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第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 ：民用飞机运行可靠性研究进展冯蕴雯，刘佳奇，潘维煌，路成（西北工业大学 航空学院，陕西 西安 ）摘要：结合民用飞机运行可靠性研究的技术现状与发展趋势，根据现有的型号设计、研制和在役飞机的具体情况，阐述了民用飞机运行可靠性研究需求。通过梳理民用飞机运行可靠性理论研究进展及工程应用现状，从运行数据采集与处理、运行可靠性分析方法、运行可靠性预测反馈技术、运行可靠性的优化设计、优化维修任务、运行可靠性综合管理平台六个方面，详细阐述民用飞机运行可靠性研究现状及面临问题，展望听语音聊科研与作者互动了民用飞机运行可靠性研究未来发展方向。关键词：民用飞机；运行支持；运行可靠性；数据处理中图分类号：；文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文章编号：（），（，）：，：，：；随着航空技术的发展，系统复杂程度越来越高，全球航空业对民用飞机可靠性提出了更高的要求，运行可靠性作为沟通维修工程分析和设计的桥梁，是飞机实现全寿命周期可靠性管理亟待突破的关键技术之一，是提升飞行器安全可靠稳定运行能力的有效手段 。为了科学、合理地分析民用飞机的运行可靠性，完善民用飞机可靠性管理体系，国际民航组织（，）在 安 全 管 理 体 系（，）中特别强调指出，危险识别应该是积极而具有前瞻性的，有必要积极查明尚未发生的危害 ；联邦航空管理局（，）提出了安全性“监视 数据分析”过程 ；欧洲航空航天与防务工 业 协 会（，）和美国航空工业学会（，）制定了 在役数据反馈规范 （），通过运行数据采集处理和运行可靠性评估，使制造、运营、维修等相关方对飞机运行和维护性能进行透彻分析。全球各航空组织以期通过提高飞机运行可靠性来提高日利用率和降低运营成本。可靠性工程在 世纪 年代成为一门学科，随着 至 年代方法论的广泛发展和实际应用，它被认为对系统分析十分重要 。长期以来，可靠性工程面临三个基本任务的挑战：系统表示和建模、系统模型量化、不确定性建模和量化 。对民用飞机而言，由于任务不同导致个体间运行条件与环境并不相同，系统或部件的损伤和劣化程度差收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；工信部民机专项科研资助项目（）作者简介：冯蕴雯（），女，陕西西安人，教授，博士，博士生导师，：；刘佳奇（通信作者），男，河北承德人，博士研究生，：第 期冯蕴雯，等：民用飞机运行可靠性研究进展异很大，这就决定了针对单架民用飞机的某系统或部件开展可靠性分析是个性问题 ，传统依赖大样本条件的基于概率统计的平均可靠性方法难以满足日益复杂的装备系统个体运行可靠性分析需求 。针对这一新挑战，提出依据运行监测数据开展运行可靠性分析；何正嘉等 对机械设备运行可靠性评估进行了总结和思考，提出了机械设备运行可靠性评估有待解决的问题；冯蕴雯等 指出了经典可靠性评估方法在民用飞机复杂系统可靠性评估中的不足，将运行可靠性理论应用于民用飞机复杂系统的可靠性分析。总的来说，采用经典可靠性方法开展民用飞机运行过程中可靠性分析所面临的挑战如下：）对于飞机具体系统或部件的运行过程中可靠性评估样本量小，且对于灾难性事故不具有概率重复性，收集大样本统计数据困难，在小样本特性下，失效分布参数估计的难度大；）基于有限状态假设 ，而通常情况下飞机系统或部件退化状态是连续的并且具有很强的不确定性，系统或部件间存在耦合作用且失效分布规律不同 ，可靠性数学模型难以获得失效前的可靠性变化规律；）对于任务中的飞机，其运行过程中的可靠性是关注焦点，可靠性分析对飞机运行过程中复杂状态、变工况缺乏考虑，因而难以有效应用于实时在线评估。针对大量概率重复性样本依赖度高的问题，专家学者选用低概率依赖方法开展了改进可靠性分析方法研究。针对小样本情况下以样本矩为约束条件的最大熵法存在的问题，提出了以概 率 加 权 矩 为 约 束 条 件 的 最 大 熵 法；等 基于比例风险模型中的极值理论提出了针对小样本情况的基线风险函数，研究了环境因素对飞机性能建模的影响；余国林 对小子样飞机系统可靠性评估技术进行探索性研究，分析了飞机总故障率的特点以及飞机部附件的可靠性与使用时间的关系；冯静等 提出基于 模糊逻辑算子的小子样可靠性信息融合方法，解决了复杂系统可靠性评估中小样本量导致的结果可信度不高问题；袁修开等 结合以概率加权矩为约束条件的最大熵法和求解置信区间及置信带的 方法，提出了一种估计小样本试验件母体分位函数置信区间的方法；姜朱楠等 针对后缘襟翼位置传感器故障，提出了一种基于主元分析法的故障预测流程。