望　佳，郭政波，肖文富

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

航空裝備試飛風險評價方法及軟件開發(fā)

望佳，郭政波，肖文富

(中國飛行試驗研究院發(fā)動機所，陜西 西安 710089)

摘要：基于“人-機-管理-環(huán)境”的系統(tǒng)工程理論，分析了影響航空裝備試飛風險的各個因素，建立了航空裝備試飛風險評價的指標體系。采用層次分析法、熵值法、模糊綜合評價法等運籌學的基本方法，結(jié)合航空裝備試飛的技術(shù)特點,建立了一套能夠量化評價航空裝備試飛風險的評價方法，并利用C++ Builder開發(fā)了面向?qū)ο蟮脑u價軟件。以某型飛機常規(guī)科目的試飛為例，通過計算得到其試飛風險值為1.22，試飛風險水平處在“低”狀態(tài)，與實際的試飛情況相符合。

關(guān)鍵詞：航空裝備；指標體系；試飛；風險評價；層次分析法

1引言

飛行試驗是一項跨越多系統(tǒng)、多學科、大規(guī)模、高風險的系統(tǒng)工程，安全是完成航空裝備試飛的基礎(chǔ)，更是航空裝備試飛的生命線[1]。近年來，關(guān)于航空裝備試飛的任務(wù)量異常繁重，同時又要保證航空裝備的試飛質(zhì)量和任務(wù)進度，對飛行安全的管理提出了很大的挑戰(zhàn)。航空裝備試飛風險評價是按照科學的程序和方法，對系統(tǒng)中的風險因素、發(fā)生事故的可能性、可能損失與嚴重程度進行調(diào)查研究與分析論證，從而評價航空裝備系統(tǒng)總體的風險狀況以及為制定基本預(yù)防和防護措施提供科學的依據(jù)。

2航空裝備試飛風險評價的指標體系

安全風險是指某一危險因素可能導致潛在后果的嚴重性，它是以事物不確定性為基礎(chǔ)的一種客觀存在。對于航空裝備試飛單位，航空裝備的試飛風險來自于產(chǎn)品前端潛在的設(shè)計和制造缺陷，以及在組織試飛工作的過程中，由于各種事先無法預(yù)料的不確定性因素所帶來的影響，使得國家財產(chǎn)和相關(guān)人員產(chǎn)生了蒙受損失和出現(xiàn)傷害的可能性。

為了客觀、全面、科學地反映、衡量航空裝備的試飛風險及發(fā)展狀況，根據(jù)文獻分析法、試飛從業(yè)人員的觀點以及“目的性、科學性、系統(tǒng)性、相對獨立性、可操作性”等原則，考慮到影響航空裝備試飛風險的主要因素和具體指標，構(gòu)建了航空裝備試飛風險評價的指標體系，如圖1所示。

圖1　航空裝備試飛風險評價指標體系

影響航空裝備試飛風險的主要因素為人員因素、飛機因素、管理因素、環(huán)境因素，將上述4種風險定義為準則層風險，而與之相對應(yīng)的具體風險置于指標層。具體風險可進一步細分，例如駕駛技術(shù)可細分為起飛技術(shù)、著陸技術(shù)、非常規(guī)天氣飛行技術(shù)、特技飛行技術(shù)、應(yīng)急飛行技術(shù)；動力系統(tǒng)可細分為發(fā)動機本體、控制系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、附件系統(tǒng)；飛行實施可細分為飛行計劃、任務(wù)下達與協(xié)調(diào)、飛行準備、開飛前檢查、執(zhí)行飛行、飛行數(shù)據(jù)分析。惡劣天氣可細分低空風切變、高空激流、亂流、雷暴、下?lián)舯┝?、積冰。本文重點介紹航空裝備試飛風險評價的量化方法，故未對具體風險進行進一步細化。

3航空裝備試飛風險評價模型及流程

3.1航空裝備試飛風險評價模型

通過研究航空裝備試飛風險評價的量化方法，提煉出評價模型，如圖2所示。評價模型包含3個方面的內(nèi)容：指標元素權(quán)重的數(shù)值分析，指標元素風險水平的量化分析，航空裝備試飛風險的量化評價。

