航空系统研发初期故障树定性分析方法、设备及存储介质与流程

1.本发明属于航空系统可靠性分析与评估领域，尤其涉及一种航空系统研发初期故障树定性分析方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.故障树分析(fault tree analysis，fta)是研发项目工作中用来发现危及系统安全、系统薄弱的故障及故障组合，并计算顶事件发生概率的一种分析方法，在复杂装备研制过程中被广泛运用，常用来作为可靠性、安全性、维修性、测试性的分析方法，对设计、制造和使用操作过程的质量提升有重要意义。
3.然而，在工程实践中，航空系统/设备研发呈现以下问题：
4.(1)工程研制的初期阶段，由于新研产品/系统往往具有较大的结构/技术创新以及使用环境的较大变动，以往经验积累的故障数据将变得不再可靠，从而不能对故障树进行有效地定量计算；
5.(2)产品样本量小，定量数据积累有限，不具有普遍性，可信度不高；
6.(3)现有的故障树分析方法多数依靠失效概率进行定量评价，对于无故障数据以及低样本量的航空系统/设备研发不适用；
7.(4)已有的无失效概率的故障树定性分析方法为单因素评价法，无法实现多维度综合评价。
8.因此，面对研发初期缺乏航空系统/设备故障数据的问题，目前的故障树分析方法中，没有一种多维度综合评价方法可供选用。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种航空系统研发初期故障树定性分析方法、设备及存储介质，以解决航空产品研发初期无失效概率时仅开展单因素评价导致分析结果不准确的问题。
10.本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种航空系统研发初期故障树定性分析方法，包括以下步骤：
11.步骤1：根据航空产品分析目的确定故障树的底事件类别以及层次；
12.步骤2：根据所述底事件类别以及层次建立航空产品的故障树；
13.步骤3：化简所述故障树，找出所述故障树中所有最小割集；
14.步骤4：提取一定阶数以内的最小割集作为所述故障树的定性分析对象；
15.步骤5：根据航空产品工程需要和实际情况确定综合重要度评价因素；
16.步骤6：计算出每个底事件失效时综合重要度评价因素的评价值；
17.步骤7：根据每个底事件失效时综合重要度评价因素的评价值，计算出每个底事件失效时综合重要度评价因素的因素占比，进而计算出每个底事件失效时的综合重要度；
18.步骤8：对所有底事件失效时的综合重要度进行排序，即实现底事件失效时的定性
分析。
19.进一步地，所述底事件类别包括硬件失效、功能失效；所述层次包括系统级、设备级和零件级。
20.进一步地，所述综合重要度评价因素包括结构重要度和风险优先数；所述风险优先数包括严酷度等级、故障模式发生概率等级、被检测难度。
21.进一步地，每个底事件失效时综合重要度评价因素的因素占比的具体计算公式为：
[0022][0023]
其中，i
ij
为第i个底事件失效时第j个综合重要度评价因素的因素占比，r
ij
为第i个底事件失效时第j个综合重要度评价因素的评价值，n为底事件数量。
[0024]
进一步地，每个底事件失效时的综合重要度的具体计算公式为：
[0025][0026]
其中，ai为第i个底事件失效时的综合重要度，i
ij
为第i个底事件失效时第j个综合重要度评价因素的因素占比，m为综合重要度评价因素数量。
[0027]
进一步地，所述方法还包括以下步骤：
[0028]
步骤9：从综合重要度最大的底事件开始，依次对所述航空产品进行优化，得到优化后的航空产品；
[0029]
步骤10：对优化后的航空产品重复执行步骤1～步骤9，直到无需再优化或所述故障树具备定量分析条件为止。
[0030]
基于同一发明构思，本发明还提供一种航空系统研发初期故障树定性分析设备，包括：
[0031]
存储器，用于存储计算机程序；
[0032]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的航空系统研发初期故障树定性分析方法的步骤。
[0033]
基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的航空系统研发初期故障树定性分析方法的步骤。
[0034]
有益效果
[0035]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0036]