上述研究在一定程度上缓解了小样本下民用飞机系统或部件可靠性分析的困难，但是未能完全脱离概率与数理统计的范畴，并未从根本上解决小样本和单系统的可靠性评估难题。针对有限状态假设下无法有效反映飞机系统或部件的连续退化过程问题，专家学者依据飞机系统或部件的性能退化数据，假设失效退化路径或失效分布开展可靠性评估。等 将失效数据拟合到 分布，使用其参数估计初始退化模型随机参数的先验分布；等 将预测变量的时间序列分析方法与机器学习技术相结合，建立飞机发动机失效退化模型；邓爱民等 针对高可靠性、长寿命产品提出了基于性能退化量分布和基于退化轨迹两种可靠性评估方法；孙闯等 基于核主成分分析法建立了描述系统性能变化的状态子空间，以状态信息为输入数据实现了航空发动机的运行可靠性评估；李军亮等 基于深度学习理论和模拟退化算法，构建了飞机关键部件状态参数预测模型；丁建立等 提出一种基于改进模糊 均值的大型客机空调系统退化评估算法，在一定程度上解决了系统退化评估中的过拟合问题。然而，民用飞机运行环境、运行状态、所受载荷、人机交互等具有多样性和复杂性，模糊隶属度的确定不免受人为因素的影响。针对运行过程中实时运行特性评估难题，国内外 学 者 开 展 了 动 态 可 靠 性 评 估 研 究。等 提出了一种用于容错系统的可靠性和动态性能分析的集成方法，基于对系统在组件故障发生后可以达到的不同配置的动态分析进行系统评估，以飞行控制系统为研究对象验证了方法的有效性；等 提出了一种端到端的方法，通过从具有类似退化趋势的组件集群中学习，获得在线基于模型的飞机冷却系统剩余使用寿命预测。陈勇刚等 应用物理 事理 人理思想和 法，基于灰色聚类方法和多层前馈神经网络，结合机队设备可靠性的随机性和波动性，设计了航空公司机队设备可靠性非线性动力学评估模型；梁坤等 以民机引气系统为研究对象，设计实现了基于快速存取记录器（，）数据的民机引气系统健康监测方法，提出了引气系统故障检测算法；陈勇刚等 在前人研究的基础上采用 章节名称作为指标源，综合可变模糊识别方法和权重阶梯朴素贝叶斯分类器模型，构建了通用航空机队设备可靠性动态识别模型；张玉杰 利用在线间接监测数据获取相应的在线间接健康因子，开展了健康状态在线估计方法研究。民用飞机系统或部件动态、实时可靠性理念的提出丰富了复杂系统可靠性评估的技术手段，是复杂系统国 防 科 技 大 学 学 报第 卷在线、实时健康监控背景下的一大突破。然而该研究方向处于起步阶段，在特征筛选、评价指标、模型建立等方面还有待进一步研究。飞机系统及功能的高复杂性、强耦合性、不确定性等特点决定了其难以在设计阶段、制造阶段和试验阶段解决全部的系统可靠性问题 。运行可靠性分析的目的是动态掌握系统或部件运行状态、保障运行安全和创造经济效益，现代飞机可靠性分析需要一种新的框架，将运行过程中具有动态相互依赖性的飞机系统、部件、环境、组织和人为因素进行综合处理。复杂系统运行过程中的可靠性分析方法已在能源系统 、机械工程 、城市设施 、计算机系统 、战略与防御 等领域进行了大量理论研究，并获得了良好应用效果。运行可靠性定义为：系统产生期望输出的实时能力。运行可靠性分析以系统可靠性模型为基础，基于运行过程实时采集的数据和历史数据，开展可靠性分析以保障系统可靠、安全运行，为应急处置、航材配置、预测性维修、优化运行控制等提供技术支撑。作为全寿命周期可靠性管理体系研究内容的一个重要部分，运行可靠性总体研究框架如图 所示。数据源为研制数据和使用数据，其中研制数据源于飞机设计和试飞阶段，使用数据源于试飞和运营阶段；通过运行数据采集与处理为运行可靠性分析提供输入；开展运行与设计可靠性关联性分析，结果可为民机可靠性改进研究提供支撑；开展基于运行可靠性的设计和维修优化，为改进设计和科学合理地制定维修任务提供指导；搭建基于运行数据的可靠性管理平台，覆盖主制造商、运营商、供应商等相关方的使用需求，最终达到提升民机安全性、提高日利用率、降低运营支持成本的目的。运行数据采集与处理飞机作为一个复杂系统，在服役过程中，安全性要求高、保障费用高，随着飞机运行可靠性研究的深入发展，飞机运行数据采集的重要价值逐渐凸显。