民机运营阶段机械基础件可靠性数据采集与管理

苏思雨， 孙有朝*， 李龙彪， 黄铎佳， 王畏寒

(1.南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016； 2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370)

机械基础件品种多、范围广，是装备制造业赖以生存和发展的基础，其水平直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性。民用飞机作为一个具有多系统、多部件的复杂系统，由于其自身特点，在运营阶段积累了大量的可靠性数据，收集与机械基础件相关的可靠性信息并进行规范化的管理，对于提高产品的质量以及保障飞机研制与运营安全具有重要的意义。随着世界航空事业的发展，民用飞机可靠性信息的采集与管理越来越受到重视，已成为局方、航空公司和主制造商共同关心的问题。波音和空客两家飞机制造商很早就开展了对飞机使用可靠性的研究，已经形成了相关可靠性数据收集与处理的完整程序和标准；我国对民用飞机可靠性的研究起步相对较晚，但各个航空公司也都建立了相互独立的可靠性信息采集与分析系统。虽然目前关于民用飞机可靠性数据的采集与管理取得了很大的研究进展，但是数据局限于整机和部件，没有深入到基础件。国内外有关民机基础件可靠性数据的研究主要是一些规范和标准，主要包括NPRD-16、NSWC-11、MIL-HDBK-217F、217 Plus、GJB/Z 299C—2006等。非电子元件可靠性数据手册(Nonelectronic Parts Reliability Data，NPRD-16)[1]提供了很多机械、机电基础件的可靠性数据，是非电子元件可靠性预计的重要数据来源之一；机械设备可靠性预计手册(Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment，NSWC-11)[2]给出了各类机械产品(如轴承、密封件、弹簧、电动机等)的基本介绍、失效模式、失效机理及原因、故障率模型，对机械产品的可靠性分析具有指导意义；电子设备可靠性预计(Reliability Predications of Electronics Equipment,MIL-HDBK-217F)[3]主要介绍了电子元器件应力分析可靠性预计方法的应用，包括电子管、电阻、电容、继电器、滤波器、微电路等；可靠性预计模型(Reliability Predication models,217PlusTM)[4]旨在代替 MIL-HDBK-217F， 改进了MIL-HDBK-217F可靠性模型的计算方式，使其更加准确；电子设备可靠性预计手册(GJB/Z 299C—2006)[5]是国内关于电子设备的可靠性计算的指导手册，为电子设备和相关系统的可靠性预计提供了数据和计算方法。上述这些规范和标准中的基础件可靠性数据主要来源于实验，各种可靠性模型也是基于实验环境得出的，缺乏真实的运营数据。目前，运营阶段飞机机械基础件可靠性数据的获取仍缺乏有效的收集方法与指导性规范，而且数据收集面临以下两个难点：① 数据交换共享困难烦琐；② 设备运营数据与基础件之间的关联关系不易建立。为了解决上述问题，从航空公司和维修单位入手，收集航空公司的外场维修数据(如附件拆换数据、附件送修数据)和维修单位的维修记录(如检查及工作修理工作单、附件检测、修理/翻修报告)，旨在通过设备的维修报告建立起运营阶段设备与基础件之间的数据链，研究机械基础件的可靠性数据采集、预处理、规范化管理方法，并设计可靠性数据管理系统，为民机运营阶段机械基础件可靠性数据的管理提供指导。

1 民机机械基础件可靠性数据采集与预处理

1.1 可靠性数据特点

民用飞机机械基础件可靠性数据具有如下特点[6-8]：① 时间性；② 随机性；③ 有价性；④ 时效性；⑤ 可追溯性。

1.2 可靠性数据获取要求

采集的可靠性信息要保证准确、有效，运营阶段机械基础件的可靠性数据需要满足以下要求[9]：① 真实性；② 连续性；③ 可追溯性；④ 数据完好性。

1.3 可靠性数据获取内容

运营阶段机械基础件可靠性数据主要内容包括产品故障信息以及与故障相关的信息，如图1所示。

图1 民机机械基础件可靠性数据主要内容

运营阶段机械基础件可靠性数据获取分为两类：基础数据和运营使用数据。其中，基础数据主要包括：基础件名称、类别、安装位置、生产商等标识信息，性能参数、质量等级等技术参数信息。运营使用数据主要包括：① 基础件故障部位；② 基础件工作时间；③ 基础件故障数量；④ 基础件故障模式；⑤ 基础件故障影响；⑥ 基础件故障模式频次；⑦ 基础件故障原因。

