民用飞机运行可靠性研究进展.pdf
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1、第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 :民用飞机运行可靠性研究进展冯蕴雯,刘佳奇,潘维煌,路成(西北工业大学 航空学院,陕西 西安 )摘要:结合民用飞机运行可靠性研究的技术现状与发展趋势,根据现有的型号设计、研制和在役飞机的具体情况,阐述了民用飞机运行可靠性研究需求。通过梳理民用飞机运行可靠性理论研究进展及工程应用现状,从运行数据采集与处理、运行可靠性分析方法、运行可靠性预测反馈技术、运行可靠性的优化设计、优化维修任务、运行可靠性综合管理平台六个方面,详细阐述民用飞机运行可靠性研究现状及面临问题,展望听语音聊科研与作者互动了民用飞机运行可靠性研究未来发展方向。关键词:民用飞机;运行支持;运行
2、可靠性;数据处理中图分类号:;文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文章编号:(),(,):,:,:;随着航空技术的发展,系统复杂程度越来越高,全球航空业对民用飞机可靠性提出了更高的要求,运行可靠性作为沟通维修工程分析和设计的桥梁,是飞机实现全寿命周期可靠性管理亟待突破的关键技术之一,是提升飞行器安全可靠稳定运行能力的有效手段 。为了科学、合理地分析民用飞机的运行可靠性,完善民用飞机可靠性管理体系,国际民航组织(,)在 安 全 管 理 体 系(,)中特别强调指出,危险识别应该是积极而具有前瞻性的,有必要积极查明尚未发生的危害 ;联邦航空管理局(,)提出了安全性“监视 数据分析”过程 ;欧
3、洲航空航天与防务工 业 协 会(,)和美国航空工业学会(,)制定了 在役数据反馈规范 (),通过运行数据采集处理和运行可靠性评估,使制造、运营、维修等相关方对飞机运行和维护性能进行透彻分析。全球各航空组织以期通过提高飞机运行可靠性来提高日利用率和降低运营成本。可靠性工程在 世纪 年代成为一门学科,随着 至 年代方法论的广泛发展和实际应用,它被认为对系统分析十分重要 。长期以来,可靠性工程面临三个基本任务的挑战:系统表示和建模、系统模型量化、不确定性建模和量化 。对民用飞机而言,由于任务不同导致个体间运行条件与环境并不相同,系统或部件的损伤和劣化程度差收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目
4、();工信部民机专项科研资助项目()作者简介:冯蕴雯(),女,陕西西安人,教授,博士,博士生导师,:;刘佳奇(通信作者),男,河北承德人,博士研究生,:第 期冯蕴雯,等:民用飞机运行可靠性研究进展异很大,这就决定了针对单架民用飞机的某系统或部件开展可靠性分析是个性问题 ,传统依赖大样本条件的基于概率统计的平均可靠性方法难以满足日益复杂的装备系统个体运行可靠性分析需求 。针对这一新挑战,提出依据运行监测数据开展运行可靠性分析;何正嘉等 对机械设备运行可靠性评估进行了总结和思考,提出了机械设备运行可靠性评估有待解决的问题;冯蕴雯等 指出了经典可靠性评估方法在民用飞机复杂系统可靠性评估中的不足,将运
5、行可靠性理论应用于民用飞机复杂系统的可靠性分析。总的来说,采用经典可靠性方法开展民用飞机运行过程中可靠性分析所面临的挑战如下:)对于飞机具体系统或部件的运行过程中可靠性评估样本量小,且对于灾难性事故不具有概率重复性,收集大样本统计数据困难,在小样本特性下,失效分布参数估计的难度大;)基于有限状态假设 ,而通常情况下飞机系统或部件退化状态是连续的并且具有很强的不确定性,系统或部件间存在耦合作用且失效分布规律不同 ,可靠性数学模型难以获得失效前的可靠性变化规律;)对于任务中的飞机,其运行过程中的可靠性是关注焦点,可靠性分析对飞机运行过程中复杂状态、变工况缺乏考虑,因而难以有效应用于实时在线评估。针