圖2　航空裝備試飛風險評價模型

對于指標元素權(quán)重的數(shù)值分析，首先是基于準則元素的AHP/EVM(AHP、EVM分別為層次分析法和熵值法的簡稱)展開，最后是基于指標元素的AHP/EVM展開。通過逐層展開，就會獲得指標元素的權(quán)重向量。對于指標元素風險水平的量化分析，是多位專家參照試飛風險等級表量化每一項指標元素的風險值，形成指標元素對試飛風險等級的隸屬度矩陣。對于航空裝備試飛風險的量化評價，關(guān)鍵是權(quán)重向量與隸屬度矩陣的合成運算，同時可以選擇不同的合成算子進行對比分析。

評價模型的建模方法簡單實用，模型功能分區(qū)清楚，而且各部分之間的關(guān)系非常明確。在確定層間關(guān)系和各元素權(quán)重時，可以統(tǒng)一采用AHP/EVM展開。AHP很容易通過元素之間的兩兩對比建立判斷對比矩陣來確定各元素的權(quán)重，其不足之處是，當元素個數(shù)過多時，判斷對比矩陣的一致性有時不容易控制。EVM在求解權(quán)重時相比AHP要方便得多，其不足之處是，權(quán)重值對各元素打分結(jié)果有較高的依賴性，不能夠完全客觀反映各元素的重要程度。

3.2航空裝備試飛風險評價流程

在進行航空裝備試飛風險評價前，必須先確定風險等級的劃分標準。本文將具體指標的風險等級分為5個等級，如表1所示。

表1　航空裝備試飛風險等級

選定圖2所示的航空裝備試飛風險評價模型，并將其應(yīng)用于后續(xù)的航空裝備試飛風險評價算例中。由于航空裝備試飛風險評價的指標體系中不存在未展開的元素，就不用考慮未展開元素對評價流程的影響，其標準的評價流程為：先按照圖2左半部分完成模型分析，求得其指標元素的權(quán)重向量；再按照圖2右半部分完成指標元素風險水平的量化，得到指標元素對風險等級的隸屬度矩陣；最終進行合成運算，得到航空裝備試飛風險值[2]。關(guān)于航空裝備試飛風險評價的具體過程描述如下：

(1)多位專家分別對評價模型每一層中的AHP展開關(guān)系，構(gòu)造相應(yīng)的判斷對比矩陣，并且對所有專家的打分樣本進行均方平均處理。然后對處理后的判斷對比矩陣進行一致性、組合一致性檢驗。若不通過，則需要專家重新構(gòu)造判斷對比矩陣；若通過，則繼續(xù)進行下面的步驟[3]。

(2)應(yīng)用層次分析法(AHP)，采用冪法迭代，依次求解出準則層元素、指標層元素對目標元素的權(quán)重，并獲取指標層元素的權(quán)重向量A={a1,a2,…，am}。

(3)多位專家分別對指標層元素的風險水平進行量化打分，并獲取指標層元素對試飛風險等級的隸屬度矩陣R={rij}m×n。

(4)利用模糊綜合評價法，將指標層元素的權(quán)重向量A={a1,a2,…，am}和試飛風險等級的隸屬度矩陣R={rij}m×n進行合成運算，得到目標元素對試飛風險等級的隸屬度向量，并使用加權(quán)平均原則計算得到航空裝備試飛風險值，將該值比對表1，確定其試飛風險水平。

