航空发动机监视系统可靠性设计标准分析

甄 博 黄 波 于宏军 韩建军 唐 伟

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

发动机监视系统（EMS）是指用于监测和诊断发动机状态的完整系统，通常由一整套硬件和软件组成。EMS能够提供发动机功能状态和物理状态的实时或准实时信息，通过对信息的分析和判断，可以帮助用户和维修人员注意那些可能影响操作安全、日常检测和维修的状态参数，以协助相关人员改善发动机性能、预警维修需求和管理权限。因此，EMS是实现航空发动机视情维修，降低全寿命期成本的重要手段。目前，世界3大发动机公司研发的大型民用航空发动机，如GE公司的GEnx发动机，RR公司的Trent 900发动机等，均采用独立的EMS。并在逐步完善和成熟的基础上，向军用航空发动机领域扩展，如F119发动机采用了先进的诊断与健康管理（DHM）系统等。随着军方要求的不断提高，我国军用航空发动机也开始逐步引入发动机状态监视的概念，并开始研发独立的EMS。

SAE AIR 5120《航空发动机监视系统可靠性与有效性》是由SAE标准协会航空航天理事会推进系统分部下设的航空航天推进系统健康管理标准化技术委员会（E-32）颁布的，该标准旨在为项目管理人员、设计研发人员和客户开发及验证高可靠性的发动机监测系统提供参考。AIR 5120对EMS研发各阶段可靠性设计工作都提出了要求，涵盖了EMS各组成部分的设计内容，相关要求条款来源于以往EMS可靠性设计经验，其中有关可靠性设计思想、人为因素的考虑、试验验证程序和要求以及服役后至维护和成熟阶段的可靠性设计等要求，对EMS的可靠性设计工作有很强的指导作用。

AIR 5120技术内容是在总结民用航空发动机EMS型号设计经验基础上形成的，其出发点也是为了使EMS更好地实现视情维修，降低用户（主要是民航公司）的成本。因此，AIR 5120的部分技术内容不宜直接转化并指导我国军用EMS可靠性设计工作。本文将通过对AIR 5120中重要条款进行解读，并结合我国EMS可靠性设计的具体需求进行分析，总结提炼出适用于我国EMS可靠性设计的相关要求，为今后编制类似标准提供参考。

1 EMS可靠性的定义

AIR 5120在术语定义中首先提出了虚警、漏检和正确检测的定义，并以“（指示总数－虚警数－漏检数）×100／指示总数”这个指标作为EMS可靠性的定义，即EMS可靠性实际上指的是EMS的正确检测率。在我国GJB 451A-2005《可靠性维修性保障性术语》中，对武器装备的可靠性定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。其评价参数包含MTBF（平均故障间隔时间）等指标。相对于我国通常意义上产品可靠性概念，AIR5120给出的定义更加细致，即将规定功能明确为对监测到发动机的异常情况进行正确告警。

在国外民用航空系统的EMS应用初期，虚警和漏检的大量出现使得EMS变得不可靠。这些情况容易导致机务人员和地勤人员出现错误的判断，基于这些信息而开展的视情维修将大大增加成本，给后勤保障系统也带来不便，这违背了应用EMS的初衷。因此，能够对故障进行正确检测是使用EMS的前提，而最大限度的降低虚警和漏检则是EMS可靠性设计的主要目标。

我国的EMS可靠性设计工作目标是当航空发动机出现问题时能被EMS及时指示出。因此，在我国编制的EMS可靠性设计标准中可将EMS可靠性的定义明确为：“发动机EMS正确指示发动机故障的能力”，同时，以正确检测率来衡量可靠性设计水平。

2 EMS可靠性设计思想

AIR 5120中关于EMS可靠性设计目标是降低整个发动机的全寿命周期成本。为此供应商首先要确定EMS的投资回报率（ROI），即采用EMS所获得的收益与成本的比值。为确定投资回报率，供应商应与发动机制造商、EMS用户进行合作，共同开展EMS的ROI分析，了解发动机操作、性能和故障模式等详细情况以及用户期望达到的目标。这些工作是综合权衡各项技术的采用并合理安排各阶段工作的重要依据。为使投资回报率和可靠性最高，EMS的可靠性设计周期应覆盖整个发动机的周期。各阶段设计工作大致包括：

在发动机开发初期，制定详细的EMS可靠性设计计划。此时，用户、飞机制造商和发动机制造商之间有很大的设计余地，EMS供应商可通过协调建立各方都能接受的可靠性设计目标，并完成用户、飞机和发动机的需求条件；

在设计阶段，EMS设计人员应与使用群体和制造商一同制定EMS的系统规范，这其中应包括EMS可靠性指标。通过安全性、成本和ROI分析等将可靠性目标分解到各个组成部件，并以此为基础确定EMS的工作模式、硬件和软件架构以及对应的试验验证方法；

