基于GO法的機(jī)載冗余EWIS可靠性分析

張逸飛

摘 要：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）的可靠性對(duì)于飛機(jī)飛行安全起到?jīng)Q定性作用。由于EWIS自身的特殊性，對(duì)其進(jìn)行可靠性分析時(shí)要考慮多部件和線路老化、腐蝕等各隨機(jī)因素對(duì)其可靠性的影響。在可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上安排合理的維修方法，預(yù)防EWIS故障的出現(xiàn)，或?qū)σ殉霈F(xiàn)的故障及時(shí)進(jìn)行排查和修復(fù)。GO法是一種對(duì)復(fù)雜多態(tài)系統(tǒng)建模的有效方法。其主要步驟是建立GO圖和進(jìn)行GO運(yùn)算來(lái)分析和評(píng)估系統(tǒng)可靠性。本文應(yīng)用GO法對(duì)某飛機(jī)發(fā)電機(jī)EWIS冗余系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算分析，得到系統(tǒng)正常運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）;系統(tǒng)可靠性;GO法

中圖分類號(hào)：V242.4+1;TB114.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

自2009年工作項(xiàng)目中首次出現(xiàn)“EWIS”標(biāo)識(shí)以來(lái)，飛機(jī)的“電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（Electrical Wiring Interconnection System，簡(jiǎn)稱EWIS）概念已經(jīng)在航空業(yè)界逐步得到認(rèn)同。2007 年底美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布FAR25部第123號(hào)修正案，使得EWIS正式成為現(xiàn)代民機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)體系中一個(gè)重要的獨(dú)立專業(yè)系統(tǒng)[1]。EWIS是用電區(qū)域間傳輸電能（包括數(shù)據(jù)和信號(hào)）的各種電纜、連接器、布線器等的組合，存在明顯的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)連接各機(jī)載設(shè)備涉及的電氣部分。作為這些電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)，EWIS在航空工程中起著重要作用，其可靠性直接影響飛機(jī)飛行安全。

EWIS線路老化、腐蝕、不正確的安裝和維修，以及意外損傷等均會(huì)引起EWIS狀況惡化或故障。如1994年西北航空公司B2610號(hào)飛機(jī)，執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，由于地面維修人員在更換安裝架時(shí)，錯(cuò)插插頭，破壞了飛機(jī)的穩(wěn)定性，使飛機(jī)在升空后失去控制在空中解體?？梢?jiàn)EWIS故障發(fā)生前安排合理的預(yù)防性維修任務(wù)是十分必要的。預(yù)防性維修主要針對(duì)飛機(jī)在航行過(guò)程中發(fā)生的EWIS部件的故障或失效，或者在定期檢查中發(fā)現(xiàn)EWIS部件的損傷和退化后所進(jìn)行的恢復(fù)故障部件設(shè)計(jì)性能的維修任務(wù)[2]。

目前，保證飛機(jī)電氣系統(tǒng)可靠性與維修性的方法是對(duì)高故障率維修單位采用維修時(shí)間短、維修成本低的部件，以此來(lái)控制系統(tǒng)的平均維修時(shí)間和平均維修成本[3]。但是相比于其他電氣系統(tǒng)，EWIS具有其自身的特殊性。首先，EWIS部件種類不多但數(shù)量眾多，且安裝在飛機(jī)各個(gè)區(qū)域。因此僅僅以單部件退化性能的可靠性為依據(jù)來(lái)進(jìn)行EWIS可靠性分析與評(píng)估，其結(jié)果不符合實(shí)際情況。因此，必須考慮更多隨機(jī)因素對(duì)EWIS可靠性的影響。其次，考慮EWIS系統(tǒng)部件各連接路徑的其他部件及其對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的綜合影[4]。在可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上，安排合理的維修計(jì)劃可以預(yù)防EWIS故障的出現(xiàn)，或在故障出現(xiàn)后及時(shí)進(jìn)行排除和修復(fù)。因此，有必要采用先進(jìn)的可靠性工程技術(shù)進(jìn)行EWIS設(shè)計(jì)，從而整體提升飛機(jī)安全性。

