基于运行场景的民机运行需求评价软件研究

2022-02-27褚双磊魏志强

中国民航大学学报 2022年6期

褚双磊，魏志强，任强，刘菲

（1.中国民航大学空中交通管理学院，天津 300300；2.天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300）

民用飞机是一个高度综合、各系统间相互关联且复杂的集成式系统。民用飞机的设计目标表现为可靠性、安全性、经济性、舒适性、环保性。

随着民用飞机运行环境、运行任务和运行模式变得日趋多样，航空公司用户对飞机使用性、维修性及对运行中安全、经济、舒适、环保等方面的要求不断提高。同时，随着民航运行规章的不断变化和新航行技术的不断推广，民用飞机市场的竞争程度不断加剧，这都对民用飞机研制工作提出了更高的要求。

吴广宇[1]提出了民用飞机常用的可维护性参数，并基于可维护性参数的选择方法和指标的确定原则，构建民用飞机可维护性参数指标体系。周帆[2]利用层次分析法和集对分析建立民用飞机级别分析评价模型，以经济性为最终目标分析了民用飞机修理级别，对修理方案进行综合评价，确定最佳维修级别。董莉莉和曾小舟[3]建立了民用支线飞机技术水平的测量指标体系，并通过回归分析研究不同时期典型支线飞机的性能数据，利用SPSS 软件建立支线飞机技术水平的测量模型。初建杰等[4]提出了客舱环境舒适性、客舱布置舒适性和客舱座椅舒适性三级舱室舒适性评价体系，并通过构建评估流程模型提出了客舱舒适性评价方法。曹愈远等[5]利用模糊综合评价法对民用飞机签派可靠性进行了评估，指出了签派可靠性受飞机自身可靠性设计、维修性设计、保障资源以及航空公司管理等因素影响。褚双磊等[6-7]以签派可靠度为顶层指标，根据航空公司实际运行环境和各主要业务部门的运行数据, 建立签派可靠度评估模型；并基于适航规章和使用规章对民用飞机的运行要求进行全面分析，得出运行规章对于飞机系统、设备配置、适航验证、飞机性能限制、飞行操纵等方面的规定。曾琳[8]建立真空滤油机绿色度综合评价指标体系，通过模糊层次分析法确定最底层评价指标的综合权重，利用隶属函数对指标隶属度进行评价，最后将权重与隶属度进行线性加权实现了对真空滤油机绿色度的综合评价。

Zio 等[9]从广义上提出民用飞机的可靠性需求是指民用飞机系统特性，如可用性、可维护性、安全性和持久性等。Lu 等[10]在马尔可夫过程分析的基础上，提出了一种兼顾调度可靠性和平均安全等级约束的改进分析方法，提出了多故障模型的调度策略，使得平均安全等级被重新定义。

目前国内民机制造商在飞机研制过程中严格贯彻了适航规章对飞机设计的要求，但未能充分考虑运行规章和航空公司用户的运行需求，未能形成一套完整、理论化、切实有效的管理流程和方法将客户的运行需求准确、合理地贯彻到飞机设计方案中，给民用飞机设计和运行支持工作带来了极大压力。因此，有必要梳理民用飞机的运行需求，构建运行需求指标体系，对民用飞机运行需求进行综合评价，将用户的运行需求完整准确地贯彻到飞机设计方案中，保证民用飞机由“产品”向“商品”的质的转变，实现市场成功。

1 民用飞机运行需求指标体系

影响民用飞机运行需求的因素有很多。首先，必须满足适航规章对于机载设备的要求；其次，为了满足航空公司用户的运行要求，执行日常飞行运营任务，需要具备维修合理性、良好的机型适应性、签派可靠性、飞机使用便捷性等特点；最后，为了适应航行新技术的发展，还需要飞机具备先进性。根据民用飞机运行需求的影响因素，确定了民用飞机运行需求指标体系的层次结构如图1 所示。

图1 民用飞机运行需求指标体系层次结构Fig.1 Hierarchy of operational requirements index system for civil aircraft

