CN110222927A - 一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，包括故障风险识别、关系分析和水平评估。故障风险识别，针对相似机型运行故障事件集合，从场务保障、飞行实施、机务保障、飞行训练确定民机运行故障原因，从人为失误、飞机故障和环境影响分析故障类型，从结构强度、***、动力装置反向推理民机运行过程中潜在的故障模式；故障关系分为独立故障和关联故障，针对故障模式为严重/灾难的部件进行故障机理分析，通过拆换记录或故障树确定独立故障概率，通过因果关系链、扩展故障树确定关联故障概率；风险水平评估包括发生概率和严重度。本发明在民机运行阶段评估出部件故障的潜在危险，提高机务维修保障效率、民机运行安全。

Description

一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法

技术领域

本发明属于民用飞机运行风险分析与评估的技术领域，特别是涉及一种考虑部件间故障关系的民用飞机多故障风险识别评估计算方法。

背景技术

从1991年至今，全球航空事故累计发生17701起。随着全球航空运输需求的增加，飞行安全逐渐受到重视。在高温、高压、高速、高强度、变负荷等极端工作条件下，民用飞机可能发生单部件独立故障或者部件间关联故障，引起性能下降，危及飞行安全。对民航飞行安全性的影响表现在多方面，不同机型/***发生事故类型多样，同一事故致因多样，主要有“人”、“机”、“环”三类影响因素。人的因素造成的对民航飞行安全性影响主要是指飞行员、航行管制员及飞行签派员的人为差错，主要有飞行员的生理及心理、飞行技能、航空专业知识水平等方面的原因：航行管制员和飞行签派员的生理及心理、航空专业知识水平、政治责任心等方面的原因。由于飞行是需要地面和空中有效的配合才能完成，所以飞行员、航行管制员及飞行签派员的三类人员中任何一个出现某方面的差错，民航飞行的安全性就不能保证。飞机因素对民航飞行安全性影响主要为飞机本身机械方面的原因，如发动机熄火、起落架故障、防冰和除冰***故障等。天气的复杂性和难以预见性，导致了不少航空飞行的惨剧，最直接的事故表现在飞机机身解体、飞行速度失控、因视线所阻而使飞机偏离跑道与其它飞机相撞等飞行事故，天气因素，气温、气压和空气的密度等大气环境要素也会影响飞机空速表、航空发动机的推力、平飞速度、平飞最大速度、飞机起飞和着陆、飞行安全高度等，影响航空运营安全。随着民用飞机性能不断提高，结构愈加复杂化，飞机部件在运营阶段发生故障的概率逐渐增加，部件故障风险评估方法的研究受到越来越多的关注。美国西南研究院联合Rolls-Royce，General Electric和Pratt&Whitney共同研发了发动机部件区域风险评估方法，为发动机制造商提供了一种概率风险预测与管理工具。与国外相比，国内关于航空发动机部件风险方面进行了一定的相关性研究，通过非线性回归方法得到有限样本情况下的飞行风险概率的计算；通过综合分区概率统计、应力-强度干涉理论、线弹性断裂力学等方法建立了限寿件失效的概率风险评估数学模型；本发明作者针对部件故障机理，建立了包括部件故障未检出概率、故障后果条件概率、严重性后果的民用飞机故障风险评估模型。目前，国际上关于民用飞机概率风险评估的研究在体系评估和基础数据方面积累了丰富经验，我国自主设计与生产的飞机在获得适航认证并投入运营的过程中逐步积累安全经验，但是缺少针对民用飞机部件故障关系展开的独立故障和关联故障的风险评估模型和计算公式。仅依靠单个部件故障风险评估模型，不考虑部件间关联故障作用，将产生很大的安全隐患，同时影响民用飞机运行经济性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的民用飞机多故障风险识别评估计算方法，包括以下步骤：

步骤一、民用飞机部件故障风险识别；

步骤二、民用飞机部件故障关系分析；

步骤三、民用飞机故障风险水平评估。

所述步骤一具体包括以下步骤：

步骤A、针对民用飞机相似机型运行故障事件集合，从场务保障、飞行实施、机务保障、飞行训练四个方面确定民用飞机运行故障原因，从人为失误(飞行员、机务维修人员、空管人员、机场人员)、飞机故障(部件、航空发动机、飞机)和环境影响(社会、自然环境)三个方面分析故障类型；

