基于SNA的航空發(fā)動機空中停車文獻分析

徐吉輝，劉宇，陳玉金

(空軍工程大學大學 裝備管理與無人機工程學院， 西安 710038)

0 引 言

航空發(fā)動機作為飛機“心臟”和動力之源，在保證安全飛行中具有舉足輕重的地位。一旦發(fā)生故障，空中意外“拋錨”，輕則失去動力，重則機毀人亡。2015年9月19日晚，沈空航空兵某團在組織對抗空戰(zhàn)訓練過程中，一架某型單發(fā)戰(zhàn)機突發(fā)空中停車故障，飛行員在發(fā)生故障到完成高度351 m驚險一跳的198 s內(nèi)兩次嘗試空中啟動、三次調(diào)整航向，但仍未能挽救戰(zhàn)機，導(dǎo)致發(fā)生二等飛行事故。

由于航空發(fā)動機工作條件嚴酷，具有高溫、高壓、大流場、高轉(zhuǎn)速的特點，導(dǎo)致故障易發(fā)、多發(fā)。發(fā)動機空中停車(以下簡稱空停)是對飛行安全影響最為顯著的故障事件之一，被民航界視為飛行事故征候的重要考核指標?？胀Ｊ录饕革w行過程中發(fā)動機出現(xiàn)非指令性停車，屬于發(fā)動機突發(fā)失效事件，其主要誘因可分為發(fā)動機自身故障、外界干擾和飛行人員誤操作等。隨著航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展成熟，以及維修理念變革和發(fā)動機管理經(jīng)驗的不斷積累，能夠保證每1 000 fh的空停率降低至0.006以下，但由于飛行總小時數(shù)的迅猛增長，空停事件的發(fā)生量仍達到每年近百起。

在航空安全研究領(lǐng)域，空停一直是研究的熱點。J.Miyano針對XF-2單發(fā)飛機的空中啟動進行試驗研究，結(jié)果表明該機型空中啟動點火時間、推力恢復(fù)時間和最大廢氣溫度符合相關(guān)標準要求，驗證了其在空中停車情況下再啟動的安全性；P.T.Roger等設(shè)計出針對傳感器系統(tǒng)故障的自動化診斷系統(tǒng)，能夠?qū)档涂罩型＼嚶势鸬搅己米饔茫稽S郁華對空中停車的故障種類及原因進行了研究，并從適航審定和發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控故障診斷方面提出預(yù)防措施；張永從發(fā)動機工程管理體系建設(shè)的角度對預(yù)防發(fā)動機空中停車進行研究，在對空停原因分析的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機工程管理、航空公司運營管理、一線生產(chǎn)部門和飛行機組分別提出具體工作內(nèi)容，具有實際指導(dǎo)意義；孫超等利用Bow-tie模型對空停事故進行分析，以供油系統(tǒng)故障為主要研究對象，找到薄弱環(huán)節(jié)的根本原因及可能導(dǎo)致的后果，達到降低事故發(fā)生概率、減少事故發(fā)生造成損失的目的；張辛以川航發(fā)動機工程管理為例，初創(chuàng)創(chuàng)新風險分級和動態(tài)管控方法結(jié)合的發(fā)動機空停風險評價和動態(tài)管控體系，有效防范空停風險，降低空停率；李書明等利用CBR-模糊綜合評判法對空中停車率進行預(yù)測研究，在充分利用數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上實現(xiàn)航空發(fā)動機設(shè)計初期的空中停車率預(yù)測。以上文獻均是運用特定的方法選取專題對航空發(fā)動機空停問題進行研究，但對發(fā)動機空停開展全維度、綜合性分析的文獻還不多見。

