林偉賢

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

民機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

林偉賢

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

基于民用飛機(jī)可靠性參數(shù)體系研究、民用飛機(jī)可靠性參數(shù)指標(biāo)確定與優(yōu)化方法研究、民用飛機(jī)可靠性實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究的各項(xiàng)研究成果基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)基于簽派可靠度的民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)可靠性參數(shù)選擇、指標(biāo)確定與優(yōu)化，證據(jù)源數(shù)據(jù)處理、可靠性評(píng)價(jià)等主要功能。

簽派可靠度；相似法；仿真法；可靠性指標(biāo)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國民用航空也進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展階段，伴隨而來的航班延誤事件日趨嚴(yán)重，因航班延誤導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益與服務(wù)質(zhì)量的核心問題。航空公司在引入新的機(jī)型時(shí)，該機(jī)型的簽派可靠度成為航空公司考慮的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。

國外對(duì)于航班延誤經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算方法通常有兩種，一是建立延誤統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，對(duì)延誤等級(jí)進(jìn)行評(píng)估；二是利用航空器運(yùn)營(yíng)成本直接估算其延誤損失，并在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算旅客的時(shí)間價(jià)值分析航班延誤給旅客造成的經(jīng)濟(jì)損失。但兩種方法都未針對(duì)民機(jī)簽派可靠度這一重要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。

民機(jī)的簽派可靠度反映了飛機(jī)及其系統(tǒng)功能的可使用性，直接影響航空公司的運(yùn)營(yíng)收入，是商用飛機(jī)營(yíng)運(yùn)的主要使用目標(biāo)，并且用戶的期望值/要求使得這一問題在飛機(jī)實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)具有特別的重要性。如何合理地評(píng)估系統(tǒng)的簽派可靠度和其對(duì)航空公司運(yùn)營(yíng)效益影響成為一個(gè)急需解決的問題。

本文從民機(jī)系統(tǒng)的簽派可靠度入手，基于民用飛機(jī)可靠性參數(shù)體系研究、民用飛機(jī)可靠性參數(shù)指標(biāo)確定與優(yōu)化方法研究、民用飛機(jī)可靠性實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究的各項(xiàng)研究成果基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)基于簽派可靠度的民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。通過系統(tǒng)建立一套完備的以簽派可靠度為頂層要求的可靠性參數(shù)體系，并利用相似法、仿真法、權(quán)衡優(yōu)化法等算法對(duì)飛機(jī)可靠性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，最終為民用飛機(jī)可靠性水平（可靠性工作）的提高提供基礎(chǔ)服務(wù)。

1 系統(tǒng)功能分析

基于簽派可靠度的民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了民用飛機(jī)可靠性參數(shù)選擇、指標(biāo)確定與優(yōu)化，證據(jù)源數(shù)據(jù)處理、可靠性評(píng)價(jià)等主要功能，可以為民用飛機(jī)主集成商開展基于簽派可靠度的可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供演示范例與工具支持。

系統(tǒng)的模塊構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分層

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)成B/S（瀏覽器/服務(wù)器模式）架構(gòu)的Web（互聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用系統(tǒng)，采用Java語言開發(fā)。基于MVC（Model View Controller）的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)分為3層，分別為客戶顯示層、前端控制層、業(yè)務(wù)邏輯層。其中客戶顯示層基于JSP（Java Server Pages）技術(shù)及MiniUI框架實(shí)現(xiàn)前端展示界面；業(yè)務(wù)邏輯層中Model（模型）會(huì)通過Dao（數(shù)據(jù)持久層）去訪問數(shù)據(jù)庫；前端控制層會(huì)從Model中取數(shù)據(jù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯選擇合適的View（視圖）呈現(xiàn)給客戶端。同時(shí)系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了額外的支撐模塊，如工具層，主要提供包括日期轉(zhuǎn)換、字符串處理、加解密、解壓縮、Excle導(dǎo)入導(dǎo)出、文件文件夾處理等服務(wù)；算法庫集成了可靠性分析與評(píng)價(jià)所涉及的算法，為可靠性確定提供支持。

2.2 體系架構(gòu)

體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 體系架構(gòu)

3 核心模塊分析與實(shí)現(xiàn)

3.1 基于相似法的飛機(jī)可靠性確定模塊

該模塊用于在民機(jī)方案階段確定當(dāng)前機(jī)型的簽派可靠度，主要基于相似產(chǎn)品類比和德爾菲相結(jié)合的方法計(jì)算得出。

輸入?yún)?shù)：相似機(jī)型、相似機(jī)型簽派可靠度、專家評(píng)分表。其中專家評(píng)分表主要對(duì)運(yùn)營(yíng)使用要求、單次飛行時(shí)長(zhǎng)、復(fù)雜程度、可靠性的改進(jìn)程度、使用保障能力等影響因素進(jìn)行打分。