4軟件及算例

航空裝備試飛風險評價軟件提供了3項功能，分別是評價模型建立、試飛風險評價、數(shù)據(jù)庫管理。

以某型飛機常規(guī)科目的試飛為例，在軟件中建立如圖1所示的航空裝備試飛風險評價指標體系之后，軟件就會自動生成相應(yīng)的評價模型。指標體系按照不同的元素層級分為兩層：準則層按人員因素、飛機因素、管理因素和環(huán)境因素劃分；指標層按具體試飛風險進行劃分。同時，各層之間采用層次分析法展開。層次分析法建立的各層級元素的判斷對比矩陣由專家打分，并對專家打分結(jié)果進行一致性檢驗，然后計算出各層元素的權(quán)重。圖3給出了指標層元素的權(quán)重分析結(jié)果。建立的評價模型和元素的權(quán)重計算結(jié)果儲存至數(shù)據(jù)庫。

基于試飛風險評價模型，生成指標元素風險水平的專家打分表格。多位專家針對某型飛機不同試飛階段的狀態(tài)進行打分，并根據(jù)打分結(jié)果計算得到該型飛機不同試飛階段試飛風險的量化評價結(jié)果，專家打分結(jié)果和試飛風險量化評價結(jié)果儲存至數(shù)據(jù)庫中的動態(tài)庫。

針對某型飛機常規(guī)科目的不同試飛階段，本文進行了3次試飛風險評價，其風險值都處于1.5以下(低風險水平)。隨著試飛階段的推進，其試飛風險值逐漸降低至1.22，如圖4所示。在數(shù)據(jù)庫中，可以很方便地檢索到某型飛機在不同階段的試飛風險量化評價結(jié)果，以及各階段采用的改善措施。據(jù)此繪制試飛風險發(fā)展趨勢，從而實現(xiàn)對航空裝備試飛風險的動態(tài)跟蹤。

圖3　指標層的各項元素權(quán)重

圖4　航空裝備試飛風險評價結(jié)果

5結(jié)論

(1)利用“人-機-環(huán)境-管理”的系統(tǒng)工程理論，分析了影響航空裝備試飛安全的各個因素，建立了航空裝備試飛風險評價的指標體系。

(2)運用運籌學的層次分析、熵值法和模糊綜合評價等方法，并結(jié)合航空裝備試飛的自身特點，實現(xiàn)了對航空裝備試飛風險的量化評估，以及航空裝備在試飛過程中試飛風險的動態(tài)跟蹤。

(3)基于上述研究方法，開發(fā)了航空裝備試飛風險評價軟件。在某型飛機中的應(yīng)用實例表明，航空裝備試飛風險評價軟件能夠?qū)娇昭b備在試飛中的風險進行合理評估，并與實際的試飛情況相符合。

參考文獻

[1]張增民,陳曉敏,馬濤.航空裝備試飛保障質(zhì)量安全評價體系研究[J].質(zhì)量與適航,2011,(2):35-37.

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[3]姜啟源.數(shù)學模型[M].北京:高等教育出版社,1993.

[4]張磊,汪德虎,王曉通,等.基于熵權(quán)的艦炮武器系統(tǒng)維修保障能力模糊綜合評判[J].指揮控制與仿真,2008,30(3):81-84.

Risk Evaluation Method and Software Development for Flight Test of Aviation Equipment

Wang Jia,Guo Zhengbo,Xiao Wenfu

(Engine Department,Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：Based on the systems engineering theory of “People-Machine-Management-Environment”,every factor which influences flight test risk of aviation equipment is analyzed in this article,and a full index system for the quantitative evaluation of flight test risk of aviation equipment is built.A method for quantitative evaluation of flight test risk of aviation equipment is built by combining the characteristics of flight test and the mathematical methodology of operations research which includes analytical hierarchy process,entropy method and fussy comprehensive evaluation method.The object-oriented evaluation software is also developed under the complier environment of C++ builder.Taking conventional subject flight test of an aircraft as an example,the obtained value of 1.22 by calculating flight test risk shows that the flight test risk is in low state,which is consistent with the actual test situation.

Keywords:aviation equipment;index system;flight test;risk evaluation;analytical hierarchy process

[收稿日期]2015-12-31

[作者簡介]望佳(1988—)，男，重慶巫山人，碩士學歷，助理工程師，主要研究方向：航空發(fā)動機工作特性與性能試飛。

中圖分類號：V241.01

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.014