合理有效的数据采集是开展运行可靠性分析的基础，是决策的依据 。对国产民机而言，运行数据采集是局方、制造商和运营商共同关心的问题 。作为制造商，协助运营商开展飞机的运行数据采集工作，是客户服务的重要内容之一 。开展运行数据采集的目的是为产品可靠性管理输入完整、及时、准确的产品性能、运行和维修数据，为后续运行可靠性分析、故障预测及维修决策工作开展提供支撑 。总图 民用飞机运行可靠性总体研究框架 的来说，通过有效的运行数据采集，能够实现多方的共赢。对国产民机制造商而言，应立足于本土化优势，通过系统、高质量的运行数据采集与分析，创造自身发展的有利空间，这是我国民机制造商进一步巩固、开拓、占有市场的重要基础。数据采集为了获得有效的运行数据，数据采集必须在一定的指导原则下进行，总结为以下三点：）数据采集目标与运行可靠性分析的目标一致性原则。运行可靠性分析的目的为发现飞机、系统运行过程中可靠性和安全性较低项目，提前制定预防措施和纠正措施，为运营方提高飞机的运营水平提供信息基础 。采集的数据必须能够满足运行可靠性分析的需求。）数据采集的辨伪原则。由于系统环境存在高复杂性、动态时变性等特点，诸多环节都可能存在失真而增加“数据噪声”，为保证数据采集的质量，需要开展辨伪工作 。）数据采集日常化，重点数据专项化。时间连续性和数量累积性是民用飞机运行数据的两大特征 ，需要针对常用数据开展常态化采集，针对重点数据开展专项采集，以实现对常用数据的补充。为了对民用飞机运行状态和可靠性状况进行持续的监视，须优先采集对产品可靠性、安全性影响大的特征 。参照国外民用飞机工程应用现状 ，结合国内运营商对制造商可靠性信息服务的需求，需采集的运行数据包括地面实时监第 期冯蕴雯，等：民用飞机运行可靠性研究进展控数据和历史故障信息。状态实时监测是运行可靠性研究的基础，通过监测航前、飞行、航后等各个阶段飞机级、系统级和部件级的状态信息，为运行可靠性研究提供足够的基础条件和数据 。地面实时监控数据主要包括飞机级、系统级和勤务状态监控数据。其中，飞机级实时监控是指以单架飞机为对象，确定飞机在整个机队的日常运营和维护过程中需要关注的信息；系统级实时监控数据主要源于机载的飞机状态监控系统（，），该系统通过内置的状态监控模型对某个系统或某种异常事件进行监控，并在必要时采集相应参数通过飞机通信寻址和报告系统 （，）数据链下传至地面；勤务状态的实时监控是地面实时监控系统在部件故障实时监控功能基础上的功能拓展，主要利用 数据链实时下传的勤务数据。历史故障信息包含系统拆换记录、部件拆换记录、机组报告、运行不正常报告、飞机故障报告和使用困难报告等 。运行可靠性数据采集参数特征如表 所示。表 运行可靠性数据采集参数特征 数据种类采集内容信息分类数据集主要数据采集特征地面实时监控数据飞机级实时监控数据系统级实时监控数据部件实时勤务状态监控数据基本运行状态信息航行动态实时监测信息发动机监控报文 监控报文其他系统报文飞机基本信息飞机型号、注册号、航空公司 和 代码、号、具体型号、发动机序列号、序列号及所有软硬件的件号 版本号航班基本信息航班号、起飞 到达机场、飞机全重、飞机油量时间信息 时间、当地时间、预计到达时间、日期运营基本信息飞行小时数、飞行循环数、发动机运行小时数、发动机循环数、运行小时数、运行循环数滑出 起飞 着陆 滑入信息滑出 起飞 着陆 开舱门时间、起飞 到达机场、当前剩余油量、预计到达时间飞行位置信息时间、经度、纬度、飞行高度、预计到达时间、风向、风速、总温、静温、马赫数、校正空速正常启动报、起飞报、爬升报、稳态巡航报、性能报、非正常启动报、超限报、空中停车报、超差报等 性能报、启动报、运行报、自动关车报等环控系统性能报、趋势预测报、重着陆报、湍流报、发动机结冰报、机翼结冰报等驾驶舱 客舱氧气状态信息、液压系统的液压油量及压力、轮胎胎压及压差、发动机滑油信息、滑油信息等历史故障信息系统拆换记录故障类型、拆换类型、故障模式、故障描述、维修措施等部件拆换记录部件序列号、部件名称、部件装机数量、部件类型、拆换类型、拆换原因、使用时间等飞机故障报告发生地、故障类型、故障描述、维修措施、拆下件号、装上件号等运行不正常报告延误时间、换机次数、取消次数、返航次数、备降次数等使用困难报告发生时间、发生地点、发生阶段、涉及主要系统、故障现象、预防 紧急措施、故障件名称等国 防 科 技 大 学 学 报第 卷 数据处理采集到的运行数据具有来源广、类型多等特点，直接开展数据整合会出现数据缺失、数据重复、无效数据录入 等现象。