甄 博 黃 波 于宏軍 韓建軍 唐 偉

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空動力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

發(fā)動機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（EMS）是指用于監(jiān)測和診斷發(fā)動機(jī)狀態(tài)的完整系統(tǒng)，通常由一整套硬件和軟件組成。EMS能夠提供發(fā)動機(jī)功能狀態(tài)和物理狀態(tài)的實時或準(zhǔn)實時信息，通過對信息的分析和判斷，可以幫助用戶和維修人員注意那些可能影響操作安全、日常檢測和維修的狀態(tài)參數(shù)，以協(xié)助相關(guān)人員改善發(fā)動機(jī)性能、預(yù)警維修需求和管理權(quán)限。因此，EMS是實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)視情維修，降低全壽命期成本的重要手段。目前，世界3大發(fā)動機(jī)公司研發(fā)的大型民用航空發(fā)動機(jī)，如GE公司的GEnx發(fā)動機(jī)，RR公司的Trent 900發(fā)動機(jī)等，均采用獨立的EMS。并在逐步完善和成熟的基礎(chǔ)上，向軍用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)展，如F119發(fā)動機(jī)采用了先進(jìn)的診斷與健康管理（DHM）系統(tǒng)等。隨著軍方要求的不斷提高，我國軍用航空發(fā)動機(jī)也開始逐步引入發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視的概念，并開始研發(fā)獨立的EMS。

SAE AIR 5120《航空發(fā)動機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)可靠性與有效性》是由SAE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會航空航天理事會推進(jìn)系統(tǒng)分部下設(shè)的航空航天推進(jìn)系統(tǒng)健康管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（E-32）頒布的，該標(biāo)準(zhǔn)旨在為項目管理人員、設(shè)計研發(fā)人員和客戶開發(fā)及驗證高可靠性的發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供參考。AIR 5120對EMS研發(fā)各階段可靠性設(shè)計工作都提出了要求，涵蓋了EMS各組成部分的設(shè)計內(nèi)容，相關(guān)要求條款來源于以往EMS可靠性設(shè)計經(jīng)驗，其中有關(guān)可靠性設(shè)計思想、人為因素的考慮、試驗驗證程序和要求以及服役后至維護(hù)和成熟階段的可靠性設(shè)計等要求，對EMS的可靠性設(shè)計工作有很強的指導(dǎo)作用。

AIR 5120技術(shù)內(nèi)容是在總結(jié)民用航空發(fā)動機(jī)EMS型號設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上形成的，其出發(fā)點也是為了使EMS更好地實現(xiàn)視情維修，降低用戶（主要是民航公司）的成本。因此，AIR 5120的部分技術(shù)內(nèi)容不宜直接轉(zhuǎn)化并指導(dǎo)我國軍用EMS可靠性設(shè)計工作。本文將通過對AIR 5120中重要條款進(jìn)行解讀，并結(jié)合我國EMS可靠性設(shè)計的具體需求進(jìn)行分析，總結(jié)提煉出適用于我國EMS可靠性設(shè)計的相關(guān)要求，為今后編制類似標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 EMS可靠性的定義

AIR 5120在術(shù)語定義中首先提出了虛警、漏檢和正確檢測的定義，并以“（指示總數(shù)－虛警數(shù)－漏檢數(shù)）×100／指示總數(shù)”這個指標(biāo)作為EMS可靠性的定義，即EMS可靠性實際上指的是EMS的正確檢測率。在我國GJB 451A-2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》中，對武器裝備的可靠性定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。其評價參數(shù)包含MTBF（平均故障間隔時間）等指標(biāo)。相對于我國通常意義上產(chǎn)品可靠性概念，AIR5120給出的定義更加細(xì)致，即將規(guī)定功能明確為對監(jiān)測到發(fā)動機(jī)的異常情況進(jìn)行正確告警。

