甄 博 黃 波 于宏軍 韓建軍 唐 偉

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）是指用于監(jiān)測和診斷發(fā)動機狀態(tài)的完整系統(tǒng)，通常由一整套硬件和軟件組成。EMS能夠提供發(fā)動機功能狀態(tài)和物理狀態(tài)的實時或準實時信息，通過對信息的分析和判斷，可以幫助用戶和維修人員注意那些可能影響操作安全、日常檢測和維修的狀態(tài)參數(shù)，以協(xié)助相關人員改善發(fā)動機性能、預警維修需求和管理權(quán)限。因此，EMS是實現(xiàn)航空發(fā)動機視情維修，降低全壽命期成本的重要手段。目前，世界3大發(fā)動機公司研發(fā)的大型民用航空發(fā)動機，如GE公司的GEnx發(fā)動機，RR公司的Trent 900發(fā)動機等，均采用獨立的EMS。并在逐步完善和成熟的基礎上，向軍用航空發(fā)動機領域擴展，如F119發(fā)動機采用了先進的診斷與健康管理（DHM）系統(tǒng)等。隨著軍方要求的不斷提高，我國軍用航空發(fā)動機也開始逐步引入發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)視的概念，并開始研發(fā)獨立的EMS。

SAE AIR 5120《航空發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)可靠性與有效性》是由SAE標準協(xié)會航空航天理事會推進系統(tǒng)分部下設的航空航天推進系統(tǒng)健康管理標準化技術(shù)委員會（E-32）頒布的，該標準旨在為項目管理人員、設計研發(fā)人員和客戶開發(fā)及驗證高可靠性的發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)提供參考。AIR 5120對EMS研發(fā)各階段可靠性設計工作都提出了要求，涵蓋了EMS各組成部分的設計內(nèi)容，相關要求條款來源于以往EMS可靠性設計經(jīng)驗，其中有關可靠性設計思想、人為因素的考慮、試驗驗證程序和要求以及服役后至維護和成熟階段的可靠性設計等要求，對EMS的可靠性設計工作有很強的指導作用。

AIR 5120技術(shù)內(nèi)容是在總結(jié)民用航空發(fā)動機EMS型號設計經(jīng)驗基礎上形成的，其出發(fā)點也是為了使EMS更好地實現(xiàn)視情維修，降低用戶（主要是民航公司）的成本。因此，AIR 5120的部分技術(shù)內(nèi)容不宜直接轉(zhuǎn)化并指導我國軍用EMS可靠性設計工作。本文將通過對AIR 5120中重要條款進行解讀，并結(jié)合我國EMS可靠性設計的具體需求進行分析，總結(jié)提煉出適用于我國EMS可靠性設計的相關要求，為今后編制類似標準提供參考。

1 EMS可靠性的定義

AIR 5120在術(shù)語定義中首先提出了虛警、漏檢和正確檢測的定義，并以“（指示總數(shù)－虛警數(shù)－漏檢數(shù)）×100／指示總數(shù)”這個指標作為EMS可靠性的定義，即EMS可靠性實際上指的是EMS的正確檢測率。在我國GJB 451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》中，對武器裝備的可靠性定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。其評價參數(shù)包含MTBF（平均故障間隔時間）等指標。相對于我國通常意義上產(chǎn)品可靠性概念，AIR5120給出的定義更加細致，即將規(guī)定功能明確為對監(jiān)測到發(fā)動機的異常情況進行正確告警。

在國外民用航空系統(tǒng)的EMS應用初期，虛警和漏檢的大量出現(xiàn)使得EMS變得不可靠。這些情況容易導致機務人員和地勤人員出現(xiàn)錯誤的判斷，基于這些信息而開展的視情維修將大大增加成本，給后勤保障系統(tǒng)也帶來不便，這違背了應用EMS的初衷。因此，能夠?qū)收线M行正確檢測是使用EMS的前提，而最大限度的降低虛警和漏檢則是EMS可靠性設計的主要目標。

我國的EMS可靠性設計工作目標是當航空發(fā)動機出現(xiàn)問題時能被EMS及時指示出。因此，在我國編制的EMS可靠性設計標準中可將EMS可靠性的定義明確為：“發(fā)動機EMS正確指示發(fā)動機故障的能力”，同時，以正確檢測率來衡量可靠性設計水平。