数据处理的任务是为运行可靠性分析提供准确、有效的数据，保证输入数据质量满足运行可靠性分析的标准 。数据处理的手段通常包括数据清洗、数据变换、数据规约等。数据清洗数据清洗是指对数据进行重新审查和校验的过程，目的在于删除重复信息、纠正存在的错误，并确保数据一致性，主要技术手段包括异常数据处理、缺失数据处理和重复数据处理。异常数据是指在数据序列中，远离序列一般水平的数据，相较于数据集中其他数据，异常数据不符合数据集的一般规律。主流的异常数据检测技术包括基于统计、密度 、距离 、聚类 的异常数据检测方法。运行数据采集过程中，由于受到自然或人为因素而不可避免地带有噪声。数据中的噪声是指数据集合中某个属性数值的随机误差或方差，光滑噪声的方法主要有分箱方法、回归方法和聚类方法等 。缺失数据处理是数据清洗中的一个重要步骤。对于缺失数据，等 定义了三种不同的数据缺失类型，即：完全随机缺失、随机缺失、非随机缺失。对于缺失数据的处理，大致可以分为以下三类：删除不完整数据元组 ；忽略缺失数据 ；缺失值填充 。重复数据是指在数据中出现两次甚至多次的数据。民用飞机运行数据源于多系统、多部门，实际数据中可能存在数据输入错误、格式、拼写差异等问题，加之各部门系统命名不一致，对异种信息表示的多个数据源进行集成时，常导致不能正确识别出表示同一个实体的多条记录。数据的重复出现，使得该重复样本所占权重比其他数据大，导致后续运行可靠性分析的结果具有倾向性。对于数量可控的重复数据常采用比较算法剔除，对于复杂数据常按比例降低其权重，对数据的重新布局形成概率分布。数据变换开展运行可靠性分析时，由于算法对数据的格式、范围有自身特定的限制和要求，所以这就要求对这些格式不一样的数据集进行数据格式和范围的转换，使得所有数据的格式、范围统一化。数据转换主要包含：）数据泛化：使用高层次的概念替换低层次的概念。）属性（或特征）构造：为了更好描述某个系统或部件的状态，可构造新的属性，并添加到数据的属性集合中，用来帮助分析过程。）数据聚集：将数据进行聚集，比如，可以聚集飞机运行的每日数据为月或年，以此更好地实现长期的数据分析。）数据离散化：将连续的数值属性转换为离散的分类属性，以便直观反映某系统、部件的工作状态，例如将起落架、舱门的数据直接描述为 、来分别代表关闭或打开状态。）数据规范化：将每个属性数值按比例缩放，使之落入一个小的特定区间。常用手段包括最大 最小规范化、规范化和小数定标规范化。数据规约数据归约主要包括数据维度规约和数据样本规约。数据维度归约为通过对数据特征进行筛选或者使用空间变化降低数据属性数量；数据样本归约为通过在原始数据中寻找出一个具有代表性的子集或重构较小或较短的数据以及把数据离散化等方式减少数据量。数据维度归约的核心是对特征进行选取或融合，获取能描述关键特征的那部分属性，目的是减少数据集中的冗余特征和不相关特征以提高后续运行可靠性分析的精度和质量。特征选择策略应满足计算代价小且能找到最佳或接近最佳的特征子集。为了满足以上条件，需权衡选择的特征集对于后续运行可靠性分析任务是否最佳。检验标准则是应用到该特征子集上的运行可靠性分析方法得出的结果应该与应用到整个特征集上的结果相同或相对更好。也可以依托专业领域知识来分配特征的权值，将重要属性赋予较高权值，次要属性赋予较小权值。特征选取主要分为线性选取方式和非线性选取方式两种。线性选取方式有因子分析 和主成分分析 等，非线性选取方式有局部线性嵌入 、等距特征映射 和其衍生方法 等。数据样本归约的核心是减少数据样本量或从数据集中选择较小的数据表示形式以及将连续数据转化为离散数值 。数据处理研究现状围绕民用飞机运行数据处理方法，陈希成等 提出了一种飞机舱温实测数据转换为综合环境应力的方法；候亚丽等 对航迹数据进行预处理和飞行状态识别，分别运用两种模型计算飞第 期冯蕴雯，等：民用飞机运行可靠性研究进展机油耗；王奕惟等 为提高发动机状态辨识准确率，基于数据处理技术采用全航段 数据开发卷积神经网络航空发动机状态辨识方法；等 针对航空推进系统仿真数据开展数据清洗、数据规约后用于航空发动机剩余寿命分析；等 在针对 数据开展数据处理的基础上，提出了一种估计涡流耗散率的方法；等 为了应对运行数据集的高度异构性，提出了一种数据处理过程，包括数据清洗、差值和归一化步骤，采用梯度提升决策树模型选择相关参数作为特征，用于预测飞机地速和无线电高度；等 采用数据处理方法将延迟率、设计和性能 数 据 融 合 用 于 客 机 调 度 可 靠 性 预 测；等 通过综合处理飞机类型、年龄、飞行小时、飞行周期、发动机类型和故障数据等开展基于历史数据和飞机参数的飞机故障预测研究。