基于成本的民用飛機(jī)可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)

李稷，胡挺

（1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

（2.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，南京210016）

0 引 言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，民用飛機(jī)的性能指標(biāo)在全面提升，工藝要求與設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，民用飛機(jī)大幅度增長的成本成為制約商用飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素［1］。民用飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為激烈的市場競爭中取得商業(yè)成功的最重要因素［2］。

關(guān)于民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性方面的研究，國外進(jìn)行得較早。1944年，美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（ATA）發(fā)表了首個(gè)被廣泛認(rèn)可的直接運(yùn)營成本（DOC）估算方法，經(jīng)過多年的發(fā)展更新，最終形成了估算渦輪動(dòng)力飛機(jī)DOC的標(biāo)準(zhǔn)方法（“ATA-67”方法），該方法為后來DOC估算奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)［3］；美國宇航局艾姆斯研究中心的M.D.Moore等［4］使用飛機(jī)全壽命周期成本分析（ALCCA）方法對(duì)民用飛機(jī)制造、運(yùn)營成本以及現(xiàn)金流進(jìn)行了分析；1989年，歐洲航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（Association of European Airliners，簡稱AEA）基于“ATA-67”方法，提出了一種結(jié)合歐洲現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的AEA計(jì)算方法［5］，使得估算模型更簡便、易操作。

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)開始對(duì)民用飛機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，通常是根據(jù)我國國情對(duì)國外的計(jì)算模型進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化，近些年才結(jié)合民用飛機(jī)設(shè)計(jì)方案開展針對(duì)性研究。都業(yè)富［6］提出了一種飛機(jī)壽命周期經(jīng)濟(jì)性變化與工程經(jīng)濟(jì)的財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)體系相結(jié)合的方法，來評(píng)價(jià)飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)劣；廖琳雪等［7］結(jié)合美國和歐洲歸納的DOC計(jì)算方法，根據(jù)國內(nèi)型號(hào)經(jīng)濟(jì)性分析工作經(jīng)驗(yàn)，定義中國市場DOC的組成，并提出一種適用于中國市場的DOC經(jīng)濟(jì)性分析。

飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性涉及飛機(jī)全壽命周期的各個(gè)方面，同時(shí)飛機(jī)研制的各個(gè)階段尤其是總體設(shè)計(jì)也影響著飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性［8］。盡管設(shè)計(jì)成本在飛機(jī)項(xiàng)目全壽命費(fèi)用中所占比重不大，卻決定了全壽命費(fèi)用的85%。飛機(jī)的使用費(fèi)用占全壽命周期費(fèi)用的60%，可以按照直接運(yùn)營成本（DOC）、間接運(yùn)營成本（IOC）以及循環(huán)成本（RC）與非循環(huán)成本（NRC）進(jìn)行劃分。其中DOC是民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)，主要由五部分組成，分別為機(jī)組費(fèi)、燃油費(fèi)、機(jī)場服務(wù)費(fèi)、維修費(fèi)和資本成本［9］。與其他費(fèi)用相比，只有維修成本在較大程度上是航空公司可控的，因此降低維修成本，是航空公司提高利潤的主要途徑之一。

