蘇思雨， 孫有朝*， 李龍彪， 黃鐸佳， 王畏寒

(1.南京航空航天大學 民航學院，江蘇 南京 210016； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370)

機械基礎(chǔ)件品種多、范圍廣，是裝備制造業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，其水平直接決定著重大裝備和主機產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性。民用飛機作為一個具有多系統(tǒng)、多部件的復雜系統(tǒng)，由于其自身特點，在運營階段積累了大量的可靠性數(shù)據(jù)，收集與機械基礎(chǔ)件相關(guān)的可靠性信息并進行規(guī)范化的管理，對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及保障飛機研制與運營安全具有重要的意義。隨著世界航空事業(yè)的發(fā)展，民用飛機可靠性信息的采集與管理越來越受到重視，已成為局方、航空公司和主制造商共同關(guān)心的問題。波音和空客兩家飛機制造商很早就開展了對飛機使用可靠性的研究，已經(jīng)形成了相關(guān)可靠性數(shù)據(jù)收集與處理的完整程序和標準；我國對民用飛機可靠性的研究起步相對較晚，但各個航空公司也都建立了相互獨立的可靠性信息采集與分析系統(tǒng)。雖然目前關(guān)于民用飛機可靠性數(shù)據(jù)的采集與管理取得了很大的研究進展，但是數(shù)據(jù)局限于整機和部件，沒有深入到基礎(chǔ)件。國內(nèi)外有關(guān)民機基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的研究主要是一些規(guī)范和標準，主要包括NPRD-16、NSWC-11、MIL-HDBK-217F、217 Plus、GJB/Z 299C—2006等。非電子元件可靠性數(shù)據(jù)手冊(Nonelectronic Parts Reliability Data，NPRD-16)[1]提供了很多機械、機電基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)，是非電子元件可靠性預計的重要數(shù)據(jù)來源之一；機械設(shè)備可靠性預計手冊(Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment，NSWC-11)[2]給出了各類機械產(chǎn)品(如軸承、密封件、彈簧、電動機等)的基本介紹、失效模式、失效機理及原因、故障率模型，對機械產(chǎn)品的可靠性分析具有指導意義；電子設(shè)備可靠性預計(Reliability Predications of Electronics Equipment,MIL-HDBK-217F)[3]主要介紹了電子元器件應力分析可靠性預計方法的應用，包括電子管、電阻、電容、繼電器、濾波器、微電路等；可靠性預計模型(Reliability Predication models,217PlusTM)[4]旨在代替 MIL-HDBK-217F， 改進了MIL-HDBK-217F可靠性模型的計算方式，使其更加準確；電子設(shè)備可靠性預計手冊(GJB/Z 299C—2006)[5]是國內(nèi)關(guān)于電子設(shè)備的可靠性計算的指導手冊，為電子設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng)的可靠性預計提供了數(shù)據(jù)和計算方法。上述這些規(guī)范和標準中的基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)主要來源于實驗，各種可靠性模型也是基于實驗環(huán)境得出的，缺乏真實的運營數(shù)據(jù)。目前，運營階段飛機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的獲取仍缺乏有效的收集方法與指導性規(guī)范，而且數(shù)據(jù)收集面臨以下兩個難點：① 數(shù)據(jù)交換共享困難煩瑣；② 設(shè)備運營數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不易建立。為了解決上述問題，從航空公司和維修單位入手，收集航空公司的外場維修數(shù)據(jù)(如附件拆換數(shù)據(jù)、附件送修數(shù)據(jù))和維修單位的維修記錄(如檢查及工作修理工作單、附件檢測、修理/翻修報告)，旨在通過設(shè)備的維修報告建立起運營階段設(shè)備與基礎(chǔ)件之間的數(shù)據(jù)鏈，研究機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)采集、預處理、規(guī)范化管理方法，并設(shè)計可靠性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為民機運營階段機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的管理提供指導。

1 民機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)采集與預處理

1.1 可靠性數(shù)據(jù)特點

民用飛機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)具有如下特點[6-8]：① 時間性；② 隨機性；③ 有價性；④ 時效性；⑤ 可追溯性。