本发明所提供的一种航空系统研发初期故障树定性分析方法、设备及存储介质，可根据工程实际情况自由选取综合重要度评价因素，为无定量故障数据下产品方案的评估提供一种多维度综合的评估方法，解决了无失效概率的故障树定性分析只能开展单因素分析评价的问题，提高了分析结果的准确性，使分析结果更具有工程意义，为工程设计选择优化改进对象提供了依据。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明实施例中航空系统研发初期故障树定性分析方法流程图；
[0039]
图2是本发明实施例中起落架收放系统原理图；
[0040]
图3是本发明实施例中起落架收放系统的部分故障树；
[0041]
图4是本发明实施例中起落架收放系统的另一部分故障树。
具体实施方式
[0042]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0044]
本发明实施例以起落架收放系统为例来说明本发明方法的有效性。
[0045]
如图1所示，本实施例所提供的一种起落架收放系统研发初期故障树定性分析方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤1：根据起落架收放系统分析目的确定故障树的底事件类别以及层次。
[0047]
如图2所示的起落架收放系统工作原理图，为了评估起落架收放系统对“着陆阶段，前起落架无法放下”影响较大的设备有哪些，将故障树分析到设备级的硬件失效，即确定底事件类别为硬件失效，层次为设备级。
[0048]
步骤2：根据底事件类别以及层次建立航空产品的故障树。
[0049]
根据《故障树分析指南》(gjb/z 768a-1998)建立起落架收放系统的故障树，如图3和4所示。
[0050]
步骤3：化简所述故障树，找出所述故障树中所有最小割集。
[0051]
根据《故障树分析指南》(gjb/z 768a-1998)化简故障树，找出故障树的所有最小割集为：{b}、{c}、{e}、{f}、{a,g}、{d,h}。
[0052]
步骤4：提取一定阶数以内的最小割集作为所述故障树的定性分析对象。
[0053]
本实施例提取一、二阶最小割集的设备失效作为故障树的定性分析对象，即涉及到的设备失效包括：舱门上位锁作动筒失效b、舱门收放作动筒失效c、前起上位锁作动筒失效e、前起收放作动筒失效f、舱门收放电磁阀失效a、舱门应急旁通阀失效g、前起收放电磁阀失效d和前起应急旁通阀失效h。
[0054]
步骤5：根据起落架收放系统工程需要和实际情况确定综合重要度评价因素。
[0055]
本实施例以结构重要度和风险优先数作为综合重要度评价因素。可以根据实际情况增减因素，例如增加技术成熟度、经济性评价等因素。
[0056]
步骤6：计算出每个底事件失效时综合重要度评价因素的评价值。
[0057]
因素重要度是某设备失效或某功能失效的某一个评价因素的重要度，用r表示，根
据因素的不同具体名称可优先采用已有的行业标准，如系统架构设计采用结构重要度；维修测试采用检测难度。因素重要度体现了某设备失效或某功能失效该因素的重要程度。结构重要度的评价值即结构重要度的具体值。
[0058]
在选取某综合重要度评价因素的评价值的计算方法时，建议优先考虑行业内已成熟运用的计算方法，并要求是评价值定量化，以便计算。各综合重要度评价因素的重要度应具有相似评价意义，如数值越高越重要，或数值越低越重要；当出现评价意义不同的因素类型时，应将其进行转换，转换方式可自定义。对于选取的综合重要度评价因素无成熟的量化计算方法时，可参考专家评分法的方式对该因素进行评价打分或自行设计计算方法，但应确保定量化和明确具体的评分细则。
[0059]
每个底事件失效时结构重要度的具体值计算可参考《故障树分析指南》(gjb/z 768a-1998)提供的数学计算方法进行计算。本实施例中，各底事件失效时的结构重要度的具体值如表1所示，具体值分别为：
[0060]
舱门上位锁作动筒失效b时结构重要度的具体值：r
b1
＝0.07；
[0061]
舱门收放作动筒失效c时结构重要度的具体值：r
c1
＝0.07；
[0062]
前起上位锁作动筒失效e时结构重要度的具体值：r
e1
＝0.07；
[0063]
前起收放作动筒失效f时结构重要度的具体值：r
f1
＝0.07；
[0064]
舱门收放电磁阀失效a时结构重要度的具体值：r
a1
＝0.023；
[0065]
舱门应急旁通阀失效g时结构重要度的具体值：r
g1
＝0.023；
[0066]
前起收放电磁阀失效d时结构重要度的具体值：r
d1
＝0.023；
[0067]
前起应急旁通阀失效h时结构重要度的具体值：r
h1
＝0.023。
[0068]
表1结构重要度评价表
[0069]
