基于簽派可靠度的飛機可靠性參數體系研究

張 蕊，李麥亮，2，黃鐸佳，2

(1 工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2 廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣東 廣州 510610)

0 引言

簽派可靠度指不因機械原因造成飛機延誤超過15 min或者取消的概率,是飛機經濟性的重要指標,體現了飛機的市場競爭力[1-2]。簽派可靠度與飛機設計息息相關,是飛機的頂層可靠性設計指標之一,必須建立基于簽派可靠度的參數體系,確定影響簽派的設計環節和設計指標,形成飛機簽派可靠度分析與評估方法[3-4]。文中通過對簽派影響要素的分析,結合目前國際通用的飛機可靠性參數體系,確定基于簽派可靠度的可靠性參數集;并從簽派可靠度的角度出發,依據各類設備對簽派的影響路徑,從整機-系統,系統-子系統,子系統-設備3個層級分析各參數之間的關系,使用蒙特卡洛法研究簽派可靠度的評估方法,形成基于簽派可靠度的飛機可靠性參數體系。

1 基于簽派可靠度的可靠性參數集研究

通過對飛機系統設備對簽派的影響方式分析,結合目前國際通用的飛機可靠性參數體系[5],從對簽派可靠度的影響出發,為飛機整機、對飛行安全有著重大影響的設備部件、最低設備清單(minimum equipment list, MEL)內的無約束設備、MEL內的條件約束設備選擇了相應的可靠性參數,構建了基于簽派可靠度的可靠性參數集。

1.1 國外飛機可靠性參數體系研究

ATA spec2000是由ATA組織頒布的關于飛機全壽命周期內可靠性維修性參數收集與共享的規范,建立了一個可靠性參數體系,并定義了規定的數據格式,便于飛機制造方、運營、系統部件供應商之間的可靠性數據交換。該規范定義了需要記錄的航班運營數據,包括飛機狀態更改數據、飛機通用統計數據、飛行事件數據、部件拆換數據、飛行日志、計劃性保障數據、部件返修數據等。飛機運營過程中的可靠性流程圖如圖1所示。

圖1 ATA spec2000 chapter11可靠性流程圖Fig.1 ATA spec2000 chapter11 reliability flowchart

用于監測飛機可靠性的參數有:平均拆換時間(MTBR)、平均非計劃拆換時間(MTBUR)、平均故障間隔時間(MTBF)、無故障率(NFF)、自檢修或測試后使用的時間(TSR)。對于MTBF的統計,存在以下幾個問題:1)部件是否確實存在故障;2)部件是否在過應力狀態下工作;3)部件故障是否是導致拆換的原因。針對這3類問題,該規范對部件的MTBF進行了區分,并定義了3個不同的MTBF參數,分別為MTBF(J),MTBF(N),MTBF(C)。各參數之間的關系見圖2。

圖2 ATA spec2000 chapter13可靠性參數集Fig.2 ATA spec2000 chapter13 reliability parameter set

1.2 基于簽派可靠度的可靠性參數選擇

1.2.1 對飛行安全有著重大影響的設備部件

該類設備不允許帶故障運行,在發現故障后,故障首先必須被檢測出來,其次對故障部件進行拆換以保證飛機的持續適航性[6]。其工作狀態對簽派的影響如圖3所示。

圖3 簽派影響IFig.3 Effect I on dispatch

1.2.2 MEL內的無約束設備

該類設備在發生故障且被檢測后,只需要進行一系列的機務、機組工作即可通過MEL進行故障保留,不影響飛機的正常簽派,故障的修復需在故障保留期限內[7-9],這類設備的工作狀態對簽派的影響如圖4所示。若在修復期限內修復故障,對簽派無影響,否則在修復期滿后不允許簽派。

圖4 簽派影響ⅡFig.4 Effect II on dispatch

1.2.3 MEL內的條件約束設備

該類設備在發生故障后,是否可以進行MEL簽派受其他條件的約束,其工作狀態對簽派的影響如圖5所示。

圖5 簽派影響ⅢFig.5 Effect III on dispatch

綜上所述,飛機各系統設備的可靠性、維修性參數選擇原則如表1所示。

2 基于蒙特卡洛方法的簽派可靠度評估方法研究

飛機整機由各類系統組成,系統由設備部件組成,整機的簽派可靠度與各層次參數之間的關系如圖6所示。

圖6 各層次可靠性參數關系圖Fig.6 Relations of reliability parameters in different level

假設各設備、系統相互獨立:設構成整機的系統i的簽派可靠度為Ri,則整機的簽派可靠度Ra為:

(1)

系統的簽派可靠度Ri由蒙特卡洛方法確定。

2.1 模型建立

對設備的分類可通過主最低設備清單(master minimum equipment list, MMEL)清單及其簽派放行條件來劃分,可以分為:1) 對飛行安全有著重大影響的設備部件;2) MEL內無約束的設備部件(僅需一定機務、機組工作可放行);3) MEL內相互約束的設備(需確認最小裝機數量可放行);4) MEL內與客觀條件相約束的設備(需確認外部客觀條件如天氣、跑道等滿足情況可放行)。

通過對飛機設計工作中的各類分析評估工作可獲得各設備的參數估計,整個MCS算法(minimal control synthes is algorithm)的流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖Fig.7 Modelling flowchart

2.2 仿真流程示例分析

系統由A,B,C,D四個設備組成,其中A為對飛行安全有著重大影響的設備,B,C互為MEL中的約束設備,D為受跑道結冰情況約束的MEL設備。根據流程建立仿真模型。A,B,C,D設備的參數初始化如表2所示。

表2 設備參數Table 2 Reliability parameters of equipment

其計劃性維修周期為500 h;跑道結冰概率為0.05;平均航段飛行時間為2 h;仿真結束時間設置為1 000 h;仿真次數為100 000。

失效時間、拆換時間、修復時間的時間分布如表3所示。

表3 設備失效時間、拆換時間、修復時間的時間分布Table 3 Distribution of failure time, removal time and repair time

2.3 飛機系統簽派可靠度分析

以飛機導航系統為例,考慮幾個具有代表性的典型設備:近地警告系統、氣象雷達、馬赫/空速警告系統(最大飛行速度指示)、超速音響警告系統、測距機系統。

通過飛機的MEL文件,可以得到各設備的信息如表4所示。

表4 設備信息Table 4 Device information

2.3.1 模型數據初始化

將上述設備進行歸類,近地警告系統屬于對飛行安全有著重大影響的設備,氣象雷達屬于受客觀條件約束的MEL設備,馬赫/空速警告系統(最大飛行速度指示)與超速音響警告系統互為約束的MEL設備,測距機系統屬于帶冗余的MEL設備。假設各設備的可靠性、維修性參數值如表5所示。設備的失效時間分布、拆換時間分布滿足指數分布;設備的維修間隔時間分布滿足均勻分布。

表5 設備參數設置Table 5 Relibility parameters for equipments

2.3.2 模型仿真分析

建立MCS模型,在2 000 h內,導航系統的簽派可靠度為99.965 6%,簽派可用度為99.908 9%。設備的失效率與系統的簽派可靠度具有直接的相關性,分別以各設備的失效率為變量,各設備失效率與簽派可靠度之間的關系如圖8所示。

圖8 失效率-系統簽派可靠度關系Fig.8 Relationship between equipment failure rate and system dispatch reliability

從圖中斜率可以看出,近地警告系統對導航系統簽派可靠度的影響最大,其余依次是測距機系統、氣象雷達、超速音響警告系統、馬赫/空速警告系統。

計劃性維修周期的縮短,有利于系統中設備故障的及時維修,提高簽派可靠度,但是,另一方面也意味著維修成本的升高,研究計劃性維修周期與系統簽派可靠度之間的關系,有利于設計部門在最大效費比的前提下,設定系統的計劃性維修周期。導航系統的計劃性維修周期與系統簽派可靠度之間的關系如圖9所示。

圖9 計劃性維修周期-系統簽派可靠度關系Fig.9 Relationship between equipment planned maintenance cycle and system dispatch reliability

從圖9可以看到,當計劃性維修周期較短時,計劃性維修周期的縮短更加有利于簽派可靠度的提高,而當計劃性維修周期較長時,其對簽派可靠度的影響趨于平緩。

3 結論

由機載設備對簽派成功的影響路徑分析,確定了基于簽派可靠度的可靠性參數集,通過蒙特卡洛仿真研究了不同層級間簽派可靠度的評估方法,確定了組成系統各設備的可靠性、維修性參數和系統簽派可靠度頂層參數之間的關系,并結合示例研究了不同設備參數對簽派可靠度的敏感度分析,最終形成基于簽派可靠度的可靠性參數體系。