在國外民用航空系統(tǒng)的EMS應(yīng)用初期，虛警和漏檢的大量出現(xiàn)使得EMS變得不可靠。這些情況容易導(dǎo)致機(jī)務(wù)人員和地勤人員出現(xiàn)錯誤的判斷，基于這些信息而開展的視情維修將大大增加成本，給后勤保障系統(tǒng)也帶來不便，這違背了應(yīng)用EMS的初衷。因此，能夠?qū)收线M(jìn)行正確檢測是使用EMS的前提，而最大限度的降低虛警和漏檢則是EMS可靠性設(shè)計的主要目標(biāo)。

我國的EMS可靠性設(shè)計工作目標(biāo)是當(dāng)航空發(fā)動機(jī)出現(xiàn)問題時能被EMS及時指示出。因此，在我國編制的EMS可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中可將EMS可靠性的定義明確為：“發(fā)動機(jī)EMS正確指示發(fā)動機(jī)故障的能力”，同時，以正確檢測率來衡量可靠性設(shè)計水平。

2 EMS可靠性設(shè)計思想

AIR 5120中關(guān)于EMS可靠性設(shè)計目標(biāo)是降低整個發(fā)動機(jī)的全壽命周期成本。為此供應(yīng)商首先要確定EMS的投資回報率（ROI），即采用EMS所獲得的收益與成本的比值。為確定投資回報率，供應(yīng)商應(yīng)與發(fā)動機(jī)制造商、EMS用戶進(jìn)行合作，共同開展EMS的ROI分析，了解發(fā)動機(jī)操作、性能和故障模式等詳細(xì)情況以及用戶期望達(dá)到的目標(biāo)。這些工作是綜合權(quán)衡各項技術(shù)的采用并合理安排各階段工作的重要依據(jù)。為使投資回報率和可靠性最高，EMS的可靠性設(shè)計周期應(yīng)覆蓋整個發(fā)動機(jī)的周期。各階段設(shè)計工作大致包括：

在發(fā)動機(jī)開發(fā)初期，制定詳細(xì)的EMS可靠性設(shè)計計劃。此時，用戶、飛機(jī)制造商和發(fā)動機(jī)制造商之間有很大的設(shè)計余地，EMS供應(yīng)商可通過協(xié)調(diào)建立各方都能接受的可靠性設(shè)計目標(biāo)，并完成用戶、飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的需求條件；

在設(shè)計階段，EMS設(shè)計人員應(yīng)與使用群體和制造商一同制定EMS的系統(tǒng)規(guī)范，這其中應(yīng)包括EMS可靠性指標(biāo)。通過安全性、成本和ROI分析等將可靠性目標(biāo)分解到各個組成部件，并以此為基礎(chǔ)確定EMS的工作模式、硬件和軟件架構(gòu)以及對應(yīng)的試驗驗證方法；

設(shè)計階段還應(yīng)制定合理的驗證計劃，試驗驗證工作應(yīng)與設(shè)計工作同步開展，及時對EMS各項功能可靠性進(jìn)行驗證；

在進(jìn)入服役階段后，制定詳細(xì)的可靠性增長計劃，評估EMS性能，根據(jù)服役階段遇到的問題對EMS進(jìn)行改進(jìn)。

用戶使用EMS的最終目的是為了獲得使用和維護(hù)成本的降低，而用戶對使用EMS的投資回報期望決定了EMS可實現(xiàn)的功能。EMS與飛機(jī)和發(fā)動機(jī)關(guān)聯(lián)，其可靠性受到這些系統(tǒng)本身不確定因素的影響。因此，前期針對用戶和飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的具體情況開展充分調(diào)研工作是確定EMS總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)。同時及時驗證相關(guān)功能和服役后的可靠性增長等設(shè)計思想也是提高EMS的研發(fā)效率，降低研發(fā)成本，從而提高監(jiān)視系統(tǒng)ROI的重要手段。

在我國EMS可靠性設(shè)計工作中也應(yīng)采取上述設(shè)計思想，并在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中以此確立可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，如將可靠性設(shè)計納入EMS研制計劃，統(tǒng)一規(guī)劃，協(xié)調(diào)進(jìn)行；在EMS開發(fā)的前期，結(jié)合訂購方、飛機(jī)制造商和發(fā)動機(jī)制造商需求，以訂購方的操作和系統(tǒng)維修人員的使用方式為輸入條件，制定關(guān)于可靠性設(shè)計工作計劃；從航空發(fā)動機(jī)的全壽命周期角度對監(jiān)視可靠性進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合操作和維修發(fā)動機(jī)經(jīng)驗，促進(jìn)可靠性增長等。

