基于SNA的航空發動機空中停車文獻分析

徐吉輝，劉宇，陳玉金

(空軍工程大學大學 裝備管理與無人機工程學院， 西安 710038)

0 引 言

航空發動機作為飛機“心臟”和動力之源，在保證安全飛行中具有舉足輕重的地位。一旦發生故障，空中意外“拋錨”，輕則失去動力，重則機毀人亡。2015年9月19日晚，沈空航空兵某團在組織對抗空戰訓練過程中，一架某型單發戰機突發空中停車故障，飛行員在發生故障到完成高度351 m驚險一跳的198 s內兩次嘗試空中啟動、三次調整航向，但仍未能挽救戰機，導致發生二等飛行事故。

由于航空發動機工作條件嚴酷，具有高溫、高壓、大流場、高轉速的特點，導致故障易發、多發。發動機空中停車(以下簡稱空停)是對飛行安全影響最為顯著的故障事件之一，被民航界視為飛行事故征候的重要考核指標。空停事件主要指飛行過程中發動機出現非指令性停車，屬于發動機突發失效事件，其主要誘因可分為發動機自身故障、外界干擾和飛行人員誤操作等。隨著航空發動機技術的發展成熟，以及維修理念變革和發動機管理經驗的不斷積累，能夠保證每1 000 fh的空停率降低至0.006以下，但由于飛行總小時數的迅猛增長，空停事件的發生量仍達到每年近百起。

在航空安全研究領域，空停一直是研究的熱點。J.Miyano針對XF-2單發飛機的空中啟動進行試驗研究，結果表明該機型空中啟動點火時間、推力恢復時間和最大廢氣溫度符合相關標準要求，驗證了其在空中停車情況下再啟動的安全性；P.T.Roger等設計出針對傳感器系統故障的自動化診斷系統，能夠對降低空中停車率起到良好作用；黃郁華對空中停車的故障種類及原因進行了研究，并從適航審定和發動機狀態監控故障診斷方面提出預防措施；張永從發動機工程管理體系建設的角度對預防發動機空中停車進行研究，在對空停原因分析的基礎上，對發動機工程管理、航空公司運營管理、一線生產部門和飛行機組分別提出具體工作內容，具有實際指導意義；孫超等利用Bow-tie模型對空停事故進行分析，以供油系統故障為主要研究對象，找到薄弱環節的根本原因及可能導致的后果，達到降低事故發生概率、減少事故發生造成損失的目的；張辛以川航發動機工程管理為例，初創創新風險分級和動態管控方法結合的發動機空停風險評價和動態管控體系，有效防范空停風險，降低空停率；李書明等利用CBR-模糊綜合評判法對空中停車率進行預測研究，在充分利用數據信息的基礎上實現航空發動機設計初期的空中停車率預測。以上文獻均是運用特定的方法選取專題對航空發動機空停問題進行研究，但對發動機空停開展全維度、綜合性分析的文獻還不多見。

本文從大數據角度開展文獻研究，應用SATI3.2軟件對文獻關鍵詞矩陣化處理，應用Ucinet6.0軟件進行社會網絡分析和聚類分析，通過社會密度分析、中心性分析、聚類分析以及核心-邊緣等分析方法，對航空發動機空停研究領域內的主題進行分類，并對研究現狀及發展趨勢進行深度挖掘和預測分析。

1 數據來源及研究方法

本文以中國知網(CNKI.net)——高級檢索路徑下有關航空發動機空中停車研究的文獻作為統計數據來源，以主題“空中停車”為檢索詞，不限統計年限，截至日期為2020年4月10日，共檢索出文獻162篇，經過篩選甄別，剔除與研究主題無關的文獻資料，共得到157篇研究文獻，以此作為研究數據。選取文獻發表年限統計情況如圖1所示，可以看出：文獻總體分布呈波動上升趨勢，在1994年之前研究尚處于起步階段，成果相對較少；隨著空停發生頻次增加，相關研究日益受到關注，研究成果不斷涌現。由于部分文獻以具體空停事件為主要研究內容，因此文獻數量與空停事件的發生存在相對明顯的相關性。