步骤B、从结构强度、***、动力装置三个方面，反向推理民用飞机运行过程中潜在的故障模式。

所述步骤二具体包括以下步骤：

步骤a、针对故障模式为严重或灾难的部件进行故障机理分析；

步骤b、确定部件故障关系为独立故障或者关联故障；

步骤c、基于拆换记录、故障树方法，确定独立故障原因；

步骤d、基于因果链、方法、扩展故障树方法，确定关联故障原因。

所述步骤三具体包括以下步骤：

步骤α、确定故障相关参数，包括发生概率(如：失效率)和严重度(如：影响范围)。

有益效果：本发明提供的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，与现有技术相比，具有以下优势：本发明在飞机运行阶段快速准确地识别评估出部件故障的潜在危险，为提高机务维修效率和保障民用飞机运行安全提供技术支持。

附图说明

图1为民用飞机多故障风险识别评估计算方法流程图；

图2为故障事故反向传播机理

图3为单个部件故障发展过程；

图4为多个独立部件共同作用的故障树；

图5为部件故障因果链；

图6为考虑共模故障的扩展故障树。

具体实施方式

本发明公开了一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，包括民用飞机部件故障风险识别、部件故障关系分析和故障风险水平评估。所述民用飞机部件故障风险识别，针对民用飞机相似机型运行故障事件集合，从场务保障、飞行实施、机务保障、飞行训练四个方面确定民用飞机运行故障原因，从人为失误、飞机故障和环境影响三个方面分析故障类型，从结构强度、***、动力装置三个方面反向推理民用飞机运行过程中潜在的故障模式；所述部件故障关系分析，针对故障模式为严重或灾难的部件进行故障机理分析，部件故障关系可分为独立故障和关联故障。独立故障由单个部件独立故障或多个独立故障共同作用导致，分别通过拆换记录或故障树确定故障概率。关联故障由因果关系故障或共模故障导致，分别通过因果关系链方法、扩展故障树确定故障概率；所述风险水平评估，确定故障相关参数，包括发生概率(如：失效率)和严重度(如：影响范围)。本发明在飞机运行阶段快速准确地识别评估出部件故障的潜在危险，提高机务维修保障效率和确保民用飞机运行安全。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的民用飞机多故障风险识别评估计算方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一、民用飞机部件故障风险识别。

针对民用飞机相似机型运行故障事件集合，应用FMECA分析方法与决策树方法，从场务保障、飞行实施、机务保障、飞行训练四个方面确定民用飞机运行故障原因，从人为失误(飞行员、机务维修人员、空管人员、机场人员)、飞机故障(部件、航空发动机、飞机)和环境影响(社会、自然环境)三个方面分析故障类型；分析事故影响因素及影响关系，获得事故类型、事故影响因素以及传播路径等信息，分析所有可能引起事故的“人”、“机”、“环”方面的影响因素集，支持故障动态变化特征和故障关系分析。

应用多信号流方法建立传播有向决策树，基于反向传播决策树关联事故所有影响因素。采用MYCIN的置信度方法获得全部事件的置信度值，为反向推理判断提供重要依据，基于多信号流的有向传播决策树，形成事故传播机理分析策略，从结构强度、***、动力装置三个方面，反向推理民用飞机运行过程中潜在的故障模式，例如偏离跑道、低高度失速、发动机失效或异常、飞机失去控制、尾部擦地、轮胎***或着火、起落架无法放下、重着陆、驾驶员诱发振荡等。

步骤二、选择部件面临严重、灾难等级的潜在故障模式，例如偏离跑道、低高度失速、发动机失效或异常、飞机失去控制、起落架无法放下等。故障事件是已发生的，潜在故障模式是未发生但预测到可能发生的，针对预测到的此故障模式即步骤一确定的潜在故障模式，进行风险评估。针对部件故障情况，进行故障机理分析，并进一步确定部件故障关系。影响民用飞机运行的部件故障分为两种：

1.独立故障，可分为两种：

1.1单个部件独立故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于部件拆换记录、维修记录确定民用飞机故障原因及发生概率和严重程度；

1.2多个独立的部件故障共同作用，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于故障树方法，确定民用飞机故障关系和发生概率。通过相同或者相似机型历史数据确定故障导致的后果严重程度。

