CN111291448B - 一种军用飞机任务可靠性指标分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空质量与可靠性领域，具体涉及一种军用飞机任务可靠性指标分配方法。该方法包括：获取度量军用飞机在各个任务剖面下的任务可靠性的参数，即为任务可靠度；根据任务可靠度确定各任务剖面的任务失败概率；根据各任务剖面的任务失败概率，确定每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率；根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率。

Description

一种军用飞机任务可靠性指标分配方法

技术领域

本发明属于航空质量与可靠性领域，具体涉及一种军用飞机任务可靠性指标分配方法。

背景技术

任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。重点关注产品完成任务的能力，允许有非严重性故障发生，其设计重点是通过梳理产品的故障逻辑关系，优化系统功能逻辑设计、架构设计和余度配置。任务可靠性是航空装备完成使命任务能力的直接反映和重要保证。

目前航空装备研制过程中，对整机和系统的任务可靠性工作虽然提出了明确的定量要求。“任务可靠性模型”是实现航空装备任务可靠性设计的核心和基础。目前型号主要依托的任务可靠性建模技术是基于可靠性框图的建模技术。这种方法的主要思路是根据系统的功能关系，分析每个组件的独立失效对系统可靠性的影响，建立任务可靠性模型(如串联模型、并联模型、混联模型、表决模型等)，然后以组件的预计值为输入，通过组件可靠度对系统任务可靠性进行计算。但该建模方法的应用有3个重要假设前提：

1)系统与单元的故障逻辑关系是确定的。

2)系统只考虑“正常”、“故障”两种状态。

3)系统组成单元的故障之间相互独立，且故障率恒定。

因此，该方法无法描述实际系统的复杂行为特征和故障特征，而且在指导系统设计改进方面可发挥的作用有限，不易被设计人员认可。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种军用飞机任务可靠性指标分配方法，通过对军用飞机各任务剖面开展任务失效分析，在型号研制早期，对飞机系统及设备提出可设计、可实现、可验证的任务可靠性要求，为后续开展任务可靠性设计分析和验证建立定量目标。可直接应用于国内各航空装备开展任务可靠性指标的分解和传递，将用户对航空装备的使用要求转换为飞机、系统和机载设备可设计和约束的要求，作为后续评估和验证的目标。

本发明提供一种军用飞机任务可靠性指标分配方法，包括：

获取度量军用飞机在各个任务剖面下的任务可靠性的参数，即为任务可靠度；

根据任务可靠度确定各任务剖面的任务失败概率；

根据各任务剖面的任务失败概率，确定每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率；

根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率。

进一步的，获取度量军用飞机的任务可靠性的参数包括：

获取预设的任务可靠度；

或，根据预设的平均严重故障间隔时间和任务时间，计算出军用飞机的任务可靠度。

进一步的，获取度量军用飞机在各个任务剖面下的任务可靠性的参数之前，所述方法还包括：

对军用飞机的典型任务剖面及其各工作阶段时间进行梳理，得到融合后的所述各个任务剖面及各个任务剖面的任务时间。

进一步的，对军用飞机的典型任务剖面及其各工作阶段时间进行梳理，包括：

根据军用飞机的典型任务剖面，按作战类型对军用飞机的任务剖面进行分类；

将任务时间大于两倍其他剖面的平均任务时间的剖面独立保留；

对未独立保留的任务剖面基于飞行阶段进行合并；合并后的剖面必须包含被合并的任务剖面所涉及的全部飞行阶段。

进一步的，对军用飞机的典型任务剖面及其各工作阶段时间进行梳理，还包括：

对于飞行阶段完全相同的任务剖面，取其中各个飞行阶段时间的最大值作为合并后剖面的飞行阶段时间；

对于飞行阶段有差别的剖面进行如下处理：

当被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间完全包容时，即某一任务剖面各飞行阶段时间均不小于其它剖面对应的飞行阶段时间，有差别飞行阶段和相同飞行阶段时间均取最大值；

