基于GO法的机载冗余EWIS可靠性分析
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摘 要：电气线路互联系统（EWIS）的可靠性对于飞机飞行安全起到决定性作用。由于EWIS自身的特殊性，对其进行可靠性分析时要考虑多部件和线路老化、腐蚀等各随机因素对其可靠性的影响。在可靠性评估的基础上安排合理的维修方法，预防EWIS故障的出现，或对已出现的故障及时进行排查和修复。GO法是一种对复杂多态系统建模的有效方法。其主要步骤是建立GO图和进行GO运算来分析和评估系统可靠性。本文应用GO法对某飞机发电机EWIS冗余系统进行运算分析，得到系统正常运行可靠性。
关键词：电气线路互联系统（EWIS）;系统可靠性;GO法
中图分类号：V242.4+1;TB114.3 文献标识码：A
自2009年工作项目中首次出现“EWIS”标识以来，飞机的“电气线路互联系统（Electrical Wiring Interconnection System，简称EWIS）概念已经在航空业界逐步得到认同。2007 年底美国联邦航空局（FAA）发布FAR25部第123号修正案，使得EWIS正式成为现代民机设计和运营体系中一个重要的独立专业系统[1]。EWIS是用电区域间传输电能（包括数据和信号）的各种电缆、连接器、布线器等的组合，存在明显的系统结构。系统连接各机载设备涉及的电气部分。作为这些电气系统的基础，EWIS在航空工程中起着重要作用，其可靠性直接影响飞机飞行安全。
EWIS线路老化、腐蚀、不正确的安装和维修，以及意外损伤等均会引起EWIS状况恶化或故障。如1994年西北航空公司B2610号飞机，执行飞行任务时，由于地面维修人员在更换安装架时，错插插头，破坏了飞机的稳定性，使飞机在升空后失去控制在空中解体。可见EWIS故障发生前安排合理的预防性维修任务是十分必要的。预防性维修主要针对飞机在航行过程中发生的EWIS部件的故障或失效，或者在定期检查中发现EWIS部件的损伤和退化后所进行的恢复故障部件设计性能的维修任务[2]。
目前，保证飞机电气系统可靠性与维修性的方法是对高故障率维修单位采用维修时间短、维修成本低的部件，以此来控制系统的平均维修时间和平均维修成本[3]。但是相比于其他电气系统，EWIS具有其自身的特殊性。首先，EWIS部件种类不多但数量众多，且安装在飞机各个区域。因此仅仅以单部件退化性能的可靠性为依据来进行EWIS可靠性分析与评估，其结果不符合实际情况。因此，必须考虑更多随机因素对EWIS可靠性的影响。其次，考虑EWIS系统部件各连接路径的其他部件及其对构成系统结构的综合影[4]。在可靠性评估的基础上，安排合理的维修计划可以预防EWIS故障的出现，或在故障出现后及时进行排除和修复。因此，有必要采用先进的可靠性工程技术进行EWIS设计，从而整体提升飞机安全性。
1 基于GO法的可靠性分析方法
可靠性是指部件在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。复杂系统的相关技术研究是可靠性领域的研究热点之一。复杂系统的部件数目较多，且各部件间存在着明显的结构特征，如串/并联、冗余等。同时复杂环境、负载、老化等问题使部件存在多种失效形式，使系统呈现多状态性质[4]。传统系统可靠性建模评估局限于二状态系统（成功和失效），如可靠性框图、故障树分析法等。随着工程系统日趋复杂化，对系统可靠性的精确评估和优化设计的要求越来越高，二状态可靠性理论已经不能满足系统分析需求。
GO法是一种对复杂多态系统建模的有效方法[6，7]，该方法可通过分析原理图、流程图或工程图等的结构关系直接建立复杂多态系统GO图。GO法主要步骤是建立GO图和进行GO运算来分析和评估系统可靠性。GO图建立时，要求标明操作符类型和编号，至少有一个输入操作符（类型4或5），其余操作符输入输出信号流连通且不存在反馈环节[7]。GO运算有状态组合算法（定性）及概率公式算法（定量）。定性运算根据操作符运算规则分析系统输出信号状态及各状态可能的组合。定量运算在定性运算基础上，计算输出信号各状态概率，由于系统输出信号各状态相互独立，可直接计算得到系统状态概率。定量计算过程中，若某操作符输出信号为后序两个或多个操作符的输入信号，则该信号为共有信号，需要修正。
2 GO法的基本运算过程
