基于GO法的某預警機飛控系統(tǒng)可靠性分析*

溫軼群，段富海

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024）

0 引言

預警機（Airborne Early Warning Aircraft，AEWA）的全稱是空中指揮預警飛機，其設置了完備的遠程警戒雷達任務系統(tǒng)，主要功能是對海上或是空中目標進行監(jiān)視與搜索，同時對己方飛機進行有效的指揮，使之順利執(zhí)行作戰(zhàn)任務。相較于常規(guī)的軍用運輸機，它在可靠性、航向控制精度以及飛行姿態(tài)精度等方面有更高的要求。隨著飛行任務復雜性與飛機性能的不斷提升，如果只依靠飛行員去操縱飛機，將分散飛行員注意力，無法有效地完成預警任務，必須由自動飛行控制系統(tǒng)（Automatic Flight Control System，AFCS）來全部或部分代替飛行員控制各舵面和動力裝置，才能很好完成對飛機的操縱[1]。由于預警機承擔作戰(zhàn)指揮中心的作用，其AFCS失效或性能降低，可能導致預警精度降低，預警效果變差，輕則丟失目標，重則影響戰(zhàn)場全局。

AFCS是飛機的重要組成部分，是飛機總體設計的主要內容，是一種可靠性和安全性要求極高的復雜實時控制系統(tǒng)，由電氣、電子、機械和液壓等部件組成，其核心是自動駕駛儀。無需飛行員實施干預，自動駕駛儀即可保持飛機的飛行姿態(tài)，主要用于穩(wěn)定飛機的俯仰角、傾斜角和航向角，穩(wěn)定飛機的飛行高度和飛行速度，能夠與導航系統(tǒng)交聯(lián)實現(xiàn)自動導航，按導航信息自動操縱飛機升降以及轉彎，駕駛儀和地形雷達進行交聯(lián)可以實現(xiàn)對于地形的自動跟蹤，和儀表著陸系統(tǒng)進行交聯(lián)可以實現(xiàn)自動著陸。其它功能包括自動配平、改平與增穩(wěn)等。自動駕駛儀的組成包括慣性導航傳感器、飛控計算機、駕駛儀放大器、執(zhí)行機構舵機、綜合反饋裝置與操縱裝置（駕駛儀操縱臺和耦合器操縱臺）等[2]。

現(xiàn)階段，用來進行復雜系統(tǒng)可靠性分析的主要方法包括（Goal-Oriented，GO）法與故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）。其中，前者在20世紀60年代被提出，主要用來分析武器系統(tǒng)的可靠性。該方法主要基于信號流描述系統(tǒng)與GO操作符，結合了概率公式方法和狀態(tài)概率組合法等，來開展可靠度概率計算，同時進行定量與定性的分析[3]。近年來，基于GO法的交叉理論研究不斷深入，已衍化出了GO-FLOW法和模糊GO法[4]等。GO法的應用更加深入和廣泛，且功能逐漸完善，使用更加簡捷[5]。和FTA法相比，可以采用GO法來分析多狀態(tài)且更加復雜的系統(tǒng)，尤其是在存在有液流、氣流與電流等各種物流的系統(tǒng)中，采用它來進行可靠性分具有良好的效果[3]。例如，金霞等[6]通過該法來探討了電動靜液作動器所具有的可靠性；此外，初雨田等[7]通過該方法研究了艦載機折疊翼控制系統(tǒng)所具有的可靠性；李媛媛等[8]通過該方法對車用發(fā)動機增壓系統(tǒng)所具有的可靠性進行了全面的探究；趙云云等[9]在該方法的基礎上，對廣州地鐵同相牽引供電系統(tǒng)進行了深入的研究，著重探討其可靠性問題；蘇麗娟等[10]主要通過該方法來對CRH3動車組當中的輔助供電系統(tǒng)可靠性展開了深入分析；段富海[11]采用該方法研究了某型飛機電傳操縱桿的余度問題。

