電液伺服作動器可靠性評估的貝葉斯網絡方法

李乃鑫, 陸中, 周伽

(1.南京航空航天大學 民航學院, 江蘇 南京 211106; 2.東方航空江蘇有限公司飛機維修部, 江蘇 南京 211113)

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電液伺服作動器可靠性評估的貝葉斯網絡方法

李乃鑫1, 陸中1, 周伽2

(1.南京航空航天大學 民航學院, 江蘇 南京 211106; 2.東方航空江蘇有限公司飛機維修部, 江蘇 南京 211113)

對機載電液伺服作動器可靠性評估方法進行了研究，提出了一種基于貝葉斯網絡的可靠性建模方法。分析了機載電液伺服作動器各部件失效特性，直接利用系統功能邏輯關系建立貝葉斯網絡可靠性評估模型。通過對簡單串聯系統與某型飛機副翼伺服控制器進行可靠性評估，證明提出方法的有效性。該方法與已有貝葉斯網絡可靠性評估模型方法相比建模簡便，計算復雜度低，是一種有效的可靠性評估模型方法。

系統安全性；機載系統；貝葉斯網絡；多狀態

飛行控制系統的高可靠性是飛行安全的重要保證。電液伺服作動器是電傳操縱系統的執行機構,是現代民用飛機飛行控制系統的重要組成部分。電液伺服作動器的故障可能導致滾轉控制、俯仰控制及偏航控制等重要飛機級功能的喪失，造成災難性的失效影響；對電液伺服作動器開展可靠性評估是飛行系統安全性評估的重要環節。

電液伺服作動器及其組成部件均具有多種不同的失效模式，并且這些失效模式會導致不同程度的失效影響，其失效呈現出典型的多狀態特性，而目前針對民用飛機系統開展安全性定量評估的方法如關聯圖分析、故障樹分析以及馬爾可夫分析不能夠很好地應用于多狀態系統的可靠性、安全性分析[1-2]。

貝葉斯網絡具備描述多狀態特性與非確定邏輯關系的能力[3-5]，本文將根據系統組成部件間功能邏輯關系，建立基于貝葉斯網絡的機載電液伺服作動器可靠性評估模型。首先對機載電液伺服作動器失效特性進行分析，利用貝葉斯網絡節點表示部件，節點之間的有向邊表示部件之間的功能邏輯關系，根據系統組成部件間的功能邏輯關系直接建立貝葉斯網絡，不需要在可靠性框圖或故障樹的基礎上構建貝葉斯網絡，建模過程簡便，并能保證網絡模型能夠正確反映部件間的邏輯關系。最后通過實例分析，驗證了使用本文方法的有效性。

1 電液伺服作動器失效特性分析

機載電液伺服作動器的主要功能是驅動舵面運動實現飛機滾轉、偏航、俯仰及升阻控制。

1.1 電液伺服作動器典型結構與工作方式

電液伺服作動器通常由伺服閥、電磁閥、模式轉換閥與作動筒等部分組成，其典型結構如圖1所示。

圖1 電液作動器功能框圖

電液伺服作動器有工作模式與阻尼模式2種狀態。工作模式下，電液伺服作動器的電磁閥與伺服閥同時接收飛控計算機信號，液壓油通過電磁閥驅動模式轉換閥，使伺服閥與作動筒油腔間油路連接，液壓油流經伺服閥與模式轉換閥、進入作動筒油腔，驅動作動筒活塞控制舵面運動；阻尼模式下，電磁閥關閉，模式轉換閥將阻斷伺服閥與作動筒油腔間的油路，作動筒將隨舵面運動。

1.2 閥類部件失效特性分析

伺服閥與電磁閥的作用是接收來自液壓系統的液壓動力，通過飛控計算機的電信號控制相應油路的開關與切換，確保通道端口具有所需的液壓動力輸出。模式轉換閥以電磁閥輸出的液壓動力為模式切換的動力源，在工作模式下將從伺服閥接收到的液壓動力向外輸出。閥類部件可能存在的失效模式有：①液壓輸出完全喪失；②液壓輸出部分喪失。

