基于SSA-LS-SVM的通用航空机队可靠性预测方法.pdf

引用格式:陈农田陈凯李梦飞.基于 的通用航空机队可靠性预测方法.航空计算技术():.():.基于 的通用航空机队可靠性预测方法陈农田陈 凯李梦飞(.中国民用航空飞行学院四川 广汉.北京飞机维修工程有限公司北京)摘 要:通用航空机队的可靠性直接影响通用航空运行单位的安全与经济效益 以某通航单位 机队为研究对象根据通用航空机队功能结构及故障特点参考 规范遴选可靠性指标选取可靠性评估方法并进行可靠性等级划分按指标分类统计各系统的故障数量计算各系统的故障频率建立基于最小二乘支持向量机理论()和麻雀搜索算法()的 通用航空机队可靠性预测方法与 模型预测结果对比 模型预测的准确度最高可达到 比原模型准确率提高了 左右证明了改进模型在通用航空机队可靠性预测上有较好适用性关键词:通用航空机队可靠性预测最小二乘支持向量机麻雀搜索算法中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.()().:引言通用航空机队飞行安全状况对于通航运营单位的经济利益及生存状况具有直接影响确保民航飞机的高可靠性是民航业长期繁荣发展的关键所在 机队是航空公司成功运营的关键要素机队可靠性问题已经成为局方和航空公司关注的重点现阶段航空公司对机队可靠性数据的采集和分析过程复杂繁琐选取合理的机队可靠性评估指标建立科学合理的可靠性评估预测算法并结合机队可靠性运行数据实现机队的可靠性准确预测预警对航空公司提升以“可靠性为中心”的机队管理模式并保证其安全运营具有重要现实意义收稿日期:修订日期:基金项目:四川省科技厅重点研发计划项目资助()民航局安全能力基金项目资助(/)作者简介:陈农田()男湖北咸宁人副教授博士研究生第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .近年来可靠性工程在提高产品的可靠性和可用性方面发挥着重要作用涵盖了可靠性设计、可靠性测试和可靠性维护等方面的内容 此外可靠性研究也与新兴学科和技术密切相关 国内外学者在针对通用航空可靠性状态预测监控应用方面开展了一系列的研究 陈勇刚等应用灰色关联法对机队可靠性等级和指标进行相关性分析基于径向基核函数()的支持向量机()建立了航空公司机队可靠性等级预测模型 吕勉哉等通过构建基于贝叶斯网络的通用航空安全风险评估模型得出了通用航空安全风险评估结果 王永刚等运用 的方法对机场飞行保障系统进行可靠性分析 孙向东提出基于基于蝙蝠算法()和最小二乘支持向量机()构建了航空公司机队可靠性预警模型 目前国外学者就航空公司机队可靠性问题开展了一系列研究 等提出了一种新型的飞机电池可靠性控制方案该方案基于锂离子电池的工作原理实现了快速和高效的控制 等提出了一种基于长短期记忆神经网络的深度学习模型用于研究飞机变速箱系统的可靠性控制技术尽管上述文献对飞机领域不同系统可靠性研究取得了一定的研究成果 但还是存在一定的局限性:)计算过程复杂缺少时效性)难以摆脱人的主观判断和经验评估精度不高)需要的样本较大无法克服指标非线性、随机性、动态性问题 针对上述问题本文通过构建基于可靠性为中心的()通航机队系统可靠性评估分析预测模型克服计算复杂、数据非线性等问题时效性较高 通过通航机队可靠性指标遴选给出指标可靠性评价等级建立基于 的通航机队可靠性预测模型并用实例验证模型适应性和有效性实现对通航运行特点的机队可靠性预测和评估 可靠性评估指标.指标选取和确定通用航空机队系统可靠性评估指标体系的确定是通用航空机队设备可靠性评估的核心内容 本文采用 章节名称作为指标源结合持续适航维修大纲、可靠性方案以及机务维修信息制定了指标体系的调查表格 选取 机队作为调查对象最终确定了通用航空机队系统可靠性的指标体系其中包括了以下指标:空调系统、自动飞行系统、通讯系统、电源系统、设备/设施、飞行操纵系统、燃油系统、液压系统、防冰防雨系统、仪表系统、起落架、灯光、导航系统、真空系统、机载辅助动力装置.