1.2 可靠性數(shù)據(jù)獲取要求

采集的可靠性信息要保證準確、有效，運營階段機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)需要滿足以下要求[9]：① 真實性；② 連續(xù)性；③ 可追溯性；④ 數(shù)據(jù)完好性。

1.3 可靠性數(shù)據(jù)獲取內(nèi)容

運營階段機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)主要內(nèi)容包括產(chǎn)品故障信息以及與故障相關(guān)的信息，如圖1所示。

圖1 民機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)主要內(nèi)容

運營階段機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)獲取分為兩類：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運營使用數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：基礎(chǔ)件名稱、類別、安裝位置、生產(chǎn)商等標識信息，性能參數(shù)、質(zhì)量等級等技術(shù)參數(shù)信息。運營使用數(shù)據(jù)主要包括：① 基礎(chǔ)件故障部位；② 基礎(chǔ)件工作時間；③ 基礎(chǔ)件故障數(shù)量；④ 基礎(chǔ)件故障模式；⑤ 基礎(chǔ)件故障影響；⑥ 基礎(chǔ)件故障模式頻次；⑦ 基礎(chǔ)件故障原因。

1.4 可靠性數(shù)據(jù)獲取來源

在民用飛機機械基礎(chǔ)件壽命周期各階段的一切有關(guān)可靠性活動都是可靠性數(shù)據(jù)的源頭，民用飛機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)來源貫穿于飛機設(shè)計、制造、試驗、試飛、使用、維護的整個過程。比如研制階段的可靠性試驗、可靠性評審報告；生產(chǎn)階段的可靠性驗收試驗、制造、裝配、檢驗記錄，驗收記錄，返修記錄等；運營階段，民用飛機使用的系統(tǒng)、設(shè)備、部件的故障數(shù)據(jù)、維護、送修以及飛機修理廠的修理記錄、報廢記錄等。

運營階段機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和使用數(shù)據(jù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于基礎(chǔ)件制造商，即民機機械基礎(chǔ)件的生產(chǎn)制造方。運營使用數(shù)據(jù)來源于以下幾個方面。

(1) 航空公司和維修單位。

在飛機運營過程中，可獲取故障數(shù)據(jù)的機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)主要來自于航空公司和維修單位的維修記錄，如表1所示。

表1 外場運行基礎(chǔ)件可靠性原始數(shù)據(jù)來源

(2)標準手冊。

由于設(shè)計、制造工藝的提高，很多機械基礎(chǔ)件在外場使用過程中的可靠度很高，故障情況很少，經(jīng)常在整個外場工作中未出現(xiàn)故障，即產(chǎn)生無故障情況，從而也就無法獲取相應的維修記錄，因此可以從標準手冊獲取無故障數(shù)據(jù)的可靠性信息。標準手冊上包含了一些可靠性數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)件故障模型、故障機理、故障原因等，如表2所示。

表2 標準手冊可靠性數(shù)據(jù)源分析

(3)可靠性分析方法。

在收集到的民機可靠性數(shù)據(jù)中存在很多無故障數(shù)據(jù)。這些無故障數(shù)據(jù)也包含了機械基礎(chǔ)件的可靠性信息，研究基于無故障數(shù)據(jù)的可靠性分析方法，挖掘無故障數(shù)據(jù)的可靠性信息，評估機械基礎(chǔ)件的可靠性參數(shù)。對壽命服從指數(shù)分布的機械基礎(chǔ)件，可采用基于最優(yōu)置信限法[10]、最小二乘法和Bayes 估計法[11]；指數(shù)分布對于突發(fā)故障的描述很好，但是對于條件復雜的故障情況可采用威布爾分布描述[12]。

(4) 專家經(jīng)驗。

在上述方法都無法獲取機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的情況下，基于工程經(jīng)驗的可靠性數(shù)據(jù)也可作為可靠性數(shù)據(jù)的來源，通過專家或工程師的實際工作經(jīng)驗，給出基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)估值，該估值可以經(jīng)過進一步的分析計算也可以直接使用。