輸出結(jié)果：當(dāng)前機(jī)型的簽派可靠度Qi。

3.1.1 計(jì)算過程

3.1.1.1 確定影響因素的權(quán)重

根據(jù)n名專家對(duì)所有m個(gè)影響因素的權(quán)重系數(shù)的打分，Kij為權(quán)重系數(shù)（i=1,2，……，n；j=1,2，……，m），分別計(jì)算出各因素的權(quán)重aj：

3.1.1.2 計(jì)算綜合評(píng)分

根據(jù)專家對(duì)各個(gè)影響因素的評(píng)分，計(jì)算綜合評(píng)分

如有多名專家進(jìn)行評(píng)分，則δi取所有專家評(píng)分的平均值。

3.1.1.3 得到當(dāng)前機(jī)型的簽派可靠度

式（2）、（3）中：C為參數(shù)的綜合評(píng)分；δi為該參數(shù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)欄的分?jǐn)?shù)值；Q0為相似產(chǎn)品的簽派可靠度。

3.1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

●開發(fā)專家評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)模塊，用于定義影響因素的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于影響因素區(qū)分正相關(guān)與負(fù)相關(guān)，都設(shè)定5個(gè)等級(jí)，分別為較低、稍低、相同、稍高和較高。正相關(guān)滿足較低δ1到較高δ5遞增，負(fù)相關(guān)滿足較低δ1到較高δ5遞減。

●開發(fā)影響因素維護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)影響因素的增加、修改、刪除。常見影響因素有運(yùn)營(yíng)使用要求、單次飛行時(shí)長(zhǎng)、復(fù)雜程度、可靠性的改進(jìn)程度、使用保障能力。添加時(shí)需要同時(shí)定義其相關(guān)類型（正相關(guān)、負(fù)相關(guān)）及狀態(tài)（有效、無效）。

●開發(fā)相似法確定可靠性模塊，用于保存相似機(jī)型、相似機(jī)型簽派可靠度、專家評(píng)分及計(jì)算當(dāng)前機(jī)型簽派可靠度。專家評(píng)分主要記錄專家名稱及該專家對(duì)于影響因素的權(quán)重指數(shù)確定及相應(yīng)評(píng)分，最終計(jì)算出當(dāng)前機(jī)型的簽派可靠度。

系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

計(jì)算后自動(dòng)保存計(jì)算結(jié)果和計(jì)算時(shí)間，在下次

計(jì)算時(shí)顯示上次計(jì)算結(jié)果。

圖3 相似法確定可靠性

3.2 基于仿真的飛機(jī)可靠性指標(biāo)確定模塊

該模塊用于在民機(jī)研制詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，分析影響簽派可靠度的各種因素，通過調(diào)用Matlab仿真算法程序進(jìn)行計(jì)算，確定飛機(jī)的可靠性指標(biāo)。輸入?yún)?shù)如表1，輸出結(jié)果如表2，仿真計(jì)算過程如圖4所示。

系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

表1 仿真輸入?yún)?shù)

表2 飛機(jī)簽派可靠度指標(biāo)

圖4 仿真計(jì)算過程

圖5 仿真法確定可靠性

3.3 飛機(jī)可靠性指標(biāo)分配模塊

該模塊的主要功能是將相似法、仿真法、權(quán)衡優(yōu)化法確定的飛機(jī)的可靠性指標(biāo)分解到系統(tǒng)級(jí)及以下層級(jí)。

模塊功能設(shè)計(jì)如圖6所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下：

●輸入?yún)?shù)：飛機(jī)的簽派可靠度DRAricraft、各個(gè)ATA章節(jié)中對(duì)簽派有影響的失效狀態(tài)數(shù)量NSystemi。

●輸出結(jié)果：系統(tǒng)簽派可靠度DRSystemi。

●計(jì)算過程如下所示：

其中：DIRSystemi為系統(tǒng)簽派中斷率，DIRAircraft為飛機(jī)簽派中斷率。

圖6 可靠性指標(biāo)分配

3.4 民用飛機(jī)可靠性評(píng)價(jià)模塊

民用飛機(jī)可靠性評(píng)價(jià)模塊的主要功能是：以可靠性設(shè)計(jì)模塊中獲得產(chǎn)品各研制階段可靠性數(shù)據(jù)為輸入，將可靠性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為證據(jù)評(píng)價(jià)依據(jù)，最后基于建立的產(chǎn)品可靠性證據(jù)框架及評(píng)估模型，利用可靠性證據(jù)框架和設(shè)計(jì)活動(dòng)的關(guān)系、可靠性數(shù)據(jù)的證據(jù)轉(zhuǎn)化算法及各層級(jí)產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)算法對(duì)各層級(jí)產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行評(píng)估。