對(duì)于航空產(chǎn)業(yè)，可靠性和安全性問題與人身安危、經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。安全性是指飛機(jī)及其系統(tǒng)所具有的不導(dǎo)致人員傷亡、系統(tǒng)毀壞、重大財(cái)產(chǎn)損失或不危及人員健康和環(huán)境的能力。飛機(jī)可靠性是指飛機(jī)在給定時(shí)間內(nèi)和規(guī)定條件下正常工作的概率，直接影響飛機(jī)安全性、飛機(jī)綜合性能與壽命周期費(fèi)用，是評(píng)價(jià)飛機(jī)優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。可靠性工作貫穿于飛機(jī)研制的全壽命周期，其主要技術(shù)內(nèi)容包括可靠性預(yù)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)、可靠性分析與評(píng)估等［10］。隨著民航事業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)通用質(zhì)量特性的重要性日益凸顯，并成為影響使用效能的關(guān)鍵因素。因此飛機(jī)的可靠性和安全性水平對(duì)民用飛機(jī)的生存能力、維修保障和全壽命周期費(fèi)用都具有重要的影響［11］，將可靠性、維修性與安全性（RMS）進(jìn)行一體化研究逐漸成為趨勢(shì)。波音公司積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和用戶反饋實(shí)際使用數(shù)據(jù)，結(jié)合可靠性和安全性理論的廣泛應(yīng)用［12］，使其設(shè)計(jì)制造的飛機(jī)相比傳統(tǒng)的飛機(jī)表現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。美國總結(jié)幾十年的研制經(jīng)驗(yàn)建立了一套完整的設(shè)計(jì)體系，與計(jì)算機(jī)輔助分析軟件和民用飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)庫結(jié)合，在保證可靠性與安全性的前提下，大幅降低飛機(jī)的直接使用成本，有力地支持了民用飛機(jī)的研發(fā)工作［13］。

對(duì)于民用飛機(jī)系統(tǒng)及設(shè)備，保證不同的可靠性水平將花費(fèi)不同的維修成本，要從根本上提高飛機(jī)運(yùn)營階段的經(jīng)濟(jì)性，就必須在源頭設(shè)計(jì)上考慮維修成本。為了民用飛機(jī)安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)營以及完善國產(chǎn)民用飛機(jī)維修保障體系，馮蘊(yùn)雯等［14］針對(duì)航材綜合管理進(jìn)行了研究，包括航材預(yù)測(cè)與配置管理技術(shù)兩個(gè)方面，并預(yù)測(cè)了其發(fā)展趨勢(shì)。

本文以系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，從民用飛機(jī)的可靠性和安全性出發(fā)，以民用飛機(jī)成本、飛機(jī)各性能參數(shù)為約束條件，對(duì)協(xié)同考慮可靠性、安全性和成本的一體化設(shè)計(jì)思想與驗(yàn)證流程進(jìn)行研究，以期克服民用飛機(jī)可靠性、安全性和成本工作統(tǒng)一開展帶來的問題，為新一代民用飛機(jī)研發(fā)提供必要的工具，提高民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性在民航市場中的競爭力。

1 基于成本的可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)與安全性設(shè)計(jì)是相互獨(dú)立進(jìn)行的，而可靠性與安全性的一體化設(shè)計(jì)是在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段開展以成本為主要約束的可靠性與安全性的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，其主要設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 基于成本的可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)思想Fig.1 Cost-based reliability and safety integrated design

1.1 考慮可靠性與安全性指標(biāo)的民用飛機(jī)成本分析

可靠性與安全性設(shè)計(jì)是飛機(jī)維修成本的重要影響因素。維修成本由直接維修成本（Direct Maintenance Cost，簡稱DMC）與間接維修成本（Indirect Maintenance Cost，簡稱IMC）組成［15］。其中，DMC是在完成飛機(jī)或設(shè)備維修所需要的工作中直接花費(fèi)的人工時(shí)間和材料的費(fèi)用，與可控的DOC的程度關(guān)系較大?？煽啃栽O(shè)計(jì)通過維修成本影響著總成本，同時(shí)維修性也影響著可靠性。

DMC是以可靠性、維修性及經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的定量分析過程，是飛機(jī)不同型號(hào)間經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的重要表現(xiàn)。通過DMC分析，可找出飛機(jī)設(shè)計(jì)在維修性與可靠性方面存在的薄弱環(huán)節(jié)，通過切實(shí)有效的改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在保證維修安全性的前提下有效控制維修成本，提升飛機(jī)的競爭力［16］。

1.2 基于成本的指標(biāo)分配及預(yù)計(jì)