1.4 可靠性数据获取来源

在民用飞机机械基础件寿命周期各阶段的一切有关可靠性活动都是可靠性数据的源头，民用飞机机械基础件可靠性数据来源贯穿于飞机设计、制造、试验、试飞、使用、维护的整个过程。比如研制阶段的可靠性试验、可靠性评审报告；生产阶段的可靠性验收试验、制造、装配、检验记录，验收记录，返修记录等；运营阶段，民用飞机使用的系统、设备、部件的故障数据、维护、送修以及飞机修理厂的修理记录、报废记录等。

运营阶段机械基础件的可靠性数据包括基础数据和使用数据。其中，基础数据来源于基础件制造商，即民机机械基础件的生产制造方。运营使用数据来源于以下几个方面。

(1) 航空公司和维修单位。

在飞机运营过程中，可获取故障数据的机械基础件的可靠性数据主要来自于航空公司和维修单位的维修记录，如表1所示。

表1 外场运行基础件可靠性原始数据来源

(2)标准手册。

由于设计、制造工艺的提高，很多机械基础件在外场使用过程中的可靠度很高，故障情况很少，经常在整个外场工作中未出现故障，即产生无故障情况，从而也就无法获取相应的维修记录，因此可以从标准手册获取无故障数据的可靠性信息。标准手册上包含了一些可靠性数据，如基础件故障模型、故障机理、故障原因等，如表2所示。

表2 标准手册可靠性数据源分析

(3)可靠性分析方法。

在收集到的民机可靠性数据中存在很多无故障数据。这些无故障数据也包含了机械基础件的可靠性信息，研究基于无故障数据的可靠性分析方法，挖掘无故障数据的可靠性信息，评估机械基础件的可靠性参数。对寿命服从指数分布的机械基础件，可采用基于最优置信限法[10]、最小二乘法和Bayes 估计法[11]；指数分布对于突发故障的描述很好，但是对于条件复杂的故障情况可采用威布尔分布描述[12]。

(4) 专家经验。

在上述方法都无法获取机械基础件可靠性数据的情况下，基于工程经验的可靠性数据也可作为可靠性数据的来源，通过专家或工程师的实际工作经验，给出基础件的可靠性数据估值，该估值可以经过进一步的分析计算也可以直接使用。

1.5 可靠性数据获取流程

从航空公司和维修单位获取的可靠性数据主要来自于民用飞机运营中系统、设备、部件的故障数据，维护、送修以及飞机修理厂的修理、报废记录等。根据已获得的民用飞机相关维修记录，提取与机械基础件可靠性相关的数据内容，如机械基础件的更换或维修情况，机械基础件的故障部位、故障时间、故障数量等，并结合数据的预处理方法对数据进行初步处理，获取产品可靠性数据，机械基础件的可靠性数据来源及获取流程如图2所示。

图2 机械基础件可靠性数据来源及获取流程图

图2中飞机维修统计数据可以从航空公司的可靠性管理系统中获得，通常包含单架飞机4～5年的所有维修记录，根据维修统计数据中的维修记录，在机务维修管理系统中查找与之对应的设备维修报告，从维修报告中获取机械基础件的故障数量、故障原因、故障模式等。每架飞机的总飞行小时从可靠性管理系统的运行统计中获得，每架飞机的装机清单从飞机制造商或者可靠性管理系统的基础数据中获得。每类机械基础件可靠性数据的具体获取途径如表3所示。

