褚雙磊，魏志強(qiáng)，任 強(qiáng)，劉 菲

（1.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.天津市空管運行規(guī)劃與安全技術(shù)重點實驗室，天津 300300）

民用飛機(jī)是一個高度綜合、各系統(tǒng)間相互關(guān)聯(lián)且復(fù)雜的集成式系統(tǒng)。民用飛機(jī)的設(shè)計目標(biāo)表現(xiàn)為可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性。

隨著民用飛機(jī)運行環(huán)境、運行任務(wù)和運行模式變得日趨多樣，航空公司用戶對飛機(jī)使用性、維修性及對運行中安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、環(huán)保等方面的要求不斷提高。同時，隨著民航運行規(guī)章的不斷變化和新航行技術(shù)的不斷推廣，民用飛機(jī)市場的競爭程度不斷加劇，這都對民用飛機(jī)研制工作提出了更高的要求。

吳廣宇[1]提出了民用飛機(jī)常用的可維護(hù)性參數(shù)，并基于可維護(hù)性參數(shù)的選擇方法和指標(biāo)的確定原則，構(gòu)建民用飛機(jī)可維護(hù)性參數(shù)指標(biāo)體系。周帆[2]利用層次分析法和集對分析建立民用飛機(jī)級別分析評價模型，以經(jīng)濟(jì)性為最終目標(biāo)分析了民用飛機(jī)修理級別，對修理方案進(jìn)行綜合評價，確定最佳維修級別。董莉莉和曾小舟[3]建立了民用支線飛機(jī)技術(shù)水平的測量指標(biāo)體系，并通過回歸分析研究不同時期典型支線飛機(jī)的性能數(shù)據(jù)，利用SPSS 軟件建立支線飛機(jī)技術(shù)水平的測量模型。初建杰等[4]提出了客艙環(huán)境舒適性、客艙布置舒適性和客艙座椅舒適性三級艙室舒適性評價體系，并通過構(gòu)建評估流程模型提出了客艙舒適性評價方法。曹愈遠(yuǎn)等[5]利用模糊綜合評價法對民用飛機(jī)簽派可靠性進(jìn)行了評估，指出了簽派可靠性受飛機(jī)自身可靠性設(shè)計、維修性設(shè)計、保障資源以及航空公司管理等因素影響。褚雙磊等[6-7]以簽派可靠度為頂層指標(biāo)，根據(jù)航空公司實際運行環(huán)境和各主要業(yè)務(wù)部門的運行數(shù)據(jù), 建立簽派可靠度評估模型；并基于適航規(guī)章和使用規(guī)章對民用飛機(jī)的運行要求進(jìn)行全面分析，得出運行規(guī)章對于飛機(jī)系統(tǒng)、設(shè)備配置、適航驗證、飛機(jī)性能限制、飛行操縱等方面的規(guī)定。曾琳[8]建立真空濾油機(jī)綠色度綜合評價指標(biāo)體系，通過模糊層次分析法確定最底層評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，利用隸屬函數(shù)對指標(biāo)隸屬度進(jìn)行評價，最后將權(quán)重與隸屬度進(jìn)行線性加權(quán)實現(xiàn)了對真空濾油機(jī)綠色度的綜合評價。

Zio 等[9]從廣義上提出民用飛機(jī)的可靠性需求是指民用飛機(jī)系統(tǒng)特性，如可用性、可維護(hù)性、安全性和持久性等。Lu 等[10]在馬爾可夫過程分析的基礎(chǔ)上，提出了一種兼顧調(diào)度可靠性和平均安全等級約束的改進(jìn)分析方法，提出了多故障模型的調(diào)度策略，使得平均安全等級被重新定義。

目前國內(nèi)民機(jī)制造商在飛機(jī)研制過程中嚴(yán)格貫徹了適航規(guī)章對飛機(jī)設(shè)計的要求，但未能充分考慮運行規(guī)章和航空公司用戶的運行需求，未能形成一套完整、理論化、切實有效的管理流程和方法將客戶的運行需求準(zhǔn)確、合理地貫徹到飛機(jī)設(shè)計方案中，給民用飛機(jī)設(shè)計和運行支持工作帶來了極大壓力。因此，有必要梳理民用飛機(jī)的運行需求，構(gòu)建運行需求指標(biāo)體系，對民用飛機(jī)運行需求進(jìn)行綜合評價，將用戶的運行需求完整準(zhǔn)確地貫徹到飛機(jī)設(shè)計方案中，保證民用飛機(jī)由“產(chǎn)品”向“商品”的質(zhì)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)市場成功。