上述针对民用飞机数据处理技术的研究在理论方法方面提供了很好的方向性指导，但研究较为分散，还未形成统一的、通用性强的理论方法。小结数据采集和数据处理是整个框架的第一步，是开展运行可靠性分析的前提。面对具有来源广、类型多、格式不统一、时效性强、数据冗余、数据缺失、数据异常等特点的海量多源数据，传统的数据处理方法效果不佳，国内外研究者提出了一些解决方案，但数据处理方法种类繁多，选用的数据集也各不相同，导致精度和效率之间的平衡很难把握，适用于民用飞机运行数据特点的数据处理方法有待进一步研究和完善。运行可靠性分析方法针对飞机某具体系统或部件，国内外研究人员通过建立运行数据与可靠性间的映射模型，结合先进算法以实现运行可靠性分析，为解决传统可靠性分析方法缺少统计数据问题开辟了新的途径。运行可靠性模型作为运行可靠性下降的外在表现，运行监测数据能有效反映飞机运行动态内在特性。国内外研究人员通过建立已采集数据与飞机运行可靠性之间的映射模型，开展运行可靠性分析。近年来，通过对国内外运行可靠性模型研究的跟踪调研，民用飞机运行可靠性模型研究可分为长时运行可靠性模型、近时运行可靠性模型和瞬时可靠性模型。其中，长时运行可靠性模型多采用可靠性月报数据、维修数据等开展研究，时间跨度多为数月，如文献 ；近时运行可靠性模型研究多依据机载传感器收集转化后的 数据，多于航后立即开展分析工作，即分析当前架次的运行可靠性，如文献 ，；瞬时可靠性模型研究主要依托 数据开展分析，可依据空地数据链传输数据并于地面实时计算运行可靠性，如文献 。国外方面，等 提出了一种运行可靠性模型，使用系统故障、维修和备件采集数据来计算系统运行可靠性；等 提出了一种基于流程图的方法计算飞机环境控制系统失效时间和失效概率，从模型中获得的数据可用于制定飞机环境控制系统的维护优化策略；等 通过检查航线可更换单元出现永久性和间歇性故障的运行和维护过程，基于机载测试设备可自动检测到故障的假设，建立了可用于计算航线可更换单元运行可靠性和维护成本的数学模型；基于飞行任务过程特征，提出一种用于预测由多个元件构成的机载系统可靠性模型，将飞行任务过程拆分为一系列循环，每个循环包括飞行阶段和地面站阶段，实现在飞机的每个运行周期计算飞机系统的故障概率；等 针对航空发动机可靠性随着使用时间增加而下降的问题，开展了运行可靠性和维护优化模型研究，以 发动机为例验证了所提模型在合理制定维修间隔方面具有良好效果；等 基于代理模型、随机和动态着色 网提出了一个运行可靠性分析模型，以飞机起落架制动器为例验证了模型的可行性，结果表明，该模型具有一定的通用性，可用于评估其他飞机部件和策略维护的安全性和效率；等 提出了考虑飞行任务和运行状态的运行可靠性模型，捕捉飞机与其任务相关的当前运行状态，以评估飞机完成任务的能力，模型的系统框架程序与需要更改的参数动态融合，可使模型更好地适应在线情况；等 提出了一个运行状态监测模型，使用运行数据预测可能发生的飞行性能异常，用于性能异常检测从而保障系统安全性。国内方面，冯蕴雯等 ，围绕飞机运行可靠性在特征提取、可靠性建模与评估、预测等方面开展了探索研究。如基于数据包络分析方法对工作状态特性与性能裕度进行非参数分析，采用人工神经网络、随机森林算法建立了运行可靠性分析模型；针对影响因素的高非线性和强耦合特性，提出了基于智能神经网络的运行可靠性分析模国 防 科 技 大 学 学 报第 卷型，综合考虑目标系统工作状态、相关系统工作状态、飞机飞行状态和外部条件四类因素对转子振动运行可靠性进行分析。何正嘉等 ，提出了利用运行状态信息评估航空发动机运行可靠性的模型，采用核主成分分析构建航空发动机工况子空间来描述航空发动机的性能变化。此外，为了准确有效地估计运行可靠性和预测未来的可靠性状态，提出了一种可靠性建模框架，将故障的先验分布与基于设备状态的振动信号特征提取相结合，用于主动健康管理和可靠性维护。文献 针对 数据的优势，提出了一种以 为分析数据的基于粒子群优化和长短期记忆神经网络优化支持向量机的危险识别与预测模型，以 的 报告作为分析数据验证了方法的有效性。先进传感器技术、数据处理技术的发展，为民用飞机近时运行可靠性和瞬时运行可靠性研究提供了良好的技术支撑，并随着国产民机规模化投入运行，成为亟待突破的关键技术，具有较好的理论和工程意义。