民機可靠性設計與評價系統的設計實現

林偉賢

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

民機可靠性設計與評價系統的設計實現

林偉賢

（中航工業綜合技術研究所，北京 100028）

基于民用飛機可靠性參數體系研究、民用飛機可靠性參數指標確定與優化方法研究、民用飛機可靠性實現技術研究的各項研究成果基礎，設計開發基于簽派可靠度的民用飛機可靠性設計與評價系統，實現民用飛機可靠性參數選擇、指標確定與優化，證據源數據處理、可靠性評價等主要功能。

簽派可靠度；相似法；仿真法；可靠性指標

隨著中國經濟的飛速發展，我國民用航空也進入一個飛速發展階段，伴隨而來的航班延誤事件日趨嚴重，因航班延誤導致的經濟損失及旅客與航空公司之間的沖突日益增多，航班延誤成為影響航空公司經濟效益與服務質量的核心問題。航空公司在引入新的機型時，該機型的簽派可靠度成為航空公司考慮的一項極其重要的指標。

國外對于航班延誤經濟損失計算方法通常有兩種，一是建立延誤統計指標，對延誤等級進行評估；二是利用航空器運營成本直接估算其延誤損失，并在此基礎上通過計算旅客的時間價值分析航班延誤給旅客造成的經濟損失。但兩種方法都未針對民機簽派可靠度這一重要技術指標進行分析。

民機的簽派可靠度反映了飛機及其系統功能的可使用性，直接影響航空公司的運營收入，是商用飛機營運的主要使用目標，并且用戶的期望值/要求使得這一問題在飛機實際運營時具有特別的重要性。如何合理地評估系統的簽派可靠度和其對航空公司運營效益影響成為一個急需解決的問題。

本文從民機系統的簽派可靠度入手，基于民用飛機可靠性參數體系研究、民用飛機可靠性參數指標確定與優化方法研究、民用飛機可靠性實現技術研究的各項研究成果基礎上，設計開發基于簽派可靠度的民用飛機可靠性設計與評價系統。通過系統建立一套完備的以簽派可靠度為頂層要求的可靠性參數體系，并利用相似法、仿真法、權衡優化法等算法對飛機可靠性進行分析與評價，最終為民用飛機可靠性水平（可靠性工作）的提高提供基礎服務。

1 系統功能分析

基于簽派可靠度的民用飛機可靠性設計與評價系統，實現了民用飛機可靠性參數選擇、指標確定與優化，證據源數據處理、可靠性評價等主要功能，可以為民用飛機主集成商開展基于簽派可靠度的可靠性設計與評價提供演示范例與工具支持。

系統的模塊構成如圖1所示。

圖1 系統模塊構成

2 系統設計

2.1 系統分層

本系統設計成B/S（瀏覽器/服務器模式）架構的Web（互聯網）應用系統，采用Java語言開發?；贛VC（Model View Controller）的設計思想，整個系統分為3層，分別為客戶顯示層、前端控制層、業務邏輯層。其中客戶顯示層基于JSP（Java Server Pages）技術及MiniUI框架實現前端展示界面；業務邏輯層中Model（模型）會通過Dao（數據持久層）去訪問數據庫；前端控制層會從Model中取數據，并根據業務邏輯選擇合適的View（視圖）呈現給客戶端。同時系統也設計了額外的支撐模塊，如工具層，主要提供包括日期轉換、字符串處理、加解密、解壓縮、Excle導入導出、文件文件夾處理等服務；算法庫集成了可靠性分析與評價所涉及的算法，為可靠性確定提供支持。

2.2 體系架構

體系架構如圖2所示。

圖2 體系架構

3 核心模塊分析與實現

3.1 基于相似法的飛機可靠性確定模塊

該模塊用于在民機方案階段確定當前機型的簽派可靠度，主要基于相似產品類比和德爾菲相結合的方法計算得出。

輸入參數：相似機型、相似機型簽派可靠度、專家評分表。其中專家評分表主要對運營使用要求、單次飛行時長、復雜程度、可靠性的改進程度、使用保障能力等影響因素進行打分。

輸出結果：當前機型的簽派可靠度Qi。

3.1.1 計算過程

3.1.1.1 確定影響因素的權重

根據n名專家對所有m個影響因素的權重系數的打分，Kij為權重系數（i=1,2，……，n；j=1,2，……，m），分別計算出各因素的權重aj：

3.1.1.2 計算綜合評分

根據專家對各個影響因素的評分，計算綜合評分

如有多名專家進行評分，則δi取所有專家評分的平均值。

3.1.1.3 得到當前機型的簽派可靠度

式（2）、（3）中：C為參數的綜合評分；δi為該參數評分標準中對應欄的分數值；Q0為相似產品的簽派可靠度。

3.1.2 系統實現過程

●開發專家評分標準維護模塊，用于定義影響因素的評分標準。評分標準對于影響因素區分正相關與負相關，都設定5個等級，分別為較低、稍低、相同、稍高和較高。正相關滿足較低δ1到較高δ5遞增，負相關滿足較低δ1到較高δ5遞減。

●開發影響因素維護模塊，實現影響因素的增加、修改、刪除。常見影響因素有運營使用要求、單次飛行時長、復雜程度、可靠性的改進程度、使用保障能力。添加時需要同時定義其相關類型（正相關、負相關）及狀態（有效、無效）。

●開發相似法確定可靠性模塊，用于保存相似機型、相似機型簽派可靠度、專家評分及計算當前機型簽派可靠度。專家評分主要記錄專家名稱及該專家對于影響因素的權重指數確定及相應評分，最終計算出當前機型的簽派可靠度。

