基于簽派可靠度的飛機(jī)可靠性參數(shù)體系研究

張 蕊，李麥亮，2，黃鐸佳，2

(1 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 廣州 510610)

0 引言

簽派可靠度指不因機(jī)械原因造成飛機(jī)延誤超過15 min或者取消的概率,是飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo),體現(xiàn)了飛機(jī)的市場競爭力[1-2]。簽派可靠度與飛機(jī)設(shè)計息息相關(guān),是飛機(jī)的頂層可靠性設(shè)計指標(biāo)之一,必須建立基于簽派可靠度的參數(shù)體系,確定影響簽派的設(shè)計環(huán)節(jié)和設(shè)計指標(biāo),形成飛機(jī)簽派可靠度分析與評估方法[3-4]。文中通過對簽派影響要素的分析,結(jié)合目前國際通用的飛機(jī)可靠性參數(shù)體系,確定基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)集;并從簽派可靠度的角度出發(fā),依據(jù)各類設(shè)備對簽派的影響路徑,從整機(jī)-系統(tǒng),系統(tǒng)-子系統(tǒng),子系統(tǒng)-設(shè)備3個層級分析各參數(shù)之間的關(guān)系,使用蒙特卡洛法研究簽派可靠度的評估方法,形成基于簽派可靠度的飛機(jī)可靠性參數(shù)體系。

1 基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)集研究

通過對飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)備對簽派的影響方式分析,結(jié)合目前國際通用的飛機(jī)可靠性參數(shù)體系[5],從對簽派可靠度的影響出發(fā),為飛機(jī)整機(jī)、對飛行安全有著重大影響的設(shè)備部件、最低設(shè)備清單(minimum equipment list, MEL)內(nèi)的無約束設(shè)備、MEL內(nèi)的條件約束設(shè)備選擇了相應(yīng)的可靠性參數(shù),構(gòu)建了基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)集。

1.1 國外飛機(jī)可靠性參數(shù)體系研究

ATA spec2000是由ATA組織頒布的關(guān)于飛機(jī)全壽命周期內(nèi)可靠性維修性參數(shù)收集與共享的規(guī)范,建立了一個可靠性參數(shù)體系,并定義了規(guī)定的數(shù)據(jù)格式,便于飛機(jī)制造方、運營、系統(tǒng)部件供應(yīng)商之間的可靠性數(shù)據(jù)交換。該規(guī)范定義了需要記錄的航班運營數(shù)據(jù),包括飛機(jī)狀態(tài)更改數(shù)據(jù)、飛機(jī)通用統(tǒng)計數(shù)據(jù)、飛行事件數(shù)據(jù)、部件拆換數(shù)據(jù)、飛行日志、計劃性保障數(shù)據(jù)、部件返修數(shù)據(jù)等。飛機(jī)運營過程中的可靠性流程圖如圖1所示。

圖1 ATA spec2000 chapter11可靠性流程圖Fig.1 ATA spec2000 chapter11 reliability flowchart

用于監(jiān)測飛機(jī)可靠性的參數(shù)有:平均拆換時間(MTBR)、平均非計劃拆換時間(MTBUR)、平均故障間隔時間(MTBF)、無故障率(NFF)、自檢修或測試后使用的時間(TSR)。對于MTBF的統(tǒng)計,存在以下幾個問題:1)部件是否確實存在故障;2)部件是否在過應(yīng)力狀態(tài)下工作;3)部件故障是否是導(dǎo)致拆換的原因。針對這3類問題,該規(guī)范對部件的MTBF進(jìn)行了區(qū)分,并定義了3個不同的MTBF參數(shù),分別為MTBF(J),MTBF(N),MTBF(C)。各參數(shù)之間的關(guān)系見圖2。

圖2 ATA spec2000 chapter13可靠性參數(shù)集Fig.2 ATA spec2000 chapter13 reliability parameter set

1.2 基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)選擇

1.2.1 對飛行安全有著重大影響的設(shè)備部件

該類設(shè)備不允許帶故障運行,在發(fā)現(xiàn)故障后,故障首先必須被檢測出來,其次對故障部件進(jìn)行拆換以保證飛機(jī)的持續(xù)適航性[6]。其工作狀態(tài)對簽派的影響如圖3所示。

圖3 簽派影響IFig.3 Effect I on dispatch

1.2.2 MEL內(nèi)的無約束設(shè)備

該類設(shè)備在發(fā)生故障且被檢測后,只需要進(jìn)行一系列的機(jī)務(wù)、機(jī)組工作即可通過MEL進(jìn)行故障保留,不影響飛機(jī)的正常簽派,故障的修復(fù)需在故障保留期限內(nèi)[7-9],這類設(shè)備的工作狀態(tài)對簽派的影響如圖4所示。若在修復(fù)期限內(nèi)修復(fù)故障,對簽派無影響,否則在修復(fù)期滿后不允許簽派。

圖4 簽派影響ⅡFig.4 Effect II on dispatch

1.2.3 MEL內(nèi)的條件約束設(shè)備

該類設(shè)備在發(fā)生故障后,是否可以進(jìn)行MEL簽派受其他條件的約束,其工作狀態(tài)對簽派的影響如圖5所示。

圖5 簽派影響ⅢFig.5 Effect III on dispatch

綜上所述,飛機(jī)各系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、維修性參數(shù)選擇原則如表1所示。

2 基于蒙特卡洛方法的簽派可靠度評估方法研究

飛機(jī)整機(jī)由各類系統(tǒng)組成,系統(tǒng)由設(shè)備部件組成,整機(jī)的簽派可靠度與各層次參數(shù)之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 各層次可靠性參數(shù)關(guān)系圖Fig.6 Relations of reliability parameters in different level

