飛機作戰試驗可靠性評估與數據庫設計

吳志剛， 張蕊， 雷東鵬， 謝麗梅

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣東 廣州 511370；3.廣東省智能機器人可靠性工程技術研究中心，廣東 廣州 511370）

0 引言

作戰試驗是在近似實戰戰場環境和對抗條件下，對裝備完成作戰使命任務的作戰效能和適用性等進行考核與評估的試驗活動[1]。近年來，由于我軍裝備作戰試驗的實踐需要，國內許多學者圍繞作戰試驗進行了大量的研究。例如：文獻[2]對美軍作戰適用性，以及作戰效能試驗與評價發展歷程進行了研究；文獻[3]建立了裝備作戰適用性試驗內容體系，詳細地闡述了各種試驗的主要內容；文獻[4]專門針對數據鏈裝備，分析了數據鏈裝備的作戰效能、作戰適用性和體系適用性等評估指標的概念內涵，建立了評估指標體系，并給出了底層指標的計算方法；文獻[5]提出了在作戰試驗階段分解可靠性指標，從而綜合地評價作戰能力的思路，并以導彈武器系統為例，給出了指標類型和評定結果。具體到軍用飛機，尚未在國內公開發表的文獻中發現有關作戰試驗可靠性評估的相關研究。就飛機來講，作戰試驗可靠性評估面臨以下幾個問題：1）飛機作戰可靠性評估應選取的評估指標；2）圍繞評估指標應采集的數據和數據采集的實現方式；3）針對采集的數據進行規范化整理便于計算機存儲和后續利用。

本文圍繞上述3個問題，在提出飛機作戰試驗可靠性評估內容的基礎上，給出了作戰可靠性評估需要采集的數據的具體內容，并對飛機作戰可靠性數據庫進行了設計。

1 飛機作戰可靠性評估內容

1.1 定量評估

飛機的作戰可靠性與平時的可靠性既有聯系又有區別，結合作戰試驗突出的是作戰效能與作戰適用性的考核與評價，因此作戰可靠性的定量評估應圍繞具有應用效果的使用可靠性指標，需要在遵循以下原則的基礎上進一步地確定。

a）反映任務需求

作戰可靠性指標要充分地反映飛機戰備完好、任務成功和維修人力等方面的任務需求。

b）體現飛機的使用特點

飛機為長期連續使用的可修復復雜系統，戰時與平時的使用要求差別不大，主要要求其能隨時地投入并持續地工作。評估的可靠性指標應能體現飛機的機、電、氣和液等系統耦合的類型和可修復、連續使用的特點。

c）覆蓋壽命剖面和任務剖面

飛機的壽命剖面主要包括貯存、運輸、轉場、戰備值班、飛行、維修和報廢等，任務剖面主要包括起飛、爬升、巡航、機動飛行、下滑和著陸等。

d）工程可行性

飛機作戰試驗由部隊承擔，必須考慮部隊的日常戰訓任務，以及作戰試驗周期等因素；此外，從保證可靠性評估順利實施的角度來看，應盡量地選用符合可靠性工程習慣的、使用頻率高的、得到較廣泛應用的可靠性指標。

在遵循上述原則的基礎上，確定飛機作戰可靠性評估的指標為：平均故障間隔時間、平均故障間隔飛行小時、平均嚴重故障間隔時間、任務可靠度、平均維修間隔時間和無維修待命時間。

1.2 定性評價

作戰可靠性是指武器裝備在作戰使用過程中，在規定的條件下和規定的時間內完成規定任務的能力[1]。飛機作戰可靠性的基本要求主要是期望飛機能夠在較長的作戰使用過程中和比較廣泛的作戰環境下保持正常運轉和保證各項功能的正常發揮。這就決定了飛機的作戰可靠性定性評價評估必須把握作戰試驗的環境條件，以及空勤和地勤人員的使用體驗。

因此，在作戰可靠性定性評價方面，一方面應收集飛機在作戰試驗期間暴露的問題進行分析評價；另一方面，考慮到飛機作戰時間的周期較短，一些問題可能不能得到及時暴露的情況，應通過核查表、問卷和訪談，收集和分析可靠性信息，進行可靠性定性評價，分析其對作戰使用的影響。