1.2.1 直接維修成本、可靠性及安全性需求

（1）DMC目標(biāo)是指在飛機(jī)研發(fā)過程中，依據(jù)市場需求、飛機(jī)技術(shù)方案等邊界條件，對(duì)整機(jī)設(shè)定的一個(gè)總體目標(biāo)。產(chǎn)品固有維修經(jīng)濟(jì)性決定了DMC，而產(chǎn)品設(shè)計(jì)又決定了固有維修經(jīng)濟(jì)性［17］。因此，產(chǎn)品全生命周期DMC活動(dòng)的重點(diǎn)為設(shè)計(jì)階段的DMC。

（2）可靠性要求是產(chǎn)品使用者向廠家提出的生產(chǎn)目標(biāo)，是進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)分析、制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收的基礎(chǔ)。主要包括可靠性定性要求、可靠性定量要求和可靠性工作項(xiàng)目要求三個(gè)方面。

（3）安全性要求是型號(hào)安全性工程中開展設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與評(píng)價(jià)等工作的依據(jù)，包括定性要求和定量要求，正確、科學(xué)地確定各項(xiàng)安全性要求是一項(xiàng)重要工作。

（4）民用飛機(jī)的簽派可靠度對(duì)航空公司的運(yùn)營收入有著直接的影響。提高簽派可靠度，可以有效提高航空公司的效率以及服務(wù)品質(zhì)［18］。

1.2.2 可靠性、安全性參數(shù)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)可行性分析

民用飛機(jī)可靠性、安全性指標(biāo)經(jīng)濟(jì)可行性分析是面向全壽命周期費(fèi)用，分析可靠性、安全性指標(biāo)與費(fèi)用項(xiàng)目之間的關(guān)系，并建立壽命周期費(fèi)用估算模型，根據(jù)估算模型逐個(gè)分析可靠性、安全性指標(biāo)對(duì)壽命周期費(fèi)用的影響，以判斷所提出的可靠性、安全性指標(biāo)是否在經(jīng)濟(jì)上可以承受的過程?？煽啃?、安全性參數(shù)指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性分析的一般程序如圖2所示。

圖2 可靠性、安全性參數(shù)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)可行性分析一般程序Fig.2 General procedure for economic feasibility analysis of reliability and safety parameters

1.2.3 可靠性、安全性以及成本分配

（1）可靠性分配

系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)就是把系統(tǒng)可靠性指標(biāo)合理地層層分配到底層元器件，選用能夠滿足要求的元器件，從而保證各部組件、各分系統(tǒng)以及全系統(tǒng)達(dá)到可靠性指標(biāo)要求?？煽啃缘姆峙湫枰紤]系統(tǒng)重要度、系統(tǒng)復(fù)雜度等不同因素［19］。通過參考飛機(jī)制造商關(guān)于可靠性評(píng)估的規(guī)章和手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合可靠性維修管理方面的實(shí)際情況，可得出可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法［20］。

通過建立成本—可靠度函數(shù)，將成本作為一種影響因素，結(jié)合非線性規(guī)劃模型，把對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)以及具體部件設(shè)備的可靠性最優(yōu)分配的分析轉(zhuǎn)化為對(duì)非線性規(guī)劃問題的求解。通過可靠性分配，各級(jí)設(shè)計(jì)人員可以明確其可靠性設(shè)計(jì)要求，根據(jù)要求估計(jì)所需的人力、時(shí)間和資源，并研究實(shí)現(xiàn)這些要求的可能性及方法。

（2）安全性分配

安全性需求存在于飛機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)。通常下層級(jí)的安全性需求來自于對(duì)上層級(jí)安全性需求分配。飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需根據(jù)功能需求把安全性需求自飛機(jī)級(jí)功能至設(shè)備級(jí)進(jìn)行分解。目前的分配方法有等分配法、權(quán)重分配法、專家評(píng)定分配法等。