6、对大量概率重复性样本依赖度高的问题,专家学者选用低概率依赖方法开展了改进可靠性分析方法研究。针对小样本情况下以样本矩为约束条件的最大熵法存在的问题,提出了以概 率 加 权 矩 为 约 束 条 件 的 最 大 熵 法;等 基于比例风险模型中的极值理论提出了针对小样本情况的基线风险函数,研究了环境因素对飞机性能建模的影响;余国林 对小子样飞机系统可靠性评估技术进行探索性研究,分析了飞机总故障率的特点以及飞机部附件的可靠性与使用时间的关系;冯静等 提出基于 模糊逻辑算子的小子样可靠性信息融合方法,解决了复杂系统可靠性评估中小样本量导致的结果可信度不高问题;袁修开等 结合以概率加权矩为约束条件的最大熵
7、法和求解置信区间及置信带的 方法,提出了一种估计小样本试验件母体分位函数置信区间的方法;姜朱楠等 针对后缘襟翼位置传感器故障,提出了一种基于主元分析法的故障预测流程。上述研究在一定程度上缓解了小样本下民用飞机系统或部件可靠性分析的困难,但是未能完全脱离概率与数理统计的范畴,并未从根本上解决小样本和单系统的可靠性评估难题。针对有限状态假设下无法有效反映飞机系统或部件的连续退化过程问题,专家学者依据飞机系统或部件的性能退化数据,假设失效退化路径或失效分布开展可靠性评估。等 将失效数据拟合到 分布,使用其参数估计初始退化模型随机参数的先验分布;等 将预测变量的时间序列分析方法与机器学习技术相结合,建
8、立飞机发动机失效退化模型;邓爱民等 针对高可靠性、长寿命产品提出了基于性能退化量分布和基于退化轨迹两种可靠性评估方法;孙闯等 基于核主成分分析法建立了描述系统性能变化的状态子空间,以状态信息为输入数据实现了航空发动机的运行可靠性评估;李军亮等 基于深度学习理论和模拟退化算法,构建了飞机关键部件状态参数预测模型;丁建立等 提出一种基于改进模糊 均值的大型客机空调系统退化评估算法,在一定程度上解决了系统退化评估中的过拟合问题。然而,民用飞机运行环境、运行状态、所受载荷、人机交互等具有多样性和复杂性,模糊隶属度的确定不免受人为因素的影响。针对运行过程中实时运行特性评估难题,国内外 学 者 开 展 了
9、 动 态 可 靠 性 评 估 研 究。等 提出了一种用于容错系统的可靠性和动态性能分析的集成方法,基于对系统在组件故障发生后可以达到的不同配置的动态分析进行系统评估,以飞行控制系统为研究对象验证了方法的有效性;等 提出了一种端到端的方法,通过从具有类似退化趋势的组件集群中学习,获得在线基于模型的飞机冷却系统剩余使用寿命预测。陈勇刚等 应用物理 事理 人理思想和 法,基于灰色聚类方法和多层前馈神经网络,结合机队设备可靠性的随机性和波动性,设计了航空公司机队设备可靠性非线性动力学评估模型;梁坤等 以民机引气系统为研究对象,设计实现了基于快速存取记录器(,)数据的民机引气系统健康监测方法,提出了引气
10、系统故障检测算法;陈勇刚等 在前人研究的基础上采用 章节名称作为指标源,综合可变模糊识别方法和权重阶梯朴素贝叶斯分类器模型,构建了通用航空机队设备可靠性动态识别模型;张玉杰 利用在线间接监测数据获取相应的在线间接健康因子,开展了健康状态在线估计方法研究。民用飞机系统或部件动态、实时可靠性理念的提出丰富了复杂系统可靠性评估的技术手段,是复杂系统国 防 科 技 大 学 学 报第 卷在线、实时健康监控背景下的一大突破。然而该研究方向处于起步阶段,在特征筛选、评价指标、模型建立等方面还有待进一步研究。飞机系统及功能的高复杂性、强耦合性、不确定性等特点决定了其难以在设计阶段、制造阶段和试验阶段解决全部的