1 基于GO法的可靠性分析方法

可靠性是指部件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。復(fù)雜系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究是可靠性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。復(fù)雜系統(tǒng)的部件數(shù)目較多，且各部件間存在著明顯的結(jié)構(gòu)特征，如串/并聯(lián)、冗余等。同時(shí)復(fù)雜環(huán)境、負(fù)載、老化等問(wèn)題使部件存在多種失效形式，使系統(tǒng)呈現(xiàn)多狀態(tài)性質(zhì)[4]。傳統(tǒng)系統(tǒng)可靠性建模評(píng)估局限于二狀態(tài)系統(tǒng)（成功和失效），如可靠性框圖、故障樹(shù)分析法等。隨著工程系統(tǒng)日趨復(fù)雜化，對(duì)系統(tǒng)可靠性的精確評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高，二狀態(tài)可靠性理論已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)分析需求。

GO法是一種對(duì)復(fù)雜多態(tài)系統(tǒng)建模的有效方法[6，7]，該方法可通過(guò)分析原理圖、流程圖或工程圖等的結(jié)構(gòu)關(guān)系直接建立復(fù)雜多態(tài)系統(tǒng)GO圖。GO法主要步驟是建立GO圖和進(jìn)行GO運(yùn)算來(lái)分析和評(píng)估系統(tǒng)可靠性。GO圖建立時(shí)，要求標(biāo)明操作符類型和編號(hào)，至少有一個(gè)輸入操作符（類型4或5），其余操作符輸入輸出信號(hào)流連通且不存在反饋環(huán)節(jié)[7]。GO運(yùn)算有狀態(tài)組合算法（定性）及概率公式算法（定量）。定性運(yùn)算根據(jù)操作符運(yùn)算規(guī)則分析系統(tǒng)輸出信號(hào)狀態(tài)及各狀態(tài)可能的組合。定量運(yùn)算在定性運(yùn)算基礎(chǔ)上，計(jì)算輸出信號(hào)各狀態(tài)概率，由于系統(tǒng)輸出信號(hào)各狀態(tài)相互獨(dú)立，可直接計(jì)算得到系統(tǒng)狀態(tài)概率。定量計(jì)算過(guò)程中，若某操作符輸出信號(hào)為后序兩個(gè)或多個(gè)操作符的輸入信號(hào)，則該信號(hào)為共有信號(hào)，需要修正。

2 GO法的基本運(yùn)算過(guò)程

GO法的定量評(píng)估一般采用時(shí)序計(jì)算方法，即從輸入操作符開(kāi)始，沿信號(hào)流序列，按操作符運(yùn)算規(guī)則，逐步計(jì)算信號(hào)流的狀態(tài)概率，直至代表系統(tǒng)的最終輸出信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，沈祖培[8]提出GO法定量計(jì)算的新算法并補(bǔ)充了復(fù)雜系統(tǒng)共有信號(hào)的修正方法，即在多數(shù)情況下可以直接計(jì)算所有信號(hào)流的狀態(tài)概率。但是對(duì)類型2和類型11操作符，輸入信號(hào)中同時(shí)包含的共有信號(hào)將被修正。以某平臺(tái)控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明GO法的可靠性定量評(píng)估過(guò)程。系統(tǒng)有3個(gè)操作符組成，各操作符組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中操作符1為信號(hào)輸入，含有（1）、無(wú)（2）信號(hào)兩個(gè)狀態(tài)。操作符2有三個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)（0）表示異常動(dòng)作，狀態(tài)（1）表示正常運(yùn)行，狀態(tài)（2）表示故障狀態(tài)。操作符3有成功（1）和故障（2）兩種狀態(tài)。因此該系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的多狀態(tài)串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)GO圖如圖1所示，相應(yīng)的各操作符功能及其狀態(tài)概率如表1所示。

平臺(tái)控制系統(tǒng)的操作符3輸出信號(hào)狀態(tài)概率即為系統(tǒng)狀態(tài)概率，其中異常工作狀態(tài)概率為0.09，正常工作狀態(tài)概率為0.648，故障狀態(tài)概率為0.262。因此平臺(tái)控制系統(tǒng)的可靠性為0.648。

3 基于GO法的冗余EWIS可靠性分析

某戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)電機(jī)EWIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由28V低壓直流電和115/200V，400Hz三相恒速恒頻交流系統(tǒng)組成的混合供電系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)是由控制保護(hù)器（GCU）、發(fā)電機(jī)及各類接觸器組成的發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中交流發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)與直流供電系統(tǒng)分別連接匯流條供電。設(shè)計(jì)系統(tǒng)是冷貯備形式，應(yīng)急交流發(fā)電機(jī)作為發(fā)電系統(tǒng)的主冗余備件。冷貯備系統(tǒng)各冗余備件在主發(fā)電系統(tǒng)工作失效時(shí)，立即啟動(dòng)運(yùn)行，冗余備件在貯備期間性能既不失效也不退化[9]。