機上核查的內容應圍繞相關規范和標準中關于可靠性設計準則層面制定，并且必須考慮核查結果可直觀地判定，如關鍵操縱器件/按鈕的聯鎖情況、緊固件是否具有不對稱鏈接、重要連接件是否具有醒目的擰緊標記、燃油/液壓等管路的滲漏情況、電纜的連接與布置情況等。

問卷和訪談的內容應圍繞飛機使用和維護人員的直接感受與體驗進行，例如：雨天駕駛艙的雨水滲漏情況、風擋雨刷的刮雨效果，以及影響視線情況、駕駛艙的噪音情況、儀表安裝位置的可視情況、照明系統的亮度和眩光情況等。

2 飛機作戰可靠性評估方法

2.1 定量評估

a）平均故障間隔時間（TBF）

統計全部參試飛機總工作時間T0和責任故障總數NF之后，利用公式（1）即可對飛機平均故障間隔時間進行點估計評估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對飛機的平均故障間隔時間的置信下限進行計算。

b）平均故障間隔飛行小時（TFBF）

統計全部參試飛機總飛行時間TF和責任故障總數NF之后，利用公式（2）即可對飛機平均故障間隔飛行小時進行點估計評估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對飛機的平均故障間隔飛行小時的置信下限進行計算。

c）平均嚴重故障間隔時間（TBCF）

統計全部參試飛機總工作時間T0和嚴重責任故障總數NTM之后，利用公式（3）即可對飛機平均嚴重故障間隔時間進行點估計評估：

若給定置信度C（可取80%或90%），則還可對飛機的平均嚴重故障間隔時間的置信下限進行計算。

d）任務可靠度（RM）

統計作戰試驗期間全部參試飛機成功地完成任務的次數NMC和任務總次數NTM，利用公式（4）即可對飛機任務可靠度進行評估：

e）平均維修間隔時間（TPM）

統計全部參試飛機總工作時間T0和維修總次數NM之后，利用公式（5）即可對飛機平均維修間隔時間進行評估：

f）無維修待命時間

無維修待命時間指的是飛機在規定的使用條件下，飛機作好準備，能保持良好并處于待命狀態而無需進行任何維修的持續時間。在作戰試驗中，可安排專項驗證試驗，使飛機在值班狀態下在機庫中停放一段時間，然后進行飛行前檢查來確定其是否具備執行任務能力，以考核飛機的無維修待命時間。

2.2 定性評價

在作戰試驗階段，飛機可靠性定性要求主要根據承試部隊在作戰試驗實際使用中的可靠性情況進行評價，包括兩個核心問題：1）可靠性定性要求是什么，也即評價可靠性的標準尺度是什么？2）飛機可靠性實際結果如何獲??？對此需先明確可靠性定性評價內容和評價方式，本文給出的評價流程如圖1所示。