11、系统可靠性问题 。运行可靠性分析的目的是动态掌握系统或部件运行状态、保障运行安全和创造经济效益,现代飞机可靠性分析需要一种新的框架,将运行过程中具有动态相互依赖性的飞机系统、部件、环境、组织和人为因素进行综合处理。复杂系统运行过程中的可靠性分析方法已在能源系统 、机械工程 、城市设施 、计算机系统 、战略与防御 等领域进行了大量理论研究,并获得了良好应用效果。运行可靠性定义为:系统产生期望输出的实时能力。运行可靠性分析以系统可靠性模型为基础,基于运行过程实时采集的数据和历史数据,开展可靠性分析以保障系统可靠、安全运行,为应急处置、航材配置、预测性维修、优化运行控制等提供技术支撑。作为全寿命周期
12、可靠性管理体系研究内容的一个重要部分,运行可靠性总体研究框架如图 所示。数据源为研制数据和使用数据,其中研制数据源于飞机设计和试飞阶段,使用数据源于试飞和运营阶段;通过运行数据采集与处理为运行可靠性分析提供输入;开展运行与设计可靠性关联性分析,结果可为民机可靠性改进研究提供支撑;开展基于运行可靠性的设计和维修优化,为改进设计和科学合理地制定维修任务提供指导;搭建基于运行数据的可靠性管理平台,覆盖主制造商、运营商、供应商等相关方的使用需求,最终达到提升民机安全性、提高日利用率、降低运营支持成本的目的。运行数据采集与处理飞机作为一个复杂系统,在服役过程中,安全性要求高、保障费用高,随着飞机运行可靠
13、性研究的深入发展,飞机运行数据采集的重要价值逐渐凸显。合理有效的数据采集是开展运行可靠性分析的基础,是决策的依据 。对国产民机而言,运行数据采集是局方、制造商和运营商共同关心的问题 。作为制造商,协助运营商开展飞机的运行数据采集工作,是客户服务的重要内容之一 。开展运行数据采集的目的是为产品可靠性管理输入完整、及时、准确的产品性能、运行和维修数据,为后续运行可靠性分析、故障预测及维修决策工作开展提供支撑 。总图 民用飞机运行可靠性总体研究框架 的来说,通过有效的运行数据采集,能够实现多方的共赢。对国产民机制造商而言,应立足于本土化优势,通过系统、高质量的运行数据采集与分析,创造自身发展的有利空
14、间,这是我国民机制造商进一步巩固、开拓、占有市场的重要基础。数据采集为了获得有效的运行数据,数据采集必须在一定的指导原则下进行,总结为以下三点:)数据采集目标与运行可靠性分析的目标一致性原则。运行可靠性分析的目的为发现飞机、系统运行过程中可靠性和安全性较低项目,提前制定预防措施和纠正措施,为运营方提高飞机的运营水平提供信息基础 。采集的数据必须能够满足运行可靠性分析的需求。)数据采集的辨伪原则。由于系统环境存在高复杂性、动态时变性等特点,诸多环节都可能存在失真而增加“数据噪声”,为保证数据采集的质量,需要开展辨伪工作 。)数据采集日常化,重点数据专项化。时间连续性和数量累积性是民用飞机运行数据
15、的两大特征 ,需要针对常用数据开展常态化采集,针对重点数据开展专项采集,以实现对常用数据的补充。为了对民用飞机运行状态和可靠性状况进行持续的监视,须优先采集对产品可靠性、安全性影响大的特征 。参照国外民用飞机工程应用现状 ,结合国内运营商对制造商可靠性信息服务的需求,需采集的运行数据包括地面实时监第 期冯蕴雯,等:民用飞机运行可靠性研究进展控数据和历史故障信息。状态实时监测是运行可靠性研究的基础,通过监测航前、飞行、航后等各个阶段飞机级、系统级和部件级的状态信息,为运行可靠性研究提供足够的基础条件和数据 。地面实时监控数据主要包括飞机级、系统级和勤务状态监控数据。其中,飞机级实时监控是指以单架