然而，值得注意的是，民用飞机近时运行可靠性较于瞬时运行可靠性输入数据参数更丰富，数据量更大，分析精度相对较高，但是由于数据传输技术限制，时效性低于瞬时可靠性。运行可靠性分析算法民用飞机运行数据具有类型多、数量大、时变、强耦合、非线性等特点，为提高运行可靠性分析的精度和计算效率，国内外研究人员在数据驱动、信号处理等技术的基础上开展了代理模型、机器学习等运行可靠性分析算法研究。国外方面，等 将用于回归问题的支持向量机（，）与粒子群优化（，）技术相结合，提出了混合 算法。该算法的泛化能力比仅使用基于 的回归器有显著的提升，在应用于实验数据时获得了 的决定系数，证实算法具有良好的效果。等 针对系统级子模型中考虑有关飞机系统组件状态和故障分布变化的问题，提出了随机活动网络算法用于飞机运行可靠性分析，作为 网的扩展，实现了较好的效果。等 针对无约束优化，提出了一种基于马尔可夫决策过程的简化的近似算法，给出了一个 维指数逼近算法，为复杂系统的可靠性评价提供了有效方案。国内方面，郑友石 针对寿命服从指数分布的民用飞机部件，分别采用了最优置信限法、最小二乘法和 估计算法开展无故障数据的可靠性参数评估，针对寿命服从 分布的民用飞机部件，提出了改进最小二乘法开展无故障数据可靠性参数评估，通过实例证明了方法的有效性。等 提出一种基于等距映射和非齐次布谷鸟搜索 最小二乘支持向量机（）的滚动轴承运行可靠性分析方法。冯鹏飞等 提出了一种分析不同时间的特征指数值及其概率密度函数的相关向量机算法。洪骥宇 在复杂系统可靠性理论和运行可靠性理论的基础上，采用深度学习算法处理航空发动机状态参数与运行可靠性之间的时变、非线性问题。周媛 基于数据驱动理论，深入研究了运行监测数据中的数据重构、状态监视、发动机退化模式识别问题。陈保家等 提出了一种基于比例协变量模型和 回归模型混合的可靠性评估算法，以提高少失效或零失效数据条件下运行可靠性评估精度和可信性。随着机器学习理论和代理模型研究逐渐成熟，可靠性领域专家学者开展了神经网络 、布谷鸟算法 、支持向量机 、，等算法及相关改进算法、组合算法应用于飞机运行可靠性分析，当前较为主流的算法为神经网络及其改进算法、支持向量机和 算法，所述研究取得了初步成效。但是，目前相关算法研究存在解释性不强、通用性较差等问题，有待研究人员进一步加深研究，以便准确、高效地进行运行可靠性分析。参数灵敏度分析反馈灵敏度分析是研究系统的状态或输出对参数或周围条件变化的敏感程度的方法，用来提供各随机变量或参数之间重要性程度的对比 。由于各种因素对运行可靠性的影响程度不同，进行可靠性参数灵敏度分析反馈研究，分析每个参数对运行可靠性影响程度，确定相关重要参数，可以为运行可靠性预测反馈技术提供输入参考。国内外学者对灵敏度分析进行了大量研究，提出了大量新的灵敏度分析方法，其应用领域也越来越广。如 等 提出一种基于仿真的估计小失效概率的线抽样后处理方法；等 提出了一种基于拉格朗日方法计算模态应变能值二阶灵敏度的方法；等 提出了一种计算延迟裕度对系统参数敏感度的方法；袁修开 提出了改进的加权线性形式，采用加权线性回归求解近似超平面，获得了更稳健的可靠性灵敏度结果；等 进行灵敏度分析时针对冗第 期冯蕴雯，等：民用飞机运行可靠性研究进展余系统考虑了共因失效及修正系数；翟华伟等 针对极限学习机及其改进算法计算复杂，自适应调整能力弱等问题，深入分析隐节点灵敏度计算方法，引入贡献度的相关思想，提出改进的灵敏度计算方法。在民机工程领域，高宗战等 对飞机翼梁结构强度进行了可靠性灵敏度分析；张峰等 对某型飞机起落架缓冲器参数进行可靠性灵敏度分析；等 对高压涡轮叶尖径向游隙进行了多响应面模型的可靠性及灵敏度分析。当前所发展的求解灵敏度指标的方法主要集中在针对静态结构、输入变量相互独立的灵敏度指标，而针对时变结构、动态系统以及考虑主观不确定情况下的灵敏度指标求解方法的研究相对薄弱。运行可靠性预测反馈技术结合运行数据，探究民用飞机运行可靠性预测反馈技术，具体技术途径可描述为：依据可靠性参数影响性分析结果确定相关重要参数，结合运行数据开展运行可靠性预测方法研究，建立运行可靠性预测模型实现产品未来某一时刻可靠性及发展趋势的预测。最后将运行可靠性预测结果反馈，为后续研究提供参照。通过对主流技术及应用的总结，学术界针对可靠性预测方法分类目前尚不统一，典型的分类方法如：“基于经验、基于趋势、基于模型”，“基于经验、基于模型、基于知识、基于数据”，“基于模型、数据驱动、混合方法”等。结合主流技术研究和工程技术应用，将运行可靠性预测方法划分为基于经验的方法 、基于模型的方法 和数据驱动方法 三类。