当这些被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间不能完全包容时，有差别飞行阶段的时间取最大值，相同飞行阶段的时间取加权平均值。

进一步的，根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率，包括：

根据每个剖面的使用频次对各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率进行加权平均，得到飞机单个功能失效允许的发生概率。

进一步的，根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率，包括：

选择每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率中最小的概率作为飞机单个功能失效允许的发生概率。

进一步的，任务成功概率为任务可靠度。

本发明的优点在于：提出了一种基于功能失效任务可靠性指标分配方法，能够对航空武器装备及系统设计进行需求牵引，对影响航空装备任务完成的功能提出明确的任务可靠性要求，为后续研制过程中对不同层级产品持续控制、系统架构的优化、定量指标评估，提升任务可靠性水平提供输入。

具体实施方式

随着航空工业发展的突飞猛进，系统本身及系统间交联关系的复杂性大幅提升，以上假设经常是不成立的，实际系统中经常表现出以下复杂特征：

1)动态可重构特征

在采用综合模块化架构的航电系统中，由于存在动态可重构机制，系统功能的失效与单元硬件的失效之间不再是确定性的关系，在单元失效的情况下，系统功能是否失效主要与系统的软件配置、实时调度机制和资源数量等因素有关。

2)多状态特征

在多数机电/机械系统中，每个单元从正常状态到完全失效的过程中一般会经历多个中间状态，如对于零件的磨损失效模式，要经历部分磨损、磨损过限等状态；对于疲劳失效模式，要经历裂纹萌生、裂纹扩展、断裂等多状态；对于性能退化，要经历性能正常、性能亏缺、性能超差等多种状态。在多个零部件由正常状态向故障状态的演化过程中，即便这些零件并未完全失效，但中间状态的耦合也会导致系统功能的失效。对于此类系统，只考虑系统的二元状态显然是不够的。

3)失效相关特征

在载荷共担型系统或具有紧密的能量传递关系的系统中，单元失效模式之间的相关性是不可忽略的，系统某个单元的失效，很可能导致剩余相关单元载荷的增加或减少，从而导致其失效率发生变化。例如双余度电机系统中一个电机的失效会导致剩余一个电机负载的增加，从而导致其失效率增加；在串联多连杆结构中，一截拉杆的强度衰退会加速自身断裂的过程，但却对其余拉杆的失效起到了延缓作用。

因此，针对航空装备研制对任务可靠性设计技术提出的迫切需求，应提供一套基于功能模型的任务可靠性设计分析与评价方法，为了强化任务可靠性对系统和机载设备架构设计的需求牵引作用，必须在研制初期识别出所有导致任务失败的功能失效，分配定量概率要求，将顶层要求逐层分解至单元的故障模式上，实现定量指标的评估和系统架构的优化。

本发明一种军用飞机任务可靠性指标分配方法主要包括以下步骤：

步骤一、确定军用飞机任务可靠性指标时仅考虑在执行任务期间那些影响任务完成的故障(即严重故障)，常见的军用飞机任务可靠性合同要求通常表述为平均严重故障间隔时间(MTBCF)，其度量方法为：在规定的一系列任务剖面中，飞机执行任务总时间与严重故障总数之比，原称致命性故障间的任务时间；

步骤二、根据装备完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序，对不同使用场景下任务进行描述，确定装备不同任务剖面的时间，为后续开展指标分配提供输入。

步骤三、根据军用飞机不同任务剖面下的工作时间，计算不同任务剖面下的飞机任务可靠度，再根据飞机各剖面的使用频次，采用加权平均的方法计算飞机的任务可靠度水平；

步骤四、将任务可靠度转化为任务成功度、任务失败概率，通过开展任务失效分析，梳理出导致任务失败的功能失效条目，确定各剖面下功能失效允许发生概率，通过对不同功能失效允许发生概率进行处理，建立不同功能失效导致任务失败统一的允许发生概率，作为飞机及其系统任务可靠性设计目标。