设计阶段还应制定合理的验证计划，试验验证工作应与设计工作同步开展，及时对EMS各项功能可靠性进行验证；

在进入服役阶段后，制定详细的可靠性增长计划，评估EMS性能，根据服役阶段遇到的问题对EMS进行改进。

用户使用EMS的最终目的是为了获得使用和维护成本的降低，而用户对使用EMS的投资回报期望决定了EMS可实现的功能。EMS与飞机和发动机关联，其可靠性受到这些系统本身不确定因素的影响。因此，前期针对用户和飞机及发动机的具体情况开展充分调研工作是确定EMS总体设计方案的基础。同时及时验证相关功能和服役后的可靠性增长等设计思想也是提高EMS的研发效率，降低研发成本，从而提高监视系统ROI的重要手段。

在我国EMS可靠性设计工作中也应采取上述设计思想，并在相关标准中以此确立可靠性设计准则，如将可靠性设计纳入EMS研制计划，统一规划，协调进行；在EMS开发的前期，结合订购方、飞机制造商和发动机制造商需求，以订购方的操作和系统维修人员的使用方式为输入条件，制定关于可靠性设计工作计划；从航空发动机的全寿命周期角度对监视可靠性进行设计，结合操作和维修发动机经验，促进可靠性增长等。

3 人为因素

3.1 人为因素的组成

AIR5120认为，在组成EMS的所有单元中，人为因素是最关键的，对人为因素的处理将在很大程度上决定用户对EMS的接受程度，因此将人为因素列为EMS可靠性设计的重要组成部分，给出了部分较为普遍的人为因素，并论述了这些因素的影响以及如何去适应这些因素。

AIR5120中将人为因素分为非物理因素和物理因素两类。非物理因素即为使用群体本身的素质特点，包括使用群体的文化水平、经验水平、认知能力等，非物理因素会影响使用群体的信息处理能力。物理因素则是指EMS本身的设计因素，包括系统的使用方式等，物理因素通过人机之间的交互过程起作用。

3.2 人为因素的处理

3.2.1 非物理因素的处理

对非物理因素的处理首先应确定使用群体，即在EMS设计初期，就应定义群体的组成，这些群体一般包含飞行人员、维护人员和后勤保障人员。确定群体组成后，就应了解该群体如何看待并理解EMS提供的信息以及将采取何种方式对这些信息进行处理。为了获得这些群体特征，设计人员应充分调研使用群体的工作环境、生活环境以及文化背景等，调研范围应尽量涵盖整个群体，避免以极端的个体表征整个群体。最后，根据调研结果评估整个群体的平均行为模式，该行为模式将有助于了解使用群体对EMS各项信息的处理模型，并为物理因素的设计建立基础。

3.2.2 物理因素的处理

对物理因素的处理主要是通过更改EMS物理的设计元素来适应使用群体的处理模型，以减少人机交互过程中出现误解的可能性。在设计过程中，采用逐级分步测试的方式，随时与用户保持互动，这样可以使用户逐步熟悉这一使用过程，同时还可以根据使用群体的反馈信息及时进行修正和更改，这样有助于保持设计过程的连贯并减少人为因素对可靠性的影响。

3.2.3 培训的作用

由于EMS相对于其他发动机系统更加依赖于人为因素，AIR5120中也提出了对使用群体进行培训可以弥补研发过程中采用折衷的设计方法所带来的负面影响。AIR5120认为良好的培训能够稳定用户群的行为模式，减少用户与EMS之间的不兼容，降低发生误操作的可能性。

3.2.4 人为因素的设计考虑

由此可以看出，AIR5120中对人为因素的考虑非常全面，这主要基于EMS在民用航空领域内应用的经验。由于不同国家和地区的人员在文化背景、思维习惯、性格特征等方面存在着巨大的差异，这势必将对各民用航空从业人员的行为模式造成影响。因此，EMS供应商应考虑用户在使用时带来的不确定性对EMS可靠性的影响。

在国内的EMS研发过程中也应考虑人为因素的影响。不过，由于国内EMS用户构成相对单一，人为因素的考虑可以有所侧重。在我国编制的EMS可靠性设计标准中可重点提出在人机界面设计进行人为因素的评估。对非物理因素的处理主要是在设计阶段初期，对军方用户群体理解和操作EMS的方式进行调研。物理因素可借鉴AIR5120中相关设计元素作为参考。

4 试验验证

4.1 验证矩阵的思想

如前所述，试验验证可有效地检验EMS的可靠性。在AIR5120中并没有将试验验证按照以往的设计鉴定试验的概念实施，而是作为EMS可靠性设计工作的一部分，与设计工作同步开展。这是由于在整个设计和研发过程中，在适当水平下对EMS性能进行试验，可较早地暴露问题，以便设计人员及时进行修正和更改，避免在设计完成后再进行较大的设计更改带来研发成本的提高。此外，由于EMS的功能复杂，AIR5120引入试验矩阵的概念（见表1），通过仿真测试、平台测试、铁鸟试验、发动机试车和飞行试验等试验，分别针对EMS的各项工作进行逐级验证，以促进EMS的可靠性逐步增长。