當閥體內部通道開關未能及時打開時，將出現失效模式①，此時閥門處于完全失效狀態。開關打開不完全或出現滲漏，將出現失效模式②，此時閥門處于部分失效狀態。

1.3 作動筒特性與失效模式

由模式轉換閥輸出的液壓動力作為輸入進入作動筒，驅動作動筒運動，由作動筒向舵面輸出力矩，驅使舵面作動。作動筒作為電液伺服作動器最終輸出端口，其失效與否直接代表電液伺服作動器是否失效。作動筒的失效模式有以下2種：①力矩輸出完全喪失；②力矩輸出部分喪失。

作動筒活塞卡死會導致作動筒輸出力矩完全喪失，作動筒完全失效，活塞屈服導致作動筒力矩輸出不足，作動筒部分失效。

1.4 電信號與液壓源的失效特性

電液伺服作動器的失效與否不僅與自身部件失效有關，作為信號源的飛控計算機與作為液壓源的飛機液壓系統同樣對其有一定影響。飛控計算機可能出現的失效模式有：①電信號喪失；②電信號錯誤。

飛機液壓系統可能出現的失效模式有：①液壓輸出完全喪失；②液壓輸出部分喪失。

2 基于功能邏輯關系的貝葉斯網絡可靠性模型

貝葉斯網絡是一種有向無環圖，其中節點代表隨機變量，節點間的邊代表變量之間的直接依賴關系。貝葉斯網絡采用圖形化的網絡結構直觀地表達變量的聯合概率分布及其條件獨立性，具有極強的概率推理能力。一般貝葉斯網絡可靠性評估模型須先對系統進行故障樹分析，在此基礎上建立模型，再進行后向推理，以求解頂事件的故障概率[5,7-8]，此類貝葉斯網絡模型稱為故障貝葉斯網絡(fault bayesian networks,FBN)。FBN模型的缺點是模型建立過程較為復雜，并且當貝葉斯網絡節點狀態較多時，會出現空間爆炸問題。文獻[5]提出了一種降低計算復雜度的方法，但是仍舊需要以故障樹為基礎且所述方法只針對二態系統。為解決這些問題，本文提出了一種直接依據系統各部分功能邏輯建立貝葉斯網絡可靠性評估模型的方法，并根據提出模型的結構特點，為貝葉斯網絡的節點引入特殊狀態，以避免空間爆炸問題出現。此建模方法有2個優點：

1)無需先對系統進行故障樹分析，節約了建模時間；

2)簡化了空間狀態，降低了計算復雜度，節約了計算時間。

電液伺服作動器各部分的功能是根據接收的信號或能量輸出相應的信號或能量，由其功能框圖可知，其部件間的邏輯關系可歸納為順連、分連、匯連3種結構。用貝葉斯網絡的節點表示部件，節點之間的有向邊表示部件之間的功能邏輯關系，則上述3種結構相應的貝葉斯網絡可表示為如圖2所示的形式。

圖2 貝葉斯網絡連接方式

電液伺服作動器的某一部件，如果只接收1個來自其他部件的輸入(如圖2順連或分連結構中的子節點C)，通常情況下該輸入不會是電信號；如果接收2個來自其他部件的輸入(如圖2匯連結構的子節點C),則這2個輸入中可能有1個為電信號。因此在順連與分連結構中，父節點表示的部件一般有輸出正常(用狀態1表示)、輸出部分喪失(用狀態n表示)、輸出完全喪失(用狀態0表示)3種狀態，子節點表示部件除上述3種狀態外還有由前級影響而導致輸出部分喪失(用狀態n+表示)、以及由前級影響而導致輸出全部喪失(用狀態0+表示)2種特殊的狀態。在匯連結構中，除以上狀態外，父節點還可能具有電信號喪失(用狀態0表示)與電信號錯誤(用狀態m表示)另外2種特殊狀態。

2.1 順連結構

在順連結構中，A的輸出作為B的輸入，電液伺服作動器的模式轉換閥與作動筒間的關系即為此類結構。部件A對部件B存在影響如下：

1)當A輸出正常時，B可能正常工作，也可能由于自身故障導致輸出完全喪失或輸出部分喪失；

2)當A輸出部分喪失時：①如B本身能正常工作，則B的輸出部分喪失；②如B本身故障導致其輸出部分喪失，則B的最終輸出將部分喪失；③如B本身故障導致其輸出完全喪失，則B部件的最終輸出將完全喪失；