1.5 可靠性數(shù)據(jù)獲取流程

從航空公司和維修單位獲取的可靠性數(shù)據(jù)主要來自于民用飛機運營中系統(tǒng)、設(shè)備、部件的故障數(shù)據(jù)，維護、送修以及飛機修理廠的修理、報廢記錄等。根據(jù)已獲得的民用飛機相關(guān)維修記錄，提取與機械基礎(chǔ)件可靠性相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，如機械基礎(chǔ)件的更換或維修情況，機械基礎(chǔ)件的故障部位、故障時間、故障數(shù)量等，并結(jié)合數(shù)據(jù)的預處理方法對數(shù)據(jù)進行初步處理，獲取產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)，機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)來源及獲取流程如圖2所示。

圖2 機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)來源及獲取流程圖

圖2中飛機維修統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以從航空公司的可靠性管理系統(tǒng)中獲得，通常包含單架飛機4～5年的所有維修記錄，根據(jù)維修統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的維修記錄，在機務維修管理系統(tǒng)中查找與之對應的設(shè)備維修報告，從維修報告中獲取機械基礎(chǔ)件的故障數(shù)量、故障原因、故障模式等。每架飛機的總飛行小時從可靠性管理系統(tǒng)的運行統(tǒng)計中獲得，每架飛機的裝機清單從飛機制造商或者可靠性管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中獲得。每類機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的具體獲取途徑如表3所示。

表3 機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)獲取途徑

1.6 可靠性數(shù)據(jù)預處理

從航空公司和維修單位采集的數(shù)據(jù)是最原始的可靠性信息，數(shù)據(jù)量比較龐大且不夠清晰，同時由于一些不確定因素的干擾，直接采集的數(shù)據(jù)可能會存在缺失、冗余、異常等問題，不利于可靠性指標的計算，因此需要對采集的可靠性數(shù)據(jù)進行預處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)選樣、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)規(guī)約。

1.6.1 數(shù)據(jù)清洗

對數(shù)據(jù)采集或傳輸過程中產(chǎn)生的缺失值和異常值進行清洗。數(shù)據(jù)缺失可以通過以下幾種方法解決：① 忽略缺失值，不做任何處理；② 將缺失值所在的屬性刪除，一般適用于對分析計算影響較小的數(shù)據(jù)；③ 設(shè)置一個默認值填補所有缺失值；④ 計算屬性的均值填充缺失值；⑤ 使用相同樣本的均值補充缺失值；⑥ 通過算法預測最可能的值填充，如線性插值、拉格朗日插值、牛頓插值等。異常數(shù)據(jù)常用的處理方法包括：① 保留異常數(shù)據(jù)，參與可靠性的計算；② 將異常數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)集中刪除；③ 剔除異常數(shù)據(jù)，并對缺失的值進行補充；④ 采用合適的算法修正異常數(shù)據(jù)。

1.6.2 數(shù)據(jù)選樣

數(shù)據(jù)處理過程中，大量的數(shù)據(jù)計算會花費很長時間，并增加成本，因此需要篩選部分數(shù)據(jù)作為樣例以減小數(shù)據(jù)規(guī)模，提高運算效率。數(shù)據(jù)選樣方式主要包括簡單隨機選樣和分類選樣。

1.6.3 數(shù)據(jù)變換

將數(shù)據(jù)從一種表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N表現(xiàn)形式，以便對數(shù)據(jù)進行更好的分析和統(tǒng)計。包括對原始數(shù)據(jù)集進行重分類、編碼、函數(shù)變換(對數(shù)、指數(shù)、冪運算等)和數(shù)據(jù)標準化(總和標準化、0-1標準化、極大值標準化等)。

1.6.4 數(shù)據(jù)規(guī)約

用于數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)可能包含很多屬性，其中大部分屬性與數(shù)據(jù)分析任務不相關(guān)，是冗余的。如果將一些不相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性留下參與計算，會導致數(shù)據(jù)分析的偏差。數(shù)據(jù)規(guī)約產(chǎn)生更小但保持原數(shù)據(jù)完整性的新數(shù)據(jù)集，常用的方法有維規(guī)約、元祖規(guī)約和屬性規(guī)約。