以下对各个步骤进行详细说明。

步骤一、以往军用飞机任务可靠性合同要求通常表述为平均严重故障间隔时间(MTBCF)，重点关注产品完成任务的能力，允许有非严重性故障发生，其设计重点是通过梳理产品的故障逻辑关系，优化系统功能逻辑设计、架构设计和余度配置。确定军用飞机任务可靠性指标时仅考虑在执行任务期间那些影响任务完成的故障(即严重故障)，常见的军用飞机任务可靠性合同要求通常表述为平均严重故障间隔时间(MTBCF)，其度量方法为：在规定的一系列任务剖面中，飞机执行任务总时间与严重故障总数之比，原称致命性故障间的任务时间；

以往军用飞机研制中，任务可靠性指标的分配主要是使用RBD(可靠性框图)方法，这种方法在型号研制中暴露出不能在系统研制早期提出任务可靠性的有效要求，且后期难以评估的缺点。该指标不能直接用于设计牵引，需要转化分解为对功能失效发生概率的要求。

为了强化任务可靠性对系统设计的需求牵引作用，在研制早期对系统提出较明确的任务可靠性设计要求，并在研制过程中持续控制、有效提升系统任务可靠性水平，在军用飞机研制中，拟开展基于功能失效的任务可靠性设计分析与评价，通过对影响任务的功能失效状态构建故障树(FTA)，将顶层要求逐层分解至单元的故障模式上，实现定量指标的评估和系统架构的优化。

步骤二、典型任务剖面梳理。军用飞机典型任务剖面是基于飞机典型作战场景进行梳理，不同作战场景经历的阶段和时间是不同的，如果按所有任务剖面开展任务可靠性设计和分析，工作量大，迭代周期较长，重复性工作较多，与型号研制进度匹配性差。因此需要综合权衡各任务的特点，定义出任务可靠性设计分析所需的任务剖面，能够覆盖军用飞机全部任务剖面，并满足工程研制的需求。

军用飞机在进行任务可靠性任务剖面合并时，主要考虑如下因素：

A、根据军用飞机的典型任务剖面，对军用飞机主要任务类别进行梳理，如运输、预警、空投、打击等任务类型；

B、任务可靠性分析跟任务时间有直接关系，所以需要将某些任务时间较长的任务剖面独立保留，不与其它剖面合并；

C、综合分析典型任务剖面后，基于飞行阶段对相似剖面进行合并；

D、为了确保完整性，合并后的剖面必须包含被合并的任务剖面所涉及的全部飞行阶段。

步骤三、确定各典型任务剖面的时间。军用飞机在进行任务可靠性任务剖面合并后，各典型任务剖面的时间主要采用如下步骤确定：

首先，对于飞行阶段完全相同的任务剖面，取其中各个飞行阶段时间的最大值作为合并后剖面的飞行阶段时间；

然后，对于飞行阶段有差别的剖面进行如下处理：

1)当这些被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间完全包容时(即某一任务剖面各飞行阶段时间均不小于其它剖面对应的飞行阶段时间)，有差别飞行阶段和相同飞行阶段时间均取最大值；

2)当这些被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间不能完全包容时，有差别飞行阶段的时间取最大值，相同飞行阶段的时间取加权平均值(当无法获知各剖面使用频数比时，暂按各剖面使用频数比相同处理)。

重复步骤1)和2)对剖面进行处理，直至合并成一个任务剖面。

步骤四、计算各任务剖面下的任务可靠度并进行指标转化。

按GJB1909A-2009(装备可靠性维修性保障性要求论证)的相关要求，军用飞机的任务可靠性参数通常选择任务可靠度或平均严重故障间隔时间，工程计算上，这两个参数可以通过如下公式进行转换：

