航空装备试飞风险评价方法及软件开发

望　佳，郭政波，肖文富

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089)

航空装备试飞风险评价方法及软件开发

望佳，郭政波，肖文富

(中国飞行试验研究院发动机所，陕西 西安 710089)

摘要：基于“人-机-管理-环境”的系统工程理论，分析了影响航空装备试飞风险的各个因素，建立了航空装备试飞风险评价的指标体系。采用层次分析法、熵值法、模糊综合评价法等运筹学的基本方法，结合航空装备试飞的技术特点,建立了一套能够量化评价航空装备试飞风险的评价方法，并利用C++ Builder开发了面向对象的评价软件。以某型飞机常规科目的试飞为例，通过计算得到其试飞风险值为1.22，试飞风险水平处在“低”状态，与实际的试飞情况相符合。

关键词：航空装备；指标体系；试飞；风险评价；层次分析法

1引言

飞行试验是一项跨越多系统、多学科、大规模、高风险的系统工程，安全是完成航空装备试飞的基础，更是航空装备试飞的生命线[1]。近年来，关于航空装备试飞的任务量异常繁重，同时又要保证航空装备的试飞质量和任务进度，对飞行安全的管理提出了很大的挑战。航空装备试飞风险评价是按照科学的程序和方法，对系统中的风险因素、发生事故的可能性、可能损失与严重程度进行调查研究与分析论证，从而评价航空装备系统总体的风险状况以及为制定基本预防和防护措施提供科学的依据。

2航空装备试飞风险评价的指标体系

安全风险是指某一危险因素可能导致潜在后果的严重性，它是以事物不确定性为基础的一种客观存在。对于航空装备试飞单位，航空装备的试飞风险来自于产品前端潜在的设计和制造缺陷，以及在组织试飞工作的过程中，由于各种事先无法预料的不确定性因素所带来的影响，使得国家财产和相关人员产生了蒙受损失和出现伤害的可能性。

为了客观、全面、科学地反映、衡量航空装备的试飞风险及发展状况，根据文献分析法、试飞从业人员的观点以及“目的性、科学性、系统性、相对独立性、可操作性”等原则，考虑到影响航空装备试飞风险的主要因素和具体指标，构建了航空装备试飞风险评价的指标体系，如图1所示。

图1　航空装备试飞风险评价指标体系

影响航空装备试飞风险的主要因素为人员因素、飞机因素、管理因素、环境因素，将上述4种风险定义为准则层风险，而与之相对应的具体风险置于指标层。具体风险可进一步细分，例如驾驶技术可细分为起飞技术、着陆技术、非常规天气飞行技术、特技飞行技术、应急飞行技术；动力系统可细分为发动机本体、控制系统、燃油系统、滑油系统、液压系统、启动系统、点火系统、附件系统；飞行实施可细分为飞行计划、任务下达与协调、飞行准备、开飞前检查、执行飞行、飞行数据分析。恶劣天气可细分低空风切变、高空激流、乱流、雷暴、下击暴流、积冰。本文重点介绍航空装备试飞风险评价的量化方法，故未对具体风险进行进一步细化。

3航空装备试飞风险评价模型及流程

3.1航空装备试飞风险评价模型

通过研究航空装备试飞风险评价的量化方法，提炼出评价模型，如图2所示。评价模型包含3个方面的内容：指标元素权重的数值分析，指标元素风险水平的量化分析，航空装备试飞风险的量化评价。

图2　航空装备试飞风险评价模型

对于指标元素权重的数值分析，首先是基于准则元素的AHP/EVM(AHP、EVM分别为层次分析法和熵值法的简称)展开，最后是基于指标元素的AHP/EVM展开。通过逐层展开，就会获得指标元素的权重向量。对于指标元素风险水平的量化分析，是多位专家参照试飞风险等级表量化每一项指标元素的风险值，形成指标元素对试飞风险等级的隶属度矩阵。对于航空装备试飞风险的量化评价，关键是权重向量与隶属度矩阵的合成运算，同时可以选择不同的合成算子进行对比分析。

评价模型的建模方法简单实用，模型功能分区清楚，而且各部分之间的关系非常明确。在确定层间关系和各元素权重时，可以统一采用AHP/EVM展开。AHP很容易通过元素之间的两两对比建立判断对比矩阵来确定各元素的权重，其不足之处是，当元素个数过多时，判断对比矩阵的一致性有时不容易控制。EVM在求解权重时相比AHP要方便得多，其不足之处是，权重值对各元素打分结果有较高的依赖性，不能够完全客观反映各元素的重要程度。

3.2航空装备试飞风险评价流程

在进行航空装备试飞风险评价前，必须先确定风险等级的划分标准。本文将具体指标的风险等级分为5个等级，如表1所示。

表1　航空装备试飞风险等级

选定图2所示的航空装备试飞风险评价模型，并将其应用于后续的航空装备试飞风险评价算例中。由于航空装备试飞风险评价的指标体系中不存在未展开的元素，就不用考虑未展开元素对评价流程的影响，其标准的评价流程为：先按照图2左半部分完成模型分析，求得其指标元素的权重向量；再按照图2右半部分完成指标元素风险水平的量化，得到指标元素对风险等级的隶属度矩阵；最终进行合成运算，得到航空装备试飞风险值[2]。关于航空装备试飞风险评价的具体过程描述如下：