（3）成本分配

成本分配是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)研制階段一項(xiàng)非常重要的經(jīng)濟(jì)性工作，它以整機(jī)可靠性、安全性目標(biāo)量化值為參考進(jìn)行分解，將成本預(yù)算根據(jù)實(shí)際要求分配給飛機(jī)的各系統(tǒng)、子系統(tǒng)、工作包及功能部件，這個(gè)成本的范圍包括研發(fā)、制造、運(yùn)營維修成本，從而實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的成本設(shè)計(jì)目標(biāo)。飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的成本分析工作主要包含整機(jī)工程目標(biāo)值確定、成本分配和成本預(yù)計(jì)。

1.2.4 可靠性、安全性指標(biāo)以及直接維修成本預(yù)計(jì)

（1）直接維修成本預(yù)計(jì)與控制

DMC預(yù)計(jì)是指通過一系列分析活動(dòng)，預(yù)測(cè)飛機(jī)部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)以及整機(jī)的DMC，其過程是自下而上進(jìn)行的，是DMC分析與控制技術(shù)的中心環(huán)節(jié)和DMC分配的反過程和驗(yàn)證過程。DMC控制是在DMC分配值和預(yù)計(jì)值的基礎(chǔ)上，基于優(yōu)化模型，以DMC指標(biāo)為約束條件，實(shí)現(xiàn)可靠性參數(shù)和維修性參數(shù)的優(yōu)化。

（2）可靠性與安全性預(yù)計(jì)

可靠性與安全性預(yù)計(jì)是根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、部件的可靠性安全性指標(biāo)來估計(jì)的，是自下而上，從局部到整體、由小到大的一種系統(tǒng)綜合過程，可分為基本可靠性安全性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性安全性預(yù)計(jì)。其反映產(chǎn)品定量的可靠性安全性數(shù)值，并找出影響產(chǎn)品可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)，也為可靠性分配提供參考依據(jù)。

1.3 基于成本的可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

（1）可靠性—成本模型

為預(yù)計(jì)或估算產(chǎn)品的可靠性所建立的框圖和數(shù)學(xué)模型稱作可靠性模型，可分為串聯(lián)模型、貯備模型等［21］。建立可靠性模型主要步驟為：深入了解產(chǎn)品，確定產(chǎn)品定義；在了解產(chǎn)品的基礎(chǔ)上建立產(chǎn)品的邏輯框圖；根據(jù)產(chǎn)品可靠性框圖，把產(chǎn)品的可靠性特征值與成本的數(shù)學(xué)關(guān)系用公式表達(dá)出來。再根據(jù)實(shí)際情況下不同原則進(jìn)行綜合權(quán)衡可靠性指標(biāo)與成本，選擇合適的可靠性—成本模型。美國洛克希德·喬治亞公司在研制飛機(jī)時(shí)提出的可靠性研發(fā)費(fèi)用的通用數(shù)學(xué)模型為

式中：CD為可靠性研發(fā)費(fèi)用；Ru為可靠性上限；Rb為可靠性下限；R為要求的可靠性。

K1、K2根據(jù)同類裝備一直的可靠性研發(fā)費(fèi)用和可靠度數(shù)據(jù)帶入模型求得。其余各參數(shù)的確定方法如下：可靠性上限Ru，是根據(jù)同類裝備已達(dá)到的水平，以及在現(xiàn)有技術(shù)水平下裝備可能達(dá)到的最高可靠度作為其上限；可靠性下限Rb，是裝備完成設(shè)計(jì)和制造后客觀存在的可靠性，即沒有進(jìn)行可靠性發(fā)展的任何投資。

（2）安全性-成本模型

安全性模型的建立離不開事故模型。事故模型是指導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)出現(xiàn)事故的原理。事故模型包含導(dǎo)致事故的各種因素，也可以是這些因素的相互組合、相互作用或者傳遞［22］。不失一般性地，可以認(rèn)為飛機(jī)安全性模型應(yīng)是各分系統(tǒng)的串聯(lián)模型。