可靠性评估采用可靠度指标来表征系统可靠性 可靠性是指某一特定时期、特定情况下某一产品或某一系统实现某一特定目的的机率记为()()()()式中()为可靠度函数 为产品发生故障时已经使用的时间 为时间可靠性评估就是运用分析数据、概率统计等方法来分析并证实系统或产品可靠性水平的一种活动 依据某机队每月可靠性分析的月报可查机队日利用率和空地时间根据公式:()式中 为日利用率 为当月空地时间 为当月天数 为可用架数可以推算当月该机队可用飞机架数 失效率 计算式为:()式中 为故障数 为工作时间所以可靠度 可表示为:()在通过可靠度函数制定可靠性评价标准的过程中必须首先确定可靠性评价等级 在可靠性等级划分时需充分考虑所研究对象零件的失效机理并对其历史失效进行统计分析得到相关飞行数据 同时还要参照其他同类装备的可靠性评价标准进行评估采用 法确定可靠性评价等级划分为 个等级见表 表 可靠性等级区间表可靠性等级可靠度含义相应措施.)可靠性极低即将发生异常立即检修.)可靠性低功能退化加强监测安排检修.)可靠性略低功能基本正常加强监测着重关注.)可靠性好功能正常正常监测 基于 模型的可靠性预测.模型算法()是在支持向量机()基础上 年 月陈农田 等:基于 的通用航空机队可靠性预测方法 做出的改进 通过将 优化问题中的非等式约束替换为等式约束来进行优化 这样 优化问题转化为:.()().模型算法基于 生活习性的特点 提出了一种名为麻雀搜索算法()的优化算法 麻雀搜索算法是一种新兴的启发式优化算法其灵感来自于麻雀觅食的行为 该算法通过不断迭代来解决各种优化问题 ()是在 算法基础上加入了 方法的改进 与 模型相比 模型具有以下优点:)保持了原始数据特征的稳定性提高了分类结果的稳定性和精度)模型使用矩阵运算进行模型求解计算效率较高在 算法中最优个体在搜索过程中占优势因为它可以更广泛地搜索问题空间 在每次更新迭代中探索者的位置更新方式如下:/()变量 表示最优探索者的位置变量 表示当前全局最差的位置变量 表示种群规模在算法中假设种群内的 到 的个体(本文设定为)会意识到危险这些个体的初始位置将在种群中随机生成:()()算式中变量 表示当前全局最优位置变量 是从均值为 方差为 的正态分布中随机抽取的步长控制参数变量 是在 之间的随机数变量 是适应度值变量 和 分别表示当前最优和最差的适应度值变量 是用于避免分母为 的一个常数总之当 时表示此麻雀个体处于群体的边缘位置当 时那么这意味着位于鸟群中央的麻雀已经意识到危险并需要与其他麻雀靠近以避免被捕食 在这里 表示麻雀的移动方向同时也是调节步长的参数使用麻雀搜索算法对 模型做出改进的步骤流程图如图 所示图 模型流程图最后将预测结果与.节的最小二乘支持向量机预测结果进行误差比较分析 实例分析通过对某飞机公司每月的检修报表进行汇总获取飞机维修现场的故障数据并对 的各个系统进行故障分析 如表 所示为各系统故障每月频次表 所示为各系统故障每月频率表 系统故障频次表指标时间/使用编译软件 根据第 节方法建立基于 和 的预测模型 图中在 模型预测结果中横坐标代表 组预测样 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期本纵坐标代表每个样本到最优分类面的距离如图 所示 在建立的 模型预测结果中横坐标代表预测样本纵坐标代表故障数如图 所示表 系统故障频率表指标时间/.图 仪表系统、起落架、灯光 预测结果图 仪表系统、起落架、灯光 预测结果由于预测的指标较多图中展示了部分典型指标预测结果根据 模型和 模型对各个指标的预测结果分别计算每个预测样本实际值和预测值的误差得出的误差对比结果如表 所示:模型的平均误差是.