飞机作战试验可靠性评估与数据库设计

吴志刚， 张蕊， 雷东鹏， 谢丽梅

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 511370；3.广东省智能机器人可靠性工程技术研究中心，广东 广州 511370）

0 引言

作战试验是在近似实战战场环境和对抗条件下，对装备完成作战使命任务的作战效能和适用性等进行考核与评估的试验活动[1]。近年来，由于我军装备作战试验的实践需要，国内许多学者围绕作战试验进行了大量的研究。例如：文献[2]对美军作战适用性，以及作战效能试验与评价发展历程进行了研究；文献[3]建立了装备作战适用性试验内容体系，详细地阐述了各种试验的主要内容；文献[4]专门针对数据链装备，分析了数据链装备的作战效能、作战适用性和体系适用性等评估指标的概念内涵，建立了评估指标体系，并给出了底层指标的计算方法；文献[5]提出了在作战试验阶段分解可靠性指标，从而综合地评价作战能力的思路，并以导弹武器系统为例，给出了指标类型和评定结果。具体到军用飞机，尚未在国内公开发表的文献中发现有关作战试验可靠性评估的相关研究。就飞机来讲，作战试验可靠性评估面临以下几个问题：1）飞机作战可靠性评估应选取的评估指标；2）围绕评估指标应采集的数据和数据采集的实现方式；3）针对采集的数据进行规范化整理便于计算机存储和后续利用。

本文围绕上述3个问题，在提出飞机作战试验可靠性评估内容的基础上，给出了作战可靠性评估需要采集的数据的具体内容，并对飞机作战可靠性数据库进行了设计。

1 飞机作战可靠性评估内容

1.1 定量评估

飞机的作战可靠性与平时的可靠性既有联系又有区别，结合作战试验突出的是作战效能与作战适用性的考核与评价，因此作战可靠性的定量评估应围绕具有应用效果的使用可靠性指标，需要在遵循以下原则的基础上进一步地确定。

a）反映任务需求

作战可靠性指标要充分地反映飞机战备完好、任务成功和维修人力等方面的任务需求。

b）体现飞机的使用特点

飞机为长期连续使用的可修复复杂系统，战时与平时的使用要求差别不大，主要要求其能随时地投入并持续地工作。评估的可靠性指标应能体现飞机的机、电、气和液等系统耦合的类型和可修复、连续使用的特点。

c）覆盖寿命剖面和任务剖面

飞机的寿命剖面主要包括贮存、运输、转场、战备值班、飞行、维修和报废等，任务剖面主要包括起飞、爬升、巡航、机动飞行、下滑和着陆等。

d）工程可行性

飞机作战试验由部队承担，必须考虑部队的日常战训任务，以及作战试验周期等因素；此外，从保证可靠性评估顺利实施的角度来看，应尽量地选用符合可靠性工程习惯的、使用频率高的、得到较广泛应用的可靠性指标。

在遵循上述原则的基础上，确定飞机作战可靠性评估的指标为：平均故障间隔时间、平均故障间隔飞行小时、平均严重故障间隔时间、任务可靠度、平均维修间隔时间和无维修待命时间。

1.2 定性评价

作战可靠性是指武器装备在作战使用过程中，在规定的条件下和规定的时间内完成规定任务的能力[1]。飞机作战可靠性的基本要求主要是期望飞机能够在较长的作战使用过程中和比较广泛的作战环境下保持正常运转和保证各项功能的正常发挥。这就决定了飞机的作战可靠性定性评价评估必须把握作战试验的环境条件，以及空勤和地勤人员的使用体验。

因此，在作战可靠性定性评价方面，一方面应收集飞机在作战试验期间暴露的问题进行分析评价；另一方面，考虑到飞机作战时间的周期较短，一些问题可能不能得到及时暴露的情况，应通过核查表、问卷和访谈，收集和分析可靠性信息，进行可靠性定性评价，分析其对作战使用的影响。

机上核查的内容应围绕相关规范和标准中关于可靠性设计准则层面制定，并且必须考虑核查结果可直观地判定，如关键操纵器件/按钮的联锁情况、紧固件是否具有不对称链接、重要连接件是否具有醒目的拧紧标记、燃油/液压等管路的渗漏情况、电缆的连接与布置情况等。

问卷和访谈的内容应围绕飞机使用和维护人员的直接感受与体验进行，例如：雨天驾驶舱的雨水渗漏情况、风挡雨刷的刮雨效果，以及影响视线情况、驾驶舱的噪音情况、仪表安装位置的可视情况、照明系统的亮度和眩光情况等。

2 飞机作战可靠性评估方法

2.1 定量评估

a）平均故障间隔时间（TBF）

统计全部参试飞机总工作时间T0和责任故障总数NF之后，利用公式（1）即可对飞机平均故障间隔时间进行点估计评估：

若给定置信度C（可取80%或90%），则还可对飞机的平均故障间隔时间的置信下限进行计算。

b）平均故障间隔飞行小时（TFBF）

统计全部参试飞机总飞行时间TF和责任故障总数NF之后，利用公式（2）即可对飞机平均故障间隔飞行小时进行点估计评估：

若给定置信度C（可取80%或90%），则还可对飞机的平均故障间隔飞行小时的置信下限进行计算。

c）平均严重故障间隔时间（TBCF）

统计全部参试飞机总工作时间T0和严重责任故障总数NTM之后，利用公式（3）即可对飞机平均严重故障间隔时间进行点估计评估：

若给定置信度C（可取80%或90%），则还可对飞机的平均严重故障间隔时间的置信下限进行计算。

d）任务可靠度（RM）

统计作战试验期间全部参试飞机成功地完成任务的次数NMC和任务总次数NTM，利用公式（4）即可对飞机任务可靠度进行评估：

e）平均维修间隔时间（TPM）

统计全部参试飞机总工作时间T0和维修总次数NM之后，利用公式（5）即可对飞机平均维修间隔时间进行评估：

f）无维修待命时间

无维修待命时间指的是飞机在规定的使用条件下，飞机作好准备，能保持良好并处于待命状态而无需进行任何维修的持续时间。在作战试验中，可安排专项验证试验，使飞机在值班状态下在机库中停放一段时间，然后进行飞行前检查来确定其是否具备执行任务能力，以考核飞机的无维修待命时间。

