民用飞机隐蔽故障风险的定量评估方法研究

戴顺安，王　烨，蔡　景

(1.中国民航上海航空器适航审定中心，上海　200335； 2.南京航空航天大学，南京　211106)



民用飞机隐蔽故障风险的定量评估方法研究

戴顺安1，王烨1，蔡景2

(1.中国民航上海航空器适航审定中心，上海200335； 2.南京航空航天大学，南京211106)

摘要：对隐蔽性故障开展风险评估是保持民机持续适航的重要方面，针对隐蔽性故障的特点，结合ARP 5150的风险评估理念，开展了民用飞机隐蔽故障风险的定量评估方法研究，采用带截尾数据的威布尔分布极大似然估计法，利用实际使用维修数据确定了隐蔽性故障的故障规律；分析了影响隐蔽性故障风险的因素，建立了新的隐蔽故障风险的定量评估方法；最后通过实例，对隐蔽性故障的风险进行定量评估及比较分析，结果表明了本方法的有效性和适用性。

关键词：民用飞机；风险；隐蔽性故障；定量评估

本文引用格式：戴顺安，王烨，蔡景.民用飞机隐蔽故障风险的定量评估方法研究[J].兵器装备工程学报，2016(6):162-165.

Citationformat:DAIShun-an,WANGYe,CAIJing.ResearchonQuantitativeRiskAssessmentMethodforHiddenFailureofCivilAircraft[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):162-165.

由于飞机空勤组在履行正常职责时，无法发现飞机的隐蔽性故障，因此隐蔽性故障对飞机而言，存在着重大的安全隐患，成为民机关注的焦点[1-3]。为了避免隐蔽性故障的发生，在以ATAMSG-3为指导的维修大纲制定中规定：“必须选择有效和适用的维修工作，避免隐蔽故障的发生，否则必须重新设计”。对隐蔽故障的重视不仅体现在维修大纲的制定过程中，而且在飞机投入运营后，需持续评估隐蔽故障的风险，在ARP5150的附录D1.6中对隐蔽性故障进行了解释，并给出了简单的定量评估隐蔽性故障风险的例子。例子中假定故障服从指数分布，而且假定每天都进行针对隐蔽故障的“故障发现检查”(FailureFindingInspection，FFI)。虽然该例子简单易懂，但满足以上假定条件的隐蔽故障很少，因此，仅凭ARP5150附录D1.6中提供的方法，难以在实际持续适航管理中开展针对隐蔽性故障的风险定量评估。

为此，本文以ARP5150附录D1.6中提供的方法为基础，结合多年从事持续适航风险评估的经验，首先利用实际使用的维修数据，确定隐蔽性故障的故障规律；其次，根据隐蔽故障的“故障发现”维修策略，分析影响隐蔽性故障风险的主要因素；最后，建立隐蔽性故障风险的定量评估方法，并进行实例验证。

1　隐蔽性故障的分布确定

ARP5150附录D1.6的例子中，假定隐蔽故障服从指数分布。然而，根据美国宇航局统计数据表明，航空设备故障率大致分为6种类型，其中指数分布只占14%。目前在我国的民用飞机可靠性管理中，威布尔分布因能替代指数分布等，具有更强的通用性而被广泛采用[4-5]。根据比例风险模型(proportionalhazardsmodel,PHM)或健康管理的理念可知，相同部件在不同使用环境下表现出来的故障规律各不相同，甚至差异很大，因此，必须根据部件实际的使用维修数据，拟合得到部件的故障分布参数[6-10]。

在实际的使用维修中，航空公司为了减少隐蔽性故障的风险，通常在实施多次“故障发现检查”工作后，如未发现故障，就进行预防性更换，这其实就是体现了ATAMSG-3中的“综合维修”工作的思想。隐蔽性故障的故障发现检查和预防性更换的时序图如图1所示。

从图1可以看出，部件有的是因失效而更换，这种失效是由检查发现的，因此部件失效更换的时间不是部件真实的确切失效时间，但两者非常接近，因此，可以近似为完全数据；而有的部件则是因预防性维修而更换的，属于右截尾寿命数据[11]。假定收集了n组部件的更换数据，其中r组为完全数据，分别为t(1)≤t(2)≤…≤t(r)，n-r组为右截尾数据，预防性更换时间为tp。

已知两参数威布尔分布的密度函数[12-13]为

因此，其对应的似然函数为

对上式取对数并求导，再整理简化后可得：

(1)

这是两个超越方程，需用数值方法迭代求解，以得到参数m和η。

2　隐蔽性故障风险的定量评估

2.1隐蔽性故障的风险因素分析

根据图1分析可知，影响隐蔽性故障的发生概率来自两个方面，已使用时间T，即随着使用时间的推移，部件的故障率水平就越来越高，因此故障发生概率越来越高；如果检查间隔τ越大，那么在一个检查周期内发生故障的概率就越大。但是对于隐蔽性故障而言，故障的发生概率不等于安全风险，安全风险是隐蔽性故障概率与相关故障概率的结合。关于这一点，在ATAMSG-3中进行了详细描述：隐蔽性故障是否对安全造成影响的判据是“一个隐蔽的功能故障和另一个相关的系统或者备用功能的故障之综合对使用安全性有直接有害的影响吗？”，此判据告诉我们，隐蔽性故障本身不会对安全造成影响，只有和其他故障结合了才会造成安全问题。譬如：燃油泄漏是一个隐蔽性故障，但该故障只有和点火源的失效同时发生才能引起火灾，燃油泄漏的时间越长引起火灾的概率自然就越高。这也就是ARP5150附录D1.6中所描述的，隐蔽性故障的暴露时间(ExposurePeriod)越长，对应的风险就越大。

