一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法技术

本发明专利技术公开了航空器安全技术领域的一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，包括：针对民用飞机结构件具有多重耗损失效的特点，建立基于混合威布尔分布的失效模型，并基于PSO优化的EM算法进行模型参数估计；执行蒙特卡洛仿真算法，根据失效模型模拟机队中出现多重耗损失效的缺陷飞机数量DA；构建贝叶斯网络对导致不安全结果的初因事件进行失效传播分析，计算初因事件发生条件下的不安全结果发生概率CP，本发明专利技术针对多重失效模式开展运行风险评估，克服了现有风险评估方法只能应用于单一失效模式的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法
本专利技术涉及航空器安全
，具体为一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法。
技术介绍
民用飞机因其高效性成为越来越多人出行的首选交通工具。对于民航运输业来说，安全性是第一位的，保证航空器在预期运行环境和使用限制下持续安全地飞行对所有在役运行的民用飞机十分重要。现有的航空安全分析方法主要针对单个航空器，已形成包含定量与定性分析的较为完善的安全管理体制。运输类飞机风险评估方法(TransportAirplaneRiskAssessmentMethodology,TARAM)是美国联邦航空局(FAA)指令8110.107A监控安全-分析数据(MonitorSafety-AnalyzeData,MASD)中的定量风险分析方法，该方法提供了针对机队和单机不同运行时期、不同风险值的量化方法，用于执行MSAD指令所必要的运输类机队持续运营安全的定量风险分析问题。针对机队运行的不同时期，方法分别提供了三种耗损失效风险量值：总体未纠正机队风险、90天机队风险和控制程序机队风险，其中总体未纠正机队风险(RT)用于对机队是否存在不安全状况的风险进行长期预测以及指导安全决策，可根据公式计算得出RT＝DA×ND×CP×IR。其中，IR和ND通常由机队运营经验给出；针对CP，需要建立由初因事件导致不安全结果的因果链进行分析，并结合历史数据得到各失效事件发生概率，通过将不安全结果所有状况的条件概率累加得到最终概率值；对初因事件失效模式未知的情况，可利用威布尔分析工具或可靠性分析软件得到失效分布参数，根据公式计算DA值，现有的民用飞机运行风险评估方式为通过运用TARAM方法对常失效率或单一耗损失效的情况进行研究。但本申请专利技术人在实现本申请实施例中专利技术技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：1、民机风险分析方法仅考虑了单一失效对航空器运行安全的影响，然而随着民机结构复杂化和服役时间增加，产生的耗损失效通常呈现多重失效模式的特点，利用该方法无法准确评估机队运行风险；2、当机队出现多重失效模式时，相应的失效分布函数相对复杂，利用解析法需要多次计算每架飞机当前时间与退役时间的失效累积分布函数值，计算过程复杂，效率较低；3、在研究由初因事件到不安全结果的失效传播关系时，通过因果链分析逐条计算每条支链的风险值，并累加得到最终CP值，当因果链支链过多时计算过程异常繁琐。基于此，本专利技术设计了一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，以解决上述
技术介绍
中提出的现有的
技术介绍
提及的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，包括：针对民用飞机结构件具有多重耗损失效的特点，利用机队运行中的失效数据，建立基于混合威布尔分布的飞机结构件失效模型，并基于PSO优化的EM算法进行模型参数估计；执行蒙特卡洛仿真算法，根据失效模型模拟机队中出现多重耗损失效的缺陷飞机数量DA；构建贝叶斯网络对导致不安全结果的初因事件进行失效传播分析，计算初因事件发生条件下的不安全结果发生概率CP；根据预定的损伤率IR和未检出率ND，计算得到机队风险水平RT＝DA×ND×CP×IR。进一步的，所述飞机结构件失效模型的构建包括：利用失效数据T＝[ti]，构建完全数据的似然函数：其中，N为样本数据总量，K为威布尔子分布数量，Z＝[Zik]，Zik为隐变量，并且当第i个观测数据来自第k个威布尔子分布，则Zik＝1，否则Zik＝0；θ为分布的参数集合，表示为θ＝(π1，...，πK；θ1，...，θK)，πk为第k个子分布加权因子，θk＝(αk，βk)表示第k个子分布尺度参数αk和形状参数βk；f(·|θk)为第k个威布尔子分布的概率密度函数；执行EM算法，通过给定失效数据T和当前参数估计值θ(j)求Z的条件概率P(Z|T，θ(j))，获取该条件概率的似然函数期望值Q：将该Q函数作为目标函数，建立混合威布尔分布参数估计的优化模型如下：maxQ(θ，θ(j))进一步的，执行EM算法过程中还包括：确定参数θ(j)第j次迭代值对应的Q函数，并对Q(θ，θ(j))进行极大化处理得到第j+1次迭代结果θ(j+1)，重复以上操作，直至收敛。进一步的，执行蒙特卡洛仿真算法，根据失效模型模拟机队中出现多重耗损失效的缺陷飞机数量DA包括：计算加权因子的累积概率其中q0＝0，k为威布尔子分布个数；对每架飞机生成服从[0，1]均匀分布的随机数r，确定r属于的概率区间[qk-1，qk]，得到飞机服从第k个威布尔子分布失效模式；执行逆变换模拟生成飞机故障时间其中，αk、βk分别为第k个子分布尺度参数、第k个子分布形状参数；统计机队中所有飞机在失效预测期间内的Tm数量，并将Tm多次模拟后的平均值作为缺陷飞机数量DA值。进一步的，构建贝叶斯网络对导致不安全结果的初因事件进行失效传播分析包括：分析飞机结构件由初因事件发展至不安全结果的失效传播链；将每一级中间失效对应于BN中各节点事件；选用特定符描述节点之间的因果关系，构建直观描述不安全结果发展的有向无环图。进一步的，计算初因事件发生条件下的不安全结果发生概率CP包括：通过变量消元法将BN联合分布分解为因子函数的乘积形式；获取经消元顺序将每个因子函数中相应变量消除的只含查询变量的因子乘积式；将初因事件设为证据变量，并将不安全结果设为查询变量，通过变量消元更新各节点分布并求出初因事件发生条件下的不安全结果CP值。进一步的，通过PSO优化EM算法包括：将PSO中每一个粒子的D维位置信息对应于参数θ；在算法初始化时，根据各参数的初始值确定粒子位置与速度的更新界限，并随机生成数量为popsize的粒子种群；将Q函数作为PSO的适应度函数，通过比较每代粒子的适应度值更新粒子，并保留适应度值最优的粒子；更新粒子至最大寻优次数，输出全局最优粒子位置作为本轮EM迭代的极大化结果。本专利技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1、针对多重失效模式开展运行风险评估，克服了现有风险评估方法只能应用于单一失效模式的缺陷；2、通过利用BN分析初因事件失效传播关系，避免了使用因果链分析多种中间失效同时发生时的繁琐过程；3、基于PSO优化的EM算法克服了常用的搜索和逼近算法难以解决混合分布参数估计问题的缺点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，其特征在于，包括：/n针对民用飞机结构件具有多重耗损失效的特点，利用机队运行中的失效数据，建立基于混合威布尔分布的飞机结构件失效模型，并基于PSO优化的EM算法进行模型参数估计；/n执行蒙特卡洛仿真算法，根据失效模型模拟机队中出现多重耗损失效的缺陷飞机数量DA；/n构建贝叶斯网络对导致不安全结果的初因事件进行失效传播分析，计算初因事件发生条件下的不安全结果发生概率CP；/n根据预定的损伤率IR和未检出率ND，计算得到机队风险水平R