3 人為因素

3.1 人為因素的組成

AIR5120認(rèn)為，在組成EMS的所有單元中，人為因素是最關(guān)鍵的，對人為因素的處理將在很大程度上決定用戶對EMS的接受程度，因此將人為因素列為EMS可靠性設(shè)計的重要組成部分，給出了部分較為普遍的人為因素，并論述了這些因素的影響以及如何去適應(yīng)這些因素。

AIR5120中將人為因素分為非物理因素和物理因素兩類。非物理因素即為使用群體本身的素質(zhì)特點，包括使用群體的文化水平、經(jīng)驗水平、認(rèn)知能力等，非物理因素會影響使用群體的信息處理能力。物理因素則是指EMS本身的設(shè)計因素，包括系統(tǒng)的使用方式等，物理因素通過人機(jī)之間的交互過程起作用。

3.2 人為因素的處理

3.2.1 非物理因素的處理

對非物理因素的處理首先應(yīng)確定使用群體，即在EMS設(shè)計初期，就應(yīng)定義群體的組成，這些群體一般包含飛行人員、維護(hù)人員和后勤保障人員。確定群體組成后，就應(yīng)了解該群體如何看待并理解EMS提供的信息以及將采取何種方式對這些信息進(jìn)行處理。為了獲得這些群體特征，設(shè)計人員應(yīng)充分調(diào)研使用群體的工作環(huán)境、生活環(huán)境以及文化背景等，調(diào)研范圍應(yīng)盡量涵蓋整個群體，避免以極端的個體表征整個群體。最后，根據(jù)調(diào)研結(jié)果評估整個群體的平均行為模式，該行為模式將有助于了解使用群體對EMS各項信息的處理模型，并為物理因素的設(shè)計建立基礎(chǔ)。

3.2.2 物理因素的處理

對物理因素的處理主要是通過更改EMS物理的設(shè)計元素來適應(yīng)使用群體的處理模型，以減少人機(jī)交互過程中出現(xiàn)誤解的可能性。在設(shè)計過程中，采用逐級分步測試的方式，隨時與用戶保持互動，這樣可以使用戶逐步熟悉這一使用過程，同時還可以根據(jù)使用群體的反饋信息及時進(jìn)行修正和更改，這樣有助于保持設(shè)計過程的連貫并減少人為因素對可靠性的影響。

3.2.3 培訓(xùn)的作用

由于EMS相對于其他發(fā)動機(jī)系統(tǒng)更加依賴于人為因素，AIR5120中也提出了對使用群體進(jìn)行培訓(xùn)可以彌補研發(fā)過程中采用折衷的設(shè)計方法所帶來的負(fù)面影響。AIR5120認(rèn)為良好的培訓(xùn)能夠穩(wěn)定用戶群的行為模式，減少用戶與EMS之間的不兼容，降低發(fā)生誤操作的可能性。

3.2.4 人為因素的設(shè)計考慮

由此可以看出，AIR5120中對人為因素的考慮非常全面，這主要基于EMS在民用航空領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的經(jīng)驗。由于不同國家和地區(qū)的人員在文化背景、思維習(xí)慣、性格特征等方面存在著巨大的差異，這勢必將對各民用航空從業(yè)人員的行為模式造成影響。因此，EMS供應(yīng)商應(yīng)考慮用戶在使用時帶來的不確定性對EMS可靠性的影響。

在國內(nèi)的EMS研發(fā)過程中也應(yīng)考慮人為因素的影響。不過，由于國內(nèi)EMS用戶構(gòu)成相對單一，人為因素的考慮可以有所側(cè)重。在我國編制的EMS可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中可重點提出在人機(jī)界面設(shè)計進(jìn)行人為因素的評估。對非物理因素的處理主要是在設(shè)計階段初期，對軍方用戶群體理解和操作EMS的方式進(jìn)行調(diào)研。物理因素可借鑒AIR5120中相關(guān)設(shè)計元素作為參考。

