民用飛機多級健康狀態(tài)評估技術(shù)研究

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(1.上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上海 200241； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京 100041;4.軌道交通裝備全壽命周期狀態(tài)監(jiān)測與智能管理技術(shù)與應(yīng)用北京市工程實驗室，北京 100041)

民用飛機多級健康狀態(tài)評估技術(shù)研究

王洪1,黃遠強1,任和1,熊毅2,3,4

(1.上海民用飛機健康監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，上海200241； 2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京100041;4.軌道交通裝備全壽命周期狀態(tài)監(jiān)測與智能管理技術(shù)與應(yīng)用北京市工程實驗室，北京100041)

保障飛機安全高效地運行，不斷提高飛機派遣可靠度是每一家航空公司需擔(dān)負的責(zé)任和不懈追求的目標;民用飛機多級健康狀態(tài)評估技術(shù)將充分利用各類工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)，建立飛機技術(shù)派遣量化評估方法，甄選影響飛機技術(shù)派遣的主要參數(shù)，并通過對各參數(shù)進行權(quán)重分配，建立綜合量化分析模型，針對專機、VIP及其他特殊航線運行要求，精準高效地為飛機的技術(shù)派遣提供決策依據(jù)，保證特殊運行航班的安全性以及簽派可靠度;在航空公司機隊的實際應(yīng)用中表明，基于飛機多級健康狀態(tài)的評估系統(tǒng)能夠有效地提高機隊的派遣可靠度和日利用率，具有重要的工程應(yīng)用價值。

民用飛機；派遣決策；健康評估；權(quán)重分配

0 引言

保障飛機安全高效地運行，不斷提高飛機派遣可靠度是每一家航空公司需擔(dān)負的責(zé)任和不懈追求的目標。隨著民航飛機維修可靠性管理工作的深入開展，可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分析方法日趨完善，對飛機的技術(shù)狀態(tài)和健康狀態(tài)的量化分析工作不斷深入，如何綜合利用現(xiàn)有的各類數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，為飛機技術(shù)派遣決策提供科學(xué)依據(jù)成為了當(dāng)前面臨的新問題[1]。

飛機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起始于20世紀50年代，1956年美國首先研究了用于軍事上的測試系統(tǒng)。20世紀70年代中后期，隨著微型機的發(fā)展誕生了集采集器、儀表同計算機為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。20世紀80年代，隨著計算機的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了通用的數(shù)據(jù)采集與自動測試系統(tǒng)。20世紀90年代至今，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)在軍事、航空電子設(shè)備、宇航技術(shù)以及工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。另外，隨著計算機技術(shù)在航空維修工程中的深入應(yīng)用，各類邏輯算法及分析方法均可通過計算機軟件實現(xiàn)，減少了人工工作量，提高了結(jié)果的準確度，可靠性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已基本實現(xiàn)電子化，并形成了完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，國內(nèi)各航空公司的可靠性管理水平得到快速提升。但是，國內(nèi)很多航空公司的可靠性分析工作，只是簡單地統(tǒng)計和比較平均故障間隔時間或平均壽命等數(shù)值，即使是引入分布模型，也是在歷史經(jīng)驗的基礎(chǔ)上直接套用標準分布。這些做法，雖然能夠體現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律，具有一定的參考價值，但從理論的角度而言，其結(jié)果的準確性值得商榷，很難直接應(yīng)用于維修決策[3-5]。

隨著系統(tǒng)工程理論、統(tǒng)計學(xué)理論、灰色系統(tǒng)理論的可靠性分析方法逐步完善，針對影響飛機技術(shù)狀況的因素可以總結(jié)出大量規(guī)律性內(nèi)容[6-8]。這為飛機技術(shù)派遣決策支持系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)。目前，在決策專機、VIP及其他特殊航線運行要求的飛機技術(shù)派遣時，國內(nèi)多數(shù)航空公司均采用相關(guān)責(zé)任單位提供飛機技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的方法，來確定執(zhí)行任務(wù)的飛機，這種方法缺乏統(tǒng)一的標準，通常具有較大的主觀性，操作起來較為費時費力。因此，有必要建立飛機技術(shù)派遣量化評估系統(tǒng)，充分利用各類工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)，甄選影響飛機技術(shù)派遣的主要參數(shù)，并通過對各參數(shù)進行權(quán)重分配[9-11]，建立綜合量化分析模型，精準高效地為飛機的技術(shù)派遣提供決策依據(jù)，保證特殊運行航班的安全性以及簽派可靠度[2,5]?？茖W(xué)的飛機技術(shù)派遣決策支持方法，能夠幫助航空公司降低運營成本，提高飛機運行的安全性及可靠性，提升航空公司機隊的整體可靠性管理水平。