與可靠性—成本模型類似，根據(jù)實(shí)際情況建立安全性指標(biāo)與飛機(jī)成本之間的數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)行綜合權(quán)衡。

截止2019年3月，全球B737系列各機(jī)型的航班數(shù)、百萬次飛行事故率與成本如表1所示，以事故率為安全性指標(biāo)，搭建成本—安全性數(shù)學(xué)模型。

表1 B737各機(jī)型事故率與成本數(shù)據(jù)Table 1 Accident rate and cost data of each type of B737

得到以成本為自變量x，百萬次飛行事故率為應(yīng)變量y的成本—安全性對(duì)數(shù)數(shù)學(xué)模型：

基于表1的數(shù)據(jù)得到的對(duì)數(shù)模型相較于線性模型擬合度更好。

1.3.2 可靠性與安全性一體化分析方法

可靠性分析是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它運(yùn)用定性和定量的分析工具對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)特性進(jìn)行邏輯的、綜合的評(píng)定。常用的方法包括故障模式影響及危害性分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）等［23］。還有做法是結(jié)合有效的運(yùn)行數(shù)據(jù)建立可靠性分析模型，在該模型的基礎(chǔ)上計(jì)算民用飛機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性水平，從而把計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于民用飛機(jī)全壽命周期管理［24］。

安全性分析可以稱為危險(xiǎn)分析，包括危險(xiǎn)的識(shí)別與其機(jī)理分析、風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)等，是安全性設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。常用方法包括初步危險(xiǎn)分析（PHA）、分系統(tǒng)危險(xiǎn)分析（SSHA）等［25］。

盡管可靠性和安全性在概念和關(guān)注點(diǎn)上有所不同，但兩者之間的關(guān)系卻十分密切，在部分安全性分析工作中，以可靠性分析作為基礎(chǔ)，可靠性是安全性的輸入。

在設(shè)計(jì)階段開展可靠性與安全性同步設(shè)計(jì)，需要完成以下工作：構(gòu)建成本預(yù)測(cè)模型、建立可靠性與安全性學(xué)科模型、進(jìn)行同步優(yōu)化。傳統(tǒng)意義上的可靠性與安全性優(yōu)化設(shè)計(jì)指單元余度可靠性分配，不支持通過調(diào)整與系統(tǒng)可靠性和安全性指標(biāo)密切相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)來優(yōu)化可靠性和安全性。

（1）構(gòu)建成本預(yù)測(cè)模型

在構(gòu)建成本模型的過程中，本文考慮可靠性與安全性關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，定量地描述成本與可靠性和安全性之間的非線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：C為商用飛機(jī)的單機(jī)成本；X i為影響單機(jī)成本的自變量；βi為自變量系數(shù)；n為自變量個(gè)數(shù)。

對(duì)于單機(jī)成本預(yù)測(cè)，是由多項(xiàng)自變量共同作用而決定的，這些自變量的量化值應(yīng)由工程實(shí)際情況決定，在本文中均與飛機(jī)綜合可靠性安全性密切相關(guān)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)可靠度、飛機(jī)結(jié)構(gòu)可靠度等。對(duì)于自變量系數(shù)β，作為冪指數(shù)能夠很好地調(diào)整自變量對(duì)成本的影響程度，降低預(yù)測(cè)誤差。

（2）建立可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)模型

在實(shí)際系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可靠性與安全性分析，得到描述系統(tǒng)可靠性與安全性指標(biāo)與關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系，而后進(jìn)行可靠性與安全性定量設(shè)計(jì)與優(yōu)化?？煽啃耘c安全性學(xué)科數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：RS為系統(tǒng)可靠性或安全性指標(biāo)；DDPs為與系統(tǒng)可靠性和安全性指標(biāo)密切相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

公式（4）需根據(jù)實(shí)際飛機(jī)設(shè)計(jì)情況確定，需要將DDPs落實(shí)到具體系統(tǒng)的不同關(guān)鍵參數(shù)，且根據(jù)不同系統(tǒng)的可靠性、安全性模型不同，搭建的函數(shù)模型也對(duì)應(yīng)不相同。