4 試驗驗證

4.1 驗證矩陣的思想

如前所述，試驗驗證可有效地檢驗EMS的可靠性。在AIR5120中并沒有將試驗驗證按照以往的設(shè)計鑒定試驗的概念實施，而是作為EMS可靠性設(shè)計工作的一部分，與設(shè)計工作同步開展。這是由于在整個設(shè)計和研發(fā)過程中，在適當(dāng)水平下對EMS性能進(jìn)行試驗，可較早地暴露問題，以便設(shè)計人員及時進(jìn)行修正和更改，避免在設(shè)計完成后再進(jìn)行較大的設(shè)計更改帶來研發(fā)成本的提高。此外，由于EMS的功能復(fù)雜，AIR5120引入試驗矩陣的概念（見表1），通過仿真測試、平臺測試、鐵鳥試驗、發(fā)動機(jī)試車和飛行試驗等試驗，分別針對EMS的各項工作進(jìn)行逐級驗證，以促進(jìn)EMS的可靠性逐步增長。

從表1可以看出，仿真測試、臺架試驗和鐵鳥試驗的試驗主體為EMS，這些試驗可對EMS主要功能進(jìn)行驗證以確定EMS是否能準(zhǔn)確地檢測、分析和告警故障，但這些試驗階段并不能完全模擬EMS工作時所經(jīng)歷的真實的發(fā)動機(jī)和飛機(jī)環(huán)境條件。因此還需要經(jīng)過發(fā)動機(jī)試車和飛行試驗對EMS的系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證。在發(fā)動機(jī)試車和飛行試驗時，EMS只是作為發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的一部分進(jìn)行跟隨試驗，而非專門驗證EMS本身的功能。若試驗費用和條件允許，在發(fā)動機(jī)試車時，人為地設(shè)置一些發(fā)動機(jī)故障，能夠更加準(zhǔn)確地檢驗EMS的性能。

4.2 國內(nèi)EMS試驗驗證矩陣及要求

國內(nèi)EMS可靠性也需要通過一系列的試驗驗證。AIR5120提供的逐級驗證的思想值得借鑒。此外，在AIR5120提出的試驗項目基礎(chǔ)上，還應(yīng)對EMS進(jìn)行環(huán)境試驗，以確定工作環(huán)境對電子元器件可靠性的影響。提出具體試驗項目與要求建議如下。

4.2.1 環(huán)境試驗

主要針對EMS的機(jī)載部分進(jìn)行環(huán)境試驗。由于機(jī)上工作環(huán)境復(fù)雜，EMS應(yīng)保證能準(zhǔn)確記錄各狀態(tài)參數(shù)，試驗可按照GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。對非機(jī)載部分，可由制造方和用戶協(xié)商決定。

4.2.2 仿真測試

主要針對EMS各項功能的算法邏輯進(jìn)行測試，為盡量模擬真實工作狀態(tài)，最好采用真實的發(fā)動機(jī)和飛行數(shù)據(jù)。

4.2.3 平臺測試

在平臺測試階段，應(yīng)完成對EMS各主要功能的驗證，包括輸入/輸出功能、傳感器特性、診斷性能、數(shù)據(jù)存儲及其它特殊功能。

4.2.4 鐵鳥試驗

主要針對EMS的故障告警能力進(jìn)行測試。此外，還應(yīng)完成機(jī)載設(shè)備內(nèi)容的數(shù)據(jù)存儲，系統(tǒng)與飛機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸以及能否對機(jī)載設(shè)備的總線命令做出正確反應(yīng)等試驗。

4.2.5 發(fā)動機(jī)試車（地面臺和高空臺）

充分地利用發(fā)動機(jī)各種類型的試車，驗證EMS在真實的發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)條件下的可靠性，為達(dá)到試驗?zāi)康模瑧?yīng)詳細(xì)記錄EMS在試驗過程中的整體性能數(shù)據(jù)和信息，主要包括故障編碼的精度、漏檢的發(fā)動機(jī)故障和關(guān)鍵零部件的壽命情況。

