罗文田，张 珂

（中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307）

0 引言

起落架作为大型民用客机的重要组成部分，其工作状态直接影响着飞机的运行安全。根据2014年的国内航空器使用困难报告（SDR），有关起落架系统的SDR为141份，占总份数（3 809份）的3.70%，仅次于动力装置，位居第二［1］。由此可看出起落架系统的故障发生率极高，需要采取应对措施来降低其故障率。而在起落架设计、制造和适航验证阶段进行可靠性分析是降低其故障发生率的有效方法之一，但是由于我国民航事业起步较晚，加之对故障数据的重视程度低，造成了飞机故障数据的缺失。因此选择一种较少依赖于起落架故障数据的可靠性分析方法对提高起落架的可靠性至关重要。

大型民机起落架的传统可靠性分析方法是在假设数据精确的基础上进行的分析，其可靠性数据的来源主要包括航空公司的相关故障数据、供应商的试验数据、仿真模拟的数据等［2］，这些来源的数据会受到统计信息不足、试验成本高、仿真条件考虑不足等影响，使得可靠性分析结果不准确。针对这一系列问题，本文利用区间值来代替传统可靠性方法中的基本事件精确值，并采用证据理论和贝叶斯网络相结合的方式解决由区间值所带来的故障率不确定性问题，最终求解出顶事件的故障率，找出系统薄弱环节，有针对性地为提高起落架可靠性提出建设性意见。这种方法在起落架可靠性数据精确度较低的情况下，可以获得更好的可靠性分析结果。

1 理论概述

1.1 证据网络

证据网络是在证据理论的基础上融入了贝叶斯网络思想的图形模型产物，是处理工程中不确定性和复杂性问题的有力工具［3］。它是由节点和有向线构成的一种有向无环图［4］，其中节点代表事件的变量和结果，有向线代表节点之间的关系。具体的因果关系可由图1表示，其中X、Y表示节点变量，Z表示节点结果，箭头表示因果关系，省略号表示可有多个变量。

图1 简化的证据网络模型

1.2 起落架系统组成及故障模式概述

飞机起落架是保证飞机起飞、着陆和滑跑的重要系统，它既可以吸收飞机在地面上的撞击力和摩擦力，也能起到支撑飞机重量的作用。它主要由两个主起落架、一个前起落架、收放系统、刹车系统、起落架指示和警告系统、前轮转弯系统和机轮等组成。

起落架在正常工作过程中直接与地面接触，承受着极大的撞击力和摩擦力，这种恶劣的工作环境使得其故障发生率较高，威胁着飞机的运行安全。本文以空客A320为例，通过查阅参考资料和总结航空公司维修记录，对起落架的常见故障进行了总结，具体如下：

（1）刹车系统故障：包括BSCU监控故障、单个主轮刹车温度不正常、停留刹车手柄控制失效、三针表指示刹车压力有余压等［5］。

（2）收放系统故障：包括收放作动筒故障、收放锁机构故障、收放延时、收放微电门故障等［6］。

（3）缓冲系统故障：主要为漏油、漏气故障。

（4）前轮转弯系统故障：包括前轮破损不一致或胎压差异大、前轮转弯部件磨损、前轮转弯力矩大等。

（5）位置指示和警告系统：指示系统无法正确指示起落架收放或转弯的真实情况。

（6）机轮：包括轮胎磨损与划伤超标、轮胎漏气、轮毂裂纹等。

1.3 传统的起落架可靠性分析方法

通过查阅、总结相关资料，将起落架的传统可靠性分析方法主要概括为基于故障树和基于建模仿真两大类，本文只对基于故障树的可靠性分析方法进行了论述：

（1）基于传统的故障树分析：它是根据起落架或起落架某系统的工作原理、组成结构、故障分布等来构建故障树，然后通过上行法、下行法等对故障树进行定性分析，最后根据基本事件的失效概率值进行可靠度和重要度等的定量分析［7］。

（2）基于动态故障树的可靠性分析：动态故障树是在传统故障树的基础上增加了可以表示底事件和顶事件动态、时序逻辑关系的动态逻辑门。文献［8］对A330起落架系统进行了基于动态故障树的分析，可靠性分析结果接近工程实际。

（3）基于超椭球模型的系统故障树分析：在传统故障树的基础上，根据工程经验或其他资料确定底事件的发生概率值，用随机数发生器生成服从均匀分布的一组确定值，在满足超椭球凸域公式的情况下，利用蒙特卡洛抽样模拟计算的方法计算顶事件的失效概率值，最后进行可靠性分析［9］。

（4）基于模糊故障树的可靠性分析：在建立故障树的基础上，首先根据各类统计数据得到基本事件故障率的均值m和置信上下限α和β，然后通过专家和操作人员的经验确定隶属度函数，接着根据模糊数运算法则进行计算，最后求得中间事件和顶事件的模糊数，并进行了可靠性分析。文献［10］就采用模糊故障树分析方法对防滞刹车系统进行了研究。

