可以由危害度矩陣看出，綜合考慮故障模式的危害度和嚴酷度，故障風險優先的順序依次是F14、F10、F11、F13、F6、F15、F8、F9、F1、F7、F2、F5、F12、F4、F3。所以必須采取相應的措施來對故障風險高的進行改進或加大檢查力度，才能有效地提高裝備的使用效率。

5 結語

1）舵機的故障為重點。嚴酷度Ⅰ中4 個故障舵機的故障達到50%，這些故障會導致嚴重后果，因此我們應該考慮舵機的故障問題，以增加飛控系統的可靠性。

2）對得出的關鍵故障模式應該做好故障解決工作，實施相關的改進措施，防止故障模式的發生。

3）飛控系統應該具有強有力故障診斷系統。考慮到飛控系統的重要性，我們可以在飛控系統的維護中應用故障特征提取及專家系統分析的故障診斷方法。

［1］馮靜.裝備可靠性與綜合保障［M］.長沙：國防科技大學出版社，2008：78-79.

［2］康銳，石榮德.FMECA 技術及其應用［M］.北京：國防工業出版社，2006：106-112.

［3］GJB／Z1391-2006，故障模式、影響及危害性分析指南［S］.

［4］楊為民，阮鐮，俞沼，等.可靠性、維修性、保障性總論［M］.北京：國防工業出版社，1995：87-90.

［5］楊蘭清，林秀蘭.FMECA 應用中主要問題的探討［J］.黑龍江科技信息，2009，24：19-20.

［6］王海波，王俊華.提高FMECA 實施效果的探索［J］.質量與可靠性，2006，3：106-112.

［7］劉志全，宮穎.航天產品FMEA 工作有效性的思考［J］.航天器工程，2011，1：142-145.

［8］阮鐮，陸民燕，韓峰巖.裝備軟件質量和可靠性管理［M］.北京：國防工業出版社，2006：99-102.

［9］章文晉，康銳，曾聲奎.基于MCP 的無人機系統可靠性指標分析計算［J］.北京航空航天大學學報，2003，12：1097-1100.

［10］鄭成林，龔俊斌，劉福學，等.基于ADV202的無人機序列圖像壓縮系統設計［J］.計算機與數字工程，2010（11）.

［11］鄧海飛等.故障危害性量化分析在無人機傘降回收系統上的應用［C］／／第三屆裝備可靠性維修性保障性研討會論文集，2004：223-225.