本文利用GO法定量分析了某預警機AFCS的可靠性。分析了飛機AFCS的結構，參照相關的原理圖將GO圖模型構建起來，開展了可靠性的定量分析，同時還將所得結果與FTA法[12-13]展開橫向比較分析，對該法在預警機的自動飛行控制系統(tǒng)可靠性分析方面所具有的準確及有效性進行研究。

1 某預警機AFCS系統(tǒng)結構與工作原理

某預警機AFCS結構與工作原理如圖1所示。整個系統(tǒng)由3個最基本的回路構成：伺服回路（舵回路）是駕駛儀的執(zhí)行回路，含放大器和舵機；駕駛儀回路（內回路）實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制；導航回路（外回路）與慣性導航系統(tǒng)交聯(lián)，主要實現(xiàn)航跡控制和各種模態(tài)控制。飛機AFCS傳感器設備主要包括2套平臺慣性系統(tǒng)和2套捷聯(lián)航姿系統(tǒng)。

圖1 某預警機AFCS原理

駕駛儀回路是一個具有獨立功能的分系統(tǒng)，當接通自動駕駛儀時，駕駛儀計算機中的存儲器將記憶飛機飛行的即時姿態(tài)，并把它作為基準值。由飛機上的傳感器進行即時姿態(tài)的持續(xù)測量，再將所得數(shù)據傳輸至駕駛儀計算機中，并且和基準值進行對比，最終形成了控制指令。

導航回路通過飛機上的導航系統(tǒng)和駕駛儀回路來進行交聯(lián)，主要的作用是實現(xiàn)對于飛行模態(tài)的自動控制。在已經接通了飛行模態(tài)之后，由計算機來接收交聯(lián)系統(tǒng)與傳感器的信號，再進行特定控制律計算，由此將會形成相關控制指令，并且向飛機駕駛儀計算機發(fā)送，最終實現(xiàn)了模態(tài)功能[14]。

2 采用GO法分析某預警機AFCS可靠性

在運用GO法進行系統(tǒng)可靠性分析的過程中，首先需要根據系統(tǒng)結構和工作原理構建系統(tǒng)GO圖；其次基于其操作符相關運算規(guī)則，遵循特定的信號流序列，對每個操作符逐步進行運算，來完成系統(tǒng)各狀態(tài)的概率計算；最終，將可獲得系統(tǒng)成功運行的精確概率[15]。

2.1 AFCS的GO圖建模

在對AFCS主要組件功能進行分析之后，需結合17種操作符所具有的主要特點，轉化系統(tǒng)原理圖，得到圖2所示的GO圖[16]可靠性分析模型。在該圖中，各個組件和GO法操作符之間所存在的對應關系和可靠性如表1所示。狀態(tài)值0、1與2分別對應于組件的提前狀態(tài)、成功狀態(tài)及故障狀態(tài)。

圖2 某預警機AFCS的GO圖

表1 某飛機AFCS操作符數(shù)據

在圖2中，通過第5類信號發(fā)生器操作符來代表指令信號與控制信號；此外，還通過第1類兩狀態(tài)單元操作符來代表執(zhí)行機構、駕駛儀放大器、姿態(tài)傳感器、模態(tài)傳感器、機上交聯(lián)系統(tǒng)、駕駛儀操縱臺以及耦合器操縱臺等，并且采用第3類觸發(fā)發(fā)生器操作符表示飛控計算機和駕駛儀計算機。

2.2 AFCS的GO運算

圖2中，一方面，信號5包含在信號12的輸出表達式中；另一方面，信號12又反過來影響信號5的輸出概率，這種現(xiàn)象即為信號反饋。本文采用直接將反饋斷開，閉環(huán)變?yōu)殚_環(huán)，然后再沿信號流進行計算的方法。

根據表1所列的數(shù)據，本文采用了狀態(tài)累積概率算法來開展GO運算[17]，那么關鍵信號流所對應的表達式具體為：

（1）信號流5

式中：PRj（i）為輸出為i時信號流j的狀態(tài)概率；PSj（i）為輸入為i時信號流j的狀態(tài)概率；Pcj（i）為操作符狀態(tài)為i時信號流j的狀態(tài)概率。