序号底事件结构重要度因素占比1舱门上位锁作动筒失效b0.070.188172 2舱门收放作动筒失效c0.070.188172 3前起上位锁作动筒失效e0.070.188172 4前起收放作动筒失效f0.070.188172 5舱门收放电磁阀失效a0.0230.061828 6舱门应急旁通阀失效g0.0230.061828 7前起收放电磁阀失效d0.0230.061828 8前起应急旁通阀失效h0.0230.061828
[0070]
根据《故障模式、影响及危害性分析指南》(gjb/z 1391-2006)中提供的风险优先数(rpn)的计算方法，从严酷度等级(esr)、故障模式发生概率等级(opr)和被检测难度(ddr)三个方面评价，评价结果如表2所示。
[0071]
表2风险优先数(rpn)评价表
[0072][0073]
步骤7：根据每个底事件失效时综合重要度评价因素的评价值，计算出每个底事件失效时综合重要度评价因素的因素占比，进而计算出每个底事件失效时的综合重要度。
[0074]
因素占比是指某设备失效或某功能失效的某一个评价因素在系统中所有设备或功能的该评价因素总和中的占比，用i表示。因素占比体现了某设备失效或某功能失效在该因素重要度的贡献程度。
[0075]
综合重要度是指系统中某一设备单元/功能的失效对系统功能失效的贡献程度的综合度量，数学表达式用a表示。综合重要度体现了设备单元/功能在架构设计、故障率等级、影响等级以及检测难度等级方面对系统的综合贡献程度。
[0076]
本实施例中，每个底事件失效时综合重要度评价因素的因素占比的具体计算公式为：
[0077][0078]
其中，i
ij
为第i个底事件失效时第j个综合重要度评价因素的因素占比，r
ij
为第i个底事件失效时第j个综合重要度评价因素的评价值，n为底事件数量，本实施例中n＝8。每个底事件失效时综合重要度评价因素的因素占比如表1和表2所示。
[0079]
以舱门上位锁作动筒失效b时结构重要度的因素占比i
11
计算为例，具体计算公式为：
[0080][0081]
以舱门上位锁作动筒失效b时风险优先数rpn
12
的因素占比i
12
计算为例，具体计算公式为：
[0082]
rpn 12
＝esr 12
×
opr 12
×
ddr 12
＝8
×3×
3＝72
[0083][0084]
每个底事件失效时的综合重要度的具体计算公式为：
[0085][0086]
其中，ai为第i个底事件失效时的综合重要度，i
ij
为第i个底事件失效时第j个综合
重要度评价因素的因素占比，m为综合重要度评价因素数量，本实施例中m＝2。各底事件失效时的综合重要度如表3所示。
[0087]
表3综合重要度评价表
[0088][0089]
以舱门上位锁作动筒失效b时的综合重要度a1计算为例，具体计算公式为：
[0090]
a1＝0.188172+0.091＝0.279172
[0091]
步骤8：对所有底事件失效时的综合重要度进行排序，实现底事件失效时的定性分析。
[0092]
步骤9：从综合重要度最大的底事件开始，依次对所述起落架收放系统进行优化，得到优化后的起落架收放系统。
[0093]
本实施例对综合重要度按照大小顺序进行排序，即得到前起收放电磁阀d(a7＝0.325828)、前起上位锁作动筒e(a3＝0.290172)、舱门收放电磁阀a(a5＝0.287828)、舱门上位锁作动筒b(a1＝0.279172)、前起收放作动筒f(a4＝0.269172)对起落架收放系统的影响较大，可以按照顺序优先对以上设备进行优化，从而用较小的代价快速实现系统质量水平的提升。
[0094]
步骤10：对优化后的起落架收放系统重复执行步骤1～步骤9，直到无需再进行优化或所述故障树具备定量分析条件为止。
[0095]
从步骤8和9可以看出，如果仅关注结构重要度，忽视了产品成熟度带来的失效率问题，前起上位锁作动筒、舱门上位锁作动筒以及前起收放作动筒的综合重要度相同，且高于电磁阀；仅关注风险优先数，忽视了产品在系统中的作用，前起收放电磁阀和舱门收放电磁阀重要度远高于其他设备，各因素单独权衡均出现了片面或极端的情况，不能给设计人员提出综合的权衡意见。采用本发明的方法综合权衡后，使设计人员能够及时捕捉到电磁阀和上位锁都是系统优化需要重点关注的对象。
[0096]
本发明方法从系统结构重要程度、技术成熟程度、故障检测难度以及危害等级等多个方面综合评价任一故障模式的重要度，指导工程设计选择优化改进对象，解决了无失效概率的故障树定性分析只能开展单因素分析评价的问题，使评估结果更具有工程意义。
[0097]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。