本文從大數(shù)據(jù)角度開展文獻研究，應(yīng)用SATI3.2軟件對文獻關(guān)鍵詞矩陣化處理，應(yīng)用Ucinet6.0軟件進行社會網(wǎng)絡(luò)分析和聚類分析，通過社會密度分析、中心性分析、聚類分析以及核心-邊緣等分析方法，對航空發(fā)動機空停研究領(lǐng)域內(nèi)的主題進行分類，并對研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行深度挖掘和預(yù)測分析。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本文以中國知網(wǎng)(CNKI.net)——高級檢索路徑下有關(guān)航空發(fā)動機空中停車研究的文獻作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源，以主題“空中停車”為檢索詞，不限統(tǒng)計年限，截至日期為2020年4月10日，共檢索出文獻162篇，經(jīng)過篩選甄別，剔除與研究主題無關(guān)的文獻資料，共得到157篇研究文獻，以此作為研究數(shù)據(jù)。選取文獻發(fā)表年限統(tǒng)計情況如圖1所示，可以看出：文獻總體分布呈波動上升趨勢，在1994年之前研究尚處于起步階段，成果相對較少；隨著空停發(fā)生頻次增加，相關(guān)研究日益受到關(guān)注，研究成果不斷涌現(xiàn)。由于部分文獻以具體空停事件為主要研究內(nèi)容，因此文獻數(shù)量與空停事件的發(fā)生存在相對明顯的相關(guān)性。

圖1 文獻發(fā)表年限統(tǒng)計

應(yīng)用SATI3.2軟件對選取文獻的關(guān)鍵詞進行頻次統(tǒng)計分析，并按頻次進行逆序排列，選取前50位的關(guān)鍵詞進行社會網(wǎng)絡(luò)圖分析，其中前30位高頻關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 空中停車文獻高頻關(guān)鍵詞

在詞頻分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)共詞分析原理構(gòu)建共詞矩陣，應(yīng)用Ucinet6.0軟件的變換-對分功能將共詞矩陣轉(zhuǎn)化為0-1共詞矩陣。利用0-1共詞矩陣開展航空發(fā)動機空停領(lǐng)域研究文獻關(guān)鍵詞的社會密度分析、中心性分析、凝聚子群分析以及核心-邊緣分析，進而分析本研究領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。

2 關(guān)鍵詞分析

在得到0-1共詞矩陣基礎(chǔ)上，應(yīng)用Ucinet6.0軟件的可視化-NetDraw功能繪制關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)分析圖譜，如圖2所示，其中方框代表文獻關(guān)鍵詞，且方框越大表示其中心性和關(guān)鍵性越強；方框間的連線表示關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)性，且連線越粗表示關(guān)聯(lián)性越強；雙線表示關(guān)聯(lián)詞出現(xiàn)在同一篇文獻。

2.1 社會密度及中心性分析

社會網(wǎng)絡(luò)分析中的網(wǎng)絡(luò)密度指的是網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間聯(lián)系的緊密度，可通過網(wǎng)絡(luò)圖中實際存在的關(guān)系數(shù)與理論上最多可能存在的關(guān)系數(shù)相比得到，其取值范圍為[0,1]，且取值越大代表節(jié)點聯(lián)系越緊密。根據(jù)Ucinet6.0軟件計算出的網(wǎng)絡(luò)密度值結(jié)果為0.189 4，屬于密度低的網(wǎng)絡(luò)圖，表明發(fā)動機空中停車研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系不密切，說明該領(lǐng)域的研究內(nèi)容廣泛，但研究深度尚有待加強。

圖2 關(guān)鍵詞社會網(wǎng)絡(luò)分析圖

中心性是度量整個網(wǎng)絡(luò)中心化程度的重要指標，越處于中心位置的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的影響力越大，網(wǎng)絡(luò)中心性可以分為點度中心度、接近中心度和中間中心度三個指標。在關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖中，處于中心位置的關(guān)鍵詞對該研究領(lǐng)域的影響程度更大，更有可能成為研究重點，因此中心性分析方法也被廣泛用于研究趨勢預(yù)測。應(yīng)用Ucinet6.0軟件分析得到的網(wǎng)絡(luò)中心性分析結(jié)果，如表2所示，該表以點度中心度、中間中心度、接近中心度、特征根向量為順序參考對關(guān)鍵詞進行排列。

