基于FRAM的復(fù)合材料適航維修人為因素分析

賀 強, 胥 濤

(中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院, 四川 廣漢 618307)

0 引言

大量應(yīng)用復(fù)合材料的民機服役使得復(fù)合材料的維修需求大幅度持續(xù)上升，而復(fù)合材料適航維修的技術(shù)難度大、環(huán)境要求苛刻，更依賴維修人員的經(jīng)驗和技能。復(fù)合材料適航維修的這些特點導(dǎo)致維修中的人為因素問題更加突出。因此，研究復(fù)合材料維修中的人為因素對于減少維修差錯、提高維修質(zhì)量等具有重要意義。

維修中的人為因素已成為航空安全系統(tǒng)的研究熱點，文獻[1]基于航空維修中人的行為與差錯要素，構(gòu)建了視情維修系統(tǒng)模型，基于模型對航空維修中的人為差錯致因進行分析并提出相應(yīng)安全建議。文獻[2]應(yīng)用主成分分析技能型航空維修差錯，得出影響維修差錯的四類主要因子，結(jié)合實際維修中的人、機、環(huán)等要素提出航空維修安全管理建議。文獻[3]采用維修差錯判斷輔助工具(Maintenance Error Decision Aid, MEDA)和對應(yīng)分析方法(Correspondence Analysis, CA)對3783份航空安全事件進行樣本統(tǒng)計分析，結(jié)果表明個人因素和管理因素是造成航空維修差錯的主要原因。文獻[4]對966名航空維修人員進行關(guān)于個人、工作、疲勞等相關(guān)內(nèi)容的問卷調(diào)查，采用Logistic方法篩選并分析維修中的疲勞致因，得出了疲勞與維修差錯的映射關(guān)系?，F(xiàn)有的航空維修差錯研究針對于外場維修，航線的居多，側(cè)重于從維修行業(yè)層面分析整個維修大系統(tǒng)的人為因素。而針對復(fù)合材料維修，上述方法層次較高，不能完全體現(xiàn)貫穿于整個系統(tǒng)的復(fù)合材料維修人為因素，及其與機、環(huán)要素的相互作用演變，不能有效地控制維修差錯并提高維修質(zhì)量。當(dāng)前，針對復(fù)雜“人-機-環(huán)”系統(tǒng)的建模，功能共振分析方法(Functional Resonance Analysis Method, FRAM)能夠有效描述復(fù)雜“人-機-環(huán)”系統(tǒng)中各功能間的非線性動態(tài)交互、耦合等特征，并根據(jù)變化積聚導(dǎo)致的共振揭示系統(tǒng)失效的原因，進而提出針對性的安全屏障，是典型的系統(tǒng)論模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空中的事故調(diào)查、事故致因分析、運營風(fēng)險評估等領(lǐng)域。

綜上所述，本文將FRAM應(yīng)用于復(fù)合材料適航維修這一典型的“人-機-環(huán)”系統(tǒng)，針對復(fù)合材料膠接挖補，提出基于FRAM的人為因素建模方法，構(gòu)建復(fù)合材料維修系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)模型，識別并定義各功能模塊的特征，通過功能變化的耦合建立不安全因素的防護屏障。

1 復(fù)合材料適航維修過程

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修理必須滿足復(fù)合材料咨詢通告(Advisory Circular, AC)中結(jié)構(gòu)靜強度、疲勞、損傷容限等要求，并考慮特殊結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的各種因素。根據(jù)咨詢通告AC20-107B，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法可分為非補片法和補片法，其中補片法中的膠接挖補是一種先進的方法，在復(fù)合材料修理中較為常用，主要內(nèi)容包括損傷檢測與評估、修理區(qū)域準(zhǔn)備、實施修理、修理后檢測四個主要步驟。首先維修人員通過目視檢查與無損檢測發(fā)現(xiàn)并確定損傷的位置和大小，根據(jù)損傷容限確定維修方案；其次去除損傷區(qū)域的材料，形成膠接修理的臺階或斜面，并對其進行表面處理；再次按照順序進行補片材料的鋪貼；最后通過膠接固化完成修理并對維修結(jié)果進行檢測驗證。復(fù)合材料膠接挖補詳細(xì)維修步驟如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料膠接挖補維修流程

2 復(fù)合材料膠接挖補中的“人-機-環(huán)境”系統(tǒng)

