基于GO法的某預警機飛控系統可靠性分析*

溫軼群，段富海

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024）

0 引言

預警機（Airborne Early Warning Aircraft，AEWA）的全稱是空中指揮預警飛機，其設置了完備的遠程警戒雷達任務系統，主要功能是對海上或是空中目標進行監視與搜索，同時對己方飛機進行有效的指揮，使之順利執行作戰任務。相較于常規的軍用運輸機，它在可靠性、航向控制精度以及飛行姿態精度等方面有更高的要求。隨著飛行任務復雜性與飛機性能的不斷提升，如果只依靠飛行員去操縱飛機，將分散飛行員注意力，無法有效地完成預警任務，必須由自動飛行控制系統（Automatic Flight Control System，AFCS）來全部或部分代替飛行員控制各舵面和動力裝置，才能很好完成對飛機的操縱[1]。由于預警機承擔作戰指揮中心的作用，其AFCS失效或性能降低，可能導致預警精度降低，預警效果變差，輕則丟失目標，重則影響戰場全局。

AFCS是飛機的重要組成部分，是飛機總體設計的主要內容，是一種可靠性和安全性要求極高的復雜實時控制系統，由電氣、電子、機械和液壓等部件組成，其核心是自動駕駛儀。無需飛行員實施干預，自動駕駛儀即可保持飛機的飛行姿態，主要用于穩定飛機的俯仰角、傾斜角和航向角，穩定飛機的飛行高度和飛行速度，能夠與導航系統交聯實現自動導航，按導航信息自動操縱飛機升降以及轉彎，駕駛儀和地形雷達進行交聯可以實現對于地形的自動跟蹤，和儀表著陸系統進行交聯可以實現自動著陸。其它功能包括自動配平、改平與增穩等。自動駕駛儀的組成包括慣性導航傳感器、飛控計算機、駕駛儀放大器、執行機構舵機、綜合反饋裝置與操縱裝置（駕駛儀操縱臺和耦合器操縱臺）等[2]。

現階段，用來進行復雜系統可靠性分析的主要方法包括（Goal-Oriented，GO）法與故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）。其中，前者在20世紀60年代被提出，主要用來分析武器系統的可靠性。該方法主要基于信號流描述系統與GO操作符，結合了概率公式方法和狀態概率組合法等，來開展可靠度概率計算，同時進行定量與定性的分析[3]。近年來，基于GO法的交叉理論研究不斷深入，已衍化出了GO-FLOW法和模糊GO法[4]等。GO法的應用更加深入和廣泛，且功能逐漸完善，使用更加簡捷[5]。和FTA法相比，可以采用GO法來分析多狀態且更加復雜的系統，尤其是在存在有液流、氣流與電流等各種物流的系統中，采用它來進行可靠性分具有良好的效果[3]。例如，金霞等[6]通過該法來探討了電動靜液作動器所具有的可靠性；此外，初雨田等[7]通過該方法研究了艦載機折疊翼控制系統所具有的可靠性；李媛媛等[8]通過該方法對車用發動機增壓系統所具有的可靠性進行了全面的探究；趙云云等[9]在該方法的基礎上，對廣州地鐵同相牽引供電系統進行了深入的研究，著重探討其可靠性問題；蘇麗娟等[10]主要通過該方法來對CRH3動車組當中的輔助供電系統可靠性展開了深入分析；段富海[11]采用該方法研究了某型飛機電傳操縱桿的余度問題。

本文利用GO法定量分析了某預警機AFCS的可靠性。分析了飛機AFCS的結構，參照相關的原理圖將GO圖模型構建起來，開展了可靠性的定量分析，同時還將所得結果與FTA法[12-13]展開橫向比較分析，對該法在預警機的自動飛行控制系統可靠性分析方面所具有的準確及有效性進行研究。

1 某預警機AFCS系統結構與工作原理

某預警機AFCS結構與工作原理如圖1所示。整個系統由3個最基本的回路構成：伺服回路（舵回路）是駕駛儀的執行回路，含放大器和舵機；駕駛儀回路（內回路）實現系統的穩定與控制；導航回路（外回路）與慣性導航系統交聯，主要實現航跡控制和各種模態控制。飛機AFCS傳感器設備主要包括2套平臺慣性系統和2套捷聯航姿系統。

圖1 某預警機AFCS原理

駕駛儀回路是一個具有獨立功能的分系統，當接通自動駕駛儀時，駕駛儀計算機中的存儲器將記憶飛機飛行的即時姿態，并把它作為基準值。由飛機上的傳感器進行即時姿態的持續測量，再將所得數據傳輸至駕駛儀計算機中，并且和基準值進行對比，最終形成了控制指令。

導航回路通過飛機上的導航系統和駕駛儀回路來進行交聯，主要的作用是實現對于飛行模態的自動控制。在已經接通了飛行模態之后，由計算機來接收交聯系統與傳感器的信號，再進行特定控制律計算，由此將會形成相關控制指令，并且向飛機駕駛儀計算機發送，最終實現了模態功能[14]。