表2 中心性分析結(jié)果

對表2參數(shù)進行分析如下：

(1) 點度中心度表示節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)結(jié)數(shù)目，表征節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中所處地位，中心度越高的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中越處于核心地位，對其他節(jié)點的影響程度越大。排除“空中停車”及其他與航空發(fā)動機、飛機相關(guān)的關(guān)鍵詞影響后，航空公司、航空運輸企業(yè)、雙發(fā)飛機、普惠公司、飛行試驗、飛行人員、試飛、機務(wù)維修、波音、飛行員、飛機維修、可靠性管理、全面質(zhì)量管理、航空維修等關(guān)鍵詞的點度中心度較高，說明它們相對處于網(wǎng)絡(luò)中心位置，對整體網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成起到核心關(guān)鍵作用，確保網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的相互連接，這表明以上關(guān)鍵詞在航空發(fā)動機空中停車研究領(lǐng)域受到的關(guān)注度高。通過對相關(guān)文獻進行跟蹤分析可以看出，航空公司與航空運輸企業(yè)在相應(yīng)文獻中同時出現(xiàn)的概率大，文獻主要研究內(nèi)容集中于雙發(fā)延程飛行、減少維修差錯、提升發(fā)動機可靠性及建設(shè)發(fā)動機工程管理體系。航空公司和航空運輸企業(yè)作為航空發(fā)動機的使用維護單位，空停事件對其造成的經(jīng)濟損失巨大，因此對空中停車故障的關(guān)注度較高。雙發(fā)飛機成為關(guān)鍵節(jié)點的原因在于雙發(fā)飛機延程飛行的研究，雙發(fā)飛機延程飛行在型號設(shè)計方面審定主要是依據(jù)發(fā)動機的可靠性、飛機系統(tǒng)設(shè)計和可靠性、有效性驗證飛行進行的，而在發(fā)動機可靠性衡量指標上選取的是空中停車率。例如，120 min的延程飛行其發(fā)動機需要滿足空中停車率小于5×10次/飛行小時；180 min的延程飛行需要滿足空中停車率小于2×10次/飛行小時。飛行人員作為直接參與飛行的機組人員，包括駕駛員(飛行員)、副駕駛員、飛行工程師、領(lǐng)航員、通信員等，受到空停事件的直接影響，也是處置空停事件的首要參與人員?？胀Ｊ录l(fā)生后，飛行員的正確處置是保證人員和航空器安全的首要條件。發(fā)動機的空中啟動能力是飛行安全的重要保障，根據(jù)發(fā)動機定型試飛要求，飛行試驗時需要對發(fā)動機空中熱啟動和冷啟動能力進行驗證。普惠公司作為世界上著名的航空發(fā)動機供應(yīng)商之一，為美國空軍和民航提供大量渦噴和渦扇發(fā)動機。通過文獻分析可以看出，國內(nèi)文獻研究內(nèi)容主要集中于對普惠公司生產(chǎn)的經(jīng)典型號發(fā)動機的防空停設(shè)計及提高可靠性設(shè)計進行研究分析。波音公司作為世界上最大的民用和軍用飛機制造商之一，對航空發(fā)動機的使用需求是巨大的，為了確保生產(chǎn)飛機的可靠性和安全性，波音公司對空停更加關(guān)注和重視。飛機維修、機務(wù)維修及航空維修都是為了保證飛行安全而對飛機及其技術(shù)裝備進行一系列維護和修理的行為，這也是保持發(fā)動機良好工作狀態(tài)，避免發(fā)生空停事件的前提條件?？煽啃怨芾砗腿尜|(zhì)量管理是從發(fā)動機全壽命周期角度出發(fā)，以可靠性和質(zhì)量管理為重要關(guān)注點，避免空停事件的發(fā)生。

(2) 中間中心度表示節(jié)點的媒介程度，即節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的中繼聯(lián)結(jié)作用。在排除搜索關(guān)鍵詞的影響后，排序相對靠前的關(guān)鍵詞分別為：可靠性、航空公司、航空運輸企業(yè)、渦噴發(fā)動機、無人機、普惠公司、飛行試驗、試飛、雙發(fā)飛機、機務(wù)維修、故障、飛行人員、波音、壓氣機等。可以看出絕大部分關(guān)鍵詞與點度中心度分析結(jié)果相同，表明這些關(guān)鍵詞不僅作為網(wǎng)絡(luò)的核心組成，也是連接網(wǎng)絡(luò)整體的重要橋梁，在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。新增加的關(guān)鍵詞主要在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮連接作用，保證網(wǎng)絡(luò)的整體性，此類關(guān)鍵詞主要有：可靠性、渦噴發(fā)動機、無人機、故障、壓氣機等。相反，中間中心度為0的節(jié)點則代表其在網(wǎng)絡(luò)中必須依賴其內(nèi)部的某個節(jié)點來與其他節(jié)點發(fā)生聯(lián)系。根據(jù)計算結(jié)果，此類關(guān)鍵詞主要有：故障樹、預(yù)防措施、直升機、軍用飛機、軸承、斷裂、連接螺栓。綜合此類關(guān)鍵詞可以看出，其和空中停車的聯(lián)系較為緊密，但從分類上看主要是定義飛機類型、具體分析方法及確定的失效部位和模式，在發(fā)動機空停研究領(lǐng)域缺乏廣泛性和代表性，導(dǎo)致其在網(wǎng)絡(luò)中處于較邊緣化的位置，無法起到明顯媒介作用。