2 民機機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的規(guī)范化

2.1 可靠性數(shù)據(jù)規(guī)范化填寫表格

通常同一機型的運營人眾多，各航空公司之間的管理方式千差萬別，使用可靠性信息標準化程度很低，甚至同一航空公司各部門之間的信息也無統(tǒng)一標準。這就造成了從航空公司采集回的數(shù)據(jù)種類繁多、格式雜亂，影響了信息的采集質(zhì)量，增大了數(shù)據(jù)分析的難度。因此，對機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)制定統(tǒng)一、規(guī)范的信息填寫表格，以提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的效率。機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)填寫規(guī)范如表4所示。

表4 機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)填寫規(guī)范

① 標識信息包括機械基礎(chǔ)件的名稱、型號、出廠日期、裝機日期、制造單位、類別。

② 結(jié)構(gòu)信息包括機械基礎(chǔ)件的重量、圖紙(二維)、模型(三維)、組成。

③ 材料信息包括機械基礎(chǔ)件的材料、表面硬度、粗糙度等。

④ 安裝位置：機械基礎(chǔ)件的具體安裝位置。

⑤ 數(shù)據(jù)來源：機械基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)具體來源于哪一份資料。

⑥ 使用環(huán)境：機械基礎(chǔ)件的工作環(huán)境，如溫度、濕度、壓力等。

⑦ 工作時間：記錄下機械基礎(chǔ)件的總的工作壽命單位數(shù)，單位為小時或英里。

⑧ 總故障數(shù)：工作時間記錄下的機械基礎(chǔ)件總故障數(shù)。

⑨ 故障原因：導致機械基礎(chǔ)件故障產(chǎn)生的原因，如極端溫度、擠壓、錯誤使用等。

2.2 機械基礎(chǔ)件失效分類及代碼

2.2.1 分類方法及編碼方式

機械基礎(chǔ)件失效信息編碼有助于機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)規(guī)范化管理，根據(jù)失效信息編碼可快速查找對應基礎(chǔ)件以及失效信息，提高數(shù)據(jù)查找效率。參照QJ 1317A—2005《電子元器件失效分類及代碼》[13]對機械基礎(chǔ)件的失效信息進行分類并編碼。機械基礎(chǔ)件的失效信息分類包括基礎(chǔ)件名稱、失效性質(zhì)、失效程度、失效模式，具體編碼方式如表5所示。