1 民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系

影響民用飛機(jī)運行需求的因素有很多。首先，必須滿足適航規(guī)章對于機(jī)載設(shè)備的要求；其次，為了滿足航空公司用戶的運行要求，執(zhí)行日常飛行運營任務(wù)，需要具備維修合理性、良好的機(jī)型適應(yīng)性、簽派可靠性、飛機(jī)使用便捷性等特點；最后，為了適應(yīng)航行新技術(shù)的發(fā)展，還需要飛機(jī)具備先進(jìn)性。根據(jù)民用飛機(jī)運行需求的影響因素，確定了民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy of operational requirements index system for civil aircraft

關(guān)于上述指標(biāo)體系中各指標(biāo)的定義和計算公式，部分內(nèi)容可以參見文獻(xiàn)[11]。

2 基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論的綜合評價

以B737-800 機(jī)型為例說明民用飛機(jī)運行需求綜合評價指標(biāo)確定方法。

2.1 層次分析法計算權(quán)重

通過紙質(zhì)版調(diào)查問卷并結(jié)合當(dāng)面訪談和電話咨詢的形式邀請相關(guān)行業(yè)內(nèi)專家對民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系進(jìn)行專家打分，剔除不滿足一致性檢驗的不合理問卷后，有效問卷為8 份。根據(jù)層次分析法的原理，層次分析法的步驟為先形成判斷矩陣，并檢驗判斷矩陣的一致性，然后得出指標(biāo)的權(quán)重集[12]。對8 位專家的打分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到判斷矩陣，通過判斷矩陣特征向量的計算，得出底層要素對于總體目標(biāo)的綜合權(quán)重，然后對8 位專家的綜合權(quán)重取平均值。

8 位專家打分的一級指標(biāo)（準(zhǔn)則層）權(quán)重和二級指標(biāo)（方案層）總體權(quán)重分別如表1 和表2 所示。

表1 準(zhǔn)則層權(quán)重Tab.1 Index weight of criterion layer

表2 方案層指標(biāo)總體權(quán)重Tab.2 Overall weight of the scheme layer

由表1 可知，對于民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系來說，一級指標(biāo)的權(quán)重排序從大到小依次為維修合理性B4>機(jī)型適應(yīng)性B1>飛機(jī)使用便捷性B2>簽派可靠性B6>機(jī)載設(shè)備匹配性B3>飛機(jī)先進(jìn)性B5，維修合理性權(quán)重最大，機(jī)型適應(yīng)性次之，飛機(jī)先進(jìn)性最小。在二級指標(biāo)中，維修成本和維修安全性權(quán)重比較大，反映了民用飛機(jī)運行需求與維修成本和維修安全性息息相關(guān)，維修成本低且維修安全性高，民用飛機(jī)運行需求才能表現(xiàn)良好。相對于機(jī)場運行和特定空域運行，航線運行時間較長，航線運行要素也復(fù)雜多變，民用飛機(jī)對于航線運行階段的依賴性高。機(jī)型的維修可靠性是重點，只有保證機(jī)型的維修可靠性，無機(jī)械故障，才能實現(xiàn)簽派放行的可靠性。

2.2 基于隸屬度的模糊綜合評價

隸屬度用來反映某個對象的某個性質(zhì)隸屬于某個模糊概念的程度。隸屬度函數(shù)，又稱為模糊分布，是由人為確定的，且具有一定的主觀因素，但和客觀存在具有一定的聯(lián)系性，受到客觀條件制約。根據(jù)對民用飛機(jī)運行需求的熟悉程度，選取10 名專家評分，按照比例可以得出每個指標(biāo)的隸屬度，從而確定單因素模糊評價矩陣。