(3) 接近中心度表示節(jié)點不受其他節(jié)點影響的測度，即相應(yīng)節(jié)點與所有其他節(jié)點的接近性程度。排序相對靠前的關(guān)鍵詞分別是：航空公司、航空運輸企業(yè)、飛行試驗、普惠公司、雙發(fā)飛機、飛行人員、試飛、飛機維修、波音、飛行員、可靠性管理、機務(wù)維修、全面質(zhì)量管理、航空維修等?？梢钥闯鼋^大部分關(guān)鍵詞與點度中心度和中間中心度分析結(jié)果相同，尤其是與點度中心度關(guān)鍵詞全部重合。上述核心關(guān)鍵詞在整體網(wǎng)絡(luò)中與自身之外的其他所有節(jié)點接近性程度高，與其他關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系路徑最短，處于網(wǎng)絡(luò)中心位置。

(4) 特征根向量是刻畫節(jié)點中心度以及網(wǎng)絡(luò)中心勢的一種標準化測度，能夠在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)整體上確定出最核心的節(jié)點，其取值越大說明節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中越靠近中心位置。排序相對靠前的關(guān)鍵詞分別是：航空公司、航空運輸企業(yè)、飛行人員、飛行員、可靠性管理、航空維修、飛機維修、全面質(zhì)量管理、機務(wù)維修、雙發(fā)飛機、波音、普惠公司、飛行試驗、雙發(fā)延程飛行、試飛等。與前述點度中心度、中間中心度和接近中心度分析結(jié)果相比較，大部分關(guān)鍵詞均出現(xiàn)重復(fù)。這說明上述關(guān)鍵詞在網(wǎng)絡(luò)中屬于較為核心的關(guān)鍵詞，相比而言更接近中心位置。

2.2 凝聚子群分析

在社會網(wǎng)絡(luò)分析中存在某些聯(lián)系緊密以至于結(jié)合成次級團體的節(jié)點，這種團體被稱為凝聚子群。凝聚子群分析就是分析網(wǎng)絡(luò)中存在凝聚子群的數(shù)目、子群內(nèi)部各節(jié)點之間關(guān)系特點及子群之間關(guān)系特點等。通過Ucinet軟件中的CONCOR法進行凝聚子群分析，利用樹形圖表達各個位置之間的結(jié)構(gòu)對等性程度，并且標記出各個位置擁有的網(wǎng)絡(luò)成員，輸出結(jié)果如圖3所示，其中縱向項目為關(guān)鍵詞及其序號，橫向數(shù)字為聚類級別。

從圖3可以看出：3級聚類分析結(jié)果共8個凝聚子群，剔除與空停研究關(guān)聯(lián)性較低的分組后剩下6個凝聚子群，分別為：①航空運輸企業(yè)、航空公司、機隊；②航空器、全面質(zhì)量管理、飛機維修、飛行員、可靠性管理、飛行人員、航空維修、警戒值、機務(wù)維修、飛機發(fā)動機；③軍用飛機、故障、分析、航空發(fā)動機、可靠性、鏈接螺栓；④普惠公司、雙發(fā)飛機、停車率、壓氣機、飛機、飛行安全、試飛、波音、飛行試驗、狀態(tài)監(jiān)控、雙發(fā)延程飛行、壓縮機、交通運輸安全；⑤故障樹、故障分析、渦噴發(fā)動機、無人機；⑥渦扇發(fā)動機、渦輪葉片、斷裂、預(yù)防措施、直升機、附件傳動機匣、軸承、自傳著陸、維修成本。在2級聚類分析結(jié)果中總共有3個凝聚子群，分別為{①②}、{③④}、{⑤⑥}。