【技术特征摘要】
1.一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，其特征在于，包括：
针对民用飞机结构件具有多重耗损失效的特点，利用机队运行中的失效数据，建立基于混合威布尔分布的飞机结构件失效模型，并基于PSO优化的EM算法进行模型参数估计；
执行蒙特卡洛仿真算法，根据失效模型模拟机队中出现多重耗损失效的缺陷飞机数量DA；
构建贝叶斯网络对导致不安全结果的初因事件进行失效传播分析，计算初因事件发生条件下的不安全结果发生概率CP；
根据预定的损伤率IR和未检出率ND，计算得到机队风险水平RT＝DA×ND×CP×IR。


2.根据权利要求1所述的一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，其特征在于，所述飞机结构件失效模型的构建包括：
利用失效数据T＝[ti]，构建完全数据的似然函数：



其中，N为样本数据总量，K为威布尔子分布数量，Z＝[Zik]，Zik为隐变量，并且当第i个观测数据来自第k个威布尔子分布，则Zik＝1，否则Zik＝0；θ为分布的参数集合，表示为θ＝(π1,...,πK；θ1,...,θK)，πk为第k个子分布加权因子，θk＝(αk,βk)表示第k个子分布尺度参数αk和形状参数βk；f(·|θk)为第k个威布尔子分布的概率密度函数；
执行EM算法，通过给定失效数据T和当前参数估计值θ(j)求Z的条件概率P(Z|T,θ(j))，获取该条件概率的似然函数期望值Q：



将该Q函数作为目标函数，建立混合威布尔分布参数估计的优化模型如下：
maxQ(θ,θ(j))





3.根据权利要求2所述的一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方法，其特征在于，执行EM算法过程中还包括：
确定参数θ(j)第j次迭代值对应的Q函数，并对Q(θ,θ(j))进行极大化处理得到第j+1次迭代结果θ(j+1)，重复以上操作，直至收敛。


4.根据权利要求1所述的一种面向多重失效模式的民用飞机运行风险评估方...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆中，吴雨婷，荘露，易阳，李超，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32