1 飛機技術(shù)狀態(tài)模型的建立

定義新飛機出廠時達到百分百的設(shè)計可靠性水平，處于完全健康的狀態(tài)，此時飛機的初始技術(shù)狀態(tài)分值為滿分1 000分；飛機在運行中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題或發(fā)生的故障、缺陷及各類不正常事件，以及機齡增長帶來的性能衰退等因素，將降低飛機的可靠性水平，即減掉相應(yīng)的分值，飛機總體健康狀態(tài)分值將降低；而飛機定期檢查及相關(guān)維護工作的執(zhí)行，將提高飛機的可靠性水平，即加上相應(yīng)的分值，飛機總體健康狀態(tài)分值將增加，但不超過滿分。

術(shù)語定義：

1)事件參數(shù)：在影響飛機技術(shù)狀態(tài)的因素中，有些數(shù)據(jù)沒有明顯的規(guī)律可循，屬于隨機發(fā)生的事件，如故障報告、重復(fù)性故障等項目[7]，定義此類因素為事件參數(shù)。

2)風(fēng)險參數(shù)：有些數(shù)據(jù)不直接影響飛機技術(shù)狀態(tài)，但影響故障發(fā)生的概率。例如隨著飛機機齡的增長，機身結(jié)構(gòu)、線路發(fā)生老化、腐蝕的風(fēng)險將逐漸增加；距上次定期檢查的時間越長，相關(guān)系統(tǒng)故障的風(fēng)險越大[1]，定義此類因素為風(fēng)險參數(shù)。

1.1 飛機技術(shù)狀態(tài)量化規(guī)則

1)量化飛機健康狀態(tài)分值：篩選影響飛機技術(shù)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的規(guī)則進行評分計算，則可得到表明飛機技術(shù)狀態(tài)的量化分值。

2)事件參數(shù)分值的確定：按事件嚴重程度對事件參數(shù)進行分級，并賦以對應(yīng)的量化分值(見表1)。對于重復(fù)性故障等累加型事件或保留故障等未完成事件，可視情增加量化分值(不限于表1中單個事件的最高值)。此方法由最底層的事件出發(fā)進行定量分析，能夠統(tǒng)一不同類型數(shù)據(jù)的量化標準，無需按數(shù)據(jù)類型更改權(quán)重，計算方法簡單可靠，并具有較強的可擴展性。

表1 事件參數(shù)嚴重性程度分級及量化分值

3)風(fēng)險參數(shù)分值的確定：根據(jù)參數(shù)對飛機實際技術(shù)狀態(tài)的影響程度，結(jié)合參數(shù)自身的規(guī)律制定獨立的分值計算方法，如發(fā)動機的“EGTM(排氣溫度裕度)”項，即為單臺發(fā)動機EGTM對飛機技術(shù)狀況的影響情況，定義發(fā)動機新出廠時其EGTM為100%，當(dāng)EGTM大于80%時，其對飛機技術(shù)狀況的影響值為3分；當(dāng)EGTM小于5%時，其對飛機技術(shù)狀況的影響值為最大值48分；其它情況分值按2.4 /(EGTM%)計算。

1.2 飛機技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在航空公司實際運營經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)影響飛機技術(shù)放行的各類因素，包括ACARS/QAR實時監(jiān)控故障數(shù)據(jù)、維修報告數(shù)據(jù)、工程管理數(shù)據(jù)、發(fā)動機性能數(shù)據(jù)、可靠性管理數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)等6大類因素，如圖1所示，6大類主要影響因素又由數(shù)量不等的下一級影響因素構(gòu)成，航空公司可根據(jù)自己的實際運營情況進行細化分類。

圖1 飛機健康狀態(tài)評估因素

2 飛機多級健康狀態(tài)評估方法

2.1 權(quán)重分配方法

權(quán)重分配方法分為ATA初始權(quán)重設(shè)定和關(guān)鍵附件權(quán)重設(shè)定。ATA初始權(quán)重設(shè)定方法根據(jù)各機型2位ATA及4位ATA設(shè)置初始權(quán)重值，用于后續(xù)計算，如表2所示，當(dāng)各模塊實際計算時出現(xiàn)未列在以上表中的ATA章節(jié)時，初始權(quán)重值默認為1分，航空公司可根據(jù)自己的實際運營情況進行設(shè)置。

關(guān)鍵附件權(quán)重設(shè)定方法用來設(shè)置各機型關(guān)鍵性附件參與飛機技術(shù)狀況計算的相應(yīng)權(quán)重，如表3所示，航空公司用戶可根據(jù)自身運營情況靈活進行設(shè)置。

2.2 健康狀態(tài)評分規(guī)則

基于如圖1所示的飛機6大類實際工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)，分別建立飛機健康狀態(tài)評分規(guī)則如下。