关于上述指标体系中各指标的定义和计算公式，部分内容可以参见文献[11]。

2 基于层次分析法和模糊数学理论的综合评价

以B737-800 机型为例说明民用飞机运行需求综合评价指标确定方法。

2.1 层次分析法计算权重

通过纸质版调查问卷并结合当面访谈和电话咨询的形式邀请相关行业内专家对民用飞机运行需求指标体系进行专家打分，剔除不满足一致性检验的不合理问卷后，有效问卷为8 份。根据层次分析法的原理，层次分析法的步骤为先形成判断矩阵，并检验判断矩阵的一致性，然后得出指标的权重集[12]。对8 位专家的打分进行数据处理得到判断矩阵，通过判断矩阵特征向量的计算，得出底层要素对于总体目标的综合权重，然后对8 位专家的综合权重取平均值。

8 位专家打分的一级指标（准则层）权重和二级指标（方案层）总体权重分别如表1 和表2 所示。

表1 准则层权重Tab.1 Index weight of criterion layer

表2 方案层指标总体权重Tab.2 Overall weight of the scheme layer

由表1 可知，对于民用飞机运行需求指标体系来说，一级指标的权重排序从大到小依次为维修合理性B4>机型适应性B1>飞机使用便捷性B2>签派可靠性B6>机载设备匹配性B3>飞机先进性B5，维修合理性权重最大，机型适应性次之，飞机先进性最小。在二级指标中，维修成本和维修安全性权重比较大，反映了民用飞机运行需求与维修成本和维修安全性息息相关，维修成本低且维修安全性高，民用飞机运行需求才能表现良好。相对于机场运行和特定空域运行，航线运行时间较长，航线运行要素也复杂多变，民用飞机对于航线运行阶段的依赖性高。机型的维修可靠性是重点，只有保证机型的维修可靠性，无机械故障，才能实现签派放行的可靠性。

2.2 基于隶属度的模糊综合评价

隶属度用来反映某个对象的某个性质隶属于某个模糊概念的程度。隶属度函数，又称为模糊分布，是由人为确定的，且具有一定的主观因素，但和客观存在具有一定的联系性，受到客观条件制约。根据对民用飞机运行需求的熟悉程度，选取10 名专家评分，按照比例可以得出每个指标的隶属度，从而确定单因素模糊评价矩阵。

设立评价集合为V={优秀，良好，中等，较差}共4 个等级，设立相应的评价等级分行向量C=（90，70，50，30）。基于模糊评价法[13-14]，先确定评价等级，如表3 所示。

表3 评价等级Tab.3 Evaluation gradation

由方案层指标的权重向量和评价矩阵，可以得出准则层指标模糊评价向量及隶属度等级如表4 所示。

表4 准则层指标模糊评价向量及隶属度等级Tab.4 Fuzzy evaluation vector and membership grade of criterion layer index

目标层模糊评价矩阵为

目标层的隶属度模糊评价向量为

式中：B为一级模糊评价向量；A为一级指标权重；R为二级模糊评价矩阵。

可以看出：属于“良好”等级的隶属度最大，其值为0.331。按照隶属度最大原则，本机型运行需求的综合得分等级应属于“良好”等级。

运行需求评价综合得分为

式中：G 为综合评价得分；C为评价等级向量。

B737-800 机型的运行符合度最终得分为64.76，综合评价属于“良好”等级，符合各方面的运行要求。总体来说，B737-800 机型满足航空公司的运行需求，评价结果与实际运行状态相符。对于飞机使用便捷性，专家对于B737-800 评价较高，说明B737-800 机型在飞行驾驶体验、客舱服务管理、货舱装载方面表现良好，但其在维修合理性和飞机先进性方面评价较低。B737-800 的维修成本较高，导致维修合理性偏低；同时B737-800 机型在国内已经运行10 余年，波音公司已经采用新机型B737-MAX 来取代B737-800，说明B737-800 机型在飞机先进性、维修成本、客舱舒适性方面相对落后。