假設(shè)各設(shè)備、系統(tǒng)相互獨立:設(shè)構(gòu)成整機(jī)的系統(tǒng)i的簽派可靠度為Ri,則整機(jī)的簽派可靠度Ra為:

(1)

系統(tǒng)的簽派可靠度Ri由蒙特卡洛方法確定。

2.1 模型建立

對設(shè)備的分類可通過主最低設(shè)備清單(master minimum equipment list, MMEL)清單及其簽派放行條件來劃分,可以分為:1) 對飛行安全有著重大影響的設(shè)備部件;2) MEL內(nèi)無約束的設(shè)備部件(僅需一定機(jī)務(wù)、機(jī)組工作可放行);3) MEL內(nèi)相互約束的設(shè)備(需確認(rèn)最小裝機(jī)數(shù)量可放行);4) MEL內(nèi)與客觀條件相約束的設(shè)備(需確認(rèn)外部客觀條件如天氣、跑道等滿足情況可放行)。

通過對飛機(jī)設(shè)計工作中的各類分析評估工作可獲得各設(shè)備的參數(shù)估計,整個MCS算法(minimal control synthes is algorithm)的流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖Fig.7 Modelling flowchart

2.2 仿真流程示例分析

系統(tǒng)由A,B,C,D四個設(shè)備組成,其中A為對飛行安全有著重大影響的設(shè)備,B,C互為MEL中的約束設(shè)備,D為受跑道結(jié)冰情況約束的MEL設(shè)備。根據(jù)流程建立仿真模型。A,B,C,D設(shè)備的參數(shù)初始化如表2所示。

表2 設(shè)備參數(shù)Table 2 Reliability parameters of equipment

其計劃性維修周期為500 h;跑道結(jié)冰概率為0.05;平均航段飛行時間為2 h;仿真結(jié)束時間設(shè)置為1 000 h;仿真次數(shù)為100 000。

失效時間、拆換時間、修復(fù)時間的時間分布如表3所示。

表3 設(shè)備失效時間、拆換時間、修復(fù)時間的時間分布Table 3 Distribution of failure time, removal time and repair time

2.3 飛機(jī)系統(tǒng)簽派可靠度分析

以飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)為例,考慮幾個具有代表性的典型設(shè)備:近地警告系統(tǒng)、氣象雷達(dá)、馬赫/空速警告系統(tǒng)(最大飛行速度指示)、超速音響警告系統(tǒng)、測距機(jī)系統(tǒng)。

通過飛機(jī)的MEL文件,可以得到各設(shè)備的信息如表4所示。

表4 設(shè)備信息Table 4 Device information

2.3.1 模型數(shù)據(jù)初始化

將上述設(shè)備進(jìn)行歸類,近地警告系統(tǒng)屬于對飛行安全有著重大影響的設(shè)備,氣象雷達(dá)屬于受客觀條件約束的MEL設(shè)備,馬赫/空速警告系統(tǒng)(最大飛行速度指示)與超速音響警告系統(tǒng)互為約束的MEL設(shè)備,測距機(jī)系統(tǒng)屬于帶冗余的MEL設(shè)備。假設(shè)各設(shè)備的可靠性、維修性參數(shù)值如表5所示。設(shè)備的失效時間分布、拆換時間分布滿足指數(shù)分布;設(shè)備的維修間隔時間分布滿足均勻分布。

表5 設(shè)備參數(shù)設(shè)置Table 5 Relibility parameters for equipments

2.3.2 模型仿真分析

建立MCS模型,在2 000 h內(nèi),導(dǎo)航系統(tǒng)的簽派可靠度為99.965 6%,簽派可用度為99.908 9%。設(shè)備的失效率與系統(tǒng)的簽派可靠度具有直接的相關(guān)性,分別以各設(shè)備的失效率為變量,各設(shè)備失效率與簽派可靠度之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 失效率-系統(tǒng)簽派可靠度關(guān)系Fig.8 Relationship between equipment failure rate and system dispatch reliability

從圖中斜率可以看出,近地警告系統(tǒng)對導(dǎo)航系統(tǒng)簽派可靠度的影響最大,其余依次是測距機(jī)系統(tǒng)、氣象雷達(dá)、超速音響警告系統(tǒng)、馬赫/空速警告系統(tǒng)。

計劃性維修周期的縮短,有利于系統(tǒng)中設(shè)備故障的及時維修,提高簽派可靠度,但是,另一方面也意味著維修成本的升高,研究計劃性維修周期與系統(tǒng)簽派可靠度之間的關(guān)系,有利于設(shè)計部門在最大效費比的前提下,設(shè)定系統(tǒng)的計劃性維修周期。導(dǎo)航系統(tǒng)的計劃性維修周期與系統(tǒng)簽派可靠度之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 計劃性維修周期-系統(tǒng)簽派可靠度關(guān)系Fig.9 Relationship between equipment planned maintenance cycle and system dispatch reliability

從圖9可以看到,當(dāng)計劃性維修周期較短時,計劃性維修周期的縮短更加有利于簽派可靠度的提高,而當(dāng)計劃性維修周期較長時,其對簽派可靠度的影響趨于平緩。

3 結(jié)論

由機(jī)載設(shè)備對簽派成功的影響路徑分析,確定了基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)集,通過蒙特卡洛仿真研究了不同層級間簽派可靠度的評估方法,確定了組成系統(tǒng)各設(shè)備的可靠性、維修性參數(shù)和系統(tǒng)簽派可靠度頂層參數(shù)之間的關(guān)系,并結(jié)合示例研究了不同設(shè)備參數(shù)對簽派可靠度的敏感度分析,最終形成基于簽派可靠度的可靠性參數(shù)體系。