GO法的定量评估一般采用时序计算方法，即从输入操作符开始，沿信号流序列，按操作符运算规则，逐步计算信号流的状态概率，直至代表系统的最终输出信号。在此基础上，沈祖培[8]提出GO法定量计算的新算法并补充了复杂系统共有信号的修正方法，即在多数情况下可以直接计算所有信号流的状态概率。但是对类型2和类型11操作符，输入信号中同时包含的共有信号将被修正。以某平台控制系统为例，说明GO法的可靠性定量评估过程。系统有3个操作符组成，各操作符组成串联结构，其中操作符1为信号输入，含有（1）、无（2）信号两个状态。操作符2有三个状态，状态（0）表示异常动作，状态（1）表示正常运行，状态（2）表示故障状态。操作符3有成功（1）和故障（2）两种状态。因此该系统是一个简单的多状态串联系统，系统GO图如图1所示，相应的各操作符功能及其状态概率如表1所示。
平臺控制系统的操作符3输出信号状态概率即为系统状态概率，其中异常工作状态概率为0.09，正常工作状态概率为0.648，故障状态概率为0.262。因此平台控制系统的可靠性为0.648。
3 基于GO法的冗余EWIS可靠性分析
某战斗机发电机EWIS系统设计是由28V低压直流电和115/200V，400Hz三相恒速恒频交流系统组成的混合供电系统[3]。该系统是由控制保护器（GCU）、发电机及各类接触器组成的发电系统。设计中交流发电机供电系统与直流供电系统分别连接汇流条供电。设计系统是冷贮备形式，应急交流发电机作为发电系统的主冗余备件。冷贮备系统各冗余备件在主发电系统工作失效时，立即启动运行，冗余备件在贮备期间性能既不失效也不退化[9]。 对该EWIS冗余系统建立系统GO图，采用GO算法分析其系统可靠性。图2为冗余系统GO图，该系统有三子系统通路组成，各支路配备相应控制部件。三通路中有1路正常工作，则冗余系统就可正常工作，显然该系统是典型冗余结构系统。设该系统有正常供电和故障两种状态，用状态值（1）和（2）表示，各操作符功能及状态概率见表2。
由图2可知，系统由6个部件操作符（1-5，7）以及两个门控操作符（6，8）组成。其中操作符2，3和4，5操作符均为串联结构，其输出信号流3和5在并联形成主供电系统。操作符7为冗余备件操作符，其输出信号流7与信号流6并联。根据章节2中GO法概率公式算法计算系统输出状态概率及可靠性，计算出GO图中关键信号流的表达式如下：
3.1 信号流6
4 结论
（1）设计EWIS时需要考虑多部件及随机因素对其可靠性的影响，在系统可靠性评估的基础上安排合理的维修计划，整体提升飞机飞行的安全性。
（2）简述GO法对于系统可靠性的分析方法及运算过程。应用GO法对某飞机发电机EWIS冗余系统进行运算分析，得到系统正常运行可靠性。
参考文献：
[1]WANG W，WANG P.Effect of environments on EWIS failure rate estimate[J].Procedia Engineering，2011，17：473-479.
[2]何钟武，张向前，许艳.航空装备电气线路互联系统技术的研究与应用[J].航空标准化与质量，2017.
[3]申天海.基于EWIS的飞机线路检查与维修方法分析[J].科技资讯，2017.
[4]马麟龙，唐长森，MaLinlong，et al.民机电气线路互联系统（EWIS）维修性设计研究[J].民用飞机设计与研究，2016（1）：39-44.
[5]MEEKER W Q，HAMADA M.Statistical tools for the rapid development and evaluation of high-reliability products[J].IEEE Transactions on Reliability，1995，44（2）：187-198.
[6]杜彥斌，李聪波，刘世豪.基于GO法的机床再制造工艺过程可靠性分析方法[J].机械工程学报，2017，53（11）：203-210.
[7]马骏，段富海.基于GO法的航空发动机控制系统可靠性分析[J].机电工程技术，2019，48（05）：147-150.
[8]沈祖培，郑涛.复杂系统可靠性的GO法精确算法[J].清华大学学报（自然科学版），2002，42（5）：569-572.
[9]肖楚琬，邓力，张真.无失效数据机载多余度EWIS可靠性研究[J].计算机与现代化，2019（04）：98-102.
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