基于签派可靠度的飞机可靠性参数体系研究

张 蕊，李麦亮，2，黄铎佳，2

(1 工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东 广州 510610)

0 引言

签派可靠度指不因机械原因造成飞机延误超过15 min或者取消的概率,是飞机经济性的重要指标,体现了飞机的市场竞争力[1-2]。签派可靠度与飞机设计息息相关,是飞机的顶层可靠性设计指标之一,必须建立基于签派可靠度的参数体系,确定影响签派的设计环节和设计指标,形成飞机签派可靠度分析与评估方法[3-4]。文中通过对签派影响要素的分析,结合目前国际通用的飞机可靠性参数体系,确定基于签派可靠度的可靠性参数集;并从签派可靠度的角度出发,依据各类设备对签派的影响路径,从整机-系统,系统-子系统,子系统-设备3个层级分析各参数之间的关系,使用蒙特卡洛法研究签派可靠度的评估方法,形成基于签派可靠度的飞机可靠性参数体系。

1 基于签派可靠度的可靠性参数集研究

通过对飞机系统设备对签派的影响方式分析,结合目前国际通用的飞机可靠性参数体系[5],从对签派可靠度的影响出发,为飞机整机、对飞行安全有着重大影响的设备部件、最低设备清单(minimum equipment list, MEL)内的无约束设备、MEL内的条件约束设备选择了相应的可靠性参数,构建了基于签派可靠度的可靠性参数集。

1.1 国外飞机可靠性参数体系研究

ATA spec2000是由ATA组织颁布的关于飞机全寿命周期内可靠性维修性参数收集与共享的规范,建立了一个可靠性参数体系,并定义了规定的数据格式,便于飞机制造方、运营、系统部件供应商之间的可靠性数据交换。该规范定义了需要记录的航班运营数据,包括飞机状态更改数据、飞机通用统计数据、飞行事件数据、部件拆换数据、飞行日志、计划性保障数据、部件返修数据等。飞机运营过程中的可靠性流程图如图1所示。

图1 ATA spec2000 chapter11可靠性流程图Fig.1 ATA spec2000 chapter11 reliability flowchart

用于监测飞机可靠性的参数有:平均拆换时间(MTBR)、平均非计划拆换时间(MTBUR)、平均故障间隔时间(MTBF)、无故障率(NFF)、自检修或测试后使用的时间(TSR)。对于MTBF的统计,存在以下几个问题:1)部件是否确实存在故障;2)部件是否在过应力状态下工作;3)部件故障是否是导致拆换的原因。针对这3类问题,该规范对部件的MTBF进行了区分,并定义了3个不同的MTBF参数,分别为MTBF(J),MTBF(N),MTBF(C)。各参数之间的关系见图2。

图2 ATA spec2000 chapter13可靠性参数集Fig.2 ATA spec2000 chapter13 reliability parameter set

1.2 基于签派可靠度的可靠性参数选择

1.2.1 对飞行安全有着重大影响的设备部件

该类设备不允许带故障运行,在发现故障后,故障首先必须被检测出来,其次对故障部件进行拆换以保证飞机的持续适航性[6]。其工作状态对签派的影响如图3所示。

图3 签派影响IFig.3 Effect I on dispatch

1.2.2 MEL内的无约束设备

该类设备在发生故障且被检测后,只需要进行一系列的机务、机组工作即可通过MEL进行故障保留,不影响飞机的正常签派,故障的修复需在故障保留期限内[7-9],这类设备的工作状态对签派的影响如图4所示。若在修复期限内修复故障,对签派无影响,否则在修复期满后不允许签派。

图4 签派影响ⅡFig.4 Effect II on dispatch

1.2.3 MEL内的条件约束设备

该类设备在发生故障后,是否可以进行MEL签派受其他条件的约束,其工作状态对签派的影响如图5所示。

图5 签派影响ⅢFig.5 Effect III on dispatch

综上所述,飞机各系统设备的可靠性、维修性参数选择原则如表1所示。

2 基于蒙特卡洛方法的签派可靠度评估方法研究

飞机整机由各类系统组成,系统由设备部件组成,整机的签派可靠度与各层次参数之间的关系如图6所示。

图6 各层次可靠性参数关系图Fig.6 Relations of reliability parameters in different level

假设各设备、系统相互独立:设构成整机的系统i的签派可靠度为Ri,则整机的签派可靠度Ra为:

(1)

系统的签派可靠度Ri由蒙特卡洛方法确定。

2.1 模型建立

对设备的分类可通过主最低设备清单(master minimum equipment list, MMEL)清单及其签派放行条件来划分,可以分为:1) 对飞行安全有着重大影响的设备部件;2) MEL内无约束的设备部件(仅需一定机务、机组工作可放行);3) MEL内相互约束的设备(需确认最小装机数量可放行);4) MEL内与客观条件相约束的设备(需确认外部客观条件如天气、跑道等满足情况可放行)。

通过对飞机设计工作中的各类分析评估工作可获得各设备的参数估计,整个MCS算法(minimal control synthes is algorithm)的流程图如图7所示。

图7 程序流程图Fig.7 Modelling flowchart

2.2 仿真流程示例分析

系统由A,B,C,D四个设备组成,其中A为对飞行安全有着重大影响的设备,B,C互为MEL中的约束设备,D为受跑道结冰情况约束的MEL设备。根据流程建立仿真模型。A,B,C,D设备的参数初始化如表2所示。

表2 设备参数Table 2 Reliability parameters of equipment

其计划性维修周期为500 h;跑道结冰概率为0.05;平均航段飞行时间为2 h;仿真结束时间设置为1 000 h;仿真次数为100 000。

失效时间、拆换时间、修复时间的时间分布如表3所示。

表3 设备失效时间、拆换时间、修复时间的时间分布Table 3 Distribution of failure time, removal time and repair time

2.3 飞机系统签派可靠度分析

以飞机导航系统为例,考虑几个具有代表性的典型设备:近地警告系统、气象雷达、马赫/空速警告系统(最大飞行速度指示)、超速音响警告系统、测距机系统。

通过飞机的MEL文件,可以得到各设备的信息如表4所示。

表4 设备信息Table 4 Device information

2.3.1 模型数据初始化

将上述设备进行归类,近地警告系统属于对飞行安全有着重大影响的设备,气象雷达属于受客观条件约束的MEL设备,马赫/空速警告系统(最大飞行速度指示)与超速音响警告系统互为约束的MEL设备,测距机系统属于带冗余的MEL设备。假设各设备的可靠性、维修性参数值如表5所示。设备的失效时间分布、拆换时间分布满足指数分布;设备的维修间隔时间分布满足均匀分布。

表5 设备参数设置Table 5 Relibility parameters for equipments

2.3.2 模型仿真分析

建立MCS模型,在2 000 h内,导航系统的签派可靠度为99.965 6%,签派可用度为99.908 9%。设备的失效率与系统的签派可靠度具有直接的相关性,分别以各设备的失效率为变量,各设备失效率与签派可靠度之间的关系如图8所示。

图8 失效率-系统签派可靠度关系Fig.8 Relationship between equipment failure rate and system dispatch reliability

从图中斜率可以看出,近地警告系统对导航系统签派可靠度的影响最大,其余依次是测距机系统、气象雷达、超速音响警告系统、马赫/空速警告系统。

计划性维修周期的缩短,有利于系统中设备故障的及时维修,提高签派可靠度,但是,另一方面也意味着维修成本的升高,研究计划性维修周期与系统签派可靠度之间的关系,有利于设计部门在最大效费比的前提下,设定系统的计划性维修周期。导航系统的计划性维修周期与系统签派可靠度之间的关系如图9所示。

图9 计划性维修周期-系统签派可靠度关系Fig.9 Relationship between equipment planned maintenance cycle and system dispatch reliability

从图9可以看到,当计划性维修周期较短时,计划性维修周期的缩短更加有利于签派可靠度的提高,而当计划性维修周期较长时,其对签派可靠度的影响趋于平缓。

3 结论

由机载设备对签派成功的影响路径分析,确定了基于签派可靠度的可靠性参数集,通过蒙特卡洛仿真研究了不同层级间签派可靠度的评估方法,确定了组成系统各设备的可靠性、维修性参数和系统签派可靠度顶层参数之间的关系,并结合示例研究了不同设备参数对签派可靠度的敏感度分析,最终形成基于签派可靠度的可靠性参数体系。