16、飞机为对象,确定飞机在整个机队的日常运营和维护过程中需要关注的信息;系统级实时监控数据主要源于机载的飞机状态监控系统(,),该系统通过内置的状态监控模型对某个系统或某种异常事件进行监控,并在必要时采集相应参数通过飞机通信寻址和报告系统 (,)数据链下传至地面;勤务状态的实时监控是地面实时监控系统在部件故障实时监控功能基础上的功能拓展,主要利用 数据链实时下传的勤务数据。历史故障信息包含系统拆换记录、部件拆换记录、机组报告、运行不正常报告、飞机故障报告和使用困难报告等 。运行可靠性数据采集参数特征如表 所示。表 运行可靠性数据采集参数特征 数据种类采集内容信息分类数据集主要数据采集特征地面实时监
17、控数据飞机级实时监控数据系统级实时监控数据部件实时勤务状态监控数据基本运行状态信息航行动态实时监测信息发动机监控报文 监控报文其他系统报文飞机基本信息飞机型号、注册号、航空公司 和 代码、号、具体型号、发动机序列号、序列号及所有软硬件的件号 版本号航班基本信息航班号、起飞 到达机场、飞机全重、飞机油量时间信息 时间、当地时间、预计到达时间、日期运营基本信息飞行小时数、飞行循环数、发动机运行小时数、发动机循环数、运行小时数、运行循环数滑出 起飞 着陆 滑入信息滑出 起飞 着陆 开舱门时间、起飞 到达机场、当前剩余油量、预计到达时间飞行位置信息时间、经度、纬度、飞行高度、预计到达时间、风向、风速、
18、总温、静温、马赫数、校正空速正常启动报、起飞报、爬升报、稳态巡航报、性能报、非正常启动报、超限报、空中停车报、超差报等 性能报、启动报、运行报、自动关车报等环控系统性能报、趋势预测报、重着陆报、湍流报、发动机结冰报、机翼结冰报等驾驶舱 客舱氧气状态信息、液压系统的液压油量及压力、轮胎胎压及压差、发动机滑油信息、滑油信息等历史故障信息系统拆换记录故障类型、拆换类型、故障模式、故障描述、维修措施等部件拆换记录部件序列号、部件名称、部件装机数量、部件类型、拆换类型、拆换原因、使用时间等飞机故障报告发生地、故障类型、故障描述、维修措施、拆下件号、装上件号等运行不正常报告延误时间、换机次数、取消次数、返
19、航次数、备降次数等使用困难报告发生时间、发生地点、发生阶段、涉及主要系统、故障现象、预防 紧急措施、故障件名称等国 防 科 技 大 学 学 报第 卷 数据处理采集到的运行数据具有来源广、类型多等特点,直接开展数据整合会出现数据缺失、数据重复、无效数据录入 等现象。数据处理的任务是为运行可靠性分析提供准确、有效的数据,保证输入数据质量满足运行可靠性分析的标准 。数据处理的手段通常包括数据清洗、数据变换、数据规约等。数据清洗数据清洗是指对数据进行重新审查和校验的过程,目的在于删除重复信息、纠正存在的错误,并确保数据一致性,主要技术手段包括异常数据处理、缺失数据处理和重复数据处理。异常数据是指在数据
20、序列中,远离序列一般水平的数据,相较于数据集中其他数据,异常数据不符合数据集的一般规律。主流的异常数据检测技术包括基于统计、密度 、距离 、聚类 的异常数据检测方法。运行数据采集过程中,由于受到自然或人为因素而不可避免地带有噪声。数据中的噪声是指数据集合中某个属性数值的随机误差或方差,光滑噪声的方法主要有分箱方法、回归方法和聚类方法等 。缺失数据处理是数据清洗中的一个重要步骤。对于缺失数据,等 定义了三种不同的数据缺失类型,即:完全随机缺失、随机缺失、非随机缺失。对于缺失数据的处理,大致可以分为以下三类:删除不完整数据元组 ;忽略缺失数据 ;缺失值填充 。重复数据是指在数据中出现两次甚至多次的