（5）蒙特卡罗故障树方法：是在传统故障树的基础上进行蒙特卡洛仿真。首先求出最小割集，运用蒙特卡罗仿真方法对每一个割集的底事件进行抽样，取得底事件失效时间的简单样本，将抽样时间代入最小割集求出每个最小割集发生时间，重复以上步骤，根据故障树顶事件失效的累计次数，可以求得顶事件发生的概率以及各部件重要度，最后进行结果分析［11］。

传统故障树分析法对具有动态随机性故障的系统仍然采用静态近似处理，结果会导致实际结果与所计算的可靠性指标相差很大；动态故障树通过引入新的动态逻辑门，对解决具有动态随机性故障的系统有很好的效果。在解决动态故障的基础上，既要解决底事件概率信息难以获得的问题（其中通过模糊可靠性确定隶属度函数），也要依赖于统计或工程经验，因此对统计数据和样本数量也需要有一定的要求，在样本数极少的情况下不适用。凸集模型需要确定变量的上下界限，然而在工程实际中，更多的情况是得到的区间范围信息较多，没有明确的上下限信息，存在着认知不确定性，因此证据网络相比凸集模型更加擅长处理不确定性［12］。

2 基于证据网络的民机起落架可靠性分析流程

2.1 动态故障树模型的构建

静态故障树作为各种系统可靠性分析的一种常用方法，可以描述静态系统的逻辑关系，并对系统进行定性和定量的可靠性分析。但是随着系统的更加复杂化，其故障逐渐展现出时序性、顺序性、相关性等动态逻辑特性，静态故障树已经不能满足实际工程的需要。

而动态故障树通过在静态故障树的基础上引入优先与门、功能相关门等动态逻辑门来描述系统的动态特性，具体为：

（1）优先与门：可以描述基本事件发生的先后顺序，只有当两个输入事件按照指定顺序发生时，输出事件才会发生。例如：如果应急刹车阀的操纵在正常系统失效之前发生故障或者正常系统失效之后无法切换到应急系统，整个系统失效；而如果应急刹车阀的操纵已经切换到应急系统之后发生故障则不会导致系统失效［13］。

（2）功能相关门：具有事件的关联特性，系统是否发生故障由基本事件与其相关事件发生故障的情况来决定。具体表现为：输入事件和其相关功能事件同时发生故障或只有输入事件故障就会导致输出事件故障。

（3）备件门：为了提高系统的可靠性，设计中通常会对关键部件进行冗余备份。具体表现为：主工作部件失效后，其他备件代替主工作部件接入系统，当主工作部件和所有备件均失效之后，系统才会失效［14］。

2.2 底事件的赋值

动态故障树构建之后，针对底事件故障率数据难以获取的问题，通过相关领域专家或多方信息融合的方式给基本事件赋概率范围值；由于底事件的故障率是一个区间值，需要使用证据理论中的基本信任分配函数（BPA）来描述各事件的故障率。

对于同一事件不同专家或不同来源的数据，使用证据合成理论对不同的BPA进行合成运算，最终获得每个底事件正常工作、故障、不确定三种状态的唯一BPA值，至此完成底事件的赋值。

2.3 动态故障树向证据网络模型转化

证据网络同故障树一样也是一种图形化的逻辑表达模型。其中，证据网络的节点对应故障树中的各种事件，有向连接线对应故障树中的逻辑关系。通过参考文献［15］，对其具体过程总结如下：

（1）依据故障树确定顶事件、中间事件和基本事件以及它们之间的逻辑关系。

（2）根据故障树建立对应的证据网络节点，对于重复出现的事件，只建立一个节点。

（3）根据事件之间的逻辑关系建立对应节点之间的有向连接线。

（4）确定每个基本事件对应的BPA值。

通过以上过程就可以完成故障树向证据网络的转化，下一步就是利用证据网络模型对起落架系统进行可靠性分析。

2.4 可靠性计算与分析

利用贝叶斯网络软件Netica建立证据网络模型，然后进行故障概率、重要度等可靠性参数的计算，最后进行可靠性结果的分析。

（1）故障概率计算：通过所建立的证据网络模型计算得到顶事件的BPA分布值，利用证据理论相关公式可求出顶事件的信任函数和似然函数值。

（2）重要度计算：通过将顶事件设为故障状态，可以求出顶事件在该状态下的各底事件BPA分布情况，以此来判断当顶事件发生故障时，应该优先对哪个基本事件进行诊断，以提高故障定位的效率。

3 展望

民用飞机作为先进技术和工艺的集成产物，其系统日益复杂，数据信息缺乏问题也愈发严重，基于不确定数据的可靠性分析方法越来越受到广泛的关注，是未来提高民航安全的重要研究方向之一。

在基于不确定数据的可靠性分析方法中，证据网络优势明显，国内外专家学者已经在工业等其他领域对其进行了相关研究，取得了一定的成果。但在民航领域，由于民机系统更加复杂，数据获取更加困难，利用证据网络进行民机可靠性分析的相关研究较少。随着我国对民机安全的更加重视，相信在不久的将来，基于证据网络的民机系统可靠性分析将会得到更深入的研究，取得更多的相关成果。