4.2.6 飛行試驗

飛行試驗主要檢驗EMS在實際飛行條件下的適應(yīng)性、匹配性和可靠性等。在飛行試驗過程中應(yīng)完成的工作包括航空電子設(shè)備系統(tǒng)綜合試驗、裝配后的地面試驗、軟件有效性確認(rèn)和修正、發(fā)動機(jī)維修和后勤保障一體化、建立個人操作系統(tǒng)的技能培訓(xùn)設(shè)施、初步評估故障分析指南和發(fā)現(xiàn)并修理故障的程序。

5 服役后的可靠性增長

5.1 服役期內(nèi)可靠性增長的意義

服役階段是實現(xiàn)EMS可靠性增長的重要過程，在使用過程中可驗證設(shè)計階段制定的可靠性目標(biāo)能否實現(xiàn)。AIR5120將該階段視為產(chǎn)品改進(jìn)的最后機(jī)會，通過設(shè)計方與用戶之間的良好溝通，將試驗驗證期間沒有暴露的和設(shè)計階段未曾預(yù)料的問題解決。同時，在服役期內(nèi)，EMS新升級的功能、設(shè)計方擴(kuò)充的經(jīng)驗和知識基礎(chǔ)、使用過程中發(fā)現(xiàn)的不曾預(yù)見的故障、新開發(fā)的診斷技術(shù)和用戶提出的新要求等都為EMS可靠性的再次提升設(shè)立了目標(biāo)或提供了方法。這些工作將為后續(xù)型號EMS的研制提供寶貴的經(jīng)驗，而設(shè)計方與用戶都將從中獲益。

5.2 服役期內(nèi)可靠性增長的主要工作

長期以來，國內(nèi)設(shè)計單位在產(chǎn)品通過設(shè)計定型后就不再跟蹤產(chǎn)品服役過程，完全由用戶根據(jù)用戶手冊管理和使用產(chǎn)品。除了參與排故外，設(shè)計人員幾乎不介入產(chǎn)品的成熟過程，這種方式降低了產(chǎn)品可靠性提升的效率，不利于后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)。國內(nèi)EMS標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)明確提出服役期內(nèi)可靠性增長的要求，在這些要求中應(yīng)規(guī)定設(shè)計方的工作，包括制定詳細(xì)的可靠性增長計劃，收集產(chǎn)品使用、維護(hù)、運輸、存儲期間的有關(guān)數(shù)據(jù)和信息，以便于產(chǎn)品投入使用后，根據(jù)實際使用情況對系統(tǒng)硬件、軟件以及用戶操作等設(shè)計進(jìn)行完善。同時針對EMS本身，還應(yīng)重點完成以下工作：

●檢查系統(tǒng)性能是否能達(dá)到應(yīng)有的作用；

●定期檢查系統(tǒng)功能；

●對已知的故障模式進(jìn)行分析和評估；

●利用發(fā)動機(jī)檢查和分解的結(jié)果驗證EMS可靠性；

●提供附加功能；

●評估EMS各項功能必要性。

其中，評估EMS各項功能的必要性是指隨著技術(shù)的發(fā)展和發(fā)動機(jī)實際應(yīng)用情況評估在設(shè)計階段確定EMS各項功能是否起到預(yù)期的作用。開展這些工作得到的結(jié)論將促進(jìn)今后EMS可靠性設(shè)計水平的提高。

6 結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)可實現(xiàn)維修策略從經(jīng)驗型的定期維修向更科學(xué)的視情維修發(fā)展，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)全壽命周期內(nèi)的安全性、保障性和經(jīng)濟(jì)性。隨著國內(nèi)技術(shù)發(fā)展和要求的提出，研發(fā)獨立的EMS已成為必然。本文通過結(jié)合我國現(xiàn)階段EMS可靠性設(shè)計實際，對AIR5120中EMS可靠性設(shè)計思想、人為因素、試驗驗證、可靠性增長等技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了分析，認(rèn)為應(yīng)盡快編制我國的EMS可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并納入本文對上述重要條款的分析結(jié)論，以便更好地開展EMS可靠性設(shè)計工作。