2.2 定性评价

在作战试验阶段，飞机可靠性定性要求主要根据承试部队在作战试验实际使用中的可靠性情况进行评价，包括两个核心问题：1）可靠性定性要求是什么，也即评价可靠性的标准尺度是什么？2）飞机可靠性实际结果如何获取？对此需先明确可靠性定性评价内容和评价方式，本文给出的评价流程如图1所示。

图1 可靠性定性评价流程

a）通过梳理相关军用标准，以及先验工程知识、型号可靠性设计准则等内容，形成飞机可靠性定性评价内容，作为定性评价的评判标准。

b）实施机上可靠性核查，由承试部队在地面停车状态下对照核查表实施机上核查。

c）对承试部队的飞行员、机械师等空和地勤人员进行访谈。

d）对飞机的可靠性定性要求与问卷、访谈结果进行对比分析，整理不符合项目，对不符合项目对作战的影响进行分析。

e）给出飞机存在的作战可靠性问题，并提出改进建议。

3 作战可靠性评估数据采集

依据评估的指标，进行可靠性定量评估需要采集的数据包括以下几种。

a）飞机故障数据

作战试验期间飞机故障总数和各个故障发生时间、故障所属的系统。

b）飞机工作时间数据

作战试验期间飞机飞行时间、地面开车时间和总工作时间。

c）维修数据

作战试验期间飞机维修工作内容（含飞行前、后检查，定检）、预防性维修时间。

进行可靠性定性评价需要采集的数据包括：

a）作战试验期间暴露的问题；

b）可靠性机上核查结果；

c）可靠性问卷及访谈结果。

4 作战可靠性数据库设计

可靠性数据是在装备实际作战的使用过程中影响飞机作战可靠性水平的各类参数及其相互关系的抽象描述。可靠性数据模型必须表达出影响飞机可靠性指标实际参与因素之间的相互关系与语义约束。从计算机处理的角度看，可靠性数据应支持直接或经适当处理后快速提取所需的信息，能够结合作战试验快速地获取飞机的相关属性，能够分析和判断飞机的可靠性水平。

本文将飞机可靠性数据由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型3个有机联系的层次所组成。概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集合，对飞机作战可靠性而言，它主要描述作战试验数据中的概念结构。概念模型的任务是确定所感兴趣的现象及特性，描述实体间相互关系和完整性约束。逻辑数据模型是表达概念数据模型中数据实体（或记录）及其之间的关系，通过一系列的表格和数据记录实现概念模型与用计算机语言描述实体之间的转换。物理数据模型则是描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构，涉及存储装备、文件格式、访问方法和数据位置等，从物理上来实现这些描述的方法。

飞机可靠性数据建模过程分为三大步：1）建立概念模型，包括描述飞机作战可靠性分析数据要表达应用的抽象概念、确定概念所包括的对象要素和设置概念之间的关系3个环节，它们之间的顺序关系是交互、循环的；2）建立逻辑模型，包括设计数据的总体组织模型、空间数据结构、数据的属性和结构表；3）建立数据物理模型。

对飞机可靠性数据进行建模的流程如图2所示，建模流程按照概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型的先后次序分别进行构建。

图2 可靠性数据库设计流程

4.1 概念模型

概念模型应反映出飞机可靠性指标及指标所包含参数之间的相关关系的抽象描述。在抽象概念上，将飞机作战可靠性数据从6类指标体系中分别分解为其所包含的数据。如飞机的故障数据应包括故障描述、故障发生日期、故障所属系统和故障类别（一般故障或严重故障）等。在相关关系上，需要研究确定各个数据之间的相关关系，如飞行时间影响工作时间。作战可靠性数据概念模型如图3所示。

图3 可靠性数据概念模型

4.2 逻辑模型

参与作战试验的飞机是数据组织的对象，也是数据操作和数据应用的基本单元。将飞机的可靠性数据结构依据评估指标所需要的参数分为工作时间数据、故障数据、维修活动数据、机上检查数据和问卷访谈数据等。作战可靠性数据结构表如表1-6所示。

表1 参试装备表（Equipment）

表2 工作时间表（Working Time）

表3 故障数据表（Working Time）

表4 维修活动表（Working Time）

表5 机上检查问题表（Working Time）

表6 问卷访谈数据表（Working Time）

4.3 物理模型

物理数据模型是概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，其物理体现就是数据库结构或文件系统结构，在专门的存储设备中设置专门的存储区域来存储各类数据。采用文件系统结构，把每一种数据存储为一个文件，分别存储工作时间数据、故障数据、维修活动数据、机上检查数据和问卷访谈数据。

5 结束语

飞机作战试验是一项系统性的试验活动，不但在技术上高度集成，而且在管理上高度综合，涉及到军方、工业部门、第三方机构和其他相关单位。为了保证飞机作战试验可靠性评估的顺利进行，本文在立足于飞机作战使用的基础上，重点研究并提出了飞机作战可靠性评估的定量指标和定性评价内容，并给出评估方法和数据采集的具体内容，以及作战可靠性数据库设计的流程和方法。本文的研究工作有助于飞机作战试验设计相关人员合理地确定飞机作战可靠性评估指标要求，有助于指导工程人员进行飞机作战试验可靠性评估的实施。