2 采用GO法分析某預警機AFCS可靠性

在運用GO法進行系統可靠性分析的過程中，首先需要根據系統結構和工作原理構建系統GO圖；其次基于其操作符相關運算規則，遵循特定的信號流序列，對每個操作符逐步進行運算，來完成系統各狀態的概率計算；最終，將可獲得系統成功運行的精確概率[15]。

2.1 AFCS的GO圖建模

在對AFCS主要組件功能進行分析之后，需結合17種操作符所具有的主要特點，轉化系統原理圖，得到圖2所示的GO圖[16]可靠性分析模型。在該圖中，各個組件和GO法操作符之間所存在的對應關系和可靠性如表1所示。狀態值0、1與2分別對應于組件的提前狀態、成功狀態及故障狀態。

圖2 某預警機AFCS的GO圖

表1 某飛機AFCS操作符數據

在圖2中，通過第5類信號發生器操作符來代表指令信號與控制信號；此外，還通過第1類兩狀態單元操作符來代表執行機構、駕駛儀放大器、姿態傳感器、模態傳感器、機上交聯系統、駕駛儀操縱臺以及耦合器操縱臺等，并且采用第3類觸發發生器操作符表示飛控計算機和駕駛儀計算機。

2.2 AFCS的GO運算

圖2中，一方面，信號5包含在信號12的輸出表達式中；另一方面，信號12又反過來影響信號5的輸出概率，這種現象即為信號反饋。本文采用直接將反饋斷開，閉環變為開環，然后再沿信號流進行計算的方法。

根據表1所列的數據，本文采用了狀態累積概率算法來開展GO運算[17]，那么關鍵信號流所對應的表達式具體為：

（1）信號流5

式中：PRj（i）為輸出為i時信號流j的狀態概率；PSj（i）為輸入為i時信號流j的狀態概率；Pcj（i）為操作符狀態為i時信號流j的狀態概率。

結合表1數據，計算得到

即飛機AFCS提前狀態值為7.2×10-9；正常運行的概率為0.999 999 983 9。

3 采用FTA法分析某預警機AFCS可靠性

作為重要的圖形演繹法，故障樹（FTA）法可被用來進行系統可靠性分析、風險評估及安全性分析等工作[13]。FTA法通過對系統的分析和建模，得到系統的FTA圖，然后進行系統的可靠性分析，定量計算得出系統的可靠度。以某預警機AFCS故障為頂事件，建立飛機AFCS的故障樹，如圖3所示。

圖3 某預警機AFCS的FTA圖

由故障樹頂事件的計算方法可得：

整理可得：

故某飛機AFCS正常運行的概率為：

式中：λi為第i個事件發生概率；Pi為第i個事件不發生概率。

表2詳細地列出了故障樹當中各底事件的發生概率，通過故障樹頂事件的計算方法可分別計算出飛機AFCS正常運行和失效的概率，即

表2 各底事件數據

4 GO法和FTA法的計算結構對比

GO法和FTA法都是有效的系統可靠性分析方法，二者都以圖形的方式描述系統并進行建模，但對于不同的研究對象，適用性有一定差異。

（1）在建模過程中，GO法以成功為到導向，從GO圖輸入操作符的成功狀態開始，假設系統各部件都處于正常狀態，按照信號流序列，對每個操作符逐步進行運算，直至輸出系統成功的狀態概率；而FTA法是以故障為導向，以系統故障為頂事件，逐層分析故障原因，直至各底事件發生，并構建FTA圖。GO法更能清晰地反映系統各組件之間的邏輯關系，而FTA法更能清晰地描述系統故障的原因，方便故障維修排除。

（2）在定量分析時，GO法根據操作符的運算規則，按照信號流序列，采用狀態組合算法或概率計算公式，可以直接分析計算出系統成功運行概率的精確值；而FTA法需先求出最小割集的概率，進而才能逐步計算出系統故障頂事件的近似概率值。

（3）由以上分析可知，GO法和FTA法分析的結果大體一致，但是仍有差異。究其原因：在GO法分析中，考慮了計算機在實際運行時可能會發生提前動作的情況，對應的系統產生動作的概率為7.2×10-9，而FTA法只能考慮部件的兩種狀態，即成功運行和故障，因此運用GO法分析系統的可靠性時更加全面。

5 結束語

（1）預警機擔負對海、對空目標的監視與搜索，并指揮己方飛機執行作戰任務，由于其任務的特殊性和重要性，預警機對飛控系統的飛行控制精度、可靠性和安全性要求更高。

（2）分別采用GO法與FTA法定量計算了某預警機AFCS可靠性，同時還比較了它們各自的建模與計算過程，得出這兩種系統可靠性分析方法所計算出的系統成功運行概率基本一致，最終全面地驗證了GO法在該可靠性分析工作中具有良好的準確性與較高的可行性。

（3）飛機AFCS屬于典型的多狀態復雜系統，相比于FTA法只能描述兩狀態無時序系統，GO法不僅能很好地描述多種狀態事件，同時還能應用于有先后順序或時序要求的多狀態復雜系統的可靠性分析，因此通過該方法來研究相關問題具有更好的科學合理性，更加貼近系統的實際工況。所以，GO法具有更高的精確性與真實度。