因此，对于给定的部件(故障服从参数为m和η的威布尔分布)，已使用时间T、检查间隔τ、故障暴露时间和相关故障(即和隐蔽性故障结合对安全有害的故障)的失效率λ，共同决定了安全风险。为此，隐蔽性故障的安全风险可以定义为关于m,η,T,τ,λ的函数H(m,η,T,τ,λ)。

2.2隐蔽性故障的风险评估

根据2.1的分析，结合图1的描述，可知H(m,η,T,τ,λ)由两大部分构成：隐蔽性故障的发生概率P1，在隐蔽性故障暴露时间内相关故障的发生概率P2。

1) 蔽性故障的发生概率。P1是一个条件概率，即在时间点T之前部件不发生故障的条件下，在[T,T+τ]内发生故障的概率。因此

2) 在隐蔽性故障暴露期间内相关故障的发生概率P2。在[T,T+τ]内的t时刻发生故障，那么隐蔽性故障的暴露时间为T+τ-t，对应的隐蔽性故障暴露时间的期望为

再结合相关故障的失效率λ，因此

综合以上的分析可得，隐蔽性故障的安全风险H(m,η,T,τ,λ)为

(2)

3　实例分析

某机型燃料管泄漏属于隐蔽功能系统安全影响类，表1给出了燃料管的漏油失效更换和预防性更换的寿命记录，单位为飞行小时，其中带“*”的为预防性更换数据。

表1　燃料管的寿命数据

采用式(2)，对表1中的寿命数据进行威布尔参数估计，得到m=1.89，η=15 114，如将预防性更换数据简单的视为失效数据，不采用基于截尾数据的威布尔参数极大似然法，得到参数为m=3.09，η=14 739，是否采用基于截尾的威布尔极大似然法的参数结果比较如图2所示。

图2　是否采用基于截尾的威布尔极大似然法的结果比较

根据ARP 5150附录D1.6中给的实例，假定燃料管泄漏的相关故障点火源的失效率λ=0.000 05，采用式(2)，可得燃料管泄漏在相同检查间隔τ下的不同使用时刻T的风险的变化，如图3所示。以及相同使用时刻T下的不同检查间隔τ的风险变化，如图4所示。

图3　相同检查间隔τ下不同使用时刻T的风险

图4　相同使用时刻T下不同检查间隔τ的风险

图3中共有5条曲线，其中曲线“——”代表在不同使用时间，采用500h的检查间隔的风险。除5条曲线外，图3中给出了一条竖直线，该竖直线与5条曲线分别相交，从下而上的5个交点，分别表示在T=7 000h时，如检查间隔分别采用100h、200h、300h、400h、500h的对应风险，风险依次为：7.91×10-8、6.36×10-7、2.16×10-6、5.14×10-6、1.01×10-5。图4中也有5条曲线，其中曲线“——”代表当使用时间为9 000h时，采用不同检查间隔的风险。图4中的竖直线与5条曲线的交点，从下而上分别表示，当使用时间为5 000h、6 000h、7 000h、8 000h、9 000h，如采用400h的检查间隔所对应风险，风险依次为：3.22×10-6、4.18×10-6、5.14×10-6、6.05×10-6、6.87×10-6。根据图3、图4分析可以看出，使用时间越长风险越高，检查间隔越长风险也越高，这一结果符合故障发生的普遍规律。如果按照ARP5150 附录D1.6中的方法进行计算的话，那么得到的安全风险是一个定值，不仅不符合燃料管随着使用时间推移，故障发生概率不断增加的情况(如图2所示，不可靠度随着时间的推移在减低，即故障发生概率在增加)；而且没有考虑检查间隔的影响，与实际脱钩。同时，本文提供的方法可以方便评估在任何时刻采取某种检查间隔所带来的定量风险，为快速维修决策，以及确保持续适航提供了有力的手段。

4　结语

民用飞机的隐蔽性故障对飞机构成了重大潜在风险，对隐蔽性故障开展定量风险评估是保持飞机持续适航的重要手段。本文参考APR5150理念，结合实际需求，建立了一种更实用的隐蔽故障风险的定量评估方法，对APR5150中的方法进行了扩充与完善，具有重要的理论意义和实际应用价值。

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(责任编辑杨继森)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.038

收稿日期：2015-12-17；修回日期：2016-01-22

基金项目:民航局重点科技项目(MHDR20150103)

作者简介：戴顺安(1962—)，男，高级工程师，主要从事民用飞机适航审定研究。

中图分类号：V328

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0162-04

ResearchonQuantitativeRiskAssessmentMethodforHiddenFailureofCivilAircraft

DAIShun-an1,WANGYe1,CAIJing2

(1.ShanghaiAircraftCertificationCenterofChinaCivilAviation,Shanghai200335,China; 2.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)

Abstract:Risk assessment of hidden failure should be carried out to maintain the continued airworthiness. With the concept of ARP 5150, a quantitative risk assessment method was researched based on the characteristics of hidden failure. A maximum likelihood estimation method with censored data for Weibull distribution was adopted, and the characteristic of hidden failure was determined by maintenance data; The factors affecting the risk of hidden failure were analyzed and quantitative risk assessment method was established. Finally, the method was applied by an example, and the results show the effectiveness and applicability of the proposed method.

Key words:civil aircraft; risk; hidden failure; quantitative assessment