民用飛機隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法研究

戴順安，王　燁，蔡　景

(1.中國民航上海航空器適航審定中心，上海　200335； 2.南京航空航天大學(xué)，南京　211106)

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民用飛機隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法研究

戴順安1，王燁1，蔡景2

(1.中國民航上海航空器適航審定中心，上海200335； 2.南京航空航天大學(xué)，南京211106)

摘要：對隱蔽性故障開展風(fēng)險評估是保持民機持續(xù)適航的重要方面，針對隱蔽性故障的特點，結(jié)合ARP 5150的風(fēng)險評估理念，開展了民用飛機隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法研究，采用帶截尾數(shù)據(jù)的威布爾分布極大似然估計法，利用實際使用維修數(shù)據(jù)確定了隱蔽性故障的故障規(guī)律；分析了影響隱蔽性故障風(fēng)險的因素，建立了新的隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法；最后通過實例，對隱蔽性故障的風(fēng)險進(jìn)行定量評估及比較分析，結(jié)果表明了本方法的有效性和適用性。

關(guān)鍵詞：民用飛機；風(fēng)險；隱蔽性故障；定量評估

本文引用格式：戴順安，王燁，蔡景.民用飛機隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(6):162-165.

Citationformat:DAIShun-an,WANGYe,CAIJing.ResearchonQuantitativeRiskAssessmentMethodforHiddenFailureofCivilAircraft[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):162-165.

由于飛機空勤組在履行正常職責(zé)時，無法發(fā)現(xiàn)飛機的隱蔽性故障，因此隱蔽性故障對飛機而言，存在著重大的安全隱患，成為民機關(guān)注的焦點[1-3]。為了避免隱蔽性故障的發(fā)生，在以ATAMSG-3為指導(dǎo)的維修大綱制定中規(guī)定：“必須選擇有效和適用的維修工作，避免隱蔽故障的發(fā)生，否則必須重新設(shè)計”。對隱蔽故障的重視不僅體現(xiàn)在維修大綱的制定過程中，而且在飛機投入運營后，需持續(xù)評估隱蔽故障的風(fēng)險，在ARP5150的附錄D1.6中對隱蔽性故障進(jìn)行了解釋，并給出了簡單的定量評估隱蔽性故障風(fēng)險的例子。例子中假定故障服從指數(shù)分布，而且假定每天都進(jìn)行針對隱蔽故障的“故障發(fā)現(xiàn)檢查”(FailureFindingInspection，F(xiàn)FI)。雖然該例子簡單易懂，但滿足以上假定條件的隱蔽故障很少，因此，僅憑ARP5150附錄D1.6中提供的方法，難以在實際持續(xù)適航管理中開展針對隱蔽性故障的風(fēng)險定量評估。

為此，本文以ARP5150附錄D1.6中提供的方法為基礎(chǔ)，結(jié)合多年從事持續(xù)適航風(fēng)險評估的經(jīng)驗，首先利用實際使用的維修數(shù)據(jù)，確定隱蔽性故障的故障規(guī)律；其次，根據(jù)隱蔽故障的“故障發(fā)現(xiàn)”維修策略，分析影響隱蔽性故障風(fēng)險的主要因素；最后，建立隱蔽性故障風(fēng)險的定量評估方法，并進(jìn)行實例驗證。

1　隱蔽性故障的分布確定

ARP5150附錄D1.6的例子中，假定隱蔽故障服從指數(shù)分布。然而，根據(jù)美國宇航局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，航空設(shè)備故障率大致分為6種類型，其中指數(shù)分布只占14%。目前在我國的民用飛機可靠性管理中，威布爾分布因能替代指數(shù)分布等，具有更強的通用性而被廣泛采用[4-5]。根據(jù)比例風(fēng)險模型(proportionalhazardsmodel,PHM)或健康管理的理念可知，相同部件在不同使用環(huán)境下表現(xiàn)出來的故障規(guī)律各不相同，甚至差異很大，因此，必須根據(jù)部件實際的使用維修數(shù)據(jù)，擬合得到部件的故障分布參數(shù)[6-10]。

在實際的使用維修中，航空公司為了減少隱蔽性故障的風(fēng)險，通常在實施多次“故障發(fā)現(xiàn)檢查”工作后，如未發(fā)現(xiàn)故障，就進(jìn)行預(yù)防性更換，這其實就是體現(xiàn)了ATAMSG-3中的“綜合維修”工作的思想。隱蔽性故障的故障發(fā)現(xiàn)檢查和預(yù)防性更換的時序圖如圖1所示。