表3 机械基础件可靠性数据获取途径

1.6 可靠性数据预处理

从航空公司和维修单位采集的数据是最原始的可靠性信息，数据量比较庞大且不够清晰，同时由于一些不确定因素的干扰，直接采集的数据可能会存在缺失、冗余、异常等问题，不利于可靠性指标的计算，因此需要对采集的可靠性数据进行预处理，包括数据清洗、数据选样、数据变换、数据规约。

1.6.1 数据清洗

对数据采集或传输过程中产生的缺失值和异常值进行清洗。数据缺失可以通过以下几种方法解决：① 忽略缺失值，不做任何处理；② 将缺失值所在的属性删除，一般适用于对分析计算影响较小的数据；③ 设置一个默认值填补所有缺失值；④ 计算属性的均值填充缺失值；⑤ 使用相同样本的均值补充缺失值；⑥ 通过算法预测最可能的值填充，如线性插值、拉格朗日插值、牛顿插值等。异常数据常用的处理方法包括：① 保留异常数据，参与可靠性的计算；② 将异常数据直接从数据集中删除；③ 剔除异常数据，并对缺失的值进行补充；④ 采用合适的算法修正异常数据。

1.6.2 数据选样

数据处理过程中，大量的数据计算会花费很长时间，并增加成本，因此需要筛选部分数据作为样例以减小数据规模，提高运算效率。数据选样方式主要包括简单随机选样和分类选样。

1.6.3 数据变换

将数据从一种表现形式转变为另一种表现形式，以便对数据进行更好的分析和统计。包括对原始数据集进行重分类、编码、函数变换(对数、指数、幂运算等)和数据标准化(总和标准化、0-1标准化、极大值标准化等)。

1.6.4 数据规约

用于数据分析的数据可能包含很多属性，其中大部分属性与数据分析任务不相关，是冗余的。如果将一些不相关的数据属性留下参与计算，会导致数据分析的偏差。数据规约产生更小但保持原数据完整性的新数据集，常用的方法有维规约、元祖规约和属性规约。

2 民机机械基础件可靠性数据的规范化

2.1 可靠性数据规范化填写表格

通常同一机型的运营人众多，各航空公司之间的管理方式千差万别，使用可靠性信息标准化程度很低，甚至同一航空公司各部门之间的信息也无统一标准。这就造成了从航空公司采集回的数据种类繁多、格式杂乱，影响了信息的采集质量，增大了数据分析的难度。因此，对机械基础件可靠性数据制定统一、规范的信息填写表格，以提高数据统计分析的效率。机械基础件可靠性数据填写规范如表4所示。

表4 机械基础件可靠性数据填写规范

① 标识信息包括机械基础件的名称、型号、出厂日期、装机日期、制造单位、类别。

② 结构信息包括机械基础件的重量、图纸(二维)、模型(三维)、组成。

③ 材料信息包括机械基础件的材料、表面硬度、粗糙度等。

④ 安装位置：机械基础件的具体安装位置。

⑤ 数据来源：机械基础件的可靠性数据具体来源于哪一份资料。

⑥ 使用环境：机械基础件的工作环境，如温度、湿度、压力等。

⑦ 工作时间：记录下机械基础件的总的工作寿命单位数，单位为小时或英里。

⑧ 总故障数：工作时间记录下的机械基础件总故障数。

⑨ 故障原因：导致机械基础件故障产生的原因，如极端温度、挤压、错误使用等。

2.2 机械基础件失效分类及代码

2.2.1 分类方法及编码方式

机械基础件失效信息编码有助于机械基础件可靠性数据规范化管理，根据失效信息编码可快速查找对应基础件以及失效信息，提高数据查找效率。参照QJ 1317A—2005《电子元器件失效分类及代码》[13]对机械基础件的失效信息进行分类并编码。机械基础件的失效信息分类包括基础件名称、失效性质、失效程度、失效模式，具体编码方式如表5所示。