圖1 文獻發表年限統計

應用SATI3.2軟件對選取文獻的關鍵詞進行頻次統計分析，并按頻次進行逆序排列，選取前50位的關鍵詞進行社會網絡圖分析，其中前30位高頻關鍵詞詞頻統計結果如表1所示。

表1 空中停車文獻高頻關鍵詞

在詞頻分析的基礎上，根據共詞分析原理構建共詞矩陣，應用Ucinet6.0軟件的變換-對分功能將共詞矩陣轉化為0-1共詞矩陣。利用0-1共詞矩陣開展航空發動機空停領域研究文獻關鍵詞的社會密度分析、中心性分析、凝聚子群分析以及核心-邊緣分析，進而分析本研究領域的研究熱點和發展趨勢。

2 關鍵詞分析

在得到0-1共詞矩陣基礎上，應用Ucinet6.0軟件的可視化-NetDraw功能繪制關鍵詞社會網絡分析圖譜，如圖2所示，其中方框代表文獻關鍵詞，且方框越大表示其中心性和關鍵性越強；方框間的連線表示關鍵詞之間的關聯性，且連線越粗表示關聯性越強；雙線表示關聯詞出現在同一篇文獻。

2.1 社會密度及中心性分析

社會網絡分析中的網絡密度指的是網絡中各節點之間聯系的緊密度，可通過網絡圖中實際存在的關系數與理論上最多可能存在的關系數相比得到，其取值范圍為[0,1]，且取值越大代表節點聯系越緊密。根據Ucinet6.0軟件計算出的網絡密度值結果為0.189 4，屬于密度低的網絡圖，表明發動機空中停車研究領域的關鍵詞之間的聯系不密切，說明該領域的研究內容廣泛，但研究深度尚有待加強。

圖2 關鍵詞社會網絡分析圖

中心性是度量整個網絡中心化程度的重要指標，越處于中心位置的節點對網絡的影響力越大，網絡中心性可以分為點度中心度、接近中心度和中間中心度三個指標。在關鍵詞網絡圖中，處于中心位置的關鍵詞對該研究領域的影響程度更大，更有可能成為研究重點，因此中心性分析方法也被廣泛用于研究趨勢預測。應用Ucinet6.0軟件分析得到的網絡中心性分析結果，如表2所示，該表以點度中心度、中間中心度、接近中心度、特征根向量為順序參考對關鍵詞進行排列。

表2 中心性分析結果

對表2參數進行分析如下：

(1) 點度中心度表示節點在網絡中的聯結數目，表征節點在網絡中所處地位，中心度越高的節點在網絡中越處于核心地位，對其他節點的影響程度越大。排除“空中停車”及其他與航空發動機、飛機相關的關鍵詞影響后，航空公司、航空運輸企業、雙發飛機、普惠公司、飛行試驗、飛行人員、試飛、機務維修、波音、飛行員、飛機維修、可靠性管理、全面質量管理、航空維修等關鍵詞的點度中心度較高，說明它們相對處于網絡中心位置，對整體網絡的構成起到核心關鍵作用，確保網絡中各節點的相互連接，這表明以上關鍵詞在航空發動機空中停車研究領域受到的關注度高。通過對相關文獻進行跟蹤分析可以看出，航空公司與航空運輸企業在相應文獻中同時出現的概率大，文獻主要研究內容集中于雙發延程飛行、減少維修差錯、提升發動機可靠性及建設發動機工程管理體系。航空公司和航空運輸企業作為航空發動機的使用維護單位，空停事件對其造成的經濟損失巨大，因此對空中停車故障的關注度較高。雙發飛機成為關鍵節點的原因在于雙發飛機延程飛行的研究，雙發飛機延程飛行在型號設計方面審定主要是依據發動機的可靠性、飛機系統設計和可靠性、有效性驗證飛行進行的，而在發動機可靠性衡量指標上選取的是空中停車率。例如，120 min的延程飛行其發動機需要滿足空中停車率小于5×10次/飛行小時；180 min的延程飛行需要滿足空中停車率小于2×10次/飛行小時。飛行人員作為直接參與飛行的機組人員，包括駕駛員(飛行員)、副駕駛員、飛行工程師、領航員、通信員等，受到空停事件的直接影響，也是處置空停事件的首要參與人員。空停事件發生后，飛行員的正確處置是保證人員和航空器安全的首要條件。發動機的空中啟動能力是飛行安全的重要保障，根據發動機定型試飛要求，飛行試驗時需要對發動機空中熱啟動和冷啟動能力進行驗證。普惠公司作為世界上著名的航空發動機供應商之一，為美國空軍和民航提供大量渦噴和渦扇發動機。通過文獻分析可以看出，國內文獻研究內容主要集中于對普惠公司生產的經典型號發動機的防空停設計及提高可靠性設計進行研究分析。波音公司作為世界上最大的民用和軍用飛機制造商之一，對航空發動機的使用需求是巨大的，為了確保生產飛機的可靠性和安全性，波音公司對空停更加關注和重視。飛機維修、機務維修及航空維修都是為了保證飛行安全而對飛機及其技術裝備進行一系列維護和修理的行為，這也是保持發動機良好工作狀態，避免發生空停事件的前提條件。可靠性管理和全面質量管理是從發動機全壽命周期角度出發，以可靠性和質量管理為重要關注點，避免空停事件的發生。