R_M＝e^-λt (1)；

λ＝1/MTBCF(假定服从指数分布) (2)；

式中：R_M——任务可靠度；

λ——故障率；

t——任务时间。

任务可靠度R_M一般以装备完成一个任务剖面的可靠度表示，影响任务完成的因素很多，如战场的环境条件、装备的功能特性等。常用的表示任务成功的参数是任务成功度(用D表示)，D只考虑可靠性、维修性对完成任务的影响，从可靠性维修性等设计特性的角度考虑能完成任务的概率，即任务成功概率。其计算公式如下：

D＝R_M+(1-R_M)M_M (4)；

式中：D——任务成功度(成功概率)；

R_M——任务可靠度；

M_M—任务维修度；

一般用在任务剖面中，在规定的维修级别和规定的时间内维修(抢修)损坏的装备使其能够继续投入作战的概率表示。例如，2h以内使损坏的装备恢复功能，认为不影响装备继续完成任务，则表示2h的维修度为任务维修度。

按照上述公式，对于军用飞机来说，任务可靠度反映的是飞机在规定的任务剖面下成功完成一次飞行任务的能力，在一次飞行任务中，飞机是不具有任务维修能力的，因此任务成功概率D＝R_M，这时将R_M(任务可靠度)转换成D(任务成功概率)是一种保守化处理。

在进行任务可靠性定量指标要求分解时，根据用户对飞机提出的MTBCF要求，每个任务剖面的时间T和使用频数,计算出飞机在给定剖面下允许任务失败的概率要求，然后参照安全性指标确定过程，通过假定每种任务剖面下导致飞机任务失败的失效状态个数(参考相似机型或进行保守处理)，确定每个任务剖面下任务失效状态允许发生的概率值，作为系统的任务失效状态概率要求，通过构建故障树将要求分解至影响任务的关键故障模式，将定量要求进行分配传递。

以上方法在执行时都需要确定每个作战任务剖面的时间T，每种任务剖面的使用频数，然后利用加权平均的方法，将定量失效概率要求分配至每个典型任务剖面，然后根据每个任务剖面下的失效状态数量，考虑余量的情况下分剖面确定定量指标要求。

步骤五、梳理任务失效条目。通过开展任务失效分析，识别在飞机设计的整个飞行包线和不同飞行阶段内，可能造成飞机任务失败的功能危险，通过梳理导致任务失败的失效条目，同时考虑一定的余度，对之前给出的各任务剖面下允许的发生概率要求进行修正。

步骤六、确定各剖面下功能失效允许发生概率。假定通过任务失效分析，某任务剖面下共有n条导致任务失败的功能失效，使用公式(6)、(7)可计算出单个影响任务完成的功能失效允许的失效概率上限。

p_M＝Q_M/n (6)；

p_H＝Q_M/n*t (7)；

p_M：单个功能影响任务失败的允许发生概率(每次任务)；

n：导致任务失败的功能失效总数；

t：一次任务时间；

p_H：单个功能影响任务失败的允许发生概率(每小时)；

步骤七、失效概率综合处理。在根据上述公式(6)、(7)计算单个剖面下功能失效允许发生概率时，考虑工程分析过程中需要迭代和完善，建立失效概率时，对功能失效条目进行保守处理(如取1.2-1.5的系数)，得到单个任务剖面下功能失效允许发生概率。进行多剖面失效概率综合处理时，根据工程需要，既可根据每个剖面的使用频次对各剖面的允许失效概率进行加权平均，也可选择其中最严酷的要求作为所有剖面的任务可靠性设计目标。