2 EMS可靠性設計思想

AIR 5120中關于EMS可靠性設計目標是降低整個發(fā)動機的全壽命周期成本。為此供應商首先要確定EMS的投資回報率（ROI），即采用EMS所獲得的收益與成本的比值。為確定投資回報率，供應商應與發(fā)動機制造商、EMS用戶進行合作，共同開展EMS的ROI分析，了解發(fā)動機操作、性能和故障模式等詳細情況以及用戶期望達到的目標。這些工作是綜合權(quán)衡各項技術(shù)的采用并合理安排各階段工作的重要依據(jù)。為使投資回報率和可靠性最高，EMS的可靠性設計周期應覆蓋整個發(fā)動機的周期。各階段設計工作大致包括：

在發(fā)動機開發(fā)初期，制定詳細的EMS可靠性設計計劃。此時，用戶、飛機制造商和發(fā)動機制造商之間有很大的設計余地，EMS供應商可通過協(xié)調(diào)建立各方都能接受的可靠性設計目標，并完成用戶、飛機和發(fā)動機的需求條件；

在設計階段，EMS設計人員應與使用群體和制造商一同制定EMS的系統(tǒng)規(guī)范，這其中應包括EMS可靠性指標。通過安全性、成本和ROI分析等將可靠性目標分解到各個組成部件，并以此為基礎確定EMS的工作模式、硬件和軟件架構(gòu)以及對應的試驗驗證方法；

設計階段還應制定合理的驗證計劃，試驗驗證工作應與設計工作同步開展，及時對EMS各項功能可靠性進行驗證；

在進入服役階段后，制定詳細的可靠性增長計劃，評估EMS性能，根據(jù)服役階段遇到的問題對EMS進行改進。

用戶使用EMS的最終目的是為了獲得使用和維護成本的降低，而用戶對使用EMS的投資回報期望決定了EMS可實現(xiàn)的功能。EMS與飛機和發(fā)動機關聯(lián)，其可靠性受到這些系統(tǒng)本身不確定因素的影響。因此，前期針對用戶和飛機及發(fā)動機的具體情況開展充分調(diào)研工作是確定EMS總體設計方案的基礎。同時及時驗證相關功能和服役后的可靠性增長等設計思想也是提高EMS的研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，從而提高監(jiān)視系統(tǒng)ROI的重要手段。

在我國EMS可靠性設計工作中也應采取上述設計思想，并在相關標準中以此確立可靠性設計準則，如將可靠性設計納入EMS研制計劃，統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)進行；在EMS開發(fā)的前期，結(jié)合訂購方、飛機制造商和發(fā)動機制造商需求，以訂購方的操作和系統(tǒng)維修人員的使用方式為輸入條件，制定關于可靠性設計工作計劃；從航空發(fā)動機的全壽命周期角度對監(jiān)視可靠性進行設計，結(jié)合操作和維修發(fā)動機經(jīng)驗，促進可靠性增長等。

3 人為因素

3.1 人為因素的組成

AIR5120認為，在組成EMS的所有單元中，人為因素是最關鍵的，對人為因素的處理將在很大程度上決定用戶對EMS的接受程度，因此將人為因素列為EMS可靠性設計的重要組成部分，給出了部分較為普遍的人為因素，并論述了這些因素的影響以及如何去適應這些因素。

AIR5120中將人為因素分為非物理因素和物理因素兩類。非物理因素即為使用群體本身的素質(zhì)特點，包括使用群體的文化水平、經(jīng)驗水平、認知能力等，非物理因素會影響使用群體的信息處理能力。物理因素則是指EMS本身的設計因素，包括系統(tǒng)的使用方式等，物理因素通過人機之間的交互過程起作用。

3.2 人為因素的處理

3.2.1 非物理因素的處理

對非物理因素的處理首先應確定使用群體，即在EMS設計初期，就應定義群體的組成，這些群體一般包含飛行人員、維護人員和后勤保障人員。確定群體組成后，就應了解該群體如何看待并理解EMS提供的信息以及將采取何種方式對這些信息進行處理。為了獲得這些群體特征，設計人員應充分調(diào)研使用群體的工作環(huán)境、生活環(huán)境以及文化背景等，調(diào)研范圍應盡量涵蓋整個群體，避免以極端的個體表征整個群體。最后，根據(jù)調(diào)研結(jié)果評估整個群體的平均行為模式，該行為模式將有助于了解使用群體對EMS各項信息的處理模型，并為物理因素的設計建立基礎。

