石旭東, 成博源, 黃 琨, 楊占剛

(中國民航大學電子信息與自動化學院, 天津 300300)

0 引 言

飛機電源系統(tǒng)為機上用電設備提供電能,發(fā)生故障若不能及時檢測并得到有效處理,可能會導致關(guān)聯(lián)的負載設備損壞或失效,進而危及飛行安全。隨著“多電飛機”概念的提出和發(fā)展, 電力驅(qū)動正在逐步取代傳統(tǒng)的液壓、氣壓、機械系統(tǒng), 機載用電設備也越來越多, 對飛機電源系統(tǒng)的安全性、可靠性也提出了更高的要求。而整體驅(qū)動發(fā)電機(integrated drive generator,IDG)是飛機電源系統(tǒng)的重要組成部分,其性能直接關(guān)系到飛機的安全運行,因此對IDG進行風險評價提前預估可能發(fā)生的故障模式及其風險水平具有重要意義。

飛機電源系統(tǒng)的風險評價是對收集、整理的風險信息深入分析,識別其中的不確定因素,分析有關(guān)事件可能帶來的損失及可能發(fā)生的概率,評估各故障的風險程度。飛機常用的風險評價的方法有失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis,FMEA)、故障樹分析(fault tree analysis,FTA)和層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)等。本文采用的FMEA法是最常用的風險評價方法,被廣泛應用于飛機電源系統(tǒng)。江亮亮對飛機電源系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)、功能和故障分析,建立簡化的FMEA表格。徐宇恒對西門諾爾飛機電源系統(tǒng)各故障模式進行FMEA分析,從而得出各故障模式的風險大小,并對各故障模式風險值進行排序。陳源對無人機供電系統(tǒng)進行FMEA 分析,利用模糊綜合評判方法對供電系統(tǒng)故障進行風險評價。但上述研究大多只是將FMEA方法簡單應用到飛機電源系統(tǒng)上,并沒有考慮到傳統(tǒng)FMEA風險評價指標很難被精準評估以及風險優(yōu)先數(shù)(risk priority number,RPN)計算中存在的缺陷。

飛機電源系統(tǒng)主要包括IDG、輔助電源(auxiliary power unit,APU)、應急電源和二次電源等。 2018～2019年某航空公司某機型飛機電源系統(tǒng)共發(fā)生217次故障,其中IDG發(fā)生故障87次,占飛機電源系統(tǒng)故障的48.60%。因此,IDG作為飛機電源系統(tǒng)高發(fā)故障組件進行風險評價具有重要意義,而傳統(tǒng)FMEA沒有考慮到風險評價指標的不精確性和風險優(yōu)先數(shù)簡單相乘帶來的缺陷。基于此,本文選取嚴重度、發(fā)生度和探測度3個風險評價指標,在傳統(tǒng)FMEA的基礎上,通過引入模糊理論和逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS),提出一種模糊TOPSIS-FMEA方法對飛機電源系統(tǒng)重要組件IDG進行風險評價,驗證方法的實用性和有效性。

1 IDG故障模式分析

IDG 采用一體化設計將恒速傳動裝置(constant speed drive,CSD)和航空三級無刷交流同步發(fā)電機集成為一體。對某型飛機IDG進行功能與結(jié)構(gòu)分析,得到IDG的主要故障模式與故障原因如表1所示。

表1 IDG主要故障模式與故障原因

2 模糊TOPSIS-FMEA風險評價

傳統(tǒng)FMEA主觀性較強,沒有考慮到風險評價指標固有的模糊性,可以將模糊思想引入加以改進。FMEA本質(zhì)是多目標決策(multiple-criteria decision making,MCDM)問題。而TOPSIS是一種多目標多屬性決策方法,其源自最純粹的多準則決策(multiple-criteria decision analysis, MCDA)思想,可以用來解決FMEA中RPN簡單相乘帶來的弊端。李新月等提出一種模糊語境和失效模式與失效原因關(guān)聯(lián)性的FMEA 風險評估方法。鄒運在模糊 FMEA 法中加入修正度 F。為了處理復雜系統(tǒng)中的不確定性,一些建模領(lǐng)域?qū)＜沂褂脭?shù)學工具來處理不確定性和模糊性。結(jié)合上述研究,本文提出了一種模糊TOPSIS-FMEA方法來對IDG進行風險評價,主要步驟如圖1所示。

圖1 模糊TOPSIS-FMEA法主要步驟

步驟 2.1中三角模糊數(shù)的書寫形式為

=(,,)

(1)

式中:、、分別表示三角模糊數(shù)的左端點、中點、右端點。

模糊語言集的3個風險評價指標為發(fā)生度(O)、嚴重度(S)和探測度(D)。

步驟 23中要求計算專家的評價權(quán)重。各專家的資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗和熟悉程度會影響評價結(jié)果的一致性和準確性,因此需要確定各專家的權(quán)重向量。文獻[18]提出的專家小組評價方法,專家評價權(quán)重分配如表2所示。