系統計算結果如圖3所示。

計算后自動保存計算結果和計算時間，在下次

計算時顯示上次計算結果。

圖3 相似法確定可靠性

3.2 基于仿真的飛機可靠性指標確定模塊

該模塊用于在民機研制詳細設計階段，分析影響簽派可靠度的各種因素，通過調用Matlab仿真算法程序進行計算，確定飛機的可靠性指標。輸入參數如表1，輸出結果如表2，仿真計算過程如圖4所示。

系統計算結果如圖5所示。

表1 仿真輸入參數

表2 飛機簽派可靠度指標

圖4 仿真計算過程

圖5 仿真法確定可靠性

3.3 飛機可靠性指標分配模塊

該模塊的主要功能是將相似法、仿真法、權衡優化法確定的飛機的可靠性指標分解到系統級及以下層級。

模塊功能設計如圖6所示。

系統實現如下：

●輸入參數：飛機的簽派可靠度DRAricraft、各個ATA章節中對簽派有影響的失效狀態數量NSystemi。

●輸出結果：系統簽派可靠度DRSystemi。

●計算過程如下所示：

其中：DIRSystemi為系統簽派中斷率，DIRAircraft為飛機簽派中斷率。

圖6 可靠性指標分配

3.4 民用飛機可靠性評價模塊

民用飛機可靠性評價模塊的主要功能是：以可靠性設計模塊中獲得產品各研制階段可靠性數據為輸入，將可靠性數據轉化為證據評價依據，最后基于建立的產品可靠性證據框架及評估模型，利用可靠性證據框架和設計活動的關系、可靠性數據的證據轉化算法及各層級產品可靠性評價算法對各層級產品的可靠性水平進行評估。

可靠性評價實現過程如圖7所示（MTBF為平均故障間隔時間）。

3.4.1 可靠性參數體系建立

主要用于對基礎模塊中維護的所有可靠性參數進行適用性定義。常用可靠性參數包括：設備數量、簽派可靠度、簽派中斷率、虛警率、故障檢測率、故障隔離率、平均故障間隔時間、平均故障間隔飛行時間；適用性主要分為整機級、系統級、子系統級、設備級。

圖7 可靠性評價過程

3.4.2 產品樹管理

根據ATA中對民機系統的分類，建立通用產品樹。對于供應商提供的系統或設備，進行標識，為可靠性評價計算提供基礎數據及便于后續的民用飛機供應商監控模塊的設計。產品樹節點的核心信息包括節點類型、名稱、編碼、失效狀態數量、供應商，而節點的可靠性參數則由可靠性參數體系建立模塊中的適用性進行自動分配。

3.4.3 可靠性評價

3.4.3.1 設備MTBF評價

（1）基于貨架產品數據的MTBF評價

●輸入參數：設備數量n、運營時間T、故障數r、置信度γ、卡方分布x。

●輸出結果：評估值點估計MTBF、評估值下限估計MTBFL。

●計算過程如式（7）、（8）所示：

（2）基于相似產品數據的的MTBF評價

●輸入參數：相似設備數量n、置信度γ、相似

因子η、相似產品運營時間T、相似產品故障數r。

●輸出結果：評估值點估計MTBF、評估值下限估計MTBFL。

●計算過程如式（9）、（10）所示：

3.4.3.2 系統MTBF評價

● 輸入參數：

n個設備（或系統）的MTBF1，MTBF2，……MTBFn。

n個設備（或系統）的數量m1，m2，……mn。

●輸出結果：系統的MTBF。

●計算過程如式（11）所示：

3.4.3.3 設備簽派可靠度評價

●輸入參數：組件數量Q、組件失效率λ、失效探測因子F、飛行和滑進階段的平均時T1、滑出階段的平均時間T2、組件失效模式的簽派因子M、主最低設備清單（MMEL）的維修程序因子MM、MMEL（M）程序C/B打開因子MCB、MMEL(M)程序少于30分鐘因子M30、MMEL結冰條件因子FL1、MMEL的AFM操作限制因子FL2、MMEL操作的白天限制因子FL3、短期修復因子SFP、機件和備件可用性因子M&SAF。

●輸出結果：設備的簽派可靠度DRCompZ。

●計算過程如式（12）所示：

1）平均輪擋時間為3FH（180 min），滑出階段的平均時間T2為9min即0.15FH，則飛行和滑進階段的平均時T1為2.85FH；

2）機件和備件可用性因子M&SAF假設為1；

3）DIRCompZ為設備簽派中斷率，M*為MMEL各因子影響計算值；

3.4.3.4 系統簽派可靠度評價

●輸入參數：設備簽派可靠度DRCompi、系統包含的設備數量N。

●輸出結果：系統的簽派可靠度DRSystemZ?！裼嬎氵^程如式（15）所示：

4 結束語

本文從應用的角度出發，利用已完成民用飛機可靠性參數體系研究、民用飛機可靠性參數指標確定與優化方法研究、民用飛機可靠性實現技術研究的各項研究成果，基于民機系統的簽派可靠度，設計開發了民用飛機可靠性設計與評價系統，實現了相似法、仿真法、權衡優化法確定飛機可靠性，飛機可靠性指標分配，飛機可靠性評價等，為提高民機的可靠性水平及民機集成商開展基于簽派可靠度的可靠性設計與評價提供工具支持。

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（編輯：雨晴）

TB1143

C

1003-6660（2016）05-0044-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.05.012

[收修訂稿日期]2016-07-14