復(fù)合材料膠接挖補修理過程中人、機、環(huán)境要素之間相互作用，是導(dǎo)致維修差錯和降低維修質(zhì)量的主要因素。通過對維修過程中人的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特性、操縱控制以及任務(wù)系統(tǒng)的組合研究，使機械設(shè)備和環(huán)境設(shè)計最大限度地符合維修人員的認(rèn)知決策能力、技能與行為等變化特征。如圖2所示，復(fù)合材料膠接挖補“人-機-環(huán)”系統(tǒng)主要由人、機、環(huán)三要素構(gòu)成。人主要指維修人員的生理狀態(tài)、知識儲備、團隊協(xié)作等；機主要指維修設(shè)備以及工具的年限與質(zhì)量、可操作性和自動化程度等；環(huán)主要是指維修中的物理環(huán)境、作業(yè)空間、工藝環(huán)境等。通過分析膠接挖補“人-機-環(huán)”系統(tǒng)組成要素和復(fù)合材料膠接挖補維修過程，可為復(fù)合材料維修人為因素建模奠定基礎(chǔ)。圖2中機務(wù)人員一欄中上下箭頭分別表示該影響因素的上升和下降變動情況。

圖2 復(fù)合材料膠接挖補的“人-機-環(huán)”系統(tǒng)

2.1 維修人員

復(fù)合材料膠接挖補“人-機-環(huán)”系統(tǒng)中，人員的作業(yè)能力直接影響復(fù)合材料修理最終效果，因此需要對修理過程中人的作業(yè)能力特征、變化規(guī)律及其對系統(tǒng)效能的作業(yè)機制進行探究。復(fù)合材料修理存在單次作業(yè)時間長的問題，易使維修人員生理狀態(tài)不滿足作業(yè)要求，產(chǎn)生作業(yè)違規(guī)或技能型差錯，這可導(dǎo)致表面處理、預(yù)浸料鋪層等任務(wù)無法保證維修質(zhì)量。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修對工藝設(shè)計、質(zhì)量評估等要求極為苛刻，且維修任務(wù)時間緊，對維修人員的專業(yè)知識、專業(yè)技能和專業(yè)經(jīng)驗要求較高，可對維修人員造成壓力，難以持續(xù)保持良好的工作狀態(tài)。

2.2 維修設(shè)備與工具

在修理過程中，復(fù)合材料的各向異性和環(huán)境敏感性使得維修人員對結(jié)構(gòu)的載荷參數(shù)、失效模式和受損部位難以準(zhǔn)確定位，因此需要相應(yīng)的維修規(guī)范加以約束。在此基礎(chǔ)上，可對膠接挖補鋪層與固化所需時間、溫度、壓力進行嚴(yán)格控制。隨著信息與控制技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料修理所用的設(shè)備和工具更新迭代周期越來越短，儀器的多樣性、多功能性導(dǎo)致人機界面交互信息量不斷增長，維修人員認(rèn)知負(fù)荷顯著增加。

2.3 維修環(huán)境

作業(yè)環(huán)境是與維修人員密切相關(guān)的外在因素，復(fù)合材料的作業(yè)方式依據(jù)工作條件分為原位修理和離位修理。離位修理的作業(yè)環(huán)境通?？芍苯咏佑|到封閉車間，通風(fēng)條件、室內(nèi)光線、車間噪音、危險源、濕度、溫度、設(shè)計布局等是影響維修人員的主要因素；原位修理通常是航線上的維修，為比較開闊的作業(yè)環(huán)境，氣候變化、噪音、光線、溫度、飛機表層清潔度等是影響維修人員的主要因素。維修環(huán)境可對維修工作產(chǎn)生顯著影響。如目視檢查中，若光線過于陰暗或明亮都會對維修人員損傷檢測的判斷與決策產(chǎn)生干擾，造成未發(fā)現(xiàn)損傷或損傷類型判斷錯誤，從而影響后續(xù)維修項目的進行。同時，不適宜的照明也會導(dǎo)致維修人員查手冊時信息獲取缺失，影響任務(wù)完成效率。此外，安靜的工作環(huán)境更有利于作業(yè)人員感知維修信息和集中精神狀態(tài)。相比于車間環(huán)境，航線上飛機噪聲對維修的干擾程度更大，運行中的飛機發(fā)動機會產(chǎn)生很大的噪音，可影響作業(yè)人員的工作狀態(tài)導(dǎo)致維修差錯風(fēng)險增大。

3 基于FRAM的復(fù)合材料維修人為因素建模

3.1 功能共振原理

FRAM將事故的本質(zhì)歸因于系統(tǒng)運行中的突變，它從整個系統(tǒng)的視角出發(fā)，強調(diào)分析系統(tǒng)中的功能變化及其影響因素，其機理可解釋為成敗等價、自適應(yīng)調(diào)整、涌現(xiàn)、共振四個原理。FRAM模型主要用于事故分析與風(fēng)險評估，其具體流程如圖3所示。