2.2.1 ACARS/QAR實時監(jiān)控故障數(shù)據(jù)

對于監(jiān)控參數(shù)類觸發(fā)事件，按如下評分標準及計分方法計算：

表2 ATA初始權(quán)重設(shè)置方法

表3 關(guān)鍵附件權(quán)重設(shè)置方法

1)針對每一事件，確定對應(yīng)的嚴重性等級和基礎(chǔ)量化分值；

2)若事件狀態(tài)為“New(新)”，則按第一條確定的基礎(chǔ)分值加2分；“Monitoring(監(jiān)控)”，則按基礎(chǔ)分值計分；“Closed(關(guān)閉)”則不計分(通過LMR計分)。

計分方法：未關(guān)閉事件次數(shù)×量化分值。

2.2.2 維修報告數(shù)據(jù)

評分標準：

1)對于LMR/NRC(航線維修記錄本/非例行工卡)，根據(jù)其嚴重性等級和4位ATA章節(jié)號確定基礎(chǔ)量化分值；

2)對于保留故障/未完成NRC，計1分；

3)對于保留工作項目，按2位ATA章節(jié)確定對應(yīng)的量化分值；

4)對于重復(fù)性故障，計2分；

5)對于重大疑難故障，計2分。

計分方法：兩周內(nèi)事件次數(shù)×量化分值。

2.2.3 工程管理數(shù)據(jù)

評分標準：

1)對于評估適用但尚未執(zhí)行的AD/CAD(適航指令/中國適航指令)，適用性評估時，若確定適用，則同時確定嚴重性等級和量化分值；

2)對于評估適用但尚未執(zhí)行的SB/SL(服務(wù)通告/服務(wù)信函)，適用性評估時，若確定適用，則同時確定嚴重性等級和量化分值；

3)對于適用但尚未執(zhí)行的EO(工程指令)，編制EO的同時確定嚴重性等級和量化分值。

計分方法：適用但尚未執(zhí)行的文件份數(shù)×對應(yīng)的量化分值。

2.2.4 發(fā)動機性能數(shù)據(jù)

對于風(fēng)險類參數(shù)，按如下評分標準及計分方法計算：

評分標準：

1)對于距上次大修時間項，定義單臺發(fā)動機大修對飛機技術(shù)狀況的最大影響值為50分，根據(jù)大修后的使用時間與限制使用循環(huán)時間的比值來確定分值；

計分方法：50×(T0 /LLP)；(式中:T0為大修后使用時間；LLP為發(fā)動機使用時限)

2)對于EGTM，其值越小，風(fēng)險越大，定義單臺發(fā)動機EGT對飛機技術(shù)狀況的最大影響值為48分，最小值為3分。

計分方法：

(1)

2.2.5 可靠性管理數(shù)據(jù)

評分標準：

1)對于使用困難報告，根據(jù)其嚴重性等級和4位ATA章節(jié)號確定基礎(chǔ)量化分值；

計分方法：兩周內(nèi)的使用困難報告次數(shù)×對應(yīng)的量化分值；

2)對于未關(guān)閉的警告通告，按2位ATA章節(jié)確定對應(yīng)的量化分值；

計分方法：未關(guān)閉警告通告次數(shù)×對應(yīng)的量化分值；

3)對于QAR參數(shù)趨勢監(jiān)控，針對每一事件，確定對應(yīng)的嚴重性等級和基礎(chǔ)量化分值；若事件狀態(tài)為“New(新)”，則按第一條確定的基礎(chǔ)分值加2分；“Monitoring(監(jiān)控)”，則按基礎(chǔ)分值計分；“Closed(關(guān)閉)”則不計分(通過LMR計分)；

計分方法：未關(guān)閉事件次數(shù)×量化分值；

4)對于附件壽命數(shù)據(jù)甄選影響飛機安全性且故障拆換較為頻繁的附件，根據(jù)機隊歷史壽命數(shù)據(jù)計算在位附件的剩余理論可靠度，按區(qū)間計分。

計分方法：剩余理論可靠度小于等于20%時計5分。

2.2.6 其他數(shù)據(jù)

對于風(fēng)險類參數(shù)，按如下評分標準及計分方法計算：

評分標準：

1)對于機齡，按時間區(qū)間分段計分；

計分方法：機齡小于10年取5分；大于等于10年小于15年取10分；大于等于15年取20分；

2)對于距上次C檢時間，定義C檢對飛機技術(shù)狀況的最大影響值為30分，根據(jù)C檢后使用時間確定分值；

計分方法：30×(T0 / C檢間隔)；(式中T0為C檢后的使用時間)；

3)對于距上次A檢時間，定義A檢對飛機技術(shù)狀況的最大影響值為20分，根據(jù)A檢后使用時間確定分值；

計分方法：20×(T0 / A檢間隔)；(式中T0為A檢后的使用時間)。

2.3 評分算法實現(xiàn)流程

飛機多級健康狀態(tài)評估算法通過收集已有確定的各類工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的評分規(guī)則進行分數(shù)累積，得到單架飛機的技術(shù)狀態(tài)分值，并對整個機隊飛機的技術(shù)狀態(tài)按分值大小進行排序，精準高效地為飛機技術(shù)派遣提供可靠的決策依據(jù)，評分算法實現(xiàn)流程如圖2所示。算法實現(xiàn)步驟：