基于经验的方法常用于系统物理失效模型建模困难且无法通过传感器获取系统状态和工作环境信息，通常情况下基于经验的预测方法复杂度较低，一般依据失效历史数据或系统设计时给出的同工况下使用维护建议。工程中常将故障和失效数据拟合为统计分布，如泊松分布、指数分布、分布、对数 正态分布等 。然而，基于经验的方法仅提供了同类产品整体指标的预测评估，缺乏对个体故障或者运行状态的关注。对工程而言，运行支持与综合保障人员更关心当前和未来时间段内系统或设备的实际运行状况。基于模型的方法是应用理论模型来描述系统的演化过程，这需要大量关于系统机制的先验知识，如机械动力学知识、设备结构特点和材料特性等 。物理失效模型可以是根据失效原理，比如腐蚀、疲劳裂纹和磨损等得到的函数或微分方程组，一般仅用于部件级失效和性能预测。建立物理失效模型需深入分析失效机理，综合考虑物理、化学、热力、气动等要素对部件的影响，其复杂的建模分析过程给该方法的使用和推广造成了一定的限制。另外，基于模型方法的质量取决于理论模型的精度，因此复杂机械系统的运行可靠性预测很难达到令人满意的结果。基于数据驱动的方法是深度挖掘运行监测数据中可能隐含的表征性能状态的信息，探究系统动态变化趋势，对当前或未来的系统状态进行判断和预测。基于数据驱动的方法不需要精确建立被监测目标的解析模型，也不需要事先了解研究对象的先验知识，使用简便并且模型通用性好，获得了较为广泛的研究 。鉴于基于数据驱动方法在民用飞机运行可靠性预测领域应用效果较好，本文将重点介绍。数据驱动的方法包括传统数值方法和机器学习方法。传统数值方法如线性回归和卡尔曼滤波方法等，机器学习方法则主要是采用支持向量机、人工神经网络、决策树等智能算法 。人工神经网络是最为常用的算法之一，等 提出了一种物理引导的神经网络框架估计油耗飞机的燃油消耗；等 依据美国联邦航空管理局提供的固定翼飞机轨迹公共数据集测试了长短期记忆神经网络（，）的回归精度和鲁棒性；等 使用深度神经网络模型对飞机起落架系统进行了损坏评估和故障预测；等 应用神经网络和遗传算法根据飞机类型和年龄预测故障发生的时间；等 提出了一种基于分布式神经网络和递归 算法的多功能扰流板系统混合故障预测方法。此外，支持向量机、相关向量机算法也受到研究人员广泛关注，如 等 详细研究了运行过 程 中 排 气 温 度（，）与航空发动机巡航阶段特定的各种运行参数之间的关系，并基于 开展预测；等 提出了一种基于 和 的能够智能识别飞机电气系统潜在危险的危险识别和预测系统；等 提出了一种基于 的组合预测模型用于预测机载设备故障率。随着研究的深入，研究人员将基于时间序列分析 、基于状态估计 、基于随机过程 等方法应用在运行可靠性预测、性能退化和寿命预测领域。基于数据驱动的预测模型构建过程相对简单，无须对烦琐复国 防 科 技 大 学 学 报第 卷杂的物理失效机理进行分析，只要描述数据的输入输出关系以及相应的过程参数即可。相较于基于物理失效模型，可以实现数据的自适应，从输入样本中发掘数据内在的隐含关系。但是，基于数据驱动的方法对数据的准确性和广泛性要求较高且噪声和不确定性增加了实现难度。综上所述，在具体开展运行可靠性预测时各种预测方法各有优劣，在实际工程应用中，需根据具体的问题权衡选择。图 从预测方法工程应用的适用性、成本与准确性三个方面进行了对比。三种方法的综合比较如下：基于经验的预测方法不需要传感器和特定的物理失效模型，只需目标系统的失效历史数据开展可靠性建模分析，工程适用面最广。然而，由于缺乏目标系统的运行状态信息，故其预测精度较差；基于模型的预测方法开展运行可靠性预测准确性最高，但需掌握目标系统的材料特点、结构特点、受力情况、失效模式等信息导致建立物理失效模型难度较大；基于数据驱动的预测方法主要使用历史数据结合传感器监测数据来分析性能退化趋势，以估计运行可靠性和预计失效时间等。相对而言，基于数据驱动的预测方法建模简单，预测精度较高，随着先进传感器技术、数据采集、数据挖掘、数据融合技术的发展，该方法的预测精度也不断提高，在民用飞机运行可靠性预测领域具有较好的应用前景。图 运行可靠性预测方法特点 近年来，运行可靠性预测技术研究已经得到了国内外诸多学者和机构广泛关注。的卓越预 测 中 心（，）为预测技术在航空航天领域发展提供了良好的平台。国内在民用飞机运行可靠性预测方面开展了一些工作，但研究较为分散，没有形成系统整合应用，尚未在民用飞机运行支持和维修保障工程领域有效落地。