可靠性評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示（MTBF為平均故障間隔時(shí)間）。

3.4.1 可靠性參數(shù)體系建立

主要用于對(duì)基礎(chǔ)模塊中維護(hù)的所有可靠性參數(shù)進(jìn)行適用性定義。常用可靠性參數(shù)包括：設(shè)備數(shù)量、簽派可靠度、簽派中斷率、虛警率、故障檢測(cè)率、故障隔離率、平均故障間隔時(shí)間、平均故障間隔飛行時(shí)間；適用性主要分為整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)。

圖7 可靠性評(píng)價(jià)過程

3.4.2 產(chǎn)品樹管理

根據(jù)ATA中對(duì)民機(jī)系統(tǒng)的分類，建立通用產(chǎn)品樹。對(duì)于供應(yīng)商提供的系統(tǒng)或設(shè)備，進(jìn)行標(biāo)識(shí)，為可靠性評(píng)價(jià)計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及便于后續(xù)的民用飛機(jī)供應(yīng)商監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品樹節(jié)點(diǎn)的核心信息包括節(jié)點(diǎn)類型、名稱、編碼、失效狀態(tài)數(shù)量、供應(yīng)商，而節(jié)點(diǎn)的可靠性參數(shù)則由可靠性參數(shù)體系建立模塊中的適用性進(jìn)行自動(dòng)分配。

3.4.3 可靠性評(píng)價(jià)

3.4.3.1 設(shè)備MTBF評(píng)價(jià)

（1）基于貨架產(chǎn)品數(shù)據(jù)的MTBF評(píng)價(jià)

●輸入?yún)?shù)：設(shè)備數(shù)量n、運(yùn)營(yíng)時(shí)間T、故障數(shù)r、置信度γ、卡方分布x。

●輸出結(jié)果：評(píng)估值點(diǎn)估計(jì)MTBF、評(píng)估值下限估計(jì)MTBFL。

●計(jì)算過程如式（7）、（8）所示：

（2）基于相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的的MTBF評(píng)價(jià)

●輸入?yún)?shù)：相似設(shè)備數(shù)量n、置信度γ、相似

因子η、相似產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)時(shí)間T、相似產(chǎn)品故障數(shù)r。

●輸出結(jié)果：評(píng)估值點(diǎn)估計(jì)MTBF、評(píng)估值下限估計(jì)MTBFL。

●計(jì)算過程如式（9）、（10）所示：

3.4.3.2 系統(tǒng)MTBF評(píng)價(jià)

● 輸入?yún)?shù)：

n個(gè)設(shè)備（或系統(tǒng)）的MTBF1，MTBF2，……MTBFn。

n個(gè)設(shè)備（或系統(tǒng)）的數(shù)量m1，m2，……mn。

●輸出結(jié)果：系統(tǒng)的MTBF。

●計(jì)算過程如式（11）所示：

3.4.3.3 設(shè)備簽派可靠度評(píng)價(jià)

●輸入?yún)?shù)：組件數(shù)量Q、組件失效率λ、失效探測(cè)因子F、飛行和滑進(jìn)階段的平均時(shí)T1、滑出階段的平均時(shí)間T2、組件失效模式的簽派因子M、主最低設(shè)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(jié)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(fù)因子SFP、機(jī)件和備件可用性因子M&SAF。

●輸出結(jié)果：設(shè)備的簽派可靠度DRCompZ。

●計(jì)算過程如式（12）所示：

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

2）機(jī)件和備件可用性因子M&SAF假設(shè)為1；

3）DIRCompZ為設(shè)備簽派中斷率，M*為MMEL各因子影響計(jì)算值；

3.4.3.4 系統(tǒng)簽派可靠度評(píng)價(jià)

●輸入?yún)?shù)：設(shè)備簽派可靠度DRCompi、系統(tǒng)包含的設(shè)備數(shù)量N。

●輸出結(jié)果：系統(tǒng)的簽派可靠度DRSystemZ?！裼?jì)算過程如式（15）所示：

4 結(jié)束語

本文從應(yīng)用的角度出發(fā)，利用已完成民用飛機(jī)可靠性參數(shù)體系研究、民用飛機(jī)可靠性參數(shù)指標(biāo)確定與優(yōu)化方法研究、民用飛機(jī)可靠性實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究的各項(xiàng)研究成果，基于民機(jī)系統(tǒng)的簽派可靠度，設(shè)計(jì)開發(fā)了民用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相似法、仿真法、權(quán)衡優(yōu)化法確定飛機(jī)可靠性，飛機(jī)可靠性指標(biāo)分配，飛機(jī)可靠性評(píng)價(jià)等，為提高民機(jī)的可靠性水平及民機(jī)集成商開展基于簽派可靠度的可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)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