(2) 中間中心度表示節點的媒介程度，即節點在網絡中的中繼聯結作用。在排除搜索關鍵詞的影響后，排序相對靠前的關鍵詞分別為：可靠性、航空公司、航空運輸企業、渦噴發動機、無人機、普惠公司、飛行試驗、試飛、雙發飛機、機務維修、故障、飛行人員、波音、壓氣機等。可以看出絕大部分關鍵詞與點度中心度分析結果相同，表明這些關鍵詞不僅作為網絡的核心組成，也是連接網絡整體的重要橋梁，在網絡中發揮重要作用。新增加的關鍵詞主要在網絡中發揮連接作用，保證網絡的整體性，此類關鍵詞主要有：可靠性、渦噴發動機、無人機、故障、壓氣機等。相反，中間中心度為0的節點則代表其在網絡中必須依賴其內部的某個節點來與其他節點發生聯系。根據計算結果，此類關鍵詞主要有：故障樹、預防措施、直升機、軍用飛機、軸承、斷裂、連接螺栓。綜合此類關鍵詞可以看出，其和空中停車的聯系較為緊密，但從分類上看主要是定義飛機類型、具體分析方法及確定的失效部位和模式，在發動機空停研究領域缺乏廣泛性和代表性，導致其在網絡中處于較邊緣化的位置，無法起到明顯媒介作用。

(3) 接近中心度表示節點不受其他節點影響的測度，即相應節點與所有其他節點的接近性程度。排序相對靠前的關鍵詞分別是：航空公司、航空運輸企業、飛行試驗、普惠公司、雙發飛機、飛行人員、試飛、飛機維修、波音、飛行員、可靠性管理、機務維修、全面質量管理、航空維修等。可以看出絕大部分關鍵詞與點度中心度和中間中心度分析結果相同，尤其是與點度中心度關鍵詞全部重合。上述核心關鍵詞在整體網絡中與自身之外的其他所有節點接近性程度高，與其他關鍵詞之間的聯系路徑最短，處于網絡中心位置。

(4) 特征根向量是刻畫節點中心度以及網絡中心勢的一種標準化測度，能夠在網絡結構整體上確定出最核心的節點，其取值越大說明節點在網絡中越靠近中心位置。排序相對靠前的關鍵詞分別是：航空公司、航空運輸企業、飛行人員、飛行員、可靠性管理、航空維修、飛機維修、全面質量管理、機務維修、雙發飛機、波音、普惠公司、飛行試驗、雙發延程飛行、試飛等。與前述點度中心度、中間中心度和接近中心度分析結果相比較，大部分關鍵詞均出現重復。這說明上述關鍵詞在網絡中屬于較為核心的關鍵詞，相比而言更接近中心位置。

2.2 凝聚子群分析

在社會網絡分析中存在某些聯系緊密以至于結合成次級團體的節點，這種團體被稱為凝聚子群。凝聚子群分析就是分析網絡中存在凝聚子群的數目、子群內部各節點之間關系特點及子群之間關系特點等。通過Ucinet軟件中的CONCOR法進行凝聚子群分析，利用樹形圖表達各個位置之間的結構對等性程度，并且標記出各個位置擁有的網絡成員，輸出結果如圖3所示，其中縱向項目為關鍵詞及其序號，橫向數字為聚類級別。