21、数据。民用飞机运行数据源于多系统、多部门,实际数据中可能存在数据输入错误、格式、拼写差异等问题,加之各部门系统命名不一致,对异种信息表示的多个数据源进行集成时,常导致不能正确识别出表示同一个实体的多条记录。数据的重复出现,使得该重复样本所占权重比其他数据大,导致后续运行可靠性分析的结果具有倾向性。对于数量可控的重复数据常采用比较算法剔除,对于复杂数据常按比例降低其权重,对数据的重新布局形成概率分布。数据变换开展运行可靠性分析时,由于算法对数据的格式、范围有自身特定的限制和要求,所以这就要求对这些格式不一样的数据集进行数据格式和范围的转换,使得所有数据的格式、范围统一化。数据转换主要包含:)数据
22、泛化:使用高层次的概念替换低层次的概念。)属性(或特征)构造:为了更好描述某个系统或部件的状态,可构造新的属性,并添加到数据的属性集合中,用来帮助分析过程。)数据聚集:将数据进行聚集,比如,可以聚集飞机运行的每日数据为月或年,以此更好地实现长期的数据分析。)数据离散化:将连续的数值属性转换为离散的分类属性,以便直观反映某系统、部件的工作状态,例如将起落架、舱门的数据直接描述为 、来分别代表关闭或打开状态。)数据规范化:将每个属性数值按比例缩放,使之落入一个小的特定区间。常用手段包括最大 最小规范化、规范化和小数定标规范化。数据规约数据归约主要包括数据维度规约和数据样本规约。数据维度归约为通过对
23、数据特征进行筛选或者使用空间变化降低数据属性数量;数据样本归约为通过在原始数据中寻找出一个具有代表性的子集或重构较小或较短的数据以及把数据离散化等方式减少数据量。数据维度归约的核心是对特征进行选取或融合,获取能描述关键特征的那部分属性,目的是减少数据集中的冗余特征和不相关特征以提高后续运行可靠性分析的精度和质量。特征选择策略应满足计算代价小且能找到最佳或接近最佳的特征子集。为了满足以上条件,需权衡选择的特征集对于后续运行可靠性分析任务是否最佳。检验标准则是应用到该特征子集上的运行可靠性分析方法得出的结果应该与应用到整个特征集上的结果相同或相对更好。也可以依托专业领域知识来分配特征的权值,将重要
24、属性赋予较高权值,次要属性赋予较小权值。特征选取主要分为线性选取方式和非线性选取方式两种。线性选取方式有因子分析 和主成分分析 等,非线性选取方式有局部线性嵌入 、等距特征映射 和其衍生方法 等。数据样本归约的核心是减少数据样本量或从数据集中选择较小的数据表示形式以及将连续数据转化为离散数值 。数据处理研究现状围绕民用飞机运行数据处理方法,陈希成等 提出了一种飞机舱温实测数据转换为综合环境应力的方法;候亚丽等 对航迹数据进行预处理和飞行状态识别,分别运用两种模型计算飞第 期冯蕴雯,等:民用飞机运行可靠性研究进展机油耗;王奕惟等 为提高发动机状态辨识准确率,基于数据处理技术采用全航段 数据开发卷
25、积神经网络航空发动机状态辨识方法;等 针对航空推进系统仿真数据开展数据清洗、数据规约后用于航空发动机剩余寿命分析;等 在针对 数据开展数据处理的基础上,提出了一种估计涡流耗散率的方法;等 为了应对运行数据集的高度异构性,提出了一种数据处理过程,包括数据清洗、差值和归一化步骤,采用梯度提升决策树模型选择相关参数作为特征,用于预测飞机地速和无线电高度;等 采用数据处理方法将延迟率、设计和性能 数 据 融 合 用 于 客 机 调 度 可 靠 性 预 测;等 通过综合处理飞机类型、年龄、飞行小时、飞行周期、发动机类型和故障数据等开展基于历史数据和飞机参数的飞机故障预测研究。上述针对民用飞机数据处理技术
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