3.2.2 物理因素的處理

對物理因素的處理主要是通過更改EMS物理的設計元素來適應使用群體的處理模型，以減少人機交互過程中出現(xiàn)誤解的可能性。在設計過程中，采用逐級分步測試的方式，隨時與用戶保持互動，這樣可以使用戶逐步熟悉這一使用過程，同時還可以根據(jù)使用群體的反饋信息及時進行修正和更改，這樣有助于保持設計過程的連貫并減少人為因素對可靠性的影響。

3.2.3 培訓的作用

由于EMS相對于其他發(fā)動機系統(tǒng)更加依賴于人為因素，AIR5120中也提出了對使用群體進行培訓可以彌補研發(fā)過程中采用折衷的設計方法所帶來的負面影響。AIR5120認為良好的培訓能夠穩(wěn)定用戶群的行為模式，減少用戶與EMS之間的不兼容，降低發(fā)生誤操作的可能性。

3.2.4 人為因素的設計考慮

由此可以看出，AIR5120中對人為因素的考慮非常全面，這主要基于EMS在民用航空領域內(nèi)應用的經(jīng)驗。由于不同國家和地區(qū)的人員在文化背景、思維習慣、性格特征等方面存在著巨大的差異，這勢必將對各民用航空從業(yè)人員的行為模式造成影響。因此，EMS供應商應考慮用戶在使用時帶來的不確定性對EMS可靠性的影響。

在國內(nèi)的EMS研發(fā)過程中也應考慮人為因素的影響。不過，由于國內(nèi)EMS用戶構(gòu)成相對單一，人為因素的考慮可以有所側(cè)重。在我國編制的EMS可靠性設計標準中可重點提出在人機界面設計進行人為因素的評估。對非物理因素的處理主要是在設計階段初期，對軍方用戶群體理解和操作EMS的方式進行調(diào)研。物理因素可借鑒AIR5120中相關設計元素作為參考。

4 試驗驗證

4.1 驗證矩陣的思想

如前所述，試驗驗證可有效地檢驗EMS的可靠性。在AIR5120中并沒有將試驗驗證按照以往的設計鑒定試驗的概念實施，而是作為EMS可靠性設計工作的一部分，與設計工作同步開展。這是由于在整個設計和研發(fā)過程中，在適當水平下對EMS性能進行試驗，可較早地暴露問題，以便設計人員及時進行修正和更改，避免在設計完成后再進行較大的設計更改帶來研發(fā)成本的提高。此外，由于EMS的功能復雜，AIR5120引入試驗矩陣的概念（見表1），通過仿真測試、平臺測試、鐵鳥試驗、發(fā)動機試車和飛行試驗等試驗，分別針對EMS的各項工作進行逐級驗證，以促進EMS的可靠性逐步增長。

從表1可以看出，仿真測試、臺架試驗和鐵鳥試驗的試驗主體為EMS，這些試驗可對EMS主要功能進行驗證以確定EMS是否能準確地檢測、分析和告警故障，但這些試驗階段并不能完全模擬EMS工作時所經(jīng)歷的真實的發(fā)動機和飛機環(huán)境條件。因此還需要經(jīng)過發(fā)動機試車和飛行試驗對EMS的系統(tǒng)性能進行驗證。在發(fā)動機試車和飛行試驗時，EMS只是作為發(fā)動機產(chǎn)品的一部分進行跟隨試驗，而非專門驗證EMS本身的功能。若試驗費用和條件允許，在發(fā)動機試車時，人為地設置一些發(fā)動機故障，能夠更加準確地檢驗EMS的性能。

4.2 國內(nèi)EMS試驗驗證矩陣及要求

國內(nèi)EMS可靠性也需要通過一系列的試驗驗證。AIR5120提供的逐級驗證的思想值得借鑒。此外，在AIR5120提出的試驗項目基礎上，還應對EMS進行環(huán)境試驗，以確定工作環(huán)境對電子元器件可靠性的影響。提出具體試驗項目與要求建議如下。

4.2.1 環(huán)境試驗

主要針對EMS的機載部分進行環(huán)境試驗。由于機上工作環(huán)境復雜，EMS應保證能準確記錄各狀態(tài)參數(shù)，試驗可按照GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》等標準進行。對非機載部分，可由制造方和用戶協(xié)商決定。