(1)多位专家分别对评价模型每一层中的AHP展开关系，构造相应的判断对比矩阵，并且对所有专家的打分样本进行均方平均处理。然后对处理后的判断对比矩阵进行一致性、组合一致性检验。若不通过，则需要专家重新构造判断对比矩阵；若通过，则继续进行下面的步骤[3]。

(2)应用层次分析法(AHP)，采用幂法迭代，依次求解出准则层元素、指标层元素对目标元素的权重，并获取指标层元素的权重向量A={a1,a2,…，am}。

(3)多位专家分别对指标层元素的风险水平进行量化打分，并获取指标层元素对试飞风险等级的隶属度矩阵R={rij}m×n。

(4)利用模糊综合评价法，将指标层元素的权重向量A={a1,a2,…，am}和试飞风险等级的隶属度矩阵R={rij}m×n进行合成运算，得到目标元素对试飞风险等级的隶属度向量，并使用加权平均原则计算得到航空装备试飞风险值，将该值比对表1，确定其试飞风险水平。

4软件及算例

航空装备试飞风险评价软件提供了3项功能，分别是评价模型建立、试飞风险评价、数据库管理。

以某型飞机常规科目的试飞为例，在软件中建立如图1所示的航空装备试飞风险评价指标体系之后，软件就会自动生成相应的评价模型。指标体系按照不同的元素层级分为两层：准则层按人员因素、飞机因素、管理因素和环境因素划分；指标层按具体试飞风险进行划分。同时，各层之间采用层次分析法展开。层次分析法建立的各层级元素的判断对比矩阵由专家打分，并对专家打分结果进行一致性检验，然后计算出各层元素的权重。图3给出了指标层元素的权重分析结果。建立的评价模型和元素的权重计算结果储存至数据库。

基于试飞风险评价模型，生成指标元素风险水平的专家打分表格。多位专家针对某型飞机不同试飞阶段的状态进行打分，并根据打分结果计算得到该型飞机不同试飞阶段试飞风险的量化评价结果，专家打分结果和试飞风险量化评价结果储存至数据库中的动态库。

针对某型飞机常规科目的不同试飞阶段，本文进行了3次试飞风险评价，其风险值都处于1.5以下(低风险水平)。随着试飞阶段的推进，其试飞风险值逐渐降低至1.22，如图4所示。在数据库中，可以很方便地检索到某型飞机在不同阶段的试飞风险量化评价结果，以及各阶段采用的改善措施。据此绘制试飞风险发展趋势，从而实现对航空装备试飞风险的动态跟踪。

图3　指标层的各项元素权重

图4　航空装备试飞风险评价结果

5结论

(1)利用“人-机-环境-管理”的系统工程理论，分析了影响航空装备试飞安全的各个因素，建立了航空装备试飞风险评价的指标体系。

(2)运用运筹学的层次分析、熵值法和模糊综合评价等方法，并结合航空装备试飞的自身特点，实现了对航空装备试飞风险的量化评估，以及航空装备在试飞过程中试飞风险的动态跟踪。

(3)基于上述研究方法，开发了航空装备试飞风险评价软件。在某型飞机中的应用实例表明，航空装备试飞风险评价软件能够对航空装备在试飞中的风险进行合理评估，并与实际的试飞情况相符合。

参考文献

[1]张增民,陈晓敏,马涛.航空装备试飞保障质量安全评价体系研究[J].质量与适航,2011,(2):35-37.

[2]双同科,田佳林,陈蕾,等.航空弹射救生安全的多层次模糊综合评估[J].安全与环境工程,2012,(02):88-93.

[3]姜启源.数学模型[M].北京:高等教育出版社,1993.

[4]张磊,汪德虎,王晓通,等.基于熵权的舰炮武器系统维修保障能力模糊综合评判[J].指挥控制与仿真,2008,30(3):81-84.

Risk Evaluation Method and Software Development for Flight Test of Aviation Equipment

Wang Jia,Guo Zhengbo,Xiao Wenfu

(Engine Department,Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,Shanxi,China)

Abstract：Based on the systems engineering theory of “People-Machine-Management-Environment”,every factor which influences flight test risk of aviation equipment is analyzed in this article,and a full index system for the quantitative evaluation of flight test risk of aviation equipment is built.A method for quantitative evaluation of flight test risk of aviation equipment is built by combining the characteristics of flight test and the mathematical methodology of operations research which includes analytical hierarchy process,entropy method and fussy comprehensive evaluation method.The object-oriented evaluation software is also developed under the complier environment of C++ builder.Taking conventional subject flight test of an aircraft as an example,the obtained value of 1.22 by calculating flight test risk shows that the flight test risk is in low state,which is consistent with the actual test situation.

Keywords:aviation equipment;index system;flight test;risk evaluation;analytical hierarchy process

[收稿日期]2015-12-31

[作者简介]望佳(1988—)，男，重庆巫山人，硕士学历，助理工程师，主要研究方向：航空发动机工作特性与性能试飞。

中图分类号：V241.01

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.014