圖3 功能共振分析流程

3.2 基于FRAM的模型構(gòu)建

3.2.1 識別與描述復(fù)合材料膠接挖補系統(tǒng)功能

復(fù)合材料維修過程中的人、工具、技能要求、環(huán)境隨著維修流程是不斷變化的，兩個或多個信號異于其他信號時，不同信號間進行耦合，引起功能共振。根據(jù)復(fù)合材料膠接挖補“人-機-環(huán)”系統(tǒng)，將膠接挖補分為以下11個功能模塊：F1為目視檢查模塊；F2為無損檢測模塊；F3為維修設(shè)計模塊；F4為去除損傷材料模塊；F5為表面處理模塊；F6為鋪放膠膜模塊；F7為預(yù)浸料鋪層模塊；F8為構(gòu)建真空固化環(huán)境模塊；F9為固化修理區(qū)域模塊；F10為檢測/評估修理區(qū)域模塊；F11為恢復(fù)功能模塊。利用功能六邊形可對11個功能模塊進行特征描述。以無損檢測模塊F2為例，該模塊的功能特征描述示于表1。利用可視化軟件(FRAM Model Visualizer, FMV)建立功能共振網(wǎng)絡(luò)，功能網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

表1 F2模塊功能特征描述

圖4 功能網(wǎng)絡(luò)圖

3.2.2 評估功能的潛在性能變化

根據(jù)11個工作條件，結(jié)合人員、技術(shù)、組織，對每個功能的變化進行評估，以F2模塊為例進行分析，結(jié)果如表2所示。F2的功能變化包含9個“不充分”，1個“無法確定”，1個“充分”，由此基本斷定F2變化為隨機狀態(tài)，判斷F2引起維修差錯的概率更大。

表2 功能模塊F2的變化

同樣可以得到其他模塊的功能變化，結(jié)果如表3所示。表3中F2、F5、F10模塊的變化評定為“隨機”狀態(tài)，因此F2、F5、F10模塊可能產(chǎn)生功能共振，引發(fā)系統(tǒng)功能失效。

表3 各模塊功能變化評估表

3.3.3 確定復(fù)合材料適航維修中的功能共振

基于圖4建立的復(fù)合材料膠接挖補系統(tǒng)的功能共振網(wǎng)絡(luò)，識別出具有功能共振的模塊、失效連接以及導(dǎo)致共振的影響因素。以F2模塊為例，分析結(jié)果見表4。

表4 功能模塊F2影響因素及失效連接

3.3.4 制定防護屏障

功能共振分析表明，F(xiàn)2、F5、F10模塊存在的失效連接容易導(dǎo)致復(fù)合材料維修差錯，因此對3個模塊進行防控。功能共振模型的防控屏障從“人-人”、“人-機”、“人-環(huán)”三個層面制定，通過控制其性能變化來預(yù)防不安全事件的發(fā)生。功能共振屏障一般分為四類，物理屏障(維修人員相關(guān)操縱而產(chǎn)生的屏障)、象征屏障(維修人員個人知識儲備、組織管理等屏障)、功能屏障(維修任務(wù)完成后產(chǎn)生的屏障)、無形屏障(維修任務(wù)之外存在的屏障)。F2無損檢測模塊中，人對設(shè)備的操縱、人員間信息的傳遞以及任務(wù)之外所處的環(huán)境對維修結(jié)果具有較大影響，因此主要對物理、象征、無形三類屏障進行分析，具體如表5所示。

表5 F2的失效變化防控

4 結(jié)論

復(fù)合材料適航維修中的人為因素在民用航空領(lǐng)域里越來越受到重視，為解決復(fù)合材料適航維修中人為因素愈加突出的問題，利用FRAM分析復(fù)合材料適航維修系統(tǒng)中的人為因素。通過構(gòu)建復(fù)合材料膠接挖補的功能共振網(wǎng)絡(luò)，對復(fù)合材料維修膠接挖補過程中人、機、環(huán)境因素間的非線性動態(tài)耦合關(guān)系進行分析。結(jié)果表明“人-機-環(huán)”系統(tǒng)分析可以揭示復(fù)合材料維修過程中引起失效的模塊，并對失效環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的控制措施，可有效減少維修差錯，保障維修質(zhì)量。本文的分析方法可為集成人為因素的復(fù)合材料適航維修工藝規(guī)范及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供借鑒與參考。