從圖1可以看出，部件有的是因失效而更換，這種失效是由檢查發(fā)現(xiàn)的，因此部件失效更換的時間不是部件真實的確切失效時間，但兩者非常接近，因此，可以近似為完全數(shù)據(jù)；而有的部件則是因預(yù)防性維修而更換的，屬于右截尾壽命數(shù)據(jù)[11]。假定收集了n組部件的更換數(shù)據(jù)，其中r組為完全數(shù)據(jù)，分別為t(1)≤t(2)≤…≤t(r)，n-r組為右截尾數(shù)據(jù)，預(yù)防性更換時間為tp。

已知兩參數(shù)威布爾分布的密度函數(shù)[12-13]為

因此，其對應(yīng)的似然函數(shù)為

對上式取對數(shù)并求導(dǎo)，再整理簡化后可得：

(1)

這是兩個超越方程，需用數(shù)值方法迭代求解，以得到參數(shù)m和η。

2　隱蔽性故障風(fēng)險的定量評估

2.1隱蔽性故障的風(fēng)險因素分析

根據(jù)圖1分析可知，影響隱蔽性故障的發(fā)生概率來自兩個方面，已使用時間T，即隨著使用時間的推移，部件的故障率水平就越來越高，因此故障發(fā)生概率越來越高；如果檢查間隔τ越大，那么在一個檢查周期內(nèi)發(fā)生故障的概率就越大。但是對于隱蔽性故障而言，故障的發(fā)生概率不等于安全風(fēng)險，安全風(fēng)險是隱蔽性故障概率與相關(guān)故障概率的結(jié)合。關(guān)于這一點，在ATAMSG-3中進(jìn)行了詳細(xì)描述：隱蔽性故障是否對安全造成影響的判據(jù)是“一個隱蔽的功能故障和另一個相關(guān)的系統(tǒng)或者備用功能的故障之綜合對使用安全性有直接有害的影響嗎？”，此判據(jù)告訴我們，隱蔽性故障本身不會對安全造成影響，只有和其他故障結(jié)合了才會造成安全問題。譬如：燃油泄漏是一個隱蔽性故障，但該故障只有和點火源的失效同時發(fā)生才能引起火災(zāi)，燃油泄漏的時間越長引起火災(zāi)的概率自然就越高。這也就是ARP5150附錄D1.6中所描述的，隱蔽性故障的暴露時間(ExposurePeriod)越長，對應(yīng)的風(fēng)險就越大。

因此，對于給定的部件(故障服從參數(shù)為m和η的威布爾分布)，已使用時間T、檢查間隔τ、故障暴露時間和相關(guān)故障(即和隱蔽性故障結(jié)合對安全有害的故障)的失效率λ，共同決定了安全風(fēng)險。為此，隱蔽性故障的安全風(fēng)險可以定義為關(guān)于m,η,T,τ,λ的函數(shù)H(m,η,T,τ,λ)。

2.2隱蔽性故障的風(fēng)險評估

根據(jù)2.1的分析，結(jié)合圖1的描述，可知H(m,η,T,τ,λ)由兩大部分構(gòu)成：隱蔽性故障的發(fā)生概率P1，在隱蔽性故障暴露時間內(nèi)相關(guān)故障的發(fā)生概率P2。

1) 蔽性故障的發(fā)生概率。P1是一個條件概率，即在時間點T之前部件不發(fā)生故障的條件下，在[T,T+τ]內(nèi)發(fā)生故障的概率。因此

2) 在隱蔽性故障暴露期間內(nèi)相關(guān)故障的發(fā)生概率P2。在[T,T+τ]內(nèi)的t時刻發(fā)生故障，那么隱蔽性故障的暴露時間為T+τ-t，對應(yīng)的隱蔽性故障暴露時間的期望為

再結(jié)合相關(guān)故障的失效率λ，因此

綜合以上的分析可得，隱蔽性故障的安全風(fēng)險H(m,η,T,τ,λ)為

(2)

3　實例分析

某機型燃料管泄漏屬于隱蔽功能系統(tǒng)安全影響類，表1給出了燃料管的漏油失效更換和預(yù)防性更換的壽命記錄，單位為飛行小時，其中帶“*”的為預(yù)防性更換數(shù)據(jù)。

表1　燃料管的壽命數(shù)據(jù)

