黃加陽，左洪福，蔡 景，閆洪勝

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191； 2.上海民用飛機(jī)健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上海 200241；3.南京航空航天大學(xué)，南京 211106)

【后勤保障與裝備管理】

基于參數(shù)漂移的機(jī)載設(shè)備檢測間隔優(yōu)化

黃加陽1,2，左洪福3，蔡 景3，閆洪勝3

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191； 2.上海民用飛機(jī)健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上海 200241；3.南京航空航天大學(xué)，南京 211106)

為提高具有參數(shù)漂移特征設(shè)備的可靠度，開展了基于參數(shù)漂移的檢測間隔優(yōu)化研究。針對設(shè)備參數(shù)存在隨機(jī)干擾的現(xiàn)象，采用異常值檢驗(yàn)法，研究了干擾參數(shù)的剔除方法；以剔除異常值后的參數(shù)為基礎(chǔ)，采用無偏估計(jì)方法，對設(shè)備參數(shù)的漂移系數(shù)和擴(kuò)展系數(shù)進(jìn)行了估計(jì)研究；建立了可靠度與參數(shù)漂移量之間的定量關(guān)系，根據(jù)設(shè)備的可靠度的要求，優(yōu)化得到檢測間隔值，通過實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

參數(shù)漂移；檢測；間隔；優(yōu)化

大量的電子設(shè)備在實(shí)際工程應(yīng)用中由于自身性能退化或者受到使用環(huán)境，譬如電流、電壓、濕度、溫度和振動等的影響，會存在參數(shù)漂移的現(xiàn)象[1-2]。如參數(shù)的漂移被限定在一定的范圍內(nèi)，通常不會造成設(shè)備的故障；但是，隨著設(shè)備使用時間的增加，或者使用環(huán)境的惡化，參數(shù)漂移的偏離速度和波動幅度逐漸提高。當(dāng)參數(shù)漂移超過規(guī)定的范圍時，就會導(dǎo)致可靠度降低，甚至設(shè)備失效。

為了避免設(shè)備失效事件的發(fā)生，需要定期檢測設(shè)備的參數(shù)。如果檢測間隔過長，那么很多設(shè)備在檢測之前就已經(jīng)發(fā)生參數(shù)嚴(yán)重漂移導(dǎo)致大量失效事件發(fā)生；如果檢測間隔過短，會導(dǎo)致過多的干預(yù)設(shè)備運(yùn)行并且使得相應(yīng)的人力和成本增加。因此，有必要根據(jù)設(shè)備已有的檢測數(shù)據(jù)，優(yōu)化得到一個合理的設(shè)備檢測間隔[3]。

在已有的設(shè)備檢測數(shù)據(jù)中，有些數(shù)據(jù)屬于異常數(shù)據(jù)，是由于突發(fā)因素或者偶發(fā)因素造成的，譬如外界某個強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場的隨機(jī)干擾，這種干擾會引起參數(shù)的大幅度漂移，但持續(xù)時間較短，而且隨著干擾的消失，參數(shù)波動會回到原有的水平。因此，隨機(jī)干擾通常不會造成設(shè)備的功能故障。但是這些受隨機(jī)因素干擾的參數(shù)值需從已有數(shù)據(jù)中剔除，以免對設(shè)備整體參數(shù)的漂移研究以及檢測間隔優(yōu)化造成影響。

為此，本文首先采用異常值檢驗(yàn)法，剔除受隨機(jī)因素干擾的參數(shù)值。在此基礎(chǔ)上，采用無偏估計(jì)，對設(shè)備參數(shù)的漂移系數(shù)和擴(kuò)展系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。最后，建立可靠度與參數(shù)漂移量的定量關(guān)系，從而優(yōu)化得到特定可靠度要求下的檢測間隔值，并進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

1 參數(shù)的異常檢驗(yàn)

在實(shí)際工程中，工程技術(shù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常會從技術(shù)或者物理層面判斷一個設(shè)備的參數(shù)是否屬于異常值。但是在設(shè)備量或參數(shù)記錄數(shù)非常多的情況下，這種基于經(jīng)驗(yàn)的方法，有時會變得難以執(zhí)行，而基于統(tǒng)計(jì)的異常值剔除法相對更加有效。

異常數(shù)值檢驗(yàn)方法有很多，比較通用的方法有：奈爾檢驗(yàn)法、格拉布斯檢驗(yàn)法、狄克遜檢驗(yàn)法、偏度-峰度檢驗(yàn)法、Fisher型統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法、G和D型統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法等。雖然方法各不相同，但找出異常值的效果基本類似。本文采用相對通用的奈爾檢驗(yàn)法，對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行異常數(shù)值檢驗(yàn)。奈爾檢驗(yàn)法有上側(cè)情形檢驗(yàn)法、下側(cè)情形檢驗(yàn)法和雙側(cè)情形檢驗(yàn)法之分[4-6]。本文采用更具代表性的雙側(cè)情形檢驗(yàn)法進(jìn)行異常檢驗(yàn)，假定有n個按檢測間隔期T，多次檢測得到的設(shè)備參數(shù)的樣本值，排列序列為

(1)

(2)

根據(jù)以上的步驟，可以對剔除異常值的參數(shù)序列進(jìn)行進(jìn)一步的異常值檢驗(yàn)，直至沒有異常值為止。

2 設(shè)備可靠度與參數(shù)漂移量的定量關(guān)系

2.1 漂移參數(shù)的估計(jì)

假定設(shè)備在0時刻，參數(shù)完全正常，處于原點(diǎn)x0。經(jīng)過時間T進(jìn)行檢測， 檢測得到的參數(shù)值x(T)，參數(shù)漂移量記為Δx(T)，即