從圖3可以看出：3級聚類分析結果共8個凝聚子群，剔除與空停研究關聯性較低的分組后剩下6個凝聚子群，分別為：①航空運輸企業、航空公司、機隊；②航空器、全面質量管理、飛機維修、飛行員、可靠性管理、飛行人員、航空維修、警戒值、機務維修、飛機發動機；③軍用飛機、故障、分析、航空發動機、可靠性、鏈接螺栓；④普惠公司、雙發飛機、停車率、壓氣機、飛機、飛行安全、試飛、波音、飛行試驗、狀態監控、雙發延程飛行、壓縮機、交通運輸安全；⑤故障樹、故障分析、渦噴發動機、無人機；⑥渦扇發動機、渦輪葉片、斷裂、預防措施、直升機、附件傳動機匣、軸承、自傳著陸、維修成本。在2級聚類分析結果中總共有3個凝聚子群，分別為{①②}、{③④}、{⑤⑥}。

圖3 凝聚子群分析樹狀圖

結合對樣本文獻的分析研究，通過凝聚子群分析可以得出以下結果：

(1) 在3級聚類級別下子群內關鍵詞數量差異較大，但在2級聚類級別下，子群內關鍵詞數量趨于平均。

(2) 子群①中關鍵詞數量僅為3個，均屬于廣泛意義上的發動機使用單位；子群②中關鍵詞主要集中于發動機管理及維修方面；在2級聚類級別下組合{①②}表明航空發動機的使用單位側重于從維修的角度開展空停研究。

(3) 子群③中關鍵詞側重于軍用飛機的可靠性和空停故障分析；子群④中關鍵詞數量最多，達到13個，主要側重于雙發延程飛行中發動機的可靠性研究，且研究關注點在于發動機的試驗驗證，以確保飛行安全；在2級聚類級別下組合{③④}表明發動機空停研究在民航和軍用航空領域均受到關注，但兩者在關注點上的側重有所不同，軍用航空領域研究成果更傾向于對特定空停事件的分析研究，而民航領域研究成果則更傾向于對特定發動機型號的防空停設計進行分析及發動機定型試飛試驗研究分析。

(4) 子群⑤中關鍵詞數量相對較少，為4個，主要側重于渦噴發動機、無人機空停故障分析；子群⑥中關鍵詞側重于渦扇發動機、直升機空停故障研究，且研究成果更為具體，多為針對具體空停事件或具體某一型號發動機的研究分析，研究結論具體到發現引發空停故障的部附件；在2級聚類級別下組合{⑤⑥}表明在無人機、直升機等類別的航空器中空停研究也受到關注，且相關研究方法及深度存在差異。

2.3 核心-邊緣分析

核心-邊緣分析是根據網絡中節點之間聯系的緊密程度，利用量化關鍵詞的方式確定其在網絡中所處的位置，一般分為以下三種：核心位置、半邊緣位置、邊緣位置。本文以特征根向量的值作為評判標準，具體分析結果如表3所示，可以看出：核心關鍵詞均為點度中心度較高的關鍵詞，驗證了分析結果的正確性。

表3 關鍵詞核心-邊緣分析結果

3 結 論

(1) 通過本文分析得到了發動機空中停車研究領域主要關鍵詞，其在社會網絡圖中處于核心關鍵地位，對其他節點的影響程度較大。

(2) 針對空中停車研究的側重點有所不同，空中停車研究在民航和軍用航空中均受到關注，但兩者的研究側重點有所差異，其中民航領域主要傾向于發動機防空停設計研究及驗證，軍用航空領域研究成果多集中于對具體空停事件的分析研究；同時，對于發動機使用維護單位則側重于從維修的角度開展防空停研究。

(3) 空中停車研究在無人機、直升機等非常規類飛機中也受到了關注，在研究方法和研究深度上存在差異。隨著無人機的快速發展趨勢，可以預見無人機防空停研究將成為空停研究領域的熱點問題。

(4) 通過對文獻的整體考量，我國軍機防空停研究成果與民航相比存在一定差距。隨著軍機適航工作的開展，在軍用航空領域的發動機防空停設計研究與驗證工作將會占有越來越重要的地位。