模型的平均误差是.表 预测误差对比样本 .显然应用改进前的模型预测的结果准确度较低与实际差别较大在实际应用中不建议作为可靠性的预测模型使用而改进后的模型在各方面明显优于标准模型 预测的准确度基本达到了 左右能更好地反映故障数目的变化达到了目标要求具有较强的参考性同时也证明了改进后的模型在故障数预测方面的适用性.可靠性等级评估根据第 节模型预测结果对 组预测样本使用.节的方法计算各系统可靠性 各系统可靠度如表 所示各系统可靠性等级如表 所示表 各系统可靠度表系统预测样本空调系统.自动飞行系统.起落架.真空系统.表 各系统可靠性等级表系统预测样本空调系统自动飞行系统起落架真空系统对计算结果进行部分分析可知空调系统、自动飞行系统这些系统可靠性较高未来无需做出改变只需保持现有的监控和维修策略即可起落架可靠性中等预测样本的可靠性等级多为三级应该加强监测力度着重关注未来的可靠度变化趋势 在第 组预测样本结果中可靠度下降至.后续的预测样本都为三级应重点分析找出其原因将可靠度维持在第三等级以上 未来机队最应该关注的是机载辅助动力装置根据预测结果该系统可靠度较低在预测中可靠度半数维持在第二等级应该重点监测定期安排检修以避免出现事故或事故征候 结束语本文选取 故障分布作为划分通用航空机队选取可靠性指标的来源 以机队各月维修数据为基础制定了通航机队设备可靠性评价等级划分标准本文构建适合通用航空机队可靠性预测模型应用 模型对机队各系统故障(下转第 页)年 月陈农田 等:基于 的通用航空机队可靠性预测方法 回到 模型中 经实验所提方法耗时较短具有可行性 后续的研究工作可从以下方面尝试展开:深入研究端到端数据流的特性总结并刻画影响端到端数据流延时的主要因素不断在概率论范畴内寻找更加合适的分析端到端延时概率分布的方法将仿真数据替换为真实数据进行实验进一步说明分析方法的可行性等等参考文献:王芳叶玲彭彪.基于 的体系设计与仿真验证平台.自动化与信息工程():.董晓明韩研王质松等.基于 的装备作战概念模型化设计.中国舰船研究():.王文跃侯俊杰毛寅轩等.面向复杂产品研制的 体系架构及其发展趋势研究.控制与决策():.杨海云孙有朝阮宏泽等.基于 和 的安全关键系统的研究.航空计算技术():.邱宝杨志斌周勇等.面向 的 多范式建模及代码自动生成方法.小型微型计算机系统():.陆寅秦树东郭鹏等.软硬件综合 可靠性建模及分析方法.软件学报():.使用 的模型基工程 体系结构分析和设计语言入门.光电控制技术重点实验室译.北京:航空工业出版社.张晓郭鹏杨芷柔.基于 的多核体系设计与验证方法.航空计算技术():.(上接第 页)数进行预测对比 模型预测结果证明了改进模型在此类问题上有很好的适用性且预测准确度达到了 最后计算预测样本各系统的可靠度并对可靠性进行分级提出未来该机队应着重关注的系统并给出可靠性防控建议参考文献:.:.():.江曦.中小型航空公司维修可靠性管理解决方案.成都:电子科技大学.陆中李乃鑫周伽等.发动机控制系统时间限制派遣分析的若干可靠性理论问题.推进技术():.():.陈勇刚孙向东崔康等./机队可靠性等级预测研究.数学的实践与认识():.吕勉哉王华伟.基于贝叶斯网络的通用航空安全风险评估研究.舰船电子工程():.王永刚李赵钰.基于 的机场飞行保障运行系统可靠性研究.安全与环境学报():.孙向东.航空公司机队可靠性预警与控制研究.广汉:中国民用航空飞行学院.():.:.():.李世英曲长征薛文力.信息化装备体系的 参数体系框架研究.装甲兵工程学院学报():.程漩.基于 数据的综合模块化航电系统可靠性预测模型研究.南京:南京航空航天大学.():.:.:.年 月张 晓 等:基于模型的端到端延时概率分布研究