經(jīng)過大量的實(shí)踐統(tǒng)計(jì)表明Δx(T)服從均值為C·T，方差為D·T的正態(tài)分布[7-8]，即

其中:C為設(shè)備參數(shù)的漂移系數(shù)；D為設(shè)備參數(shù)的擴(kuò)展系數(shù)。

由于x(T)=x0+Δx(T)，因此x(T)服從

(3)

假定經(jīng)過異常值檢驗(yàn)后得到的樣本容量為m(m≤n)，對應(yīng)的樣本分別為

因此，可得

(4)

因此，可得

(5)

2.2 設(shè)備可靠度與參數(shù)漂移量

假定設(shè)備允許的參考變化范圍是[xL,xH]；xL,xH分別為參數(shù)允許的最小值和最大值。參數(shù)從原點(diǎn)x0開始，經(jīng)過一定時間T后，參數(shù)值x(T)依舊處于[xL,xH]范圍內(nèi)的概率，即為設(shè)備的可靠度R(T)。顯而易見，隨著檢測間隔T的增加，x(T)處于[xL,xH]范圍內(nèi)的概率減少，因此，必須要選擇合適的間隔T值，確保設(shè)備的可靠度[9]。

根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)性質(zhì)，可得

(6)

式中φ(x)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。因此，根據(jù)設(shè)備的可靠度要求Rreq值，可以反推得到設(shè)備的檢測間隔T*值。

3 實(shí)例分析

已知某發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的燃油泵額定的壓力允許變化范圍為(45 MPa,55 MPa)。該部件原定的檢測間隔是30天，每次檢測得到的數(shù)據(jù)如表1所示，檢測后通過修復(fù)壓力恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值x0=48 MPa。

表1 燃油泵30天的壓力檢測值

3.1 異常參數(shù)的剔除

根據(jù)式(1)和式(2)可以得到

表2列出了部分奈爾檢驗(yàn)法臨界值，從表2可以看出，如果取檢出水平α=5%，則可得

R1-0.05/2(30)=3.089

表2 奈爾檢驗(yàn)法臨界值(部分)

圖1 檢測參數(shù)序列及異常值

剔除異常值以后，重新進(jìn)行奈爾檢驗(yàn)，根據(jù)式(1)和式(2)可以得到

根據(jù)奈爾檢驗(yàn)法的判定準(zhǔn)則，重新判定為無異常值存在。

3.2 參數(shù)漂移參數(shù)的估計(jì)

基于表1中除去序號26的檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，按照式(4)和式(5)，分別可得

所以，根據(jù)式(3)，可知x(T)服從

x(T)～N(50+0.055 2·T,0.136 4·T)

3.3 檢測間隔的優(yōu)化

根據(jù)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的燃油泵額定壓力允許的變化范圍可知：xL=45 MPa，xH=55 MPa。所以，根據(jù)式(6)可得

(7)

由式(7)可以得到可靠度R(T)與檢測間隔T的關(guān)系如圖2所示。

圖2 可靠度R(T)與檢測間隔T的關(guān)系

根據(jù)圖2，可以得到特定可靠度條件下的檢測間隔值，譬如：設(shè)備的可靠度要求為0.99或0.98，那么對應(yīng)得到的檢測間隔

根據(jù)以上的研究，就可以根據(jù)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)燃油泵的不同使用可靠性要求，優(yōu)化調(diào)整檢測間隔。

4 結(jié)束語

針對具有參數(shù)漂移特征的設(shè)備，利用已有的設(shè)備檢測參數(shù)，通過研究異常值檢驗(yàn)法，以及基于無偏估計(jì)的參數(shù)漂移系數(shù)和擴(kuò)展系數(shù)的估計(jì)方法，建立了設(shè)備可靠度與參數(shù)漂移量的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備檢測間隔值的優(yōu)化，對設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

[1] 翟亞利，張志華，李大偉.具有漂移特征的退化可靠性評估方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2014(10):2710-2715.

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(責(zé)任編輯 唐定國)

Inspection Interval Optimization Method of Airborne Equipment with Parameters Drift Feature

HUANG Jia-yang1,2，ZUO Hong-fu3，CAI Jing3，YAN Hong-sheng3

(1.Beihang University, Beijing 100191, China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Civil Aircraft Health Monitoring, Shanghai 200241, China； 3. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China)

In order to improve the reliability of the equipment with parameter drift, the optimization of the inspection interval based on the parameter drift was carried out. Firstly, accordingly to the phenomenon of random interference existing in collecting equipment parameters, outlier test method was applied to eliminate the data with random interference; Secondly, based on the remaining parameters without random interference, unbiased estimation method was studied to obtain drift coefficient and expansion coefficient of parameters; Finally, the quantitative relationship between reliability and parameter drift was researched to optimize the inspection interval of equipment based on required reliability of the equipment, and the method was verified by an example.

parameters drift; inspection; interval; optimization

2016-10-12；

2016-11-15 作者簡介：黃加陽(1983—),男,碩士,高級工程師,主要從事民機(jī)可靠性分析與健康管理研究。

10.11809/scbgxb2017.03.023

黃加陽，左洪福，蔡景.基于參數(shù)漂移的機(jī)載設(shè)備檢測間隔優(yōu)化[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(3):101-103.

format:HUANG Jia-yang，ZUO Hong-fu，CAI Jing, et al.Inspection Interval Optimization Method of Airborne Equipment with Parameters Drift Feature[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):101-103.

TB114.3

A

2096-2304(2017)03-0101-03