从表1可以看出，仿真测试、台架试验和铁鸟试验的试验主体为EMS，这些试验可对EMS主要功能进行验证以确定EMS是否能准确地检测、分析和告警故障，但这些试验阶段并不能完全模拟EMS工作时所经历的真实的发动机和飞机环境条件。因此还需要经过发动机试车和飞行试验对EMS的系统性能进行验证。在发动机试车和飞行试验时，EMS只是作为发动机产品的一部分进行跟随试验，而非专门验证EMS本身的功能。若试验费用和条件允许，在发动机试车时，人为地设置一些发动机故障，能够更加准确地检验EMS的性能。

4.2 国内EMS试验验证矩阵及要求

国内EMS可靠性也需要通过一系列的试验验证。AIR5120提供的逐级验证的思想值得借鉴。此外，在AIR5120提出的试验项目基础上，还应对EMS进行环境试验，以确定工作环境对电子元器件可靠性的影响。提出具体试验项目与要求建议如下。

4.2.1 环境试验

主要针对EMS的机载部分进行环境试验。由于机上工作环境复杂，EMS应保证能准确记录各状态参数，试验可按照GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》等标准进行。对非机载部分，可由制造方和用户协商决定。

4.2.2 仿真测试

主要针对EMS各项功能的算法逻辑进行测试，为尽量模拟真实工作状态，最好采用真实的发动机和飞行数据。

4.2.3 平台测试

在平台测试阶段，应完成对EMS各主要功能的验证，包括输入/输出功能、传感器特性、诊断性能、数据存储及其它特殊功能。

4.2.4 铁鸟试验

主要针对EMS的故障告警能力进行测试。此外，还应完成机载设备内容的数据存储，系统与飞机之间数据传输以及能否对机载设备的总线命令做出正确反应等试验。

4.2.5 发动机试车（地面台和高空台）

充分地利用发动机各种类型的试车，验证EMS在真实的发动机运转条件下的可靠性，为达到试验目的，应详细记录EMS在试验过程中的整体性能数据和信息，主要包括故障编码的精度、漏检的发动机故障和关键零部件的寿命情况。

4.2.6 飞行试验

飞行试验主要检验EMS在实际飞行条件下的适应性、匹配性和可靠性等。在飞行试验过程中应完成的工作包括航空电子设备系统综合试验、装配后的地面试验、软件有效性确认和修正、发动机维修和后勤保障一体化、建立个人操作系统的技能培训设施、初步评估故障分析指南和发现并修理故障的程序。

5 服役后的可靠性增长

5.1 服役期内可靠性增长的意义

服役阶段是实现EMS可靠性增长的重要过程，在使用过程中可验证设计阶段制定的可靠性目标能否实现。AIR5120将该阶段视为产品改进的最后机会，通过设计方与用户之间的良好沟通，将试验验证期间没有暴露的和设计阶段未曾预料的问题解决。同时，在服役期内，EMS新升级的功能、设计方扩充的经验和知识基础、使用过程中发现的不曾预见的故障、新开发的诊断技术和用户提出的新要求等都为EMS可靠性的再次提升设立了目标或提供了方法。这些工作将为后续型号EMS的研制提供宝贵的经验，而设计方与用户都将从中获益。

5.2 服役期内可靠性增长的主要工作

长期以来，国内设计单位在产品通过设计定型后就不再跟踪产品服役过程，完全由用户根据用户手册管理和使用产品。除了参与排故外，设计人员几乎不介入产品的成熟过程，这种方式降低了产品可靠性提升的效率，不利于后续产品的开发。国内EMS标准中应明确提出服役期内可靠性增长的要求，在这些要求中应规定设计方的工作，包括制定详细的可靠性增长计划，收集产品使用、维护、运输、存储期间的有关数据和信息，以便于产品投入使用后，根据实际使用情况对系统硬件、软件以及用户操作等设计进行完善。同时针对EMS本身，还应重点完成以下工作：

●检查系统性能是否能达到应有的作用；

●定期检查系统功能；

●对已知的故障模式进行分析和评估；

●利用发动机检查和分解的结果验证EMS可靠性；

●提供附加功能；

●评估EMS各项功能必要性。

其中，评估EMS各项功能的必要性是指随着技术的发展和发动机实际应用情况评估在设计阶段确定EMS各项功能是否起到预期的作用。开展这些工作得到的结论将促进今后EMS可靠性设计水平的提高。

6 结束语

航空发动机监视系统可实现维修策略从经验型的定期维修向更科学的视情维修发展，进而提高发动机全寿命周期内的安全性、保障性和经济性。随着国内技术发展和要求的提出，研发独立的EMS已成为必然。本文通过结合我国现阶段EMS可靠性设计实际，对AIR5120中EMS可靠性设计思想、人为因素、试验验证、可靠性增长等技术内容进行了分析，认为应尽快编制我国的EMS可靠性标准，并纳入本文对上述重要条款的分析结论，以便更好地开展EMS可靠性设计工作。