（3）協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常采用優(yōu)化的手段，通過選擇合理的優(yōu)化措施來提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。在可靠性與安全性學(xué)科模型的基礎(chǔ)上，建立一體化優(yōu)化模型，明確優(yōu)化的目標(biāo)、約束和變量；然后利用商業(yè)化優(yōu)化軟件中提供的各類標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化算法，開展可靠性安全性與性能同步優(yōu)化設(shè)計(jì)研究?；诔杀镜囊惑w化優(yōu)化模型為

上述優(yōu)化模型中：X為關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量；C為成本模型約束；C*為成本設(shè)計(jì)要求；gi(X)為性能指標(biāo)約束；為性能設(shè)計(jì)要求。

在一體化設(shè)計(jì)中，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件一般為非線性函數(shù)，構(gòu)成了復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，可通過遺傳算法、模擬退火算法等尋優(yōu)方法求解。

2 基于成本的可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程

可靠性、安全性要求驗(yàn)證的目的有：認(rèn)定飛機(jī)安全性、可靠性要求是否滿足研制任務(wù)書或合同中規(guī)定的要求；促進(jìn)飛機(jī)研制、生產(chǎn)和使用過程中的產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)；促進(jìn)可靠性與安全性增長和保證航空公司正常的運(yùn)營；確保飛機(jī)在一定成本下具有規(guī)定的性能?；诔杀镜目煽啃耘c安全性要求驗(yàn)證的一般工作程序如圖3所示。

圖3 可靠性和安全性要求驗(yàn)證流程Fig.3 Reliability and safety requirements verification procedures

驗(yàn)證方法是飛機(jī)可靠性、安全性要求驗(yàn)證技術(shù)體系中的核心環(huán)節(jié)，飛機(jī)可靠性與安全性要求的驗(yàn)證方法可分為4類8種：

（1）試驗(yàn)類：實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)、演示試驗(yàn)；

（2）檢查類：檢查評(píng)分；

（3）分析類：評(píng)價(jià)、類比分析、仿真；

（4）綜合類：綜合驗(yàn)證。

選用驗(yàn)證方法時(shí)，應(yīng)針對(duì)所要驗(yàn)證的可靠性、安全性要求，充分考慮所選用驗(yàn)證方法的針對(duì)性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。

可靠性定量要求驗(yàn)證方法適用于飛機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備，包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證方法、現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證方法和可靠性評(píng)估方法。安全性定量要求驗(yàn)證方法適用對(duì)象是系統(tǒng)中安全關(guān)鍵的產(chǎn)品，一般包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)或設(shè)備中的指揮與控制單元和任何控制危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)危險(xiǎn)的硬件、軟件和規(guī)程等。安全性驗(yàn)證應(yīng)根據(jù)安全性定量要求，可采用試驗(yàn)、檢查、分析、綜合等驗(yàn)證方法。

飛機(jī)可靠性與安全性定性要求驗(yàn)證方法適用于飛機(jī)、系統(tǒng)和設(shè)備，通?？刹捎脵z查方法，也可采用專家評(píng)分法。檢查方法用定量的形式表達(dá)定性要求的驗(yàn)證結(jié)果，具有結(jié)果直觀、簡單易行的特點(diǎn)。

3 案 例

民用飛機(jī)研制階段的可靠性與安全性設(shè)計(jì)水平至關(guān)重要，其決定了飛機(jī)全壽命周期可靠性安全性性能，以及相應(yīng)的成本消耗水平。本文運(yùn)用民用飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)開展基于成本的可靠性安全性一體化設(shè)計(jì)工作。