采用式(2)，對表1中的壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行威布爾參數(shù)估計，得到m=1.89，η=15 114，如將預(yù)防性更換數(shù)據(jù)簡單的視為失效數(shù)據(jù)，不采用基于截尾數(shù)據(jù)的威布爾參數(shù)極大似然法，得到參數(shù)為m=3.09，η=14 739，是否采用基于截尾的威布爾極大似然法的參數(shù)結(jié)果比較如圖2所示。

圖2　是否采用基于截尾的威布爾極大似然法的結(jié)果比較

根據(jù)ARP 5150附錄D1.6中給的實例，假定燃料管泄漏的相關(guān)故障點火源的失效率λ=0.000 05，采用式(2)，可得燃料管泄漏在相同檢查間隔τ下的不同使用時刻T的風(fēng)險的變化，如圖3所示。以及相同使用時刻T下的不同檢查間隔τ的風(fēng)險變化，如圖4所示。

圖3　相同檢查間隔τ下不同使用時刻T的風(fēng)險

圖4　相同使用時刻T下不同檢查間隔τ的風(fēng)險

圖3中共有5條曲線，其中曲線“——”代表在不同使用時間，采用500h的檢查間隔的風(fēng)險。除5條曲線外，圖3中給出了一條豎直線，該豎直線與5條曲線分別相交，從下而上的5個交點，分別表示在T=7 000h時，如檢查間隔分別采用100h、200h、300h、400h、500h的對應(yīng)風(fēng)險，風(fēng)險依次為：7.91×10-8、6.36×10-7、2.16×10-6、5.14×10-6、1.01×10-5。圖4中也有5條曲線，其中曲線“——”代表當(dāng)使用時間為9 000h時，采用不同檢查間隔的風(fēng)險。圖4中的豎直線與5條曲線的交點，從下而上分別表示，當(dāng)使用時間為5 000h、6 000h、7 000h、8 000h、9 000h，如采用400h的檢查間隔所對應(yīng)風(fēng)險，風(fēng)險依次為：3.22×10-6、4.18×10-6、5.14×10-6、6.05×10-6、6.87×10-6。根據(jù)圖3、圖4分析可以看出，使用時間越長風(fēng)險越高，檢查間隔越長風(fēng)險也越高，這一結(jié)果符合故障發(fā)生的普遍規(guī)律。如果按照ARP5150 附錄D1.6中的方法進(jìn)行計算的話，那么得到的安全風(fēng)險是一個定值，不僅不符合燃料管隨著使用時間推移，故障發(fā)生概率不斷增加的情況(如圖2所示，不可靠度隨著時間的推移在減低，即故障發(fā)生概率在增加)；而且沒有考慮檢查間隔的影響，與實際脫鉤。同時，本文提供的方法可以方便評估在任何時刻采取某種檢查間隔所帶來的定量風(fēng)險，為快速維修決策，以及確保持續(xù)適航提供了有力的手段。

4　結(jié)語

民用飛機的隱蔽性故障對飛機構(gòu)成了重大潛在風(fēng)險，對隱蔽性故障開展定量風(fēng)險評估是保持飛機持續(xù)適航的重要手段。本文參考APR5150理念，結(jié)合實際需求，建立了一種更實用的隱蔽故障風(fēng)險的定量評估方法，對APR5150中的方法進(jìn)行了擴充與完善，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.038

收稿日期：2015-12-17；修回日期：2016-01-22

基金項目:民航局重點科技項目(MHDR20150103)

作者簡介：戴順安(1962—)，男，高級工程師，主要從事民用飛機適航審定研究。

中圖分類號：V328

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0162-04

ResearchonQuantitativeRiskAssessmentMethodforHiddenFailureofCivilAircraft

DAIShun-an1,WANGYe1,CAIJing2

(1.ShanghaiAircraftCertificationCenterofChinaCivilAviation,Shanghai200335,China; 2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)

Abstract:Risk assessment of hidden failure should be carried out to maintain the continued airworthiness. With the concept of ARP 5150, a quantitative risk assessment method was researched based on the characteristics of hidden failure. A maximum likelihood estimation method with censored data for Weibull distribution was adopted, and the characteristic of hidden failure was determined by maintenance data; The factors affecting the risk of hidden failure were analyzed and quantitative risk assessment method was established. Finally, the method was applied by an example, and the results show the effectiveness and applicability of the proposed method.

Key words:civil aircraft; risk; hidden failure; quantitative assessment