3)當A輸出完全喪失時，無論B本身是否故障，其最終輸出均為完全喪失。

節點B的條件概率分布表(conditional probability diagram,CPD)如表1所示，表中，PB1、PB0、PBn分別為節點B處于狀態1、0、n時的概率且PB1+PB0+PBn=1。

表1 節點B條件概率分布表

2.2 分連結構

在分連結構中，A的輸出同時作為B與C的輸入。如液壓系統與電液伺服作動器中伺服閥、電磁閥之間的關系為此結構。子節點B與C同時受到父節點A影響且所受影響與順連結構類似。節點B的CPD同表1，節點C的CPD見表2，表1與表2相似，但表中概率不同。

表2 節點C條件概率分布表

2.3 匯連結構

在匯連結構中，A與B的輸出同時為C的輸入。如電液伺服作動器中電磁閥、伺服閥與模式轉換閥之間關系為此結構。對于匯連結構，需要討論3種情況：

1)A、B任一失效便對C產生影響

當A與B輸出均正常時，C可能輸出正常，也可能由于自身故障導致輸出完全喪失或輸出部分喪失。當A或B輸出部分喪失或完全喪失時，無論C本身正常與否，都會出現C輸出部分喪失或完全喪失的情況。

表3 節點C條件概率分布表

此時節點C的CPD如表3所示，表中，PC1、PCn、PC0分別為節點C處于狀態1、n、0時的概率且PC1+PCn+PC0=1。

2)A、B均失效才會對C產生影響

當A或B輸出正常時，C可能輸出正常，也可能由于自身故障導致輸出完全喪失或部分喪失。當部件A與B均出現輸出部分喪失或完全喪失時，無論C本身正常與否，也都會出現C輸出部分喪失或完全喪失的情況。

此時節點C的CPD如表4所示，表中，PC1、PCn、PC0分別為節點C處于狀態1、n、0時的概率且PC1+PCn+PC0=1。

表4 節點C條件概率分布表

3)A、B中有一個輸出為電信號

對電液伺服作動器而言，C一般同時接收來自A的液壓信號與B的電信號。C接收到正確的電信號后才能將液壓信號輸出。A可能出現液壓輸出完全喪失或液壓輸出部分喪失的情況；B可能出現電信號喪失或電信號錯誤的情況。C可能存在的狀態為液壓輸出完全喪失或部分喪失，以及由前端部件不能正常工作而引起C輸出不正常。前端部件不能正常工作導致C輸出不正常包括：A失效、B正常所引起液壓輸出部分喪失或完全喪失；A正常、B失效引起液壓輸出完全喪失；A、B均不正常引起的液壓輸出完全喪失。

表5 節點C條件概率分布表

節點C的CPD如表5，表中，PC1、PCn、PC0分別為節點C處于狀態1、n、0時的概率且PC1+PCn+PC0=1。

3 實例分析

3.1 簡單串聯系統

如圖3中所示為一簡單的串聯系統與其所對應采用FBN建模方法與本文建模方法建立的貝葉斯網絡模型。

圖3 串聯系統2種建模方法的比較

假設圖中系統各部件為二態部件，當采用FBN進行推理時，父節點X1,X2,…,Xn的狀態為正常或失效，則節點T的條件概率分布表中各個部件的狀態組合多達2n種，當部件數量較多時，將會為后期的推理計算增加難度。在基于系統各部分功能邏輯的貝葉斯網絡中，X1為父節點，其狀態為正常或失效，X2,X3,…,Xn為中間節點，此時除正常或失效2種狀態外，引入第3種狀態正常但不工作，這種狀態表示了節點所代表的部件本身沒有故障，但是由于前級部件失效而不能正常工作。此時節點T的狀態只由節點Xn決定，條件概率分布表中部件的狀態組合為3種，計算復雜度遠低于FBN模型。尤其在建立復雜結構多狀態貝葉斯網絡模型時，基于系統各部分功能邏輯的貝葉斯網絡模型建立方法較之FBN建模方法，有效的降低了模型的復雜度，節約了計算時間。