民用飛機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)種類繁多，本文選用與飛機(jī)成本、可靠性、安全性關(guān)聯(lián)度較高的四項(xiàng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，分別是最大起飛質(zhì)量W，旅客座位數(shù)N，發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力F以及巡航速度V，將其作為變量，確定約束范圍，搭建與成本、可靠性、安全性指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先根據(jù)實(shí)際情況，以目前航空市場上較為主流的客機(jī)機(jī)型為目標(biāo)，收集相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)以及可靠性安全性指標(biāo)數(shù)據(jù)。本文可靠性量化指標(biāo)采用簽派可靠度P，安全性量化指標(biāo)采用事故率S。簽派可靠度指航空公司在運(yùn)營航班時(shí)，沒有因飛機(jī)的機(jī)械故障，即自身的技術(shù)性原因造成航班的延誤或取消而運(yùn)營離站的百分?jǐn)?shù)，得到的具體結(jié)果如表2～表3所示。

表2 各機(jī)型設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Design parameter data of each model

表3 各機(jī)型成本、簽派可靠度、故障率數(shù)據(jù)Table 3 Cost，dispatch reliability and failure rate data of each model

根據(jù)表2～表3的數(shù)據(jù)，運(yùn)用多元線性規(guī)劃法分別將四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)作為自變量，成本、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、事故率作為因變量，搭建數(shù)學(xué)關(guān)系模型，得到的回歸方程如下：

從式（5）～式（7）可以看出：最大起飛質(zhì)量與可靠性、成本成正比，與安全性成反比；飛機(jī)座位數(shù)與可靠性、安全性成反比，與成本成正比；發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力與可靠性、安全性、成本均成正比；巡航速度與可靠性、成本成反比，與安全性成正比。

綜上，四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于飛機(jī)成本、可靠性、安全性的影響趨勢(shì)是不同且復(fù)雜的，但在對(duì)四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行約束的情況下，可以分別計(jì)算三個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。首先給出設(shè)計(jì)參數(shù)約束條件，如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)參數(shù)約束條件Table 4 Constraints of design parameters

表4中給定的約束條件主要面向雙發(fā)單通道客機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以得到最優(yōu)簽派可靠度P0=99.95%，最優(yōu)事故率S0=11%（每百萬次飛行），最優(yōu)成本C0=8 704萬美元。

實(shí)際中，飛機(jī)設(shè)計(jì)制造方希望不同研制方案的情況是簽派可靠度盡量高，事故率與成本盡量低。本文根據(jù)此趨勢(shì)，搭建一體化去量綱累乘評(píng)分模型，對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估：

式中：A為無量綱評(píng)分值；P、S、C分別為不同研制方案簽派可靠度、事故率與成本值，可通過式（5）～式（7）計(jì)算得到。

假設(shè)某研制方案的四項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)值分別為最大起飛質(zhì)量75 t，座位數(shù)170個(gè)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力250 kN，巡航速度450 kn，則通過計(jì)算可得到其簽派可靠度值為97.95%，事故率為30.5%（每百萬次飛行），成本為10 502萬美元，代入式（8）可得該方案評(píng)估值A(chǔ)=0.828 7。通過對(duì)不同方案的計(jì)算，得到不同的一體化評(píng)估值A(chǔ)，即可實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)劣對(duì)比，從而做出符合實(shí)際要求的抉擇。

4 結(jié) 論

（1）本文提出了基于成本的可靠性與安全性一體化設(shè)計(jì)思想，并在此基礎(chǔ)上初步研究了相應(yīng)的一體化設(shè)計(jì)模型及驗(yàn)證方法。

（2）本文提出了成本與可靠性安全性之間可供建立的理論數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并給出了運(yùn)用模型實(shí)現(xiàn)一體化分析的具體方法。

（3）本文提出了一套完整的一體化試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，已應(yīng)用于國產(chǎn)大飛機(jī)的研制，相關(guān)流程得到了驗(yàn)證，驗(yàn)證過程簡單直觀?？蔀槲覈乱淮笮兔裼每蜋C(jī)的研制提供技術(shù)支撐。