表5 机械基础件失效分类及编码方式

2.2.2 代码说明

(1) 基础件名称代码。

基础件名称代码使用拼音首字母大写方式，如机械密封代码为JXMF；唇形密封代码为CXMF。

(2) 失效性质代码。

失效性质代码含义及简写如表6所示。

表6 机械基础件失效性质代码含义及简写

(3)失效程度及代码。

失效程度代码含义及简写如表7所示。

表7 机械基础件失效程度代码含义及简写

(4)失效模式及代码。

失效模式代码采用拼音首字母大写方式，如泄漏代码为XL，断裂代码为DL，磨损代码为MS等。

(5)机械基础件失效信息代码样例。

① JXMF_1_2_XL：基础件名称为机械密封，失效性质为本质失效，失效程度为部分失效，失效模式为泄漏。

② LD_1_3_FS：基础件名称为螺钉，失效性质为本质失效，失效程度为完全失效，失效模式为腐蚀。

③ Z_5_2_DL：基础件名称为轴，失效性质为其他性能失效，失效程度为部分失效，失效模式为断裂。

3 民机机械基础件可靠性管理系统的设计

目前，航空公司的可靠性管理系统主要是针对部件级及以上的数据，缺乏对民机基础件可靠性数据的管理，建立一个民机基础件可靠性数据管理系统对于提高基础件可靠性统计分析的效率与准确率具有重要意义。通过可靠性管理系统可以准确全面地收集基础件数据，监控每类基础件的失效情况，对于失效率高的元件反馈给元件制造商，以提升元件可靠度以及民机系统或设备的安全性。根据实际使用需求，系统应具有以下功能。

(1) 数据采集功能。

依据可靠性数据获取流程，建立规范的术语和标准的数据格式，明确数据采集的要求和类别，从源头保证采集数据的真实性、完整性、连续性、可追溯性。将采集到的数据进行预先处理，转化成系统可以识别的数据和文本格式，并对数据进行归纳汇总并核验。

(2) 数据分析功能。

根据录入的数据提取基础件的可靠性数据，由于基础件可靠性信息主要来源于航空公司和维修单位的维修报告，这些数据多为扫描的PDF文件，数据分析功能中需要嵌入文本挖掘与文本图像识别模块，自动提取维修报告中相关的基础件可靠性数据。根据提取的基础件可靠性数据可以计算故障率等指标，针对无故障数据的基础件提供标准手册的可靠性预计模型以及其他相应的可靠性分析方法。

(3) 数据查询功能。

用户可以根据需求查询数据、添加数据、修改数据等，数据查询功能需要准确、快速。

(4) 权限管理功能。

机械基础件可靠性数据对于航空公司和元件制造商均有一定的商业价值，因此系统将用户分为以下4类：系统管理员、元件制造商、航空公司和其他用户。可以根据需要对不同用户赋予不同的权限，其中系统管理员具有最高权限，负责系统的维护与用户权限管理。

综合上述功能，机械基础件可靠性管理系统功能设计如图3所示。

图3 民机机械基础件可靠性管理系统功能框图

4 结束语

面对民航业的快速发展，运营数据种类愈加繁多，数据量愈加巨大，有效的数据管理对保障飞机运营安全至关重要。针对民机运营阶段机械基础件可靠性数据的管理问题，提出了机械基础件可靠性数据的采集与预处理方法，明确可靠性数据获取要求、获取内容、获取方法、获取来源和获取流程，并给出每类可靠性数据的具体获取途径；针对获取的机械基础件可靠性数据建立了填写规范，并为基础件失效分类编写代码；在可靠性数据规范化采集和处理的基础上设计了民机机械基础件可靠性管理系统，为民机运营阶段机械基础件可靠性数据的管理提供理论指导。

目前在提取民机机械基础可靠性数据的过程中，由于维修记录等材料是图片扫描的PDF文件，而且没有统一的格式和规律，数据提取主要依靠人工，效率比较低，未来需要高精度和高速度的文本识别与文本挖掘技术支持，并进一步开发民机机械基础件可靠性管理系统。