設(shè)立評價集合為V={優(yōu)秀，良好，中等，較差}共4 個等級，設(shè)立相應(yīng)的評價等級分行向量C=（90，70，50，30）?；谀：u價法[13-14]，先確定評價等級，如表3 所示。

表3 評價等級Tab.3 Evaluation gradation

由方案層指標(biāo)的權(quán)重向量和評價矩陣，可以得出準(zhǔn)則層指標(biāo)模糊評價向量及隸屬度等級如表4 所示。

表4 準(zhǔn)則層指標(biāo)模糊評價向量及隸屬度等級Tab.4 Fuzzy evaluation vector and membership grade of criterion layer index

目標(biāo)層模糊評價矩陣為

目標(biāo)層的隸屬度模糊評價向量為

式中：B為一級模糊評價向量；A為一級指標(biāo)權(quán)重；R為二級模糊評價矩陣。

可以看出：屬于“良好”等級的隸屬度最大，其值為0.331。按照隸屬度最大原則，本機(jī)型運行需求的綜合得分等級應(yīng)屬于“良好”等級。

運行需求評價綜合得分為

式中：G 為綜合評價得分；C為評價等級向量。

B737-800 機(jī)型的運行符合度最終得分為64.76，綜合評價屬于“良好”等級，符合各方面的運行要求。總體來說，B737-800 機(jī)型滿足航空公司的運行需求，評價結(jié)果與實際運行狀態(tài)相符。對于飛機(jī)使用便捷性，專家對于B737-800 評價較高，說明B737-800 機(jī)型在飛行駕駛體驗、客艙服務(wù)管理、貨艙裝載方面表現(xiàn)良好，但其在維修合理性和飛機(jī)先進(jìn)性方面評價較低。B737-800 的維修成本較高，導(dǎo)致維修合理性偏低；同時B737-800 機(jī)型在國內(nèi)已經(jīng)運行10 余年，波音公司已經(jīng)采用新機(jī)型B737-MAX 來取代B737-800，說明B737-800 機(jī)型在飛機(jī)先進(jìn)性、維修成本、客艙舒適性方面相對落后。

3 軟件開發(fā)和應(yīng)用

采用C#語言開發(fā)了民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系評估軟件，分為“權(quán)重計算”“指標(biāo)得分”“分析評估”3個主要模塊，應(yīng)用該軟件可以對運行需求分析和決策進(jìn)行實例分析[15]。

首先，收集專家的調(diào)查問卷，然后把專家的判斷矩陣輸入至“權(quán)重計算”模塊，如圖2 所示，進(jìn)行基于層次分析法的權(quán)重計算；其次，在“指標(biāo)得分”模塊對二級指標(biāo)進(jìn)行專家打分，自動轉(zhuǎn)入隸屬度評價，如圖3 和圖4 所示，得出一級和二級模糊評價矩陣；最后，在“分析評估”界面實現(xiàn)綜合評價得分，如圖5 所示。

圖2 目標(biāo)層各指標(biāo)重要程度對比界面Fig.2 The contrast interface of the importance degree of target layer index

圖3 指標(biāo)評分界面Fig.3 Interface of index scoring

圖4 各指標(biāo)隸屬度界面Fig.4 Interface of index membership

圖5 模糊層次法分析評估界面Fig.5 Evaluation interface of fuzzy hierarchical method

4 結(jié)語

本文提出了基于層次分析法和隸屬度相結(jié)合的民用飛機(jī)運行需求模糊綜合評價方法，并以B737-800機(jī)型為研究對象，驗證了該方法的有效性和實用性，得出結(jié)論如下：

（1）研究結(jié)果表明，所提出的民用飛機(jī)運行需求綜合評價方法對民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評價，評價結(jié)果與實際運行狀態(tài)相符，能夠解決民用飛機(jī)研制過程中運行需求指標(biāo)體系不易準(zhǔn)確評估和量化的難題，具有很好的工程應(yīng)用價值，可為基于航空公司客戶運行需求的民用飛機(jī)設(shè)計改進(jìn)提供理論依據(jù)；

（2）使用C#語言在Visual Studio 平臺上開發(fā)了民用飛機(jī)運行需求指標(biāo)體系評估軟件,使飛機(jī)運行評估過程更加自動化。