对于运行可靠性预测反馈技术而言，在新方法研究使用、不同算法融合集成 、混合模型 建立、预测精度和效率的提高以及不确定性管理等方面还有很大的发展空间，具体发展路线及面临的问题如图 所示。图 先进预测技术的发展路线 基于运行可靠性的优化设计基于可靠性的设计优化主要是在满足给定的可靠性约束水平条件下搜索目标函数的最优解 。目前针对基于可靠性的优化设计思路是在满足可靠性指标的情况下，对性能参数进行优化设计。秦强等 教授提出了基于布谷鸟算法的舱门可靠性优化设计方法，并探究代理模型技术和优化算法在可靠性设计中的应用；陈志英等 提出基于重要度的可靠性设计方法；等 探讨了 及 在优化设计方面的应用。随着优化设计理论和方法的蓬勃发展，逐渐由简单的性能参数优化设计发展为基于可靠性的多学科优化设计。运行可靠性与设计关联性分析是连接运行可靠性与设计可靠性之间的纽带，通过探究运行与设计数据之间的关联性，研究运行与设计可靠性之间的关系。突破设计可靠性与运行可靠性关联机理研究技术瓶颈，形成飞机运行可靠性与设计可靠性关联分析方法是飞机运行可靠性研究亟待解决的问题之一 。国内外研究人员开展了探索性研究，如李娟 从制造过程中产品可靠性保证角度出发，基于制造过程中的大量数据，探究与制造系统可靠性关联模型；蔡忠义等 针对加速退化试验的非线性退化数据，提出了基于第 期冯蕴雯，等：民用飞机运行可靠性研究进展 过程的退化数据可靠性评估方法；龚星宇 以起落架转弯机构为研究对象，基于仿真数据建立可靠性关联模型开展优化设计；等 通过关联分析将可靠性分析模型输出不确定性分配给模型输入中的不确定性；等 提出了一种有效的解耦策略，通过将原始问题与两层嵌套关联分析，用于多目标可靠性优化设计；等 通过可靠性关联分析，研究了时变和时不变凸混合变量下的非概率时变可靠性评估与设计。结合民用飞机运行可靠性研究的特点，运行可靠性与设计关联性分析研究技术路线如下：通过民用飞机的运行数据，针对运行阶段和研制阶段可靠性进行研究，探究运行与设计可靠性分析之间的关系，其具体技术途径可描述为：基于获取的运行数据（研制数据和使用数据），分别建立运行可靠性分析模型和设计可靠性分析模型。在建立模型的基础上，分析得到研究对象两个阶段的可靠性分析结果，比对两种分析结果，验证两种分析结果是否相符，如果两者结果相符，则确定可靠性分析关联模型及影响参数因素；如果两者结果存在较大差异，则需根据使用与研制数据之间的关系，运用模型修正技术实现设计阶段参数的选取，重新构建可靠性分析模型，直至两者分析结果满足要求为止。运行与设计可靠性分析关联分析技术途径如图 所示。图 运行与设计可靠性关联性分析技术途径 基于运行可靠性的系统及部件优化设计是在运行可靠性分析的基础上开展可靠性再分配设计研究的，形成可行的可靠性指标再分配方案，提出可用于产品性能提升的优化设计技术，为产品持续、安全、可靠地运行提供有效建议和理论支持。针对可靠性指标再分配理论，等 考虑组件相互依赖性，在单位平方中找到函数的不动点，通过考虑串联、并联和桥接结构的网络验证了方法有效性；王华昕等 采用了灰色关联生成权重函数，在评价指标体系构建中则采用了层次分析法，使算法进一步排除了人为因素的影响；等 针对冗余系统非线性可靠性分配问题，改进了人工蜂群算法，得到更为具体的最优部件强度和冗余策略；等 也提出了用极大似然估计和一致最小方差无偏估计来预测系统可靠性函数的两种方法，通过比较设计一个成本最小的可靠性系统；等 针对不准确信息和不同阶段环境而导致部件参数不确定的多阶段任务系统的可靠性分配问题，提出了一种基于轮盘赌选择方法和遗传算法的可靠性分配模型。总的来说，基于比例分配法 、层次分析法 、模糊理论 、灰色关联度分析 和专家打分等方法建立可靠性指标分配模型应用非常广泛，而实现可靠性指标的再分配则离不开运行数据的管理反馈，如维修数据、故障数据、运营数据、飞行数据、可靠性数据等一些信息作为再输入，进而对模型进行调整和重构。针对不满足运行可靠性要求的产品，提出开展基于运行数据的可靠性指标再分配反馈技术途径为：结合民用飞机数据库中的运行数据以及运行可靠性分析结果，评估产品（系统、子系统）可靠性指标分配的合理性；针对可靠性指标不合理的项目，依据组成特性结合相关规范标准开展可靠性指标再分配技术研究；通过分析获取可靠性分配指标，并与设计要求进行对比，分析结果的合理性，如果不满足设计要求，则需重新进行可靠性指标再分配研究，直至满足要求为止；反馈产品再分配研究获取的可靠性指标。基于运行数据