2.关联故障，可分为两种：

2.1具有因果关系的部件间故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于因果链方法确定民用飞机故障原因。基于部件拆换记录、维修记录确定民用飞机故障发生概率和严重程度；

2.2由单一外部原因引起的多部件共模故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于方法、扩展故障树方法，确定关联故障逻辑关系。结合部件拆换记录、维修记录，确定民用飞机故障发生概率和严重程度。

步骤三、故障风险水平评估，包括如下步骤：

确定故障风险评估相关参数，包括民用飞机部件故障发生概率F、该部件故障导致飞机发生严重后果的条件概率ψ和相应后果严重度S。由于飞机检查未发现的民用飞机部件故障，导致发展为飞机级故障的过程如图3所示。

1单个部件独立故障导致民用飞机严重/灾难的故障风险水平为：

其中，R_A为单个部件独立故障的故障风险水平；F为民用飞机部件故障发生概率；n为部件级故障发展为飞机级故障的条件概率的层级数；ψ为发生故障的该部件故障导致飞机发生严重后果的条件概率；S为相应后果严重度。

当有m种可导致飞机级故障的部件故障时(计算民用飞机风险水平时，认为每种部件故障导致的飞机级故障次数为1次)，相应故障风险水平为：

其中，R_A总为m种部件故障导致的飞机级故障风险水平。

2多个独立的部件故障共同作用导致民用飞机严重/灾难的故障，其故障树如图4所示，相应风险水平为：

其中，R_B为多个独立部件故障共同作用的故障风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_B总为相应n个飞机级故障的风险水平。

3具有因果关系的部件间故障，导致民用飞机严重/灾难的故障，其因果链如图5所示，导致单个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_C为具有因果关系的部件间故障导致单个飞机级故障的风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_C总为相应n个飞机级故障的风险水平。

4由单一外部原因引起的多部件共模故障，导致民用飞机严重/灾难的故障，其扩展故障树如图6所示，民用飞机***M考虑部件共模故障的条件概率为：

ψ'(M)＝ψ(A'B'∪A'C_AB∪B'C_AB∪C_AB) (7)

其中，A’为民机***M的部件A的故障概率；B’为民机***M的部件B的故障概率；C_AB为部件A、B发生共模故障的概率。

假设有m个***发生共模故障，导致单个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_D为m个***发生共模故障导致的单个飞机级故障的风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_D总为相应n个飞机级故障的风险水平。

综上所述，本发明通过建立民用飞机多故障风险识别评估计算方法，在民用飞机运行过程中，通过分析相似机型部件故障事件，从人为失误、飞机故障和环境影响三个方面确定民用飞机运行故障原因，反向推理民用飞机运行过程中潜在的故障模式。针对故障模式为严重或灾难的部件进行故障机理分析，利用拆换记录、故障树、因果关系链、扩展故障树，分别给出由部件独立故障或关联故障引起的民用飞机故障风险计算方法。定量计算得到的部件故障导致飞机严重/灾难性故障的概率不符合适航要求时，制定并确定最优纠正措施(例如减少维修间隔、增加飞机数量、设计新材料等)，直至民用飞机故障概率符合适航要求，这种反馈式的风险评估进一步降低了民用飞机潜在运行风险水平，为提高机务维修保障效率和确保民用飞机运行安全提供了一种高效可行的评估方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、民用飞机部件故障风险识别：针对相似机型运行故障事件集合，确定民机运行故障原因、分析故障类型，并确定潜在故障模式；

步骤二、民用飞机部件故障关系分析：故障关系分为独立故障和关联故障，对于所述潜在故障模式，针对故障模式为严重/灾难的部件进行故障机理分析，确定独立故障概率和关联故障概率；