圖1 可靠性定性評價流程

a）通過梳理相關軍用標準，以及先驗工程知識、型號可靠性設計準則等內容，形成飛機可靠性定性評價內容，作為定性評價的評判標準。

b）實施機上可靠性核查，由承試部隊在地面停車狀態下對照核查表實施機上核查。

c）對承試部隊的飛行員、機械師等空和地勤人員進行訪談。

d）對飛機的可靠性定性要求與問卷、訪談結果進行對比分析，整理不符合項目，對不符合項目對作戰的影響進行分析。

e）給出飛機存在的作戰可靠性問題，并提出改進建議。

3 作戰可靠性評估數據采集

依據評估的指標，進行可靠性定量評估需要采集的數據包括以下幾種。

a）飛機故障數據

作戰試驗期間飛機故障總數和各個故障發生時間、故障所屬的系統。

b）飛機工作時間數據

作戰試驗期間飛機飛行時間、地面開車時間和總工作時間。

c）維修數據

作戰試驗期間飛機維修工作內容（含飛行前、后檢查，定檢）、預防性維修時間。

進行可靠性定性評價需要采集的數據包括：

a）作戰試驗期間暴露的問題；

b）可靠性機上核查結果；

c）可靠性問卷及訪談結果。

4 作戰可靠性數據庫設計

可靠性數據是在裝備實際作戰的使用過程中影響飛機作戰可靠性水平的各類參數及其相互關系的抽象描述?？煽啃詳祿Ｐ捅仨毐磉_出影響飛機可靠性指標實際參與因素之間的相互關系與語義約束。從計算機處理的角度看，可靠性數據應支持直接或經適當處理后快速提取所需的信息，能夠結合作戰試驗快速地獲取飛機的相關屬性，能夠分析和判斷飛機的可靠性水平。

本文將飛機可靠性數據由概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型3個有機聯系的層次所組成。概念數據模型是關于實體及實體間聯系的抽象概念集合，對飛機作戰可靠性而言，它主要描述作戰試驗數據中的概念結構。概念模型的任務是確定所感興趣的現象及特性，描述實體間相互關系和完整性約束。邏輯數據模型是表達概念數據模型中數據實體（或記錄）及其之間的關系，通過一系列的表格和數據記錄實現概念模型與用計算機語言描述實體之間的轉換。物理數據模型則是描述數據在計算機中的物理組織、存儲路徑和數據庫結構，涉及存儲裝備、文件格式、訪問方法和數據位置等，從物理上來實現這些描述的方法。

飛機可靠性數據建模過程分為三大步：1）建立概念模型，包括描述飛機作戰可靠性分析數據要表達應用的抽象概念、確定概念所包括的對象要素和設置概念之間的關系3個環節，它們之間的順序關系是交互、循環的；2）建立邏輯模型，包括設計數據的總體組織模型、空間數據結構、數據的屬性和結構表；3）建立數據物理模型。

對飛機可靠性數據進行建模的流程如圖2所示，建模流程按照概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型的先后次序分別進行構建。

圖2 可靠性數據庫設計流程

4.1 概念模型

概念模型應反映出飛機可靠性指標及指標所包含參數之間的相關關系的抽象描述。在抽象概念上，將飛機作戰可靠性數據從6類指標體系中分別分解為其所包含的數據。如飛機的故障數據應包括故障描述、故障發生日期、故障所屬系統和故障類別（一般故障或嚴重故障）等。在相關關系上，需要研究確定各個數據之間的相關關系，如飛行時間影響工作時間。作戰可靠性數據概念模型如圖3所示。

圖3 可靠性數據概念模型

4.2 邏輯模型

參與作戰試驗的飛機是數據組織的對象，也是數據操作和數據應用的基本單元。將飛機的可靠性數據結構依據評估指標所需要的參數分為工作時間數據、故障數據、維修活動數據、機上檢查數據和問卷訪談數據等。作戰可靠性數據結構表如表1-6所示。

表1 參試裝備表（Equipment）

表2 工作時間表（Working Time）

表3 故障數據表（Working Time）

表4 維修活動表（Working Time）

表5 機上檢查問題表（Working Time）

表6 問卷訪談數據表（Working Time）

4.3 物理模型

物理數據模型是概念數據模型在計算機內部具體的存儲形式和操作機制，其物理體現就是數據庫結構或文件系統結構，在專門的存儲設備中設置專門的存儲區域來存儲各類數據。采用文件系統結構，把每一種數據存儲為一個文件，分別存儲工作時間數據、故障數據、維修活動數據、機上檢查數據和問卷訪談數據。

5 結束語

飛機作戰試驗是一項系統性的試驗活動，不但在技術上高度集成，而且在管理上高度綜合，涉及到軍方、工業部門、第三方機構和其他相關單位。為了保證飛機作戰試驗可靠性評估的順利進行，本文在立足于飛機作戰使用的基礎上，重點研究并提出了飛機作戰可靠性評估的定量指標和定性評價內容，并給出評估方法和數據采集的具體內容，以及作戰可靠性數據庫設計的流程和方法。本文的研究工作有助于飛機作戰試驗設計相關人員合理地確定飛機作戰可靠性評估指標要求，有助于指導工程人員進行飛機作戰試驗可靠性評估的實施。