表5 機械基礎(chǔ)件失效分類及編碼方式

2.2.2 代碼說明

(1) 基礎(chǔ)件名稱代碼。

基礎(chǔ)件名稱代碼使用拼音首字母大寫方式，如機械密封代碼為JXMF；唇形密封代碼為CXMF。

(2) 失效性質(zhì)代碼。

失效性質(zhì)代碼含義及簡寫如表6所示。

表6 機械基礎(chǔ)件失效性質(zhì)代碼含義及簡寫

(3)失效程度及代碼。

失效程度代碼含義及簡寫如表7所示。

表7 機械基礎(chǔ)件失效程度代碼含義及簡寫

(4)失效模式及代碼。

失效模式代碼采用拼音首字母大寫方式，如泄漏代碼為XL，斷裂代碼為DL，磨損代碼為MS等。

(5)機械基礎(chǔ)件失效信息代碼樣例。

① JXMF_1_2_XL：基礎(chǔ)件名稱為機械密封，失效性質(zhì)為本質(zhì)失效，失效程度為部分失效，失效模式為泄漏。

② LD_1_3_FS：基礎(chǔ)件名稱為螺釘，失效性質(zhì)為本質(zhì)失效，失效程度為完全失效，失效模式為腐蝕。

③ Z_5_2_DL：基礎(chǔ)件名稱為軸，失效性質(zhì)為其他性能失效，失效程度為部分失效，失效模式為斷裂。

3 民機機械基礎(chǔ)件可靠性管理系統(tǒng)的設(shè)計

目前，航空公司的可靠性管理系統(tǒng)主要是針對部件級及以上的數(shù)據(jù)，缺乏對民機基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的管理，建立一個民機基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對于提高基礎(chǔ)件可靠性統(tǒng)計分析的效率與準確率具有重要意義。通過可靠性管理系統(tǒng)可以準確全面地收集基礎(chǔ)件數(shù)據(jù)，監(jiān)控每類基礎(chǔ)件的失效情況，對于失效率高的元件反饋給元件制造商，以提升元件可靠度以及民機系統(tǒng)或設(shè)備的安全性。根據(jù)實際使用需求，系統(tǒng)應具有以下功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集功能。

依據(jù)可靠性數(shù)據(jù)獲取流程，建立規(guī)范的術(shù)語和標準的數(shù)據(jù)格式，明確數(shù)據(jù)采集的要求和類別，從源頭保證采集數(shù)據(jù)的真實性、完整性、連續(xù)性、可追溯性。將采集到的數(shù)據(jù)進行預先處理，轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)可以識別的數(shù)據(jù)和文本格式，并對數(shù)據(jù)進行歸納匯總并核驗。

(2) 數(shù)據(jù)分析功能。

根據(jù)錄入的數(shù)據(jù)提取基礎(chǔ)件的可靠性數(shù)據(jù)，由于基礎(chǔ)件可靠性信息主要來源于航空公司和維修單位的維修報告，這些數(shù)據(jù)多為掃描的PDF文件，數(shù)據(jù)分析功能中需要嵌入文本挖掘與文本圖像識別模塊，自動提取維修報告中相關(guān)的基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)。根據(jù)提取的基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)可以計算故障率等指標，針對無故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)件提供標準手冊的可靠性預計模型以及其他相應的可靠性分析方法。

(3) 數(shù)據(jù)查詢功能。

用戶可以根據(jù)需求查詢數(shù)據(jù)、添加數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)查詢功能需要準確、快速。

(4) 權(quán)限管理功能。

機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)對于航空公司和元件制造商均有一定的商業(yè)價值，因此系統(tǒng)將用戶分為以下4類：系統(tǒng)管理員、元件制造商、航空公司和其他用戶?？梢愿鶕?jù)需要對不同用戶賦予不同的權(quán)限，其中系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限，負責系統(tǒng)的維護與用戶權(quán)限管理。

綜合上述功能，機械基礎(chǔ)件可靠性管理系統(tǒng)功能設(shè)計如圖3所示。

圖3 民機機械基礎(chǔ)件可靠性管理系統(tǒng)功能框圖

4 結(jié)束語

面對民航業(yè)的快速發(fā)展，運營數(shù)據(jù)種類愈加繁多，數(shù)據(jù)量愈加巨大，有效的數(shù)據(jù)管理對保障飛機運營安全至關(guān)重要。針對民機運營階段機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的管理問題，提出了機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的采集與預處理方法，明確可靠性數(shù)據(jù)獲取要求、獲取內(nèi)容、獲取方法、獲取來源和獲取流程，并給出每類可靠性數(shù)據(jù)的具體獲取途徑；針對獲取的機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)建立了填寫規(guī)范，并為基礎(chǔ)件失效分類編寫代碼；在可靠性數(shù)據(jù)規(guī)范化采集和處理的基礎(chǔ)上設(shè)計了民機機械基礎(chǔ)件可靠性管理系統(tǒng)，為民機運營階段機械基礎(chǔ)件可靠性數(shù)據(jù)的管理提供理論指導。

目前在提取民機機械基礎(chǔ)可靠性數(shù)據(jù)的過程中，由于維修記錄等材料是圖片掃描的PDF文件，而且沒有統(tǒng)一的格式和規(guī)律，數(shù)據(jù)提取主要依靠人工，效率比較低，未來需要高精度和高速度的文本識別與文本挖掘技術(shù)支持，并進一步開發(fā)民機機械基礎(chǔ)件可靠性管理系統(tǒng)。