結合表1數(shù)據，計算得到

即飛機AFCS提前狀態(tài)值為7.2×10-9；正常運行的概率為0.999 999 983 9。

3 采用FTA法分析某預警機AFCS可靠性

作為重要的圖形演繹法，故障樹（FTA）法可被用來進行系統(tǒng)可靠性分析、風險評估及安全性分析等工作[13]。FTA法通過對系統(tǒng)的分析和建模，得到系統(tǒng)的FTA圖，然后進行系統(tǒng)的可靠性分析，定量計算得出系統(tǒng)的可靠度。以某預警機AFCS故障為頂事件，建立飛機AFCS的故障樹，如圖3所示。

圖3 某預警機AFCS的FTA圖

由故障樹頂事件的計算方法可得：

整理可得：

故某飛機AFCS正常運行的概率為：

式中：λi為第i個事件發(fā)生概率；Pi為第i個事件不發(fā)生概率。

表2詳細地列出了故障樹當中各底事件的發(fā)生概率，通過故障樹頂事件的計算方法可分別計算出飛機AFCS正常運行和失效的概率，即

表2 各底事件數(shù)據

4 GO法和FTA法的計算結構對比

GO法和FTA法都是有效的系統(tǒng)可靠性分析方法，二者都以圖形的方式描述系統(tǒng)并進行建模，但對于不同的研究對象，適用性有一定差異。

（1）在建模過程中，GO法以成功為到導向，從GO圖輸入操作符的成功狀態(tài)開始，假設系統(tǒng)各部件都處于正常狀態(tài)，按照信號流序列，對每個操作符逐步進行運算，直至輸出系統(tǒng)成功的狀態(tài)概率；而FTA法是以故障為導向，以系統(tǒng)故障為頂事件，逐層分析故障原因，直至各底事件發(fā)生，并構建FTA圖。GO法更能清晰地反映系統(tǒng)各組件之間的邏輯關系，而FTA法更能清晰地描述系統(tǒng)故障的原因，方便故障維修排除。

（2）在定量分析時，GO法根據操作符的運算規(guī)則，按照信號流序列，采用狀態(tài)組合算法或概率計算公式，可以直接分析計算出系統(tǒng)成功運行概率的精確值；而FTA法需先求出最小割集的概率，進而才能逐步計算出系統(tǒng)故障頂事件的近似概率值。

（3）由以上分析可知，GO法和FTA法分析的結果大體一致，但是仍有差異。究其原因：在GO法分析中，考慮了計算機在實際運行時可能會發(fā)生提前動作的情況，對應的系統(tǒng)產生動作的概率為7.2×10-9，而FTA法只能考慮部件的兩種狀態(tài)，即成功運行和故障，因此運用GO法分析系統(tǒng)的可靠性時更加全面。

5 結束語

（1）預警機擔負對海、對空目標的監(jiān)視與搜索，并指揮己方飛機執(zhí)行作戰(zhàn)任務，由于其任務的特殊性和重要性，預警機對飛控系統(tǒng)的飛行控制精度、可靠性和安全性要求更高。

（2）分別采用GO法與FTA法定量計算了某預警機AFCS可靠性，同時還比較了它們各自的建模與計算過程，得出這兩種系統(tǒng)可靠性分析方法所計算出的系統(tǒng)成功運行概率基本一致，最終全面地驗證了GO法在該可靠性分析工作中具有良好的準確性與較高的可行性。

（3）飛機AFCS屬于典型的多狀態(tài)復雜系統(tǒng)，相比于FTA法只能描述兩狀態(tài)無時序系統(tǒng)，GO法不僅能很好地描述多種狀態(tài)事件，同時還能應用于有先后順序或時序要求的多狀態(tài)復雜系統(tǒng)的可靠性分析，因此通過該方法來研究相關問題具有更好的科學合理性，更加貼近系統(tǒng)的實際工況。所以，GO法具有更高的精確性與真實度。