表2 專家評價權(quán)重分配

將專家的資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗、熟悉程度3個項目的得分相加,得到專家的評價權(quán)重為

(2)

式中:表示專家資質(zhì)水平項目得分;表示專家工作經(jīng)驗項目得分;表示專家熟悉程度項目得分;表示專家的總數(shù)。則專家的權(quán)重向量為

=[,,…,]

(3)

步驟 24中專家對故障模式的某一風險評價指標的三角模糊評價為

=(,,)

則故障模式這一風險評價指標的去模糊化評價結(jié)果為

(4)

式中：為人為選定的加權(quán)系數(shù),本方法使用權(quán)重向量中不同專家對應的權(quán)重系數(shù)作為加權(quán)系數(shù)。

標準化后得到加權(quán)判斷矩陣:

(5)

式中:第1、2、3行分別代表對O、S和D的評價;第(=1,2,…,)列代表的故障模式的評價值。

步驟 31中風險評價指標正理想解為加權(quán)判斷矩陣中該指標對應列的最大值,負理想解為該指標對應列的最小值,若評價對象最靠近正理想解,同時又最遠離負理想解,則為最好。

(6)

(7)

(8)

值越大表示故障模式的危害性越大,需要重視的程度也越高。將相對貼近度從大到小排序,可以得到各故障模式的風險水平排序。

3 IDG風險評價

3.1 IDG故障模式及影響分析

針對表1所述的CSD輸出故障、PMG故障、激勵器故障、旋轉(zhuǎn)整流器故障、主發(fā)電機故障、發(fā)動機控制組件故障模式,設置模糊術(shù)語集,如表3所示。

表3 模糊語言術(shù)語

邀請三位專家對IDG的6種故障模式使用表3的模糊語言術(shù)語進行評價,評價結(jié)果如表4所示。

表4 專家模糊語言評價結(jié)果

上述各故障模式的評價結(jié)果由3個專家完成,根據(jù)式(2)和式(3)計算得到3位專家的權(quán)重向量為

=[029,057,014]

將O、S、D的三角模糊評估結(jié)果去模糊化,標準化后得到IDG故障模式的加權(quán)判斷矩陣:

3.2 IDG故障模式風險水平排序

表5 各故障模式與正負理想解歐氏距離

根據(jù)式(8)計算各故障模式相對貼近度,標準化后的結(jié)果如表6所示。

表6 IDG各故障模式風險水平排序

通過使用模糊TOPSIS-FMEA風險評價方法可以得出,對IDG危害性最大的是旋轉(zhuǎn)整流器故障,危害性最小的是發(fā)動機控制組件故障。

3.3 與傳統(tǒng)FMEA方法對比

為了驗證本文模糊TOPSIS-FMEA方法的優(yōu)越性,采用傳統(tǒng)FMEA方法進行對比。邀請資質(zhì)水平、工作經(jīng)驗和熟悉程度相同的三位專家對飛機IDG進行FMEA評價,各指標評價結(jié)果取3個專家評價的算術(shù)平均值,如表7中傳統(tǒng)FMEA評價1所示。當主發(fā)電機故障的發(fā)生度屬性值由3變?yōu)?時,風險優(yōu)先數(shù)的評價值由90變?yōu)?20,如表中傳統(tǒng)FMEA評價2所示,此時主發(fā)電機故障大于CSD輸出故障的危害度,可以看出一個評價值的細微改變會導致故障模式排序發(fā)生變化。

表7 傳統(tǒng)FMEA評價結(jié)果

將模糊TOPSIS-FMEA法與傳統(tǒng)FMEA方法進行對比分析,評價排序結(jié)果如表8所示。可以看出使用傳統(tǒng)FMEA方法和模糊TOPSIS-FMEA方法對飛機IDG進行風險評價,得到風險水平最高與最低的故障模式保持一致,說明了兩種方法在一定程度上都適用。模糊TOPSIS-FMEA方法通過引入模糊理論和TOPSIS評價方法解決了風險優(yōu)先數(shù)計算時簡單相乘帶來的弊端,也避免了風險評價指標的屬性值發(fā)生微小變化會對最終結(jié)果帶來很大影響的問題,具有一定的優(yōu)越性。

表 8 傳統(tǒng)FMEA與模糊TOPSIS-FMEA評價對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種模糊TOPSIS-FMEA方法對飛機IDG進行風險評價,主要優(yōu)點如下:

(1) 采用專家的模糊語言術(shù)語表征各故障模式的風險評價指標,更符合人們對IDG風險評價的思維習慣。

(2) 不同專家自身知識經(jīng)驗差異會有不同的評價結(jié)果,每個專家的評價相對重要性不同。將專家的評價權(quán)重考慮其中,使得結(jié)果更加合理。

(3) 避免了因出現(xiàn)相同RPN值而導致不能判斷風險水平的情況,也解決了計算RPN時簡單相乘帶來的問題。

本研究有助于維修人員明確飛機IDG各故障模式風險水平的大小,提前準備故障應對措施,也可以為飛機電源系統(tǒng)其他組件風險水平評價提供有效參考。