4.2.2 仿真測試

主要針對EMS各項功能的算法邏輯進行測試，為盡量模擬真實工作狀態(tài)，最好采用真實的發(fā)動機和飛行數(shù)據(jù)。

4.2.3 平臺測試

在平臺測試階段，應完成對EMS各主要功能的驗證，包括輸入/輸出功能、傳感器特性、診斷性能、數(shù)據(jù)存儲及其它特殊功能。

4.2.4 鐵鳥試驗

主要針對EMS的故障告警能力進行測試。此外，還應完成機載設備內(nèi)容的數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)與飛機之間數(shù)據(jù)傳輸以及能否對機載設備的總線命令做出正確反應等試驗。

4.2.5 發(fā)動機試車（地面臺和高空臺）

充分地利用發(fā)動機各種類型的試車，驗證EMS在真實的發(fā)動機運轉(zhuǎn)條件下的可靠性，為達到試驗目的，應詳細記錄EMS在試驗過程中的整體性能數(shù)據(jù)和信息，主要包括故障編碼的精度、漏檢的發(fā)動機故障和關鍵零部件的壽命情況。

4.2.6 飛行試驗

飛行試驗主要檢驗EMS在實際飛行條件下的適應性、匹配性和可靠性等。在飛行試驗過程中應完成的工作包括航空電子設備系統(tǒng)綜合試驗、裝配后的地面試驗、軟件有效性確認和修正、發(fā)動機維修和后勤保障一體化、建立個人操作系統(tǒng)的技能培訓設施、初步評估故障分析指南和發(fā)現(xiàn)并修理故障的程序。

5 服役后的可靠性增長

5.1 服役期內(nèi)可靠性增長的意義

服役階段是實現(xiàn)EMS可靠性增長的重要過程，在使用過程中可驗證設計階段制定的可靠性目標能否實現(xiàn)。AIR5120將該階段視為產(chǎn)品改進的最后機會，通過設計方與用戶之間的良好溝通，將試驗驗證期間沒有暴露的和設計階段未曾預料的問題解決。同時，在服役期內(nèi)，EMS新升級的功能、設計方擴充的經(jīng)驗和知識基礎、使用過程中發(fā)現(xiàn)的不曾預見的故障、新開發(fā)的診斷技術(shù)和用戶提出的新要求等都為EMS可靠性的再次提升設立了目標或提供了方法。這些工作將為后續(xù)型號EMS的研制提供寶貴的經(jīng)驗，而設計方與用戶都將從中獲益。

5.2 服役期內(nèi)可靠性增長的主要工作

長期以來，國內(nèi)設計單位在產(chǎn)品通過設計定型后就不再跟蹤產(chǎn)品服役過程，完全由用戶根據(jù)用戶手冊管理和使用產(chǎn)品。除了參與排故外，設計人員幾乎不介入產(chǎn)品的成熟過程，這種方式降低了產(chǎn)品可靠性提升的效率，不利于后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)。國內(nèi)EMS標準中應明確提出服役期內(nèi)可靠性增長的要求，在這些要求中應規(guī)定設計方的工作，包括制定詳細的可靠性增長計劃，收集產(chǎn)品使用、維護、運輸、存儲期間的有關數(shù)據(jù)和信息，以便于產(chǎn)品投入使用后，根據(jù)實際使用情況對系統(tǒng)硬件、軟件以及用戶操作等設計進行完善。同時針對EMS本身，還應重點完成以下工作：

●檢查系統(tǒng)性能是否能達到應有的作用；

●定期檢查系統(tǒng)功能；

●對已知的故障模式進行分析和評估；

●利用發(fā)動機檢查和分解的結(jié)果驗證EMS可靠性；

●提供附加功能；

●評估EMS各項功能必要性。

其中，評估EMS各項功能的必要性是指隨著技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動機實際應用情況評估在設計階段確定EMS各項功能是否起到預期的作用。開展這些工作得到的結(jié)論將促進今后EMS可靠性設計水平的提高。

6 結(jié)束語

航空發(fā)動機監(jiān)視系統(tǒng)可實現(xiàn)維修策略從經(jīng)驗型的定期維修向更科學的視情維修發(fā)展，進而提高發(fā)動機全壽命周期內(nèi)的安全性、保障性和經(jīng)濟性。隨著國內(nèi)技術(shù)發(fā)展和要求的提出，研發(fā)獨立的EMS已成為必然。本文通過結(jié)合我國現(xiàn)階段EMS可靠性設計實際，對AIR5120中EMS可靠性設計思想、人為因素、試驗驗證、可靠性增長等技術(shù)內(nèi)容進行了分析，認為應盡快編制我國的EMS可靠性標準，并納入本文對上述重要條款的分析結(jié)論，以便更好地開展EMS可靠性設計工作。