实施例一

示例的，假设某军用飞机整机任务可靠性设计要求是平均严重故障间隔时间(MTBCF)应不小于380fh(设计目标值)。以设计目标值380为指标要求，根据

λ＝1/MTBCF；

可得λ＝1/380＝0.003；

假设某军用飞机包括3个任务剖面，记作任务剖面1、任务剖面2和任务剖面3。任务剖面1的任务时间为13h,任务剖面1的任务时间为8h,任务剖面1的任务时间为24h。

假设该型飞机三个任务剖面差异性较大，不需要对各剖面进行处理。

按照R_M＝e^-λt可得剖面1、剖面2和剖面3对应的任务可靠度水平分别为：

对于军用飞机而言，由于在执行作战任务过程中不会进行维修，因此其任务可靠度就等于任务成功概率。

有了任务成功概率后，则各任务剖面下的任务失效概率可表示为：

Q_M1＝1-R_M1＝1-97％＝0.03；

Q_M2＝1-R_M2＝1-97.9％＝0.02；

Q_M3＝1-R_M3＝1-93.9％＝0.06；

假设在任务剖面1、任务剖面2、任务剖面3下导致任务失败的失效状态个数不超过800个、1000个和500个，考虑1.2的余量，取其失效状态个数分别为1000个、1200和个600个，则每一项影响任务完成的失效状态允许发生的失效概率约为

P_M1＝0.03/1000＝3*10^-5；

P_M2＝0.02/1200＝1.7*10^-5；

P_M3＝0.06/600＝1*10^-4；

此时的概率要求是针对执行一次作战任务时允许的失效概率，转化成每飞行小时允许的失效概率约为：

P'_M1＝3*10^-5/13＝2.3*10^-6/FH；

P'_M2＝1.7*10^-5/8＝2.1*10^-6/FH；

P'_M3＝3*10^-5/24＝4.2*10^-6/FH；

根据假设剖面1、剖面2和剖面3的使用频数为1/4，1/2和1/4，对上述失效概率进行加权平均后，得到飞机单个功能失效允许的发生概率为：

Q_综＝1/4*2.3*10^-6+1/2*2.1*10^-6+1/4*4.2*10^-6＝2.7*10^-6/FH。

也可对上述三个剖面下允许的最严酷的失效概率作为飞机单个功能失效允许的发生概率：

Q_综＝Min(Q_M1，Q_M2，Q_M3)＝2.1*10^-6/FH。

Claims (3)

1.一种军用飞机任务可靠性指标分配方法，其特征在于，包括：

对军用飞机的典型任务剖面及其各工作阶段时间进行梳理，得到融合后的所述各个任务剖面及各个任务剖面的任务时间；

获取预设的任务可靠度，或，根据预设的平均严重故障间隔时间和任务时间，计算出军用飞机的任务可靠度；

根据任务可靠度确定各任务剖面的任务失败概率；

根据各任务剖面的任务失败概率，确定每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率；

根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率；通过对不同功能失效允许的发生概率进行处理，建立不同功能失效导致任务失败统一的允许发生概率，作为飞机及其系统任务可靠性设计目标；

其中，对军用飞机的典型任务剖面及其各工作阶段时间进行梳理，包括：

根据军用飞机的典型任务剖面，按作战类型对军用飞机的任务剖面进行分类；

将任务时间大于两倍其他剖面的平均任务时间的剖面独立保留；

对未独立保留的任务剖面基于飞行阶段进行合并；合并后的剖面必须包含被合并的任务剖面所涉及的全部飞行阶段；

对于飞行阶段完全相同的任务剖面，取其中各个飞行阶段时间的最大值作为合并后剖面的飞行阶段时间；

对于飞行阶段有差别的剖面进行如下处理：

当被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间完全包容时，即某一任务剖面各飞行阶段时间均不小于其它剖面对应的飞行阶段时间，有差别飞行阶段和相同飞行阶段时间均取最大值；

当这些被合并剖面中相同飞行阶段对应的时间不能完全包容时，有差别飞行阶段的时间取最大值，相同飞行阶段的时间取加权平均值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率，包括：

根据每个剖面的使用频次对各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率进行加权平均，得到飞机单个功能失效允许的发生概率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各个任务剖面下每次任务中每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率，失效概率综合处理得到飞机单个功能失效允许的发生概率，包括：

选择每小时单个功能影响对应任务失败的允许发生概率中最小的概率作为飞机单个功能失效允许的发生概率。