步骤三、民用飞机故障风险水平评估：确定故障风险评估相关参数，包括发生概率和严重度。

2.根据权利要求1所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤一中，鉴于“人”、“机”、“环”等方面因素均可能导致民用飞机航空运营事故，可航事故影响因素存在多个分类变量。基于收集的故障事故数据，应用FMECA分析方法与决策树方法，从场务保障、飞行实施、机务保障、飞行训练确定民机运行故障原因；从人为失误、飞机故障和环境影响分析故障类型；分析事故影响因素及影响关系，获得事故类型、事故影响因素以及传播路径等信息，分析所有可能引起事故的“人”、“机”、“环”方面的影响因素集，支持故障动态变化特征和故障关系分析。应用多信号流方法建立传播有向决策树，基于反向传播决策树关联事故所有影响因素。采用MYCIN的置信度方法获得全部事件的置信度值，为反向推理判断提供重要依据，基于多信号流的有向传播决策树，形成事故传播机理分析策略，从结构强度、***、动力装置推断民机运行过程中潜在的故障模式，包括偏离跑道、低高度失速、发动机失效或异常、飞机失去控制、尾部擦地、轮胎***或着火、起落架无法放下、重着陆、驾驶员诱发振荡。

3.根据权利要求1所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤二中，故障关系分为独立故障和关联故障，根据FAA AC25.1309对故障后果分类标准，针对故障模式为严重/灾难的部件进行故障机理分析，通过拆换记录或故障树确定独立故障概率，通过因果关系链、扩展故障树确定关联故障概率。

4.根据权利要求1或3所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤二中，针对故障模式为严重/灾难的部件进行故障机理分析，确定部件故障关系，具体包括以下步骤：

步骤A1、单个部件独立故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于部件拆换记录、维修记录确定民用飞机故障原因及发生概率和严重程度；

步骤A2、多个独立的部件故障共同作用，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于故障树方法，确定民用飞机多个独立部件均故障导致***故障的逻辑关系和发生概率；通过相同或者相似机型历史数据确定故障导致的后果严重程度；

步骤A3、具有因果关系的部件间故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于因果链方法确定民用飞机故障原因和某部件导致其他部件故障并导致***故障的逻辑关系；基于部件拆换记录、维修记录确定民用飞机故障发生概率和严重程度；

步骤A4、由单一外部原因引起的多部件共模故障，导致民用飞机严重/灾难的故障影响，基于扩展故障树方法，确定关联故障逻辑关系；结合部件拆换记录、维修记录，确定民用飞机故障发生概率和严重程度。

5.根据权利要求1所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤三中，确定故障风险评估相关参数，包括民用飞机部件故障发生概率、发生故障的该部件故障导致飞机发生严重后果的条件概率和相应后果严重度；确定飞机检查未发现的民用飞机部件故障，导致发展为飞机级故障的过程，具体包括以下步骤：

步骤B1、确定单个部件独立故障导致民用飞机严重/灾难的故障风险水平；

步骤B2、确定多个独立部件故障共同作用导致民用飞机严重/灾难的故障风险水平；

步骤B3、确定具有因果关系的部件间故障风险水平；

步骤B4、确定由单一外部原因引起的多部件共模故障风险水平。

6.根据权利要求5所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤B1中，所述单个部件独立故障的故障风险水平为：

其中，R_A为单个部件独立故障的故障风险水平；F为民用飞机部件故障发生概率；n为部件级故障发展为飞机级故障的条件概率的层级数；ψ为发生故障的该部件故障导致飞机发生严重后果的条件概率；S为相应后果严重度。

当有m种可导致飞机级故障的部件故障时，相应故障风险水平为：

其中，R_A总为m种部件故障导致的飞机级故障风险水平。

7.根据权利要求5所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤B2中，所述多个独立部件故障共同作用的故障风险水平为：

其中，R_B为多个独立部件故障共同作用的故障风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_B总为相应n个飞机级故障的风险水平。

8.根据权利要求5所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤B3中，具有因果关系的部件间故障导致单个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_C为具有因果关系的部件间故障导致单个飞机级故障的风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_C总为相应n个飞机级故障的风险水平。

9.根据权利要求5所述的一种民用飞机多故障风险识别评估计算方法，其特征在于：步骤B4中，所述多部件共模故障风险水平的标准为部件共模故障的条件概率：

ψ'(M)＝ψ(A'B'∪A'C_AB∪B'C_AB∪C_AB) (7)

其中，A’为民机***M的部件A的故障概率；B’为民机***M的部件B的故障概率；C_AB为部件A、B发生共模故障的概率。

假设有m个***发生共模故障，导致单个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_D为m个***发生共模故障导致的单个飞机级故障的风险水平。

由此导致的n个飞机级故障的风险水平为：

其中，R_D总为相应n个飞机级故障的风险水平。