3.2 副翼伺服控制器可靠性評估

某型飛機副翼伺服控制器通過接收來自升降舵與副翼計算機的信號，控制飛機副翼運動，以完成飛機的橫滾控制，其結構如圖4所示。

圖4 副翼伺服控制器功能框圖

工作模式下，液壓系統供壓經過高壓閥流入副翼伺服控制器內部，飛控計算機發送電信號至電磁閥，液壓油經電磁閥將模式轉換閥頂到打開位置，使伺服閥與作動筒間油路聯通，液壓油得以驅動作動筒活塞運動。液壓油箱與單向閥不參與工作。

阻尼模式下，電磁閥關閉，液壓油無法經電磁閥到達模式轉換閥，模式轉換閥關閉，伺服閥中輸出液壓油無法通過模式轉換閥進入作動筒，作動筒處于隨動狀態。此時液壓油箱中液壓油經過單向閥補充到作動筒中。副翼伺服控制器主要故障模式可簡化為液壓或力矩輸出的完全喪失或部分喪失。各類部件的故障率見表6。

表6 副翼伺服控制器各故障模式故障率

該副翼伺服控制器的貝葉斯網絡可靠性模型見如圖5所示，圖中，信號源與液壓源節點分別表示飛控計算機與飛機液壓系統的狀態,作動筒狀態將決定副翼伺服控制器最終所處狀態。

圖5 副翼伺服控制器貝葉斯網絡模型

副翼伺服控制器各故障模式故障率見表6。

某飛機航段平均飛行時間約10 h，代入上述故障率，經使用變量消元法進行貝葉斯網絡正向推理得到副翼伺服控制器各狀態的后驗概率見表7。

表7 仿真結果

表7中，部分失效狀態下飛機副翼伺服控制器性能下降但仍能執行指定任務。阻尼狀態副翼伺服控制器不能完成指定任務，但飛機每側機翼安裝有2套副翼伺服控制器，其中一臺處于阻尼狀態則另一臺將開始工作，不會影響飛機安全運行。完全失效導致飛機副翼不能運動，將導致飛機處于不安全狀態。飛機每側副翼不能運動的概率為1.01×10-10/h，低于適航規定的飛機橫滾控制失效概率小于10-9/h的要求。

若使用FBN建模方法對副翼伺服控制器進行可靠性評估，須先對控制器進行故障樹分析后建立貝葉斯網絡模型，模型節點CPD狀態組合繁多，計算復雜度高，得到結果與使用本文可靠性評估方法相一致，證明本文方法更為快捷有效。

4 結 論

文章對電液伺服作動器各典型部件的失效特性進行了分析，確定了閥類部件、作動筒以及電信號與液壓源的典型失效模式。根據系統組成部件間的功能邏輯關系直接建立貝葉斯網絡，提出了一種新的貝葉斯網絡模型建立方法，與一般的FBN模型相比，該方法不需要在可靠性框圖或故障樹的基礎上構建貝葉斯網絡，建模過程簡便易行。通過引入“由前級影響而導致輸出部分喪失”與“由前級影響而導致輸出全部喪失”的節點狀態，極大降低了節點狀態組合的復雜度，節約了計算時間。最后通過實例分析將本文提出方法與故障樹分析方法進行比較，證明了本文方法的有效性。

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Reliability Assessment Based on Bayesian Networks for Electro Hydraulic Servo Actuator

Li Naixin1, Lu Zhong1, Zhou Jia2

1.College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China 2.Department of Aircraft Maintenance, China Eastern Airlines Jiangsu Limited, Nanjing 211113, China

The reliability assessment method of airborne electro hydraulic servo actuator is studied, and a reliability modeling method based on Bayesian network is proposed. First the failure characteristics of the system components are analyzed, then a Bayesian network model based on system functional logic is built. Cases of a simple series system and the aileron actuator of a type aircraft is given in terms proved the effectiveness of the method. The proposed modeling method is simple and low computation complexity comparison with general method based on Bayesian network, is an effective reliability assessment method.

system safety; airborne system; Bayesian network; multiple states

2016-03-03

國家自然科學基金(U1333118)、江蘇省自然科學基金(BK20130811)資助

李乃鑫(1990—)，南京航空航天大學碩士研究生，主要從事機載系統安全性的研究。

V37

A

1000-2758(2016)05-0915-06