1) 收集機隊中所需評估飛機的各類工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)，加載各架飛機的邏輯項配置數(shù)據(jù)，如圖1、表2和表3所示；

2) 針對各架飛機，按表1所示事件參數(shù)嚴重性程度等級和3.2節(jié)所述評分標準及計分方法進行各邏輯項分值計算；

3) 針對各架飛機，按表2和表3所示權(quán)重設(shè)定方法賦予各項邏輯項以相應(yīng)的權(quán)重值；

4) 單架飛機各項技術(shù)狀況分值累加；

5) 機隊技術(shù)狀況評分結(jié)果排序及存儲。

圖2 評分算法實現(xiàn)流程

3 驗證分析

利用前述民用飛機多級健康狀態(tài)評估方法，在某航空公司開展驗證與分析工作。利用實際運營的100余架飛機運行數(shù)據(jù)開展了半年的驗證試用工作，驗證機型主要覆蓋波音B737/B757/B787等。

應(yīng)用結(jié)果表明，應(yīng)用健康狀態(tài)評估技術(shù)指導(dǎo)飛機派遣決策工作以來，較好地指導(dǎo)完成了一般派遣68次、VIP/VVIP派遣數(shù)十次、專機派遣十余次、寒冷地區(qū)派遣數(shù)次，有效提升了重要航班保障效率，為飛機日利用率的提升奠定了基礎(chǔ)(日利用率的提升雖不主要取決于派遣效率，但應(yīng)用健康狀態(tài)評估技術(shù)后，飛機日利用率較去年同期有所提升)。

綜上，本文提出的民用飛機多級健康狀態(tài)評估方法，可有效評估飛機健康及技術(shù)狀態(tài)，為飛機健康評定、派遣決策等提供支撐。

圖3 健康狀態(tài)評估方法在某航空公司的應(yīng)用頁面

4 結(jié)語

以航空公司實際運營經(jīng)驗為基礎(chǔ)，系統(tǒng)總結(jié)了影響飛機技術(shù)放行的各類工程技術(shù)因素，提出了基于飛機工程數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠性分析數(shù)據(jù)的多級健康狀態(tài)評估方法，建立飛機技術(shù)狀態(tài)的量化分析模型，根據(jù)不同的技術(shù)派遣和營運情況動態(tài)設(shè)置參數(shù)，修正量化分析方法，并設(shè)計了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，在航空公司機隊的實際應(yīng)用中表明，基于飛機多級健康狀態(tài)的評估系統(tǒng)能夠有效地提高機隊的派遣可靠度和日利用率，幫助航空公司降低運營成本，提升機隊的整體可靠性管理水平，具有重要的工程應(yīng)用價值。

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ResearchonMulti-levelHealthConditionAssessmentofCivilAircraft

Wang Hong1, Huang Yuanqiang1, Ren He1, Xiong Yi2,3,4

(1.Shanghai Engineering Research Center of Civil Aircraft Health Monitoring, Shanghai 200241, China;2.Beijing Aerospace Measure & Control Corp.Ltd, Beijing 100041, China;3.Beijing Key Laboratory of High-speed Transport Intelligent Diagnostic and Health Management, Beijing 100041, China;4.Beijing Engineering Laboratory of Rail Transportation Equipment Life Cycle Condition Monitoring and IntelligentManagement Technology and Application,Beijing 100041, China)

In order to ensure flights' safeness and efficiency, the airline makes it a target to steadily improve the aircraft's dispatch rate. Civil aircraft multiple level health condition assessment technology will fully utilize different engineering data, technical data and reliability data. It builds quantification assessment method for aircrafts' dispatch and selects major parameters affecting aircraft dispatch rate. It also builds integrated quantification analysis model by weight distribution of flight parameters, provides dispatch decision advice accurately and fast according to operation demand of private planes, VIPs and other special flights whose safety and dispatch reliability will be guaranteed. It is revealed in the practical work that the aircraft multiple level health condition assessment can effectively improve the aircraft's dispatch reliability and daily utilization rate. It has important engineering utilization value.

Civil Aircraft; Dispatch Decision; Health Assessment; Weight Distributi

2017-06-21；

2017-07-19。

王 洪(1985-)，男，工程師，主要從事飛機運行實時監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)研制，故障預(yù)測與健康管理(PHM)技術(shù)研究，飛機可靠性信息管理，可靠性系統(tǒng)方法研究等工作。

1671-4598(2017)10-0297-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.076

TP183

A