圖3 凝聚子群分析樹狀圖

結(jié)合對樣本文獻的分析研究，通過凝聚子群分析可以得出以下結(jié)果：

(1) 在3級聚類級別下子群內(nèi)關(guān)鍵詞數(shù)量差異較大，但在2級聚類級別下，子群內(nèi)關(guān)鍵詞數(shù)量趨于平均。

(2) 子群①中關(guān)鍵詞數(shù)量僅為3個，均屬于廣泛意義上的發(fā)動機使用單位；子群②中關(guān)鍵詞主要集中于發(fā)動機管理及維修方面；在2級聚類級別下組合{①②}表明航空發(fā)動機的使用單位側(cè)重于從維修的角度開展空停研究。

(3) 子群③中關(guān)鍵詞側(cè)重于軍用飛機的可靠性和空停故障分析；子群④中關(guān)鍵詞數(shù)量最多，達到13個，主要側(cè)重于雙發(fā)延程飛行中發(fā)動機的可靠性研究，且研究關(guān)注點在于發(fā)動機的試驗驗證，以確保飛行安全；在2級聚類級別下組合{③④}表明發(fā)動機空停研究在民航和軍用航空領(lǐng)域均受到關(guān)注，但兩者在關(guān)注點上的側(cè)重有所不同，軍用航空領(lǐng)域研究成果更傾向于對特定空停事件的分析研究，而民航領(lǐng)域研究成果則更傾向于對特定發(fā)動機型號的防空停設(shè)計進行分析及發(fā)動機定型試飛試驗研究分析。

(4) 子群⑤中關(guān)鍵詞數(shù)量相對較少，為4個，主要側(cè)重于渦噴發(fā)動機、無人機空停故障分析；子群⑥中關(guān)鍵詞側(cè)重于渦扇發(fā)動機、直升機空停故障研究，且研究成果更為具體，多為針對具體空停事件或具體某一型號發(fā)動機的研究分析，研究結(jié)論具體到發(fā)現(xiàn)引發(fā)空停故障的部附件；在2級聚類級別下組合{⑤⑥}表明在無人機、直升機等類別的航空器中空停研究也受到關(guān)注，且相關(guān)研究方法及深度存在差異。

2.3 核心-邊緣分析

核心-邊緣分析是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間聯(lián)系的緊密程度，利用量化關(guān)鍵詞的方式確定其在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置，一般分為以下三種：核心位置、半邊緣位置、邊緣位置。本文以特征根向量的值作為評判標準，具體分析結(jié)果如表3所示，可以看出：核心關(guān)鍵詞均為點度中心度較高的關(guān)鍵詞，驗證了分析結(jié)果的正確性。

表3 關(guān)鍵詞核心-邊緣分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 通過本文分析得到了發(fā)動機空中停車研究領(lǐng)域主要關(guān)鍵詞，其在社會網(wǎng)絡(luò)圖中處于核心關(guān)鍵地位，對其他節(jié)點的影響程度較大。

(2) 針對空中停車研究的側(cè)重點有所不同，空中停車研究在民航和軍用航空中均受到關(guān)注，但兩者的研究側(cè)重點有所差異，其中民航領(lǐng)域主要傾向于發(fā)動機防空停設(shè)計研究及驗證，軍用航空領(lǐng)域研究成果多集中于對具體空停事件的分析研究；同時，對于發(fā)動機使用維護單位則側(cè)重于從維修的角度開展防空停研究。

(3) 空中停車研究在無人機、直升機等非常規(guī)類飛機中也受到了關(guān)注，在研究方法和研究深度上存在差異。隨著無人機的快速發(fā)展趨勢，可以預(yù)見無人機防空停研究將成為空停研究領(lǐng)域的熱點問題。

(4) 通過對文獻的整體考量，我國軍機防空停研究成果與民航相比存在一定差距。隨著軍機適航工作的開展，在軍用航空領(lǐng)域的發(fā)動機防空停設(shè)計研究與驗證工作將會占有越來越重要的地位。