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摘要：预警机自动飞行控制系统(AFCS)是一种可靠性和安全性要求极高的复杂实时控制系统，其对飞机航迹、姿态及速度的自动控制能力直接影响飞机预警精度与搜索效果。采用GO法定量分析某预警机AFCS的可靠性。首先阐述了某预警机AFCS的结构和工作原理，建立了其GO图模型；其次按照GO操作符的运算规则，采用状态概率法进行GO运算，并运用MATLAB软件进行数学建模和编程，通过对数据的运算处理，定量分析了某预警机AFCS正常运行的可靠度；再次利用FTA法，以预警机AFCS故障为顶事件，建立飞机AFCS的故障树图，根据故障树顶事件的计算方法，定量分析了某预警机AFCS正常运行的可靠度；最后将GO法和FTA法的可靠度计算结果进行对比分析，结果表明，GO法在某预警机AFCS可靠度分析中更加全面、精确，是一种有效的系统可靠性分析方法。
关键词：预警机；自动飞行控制系统(AFCS)；可靠性分析；GO法；FTA法
Reliability Analysis of Automatic Flight Control System of Airborne Early Warning Aircraft Based on GO Methodology
Wen Yiqun，Duan Fuhai※
(School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China)
Abstract:Airborne early warning aircraft(AEWA)automatic flight control system(AFCS)is a kind of complex real-time control system,which has high requirements to reliability and safety,and the automatic control ability to the aircraft course,attitude and speed directly influences warning accuracy and search results.In order to analysis the reliability of the AFCS of the airborne early warning aircraft quantitatively,GO(Goal-Oriented)methodology was adopted.The structure and principle of the AFCS of the AEWA were analyzed firstly,and the GO graph model of the AFCS of the AEWA was established.Secondly,according to GO operator operation rules,the reliability of the normal operation of the AFCS of the AEWA was analyzed quantitatively by using MATLAB software in mathematical modeling and processing the data.Thirdly,the fault tree analysis(FTA)methodology,which took the failure of AFCS as top event and built the FTA diagram of the AFCS,was used to calculate the reliability of the normal operation of the AFCS of the AEWA quantitatively according to the calculation method of FTA top events.Finally,the calculation results of the GO methodology and FTA methodology were compared.The result shows that the GO method is an effective method of system reliability analysis,and more comprehensive and accurate in the analysis of the AFCS.
Key words:airborne early warning aircraft;automatic flight control system(AFCS);reliability analysis;GO methodology;FTA methodology
0引言
预警机(Airborne Early Warning Aircraft，AEWA)的全称是空中指挥预警飞机，其设置了完备的远程警戒雷达任务系统，主要功能是对海上或是空中目标进行监视与搜索，同时对己方飞机进行有效的指挥，使之顺利执行作战任务。相较于常规的军用运输机，它在可靠性、航向控制精度以及飞行姿态精度等方面有更高的要求。随着飞行任务复杂性与飞机性能的不断提升，如果只依靠飞行员去操纵飞机，将分散飞行员注意力，无法有效地完成预警任务，必须由自动飞行控制系统(Automatic Flight Control System，AFCS)来全部或部分代替飞行员控制各舵面和动力装置，才能很好完成对飞机的操纵[1]。由于预警机承担作战指挥中心的作用，其AFCS失效或性能降低，可能导致预警精度降低，预警效果变差，轻则丢失目标，重则影响战场全局。
AFCS是飞机的重要组成部分，是飞机总体设计的主要内容，是一种可靠性和安全性要求极高的复杂实时控制系统，由电气、电子、机械和液压等部件组成，其核心是自动驾驶仪。无需飞行员实施干预，自动驾驶仪即可保持飞机的飞行姿态，主要用于稳定飞机的俯仰角、倾斜角和航向角，稳定飞机的飞行高度和飞行速度，能够与导航系统交联实现自动导航，按导航信息自动操纵飞机升降以及转弯，驾驶仪和地形雷达进行交联可以实现对于地形的自动跟踪，和仪表着陆系统进行交联可以实现自动着陆。其它功能包括自动配平、改平与增稳等。自动驾驶仪的组成包括惯性导航传感器、飞控计算机、驾驶仪放大器、执行机构舵机、综合反馈装置与操纵装置(驾驶仪操纵台和耦合器操纵台)等[2]。
现阶段，用来进行复杂系统可靠性分析的主要方法包括(Goal-Oriented，GO)法与故障树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)。其中，前者在20世纪60年代被提出，主要用来分析武器系统的可靠性。该方法主要基于信号流描述系统与GO操作符，结合了概率公式方法和状态概率组合法等，来开展可靠度概率计算，同时进行定量与定性的分析[3]。近年来，基于GO法的交叉理论研究不断深入，已衍化出了GO-FLOW法和模糊GO法[4]等。GO法的应用更加深入和广泛，且功能逐渐完善，使用更加简捷[5]。和FTA法相比，可以采用GO法来分析多状态且更加复杂的系统，尤其是在存在有液流、气流与电流等各种物流的系统中，采用它来进行可靠性分具有良好的效果[3]。例如，金霞等[6]通过该法来探讨了电动静液作动器所具有的可靠性；此外，初雨田等[7]通过该方法研究了舰载机折叠翼控制系统所具有的可靠性；李媛媛等[8]通过该方法对车用发动机增压系统所具有的可靠性进行了全面的探究；赵云云等[9]在该方法的基础上，对广州地铁同相牵引供电系统进行了深入的研究，着重探讨其可靠性问题；苏丽娟等[10]主要通过该方法来对CRH3动车组当中的辅助供电系统可靠性展开了深入分析；段富海[11]采用该方法研究了某型飞机电传操纵杆的余度问题。
本文利用GO法定量分析了某预警机AFCS的可靠性。分析了飞机AFCS的结构，参照相关的原理图将GO图模型构建起来，开展了可靠性的定量分析，同时还将所得结果与FTA法[12-13]展开横向比较分析，对该法在预警机的自动飞行控制系统可靠性分析方面所具有的准确及有效性进行研究。
1某预警机AFCS系统结构与工作原理
某预警机AFCS结构与工作原理如图1所示。整个系统由3个最基本的回路构成：伺服回路(舵回路)是驾驶仪的执行回路，含放大器和舵机；驾驶仪回路(内回路)实现系统的稳定与控制；导航回路(外回路)与惯性导航系统交联，主要实现航迹控制和各种模态控制。飞机AFCS传感器设备主要包括2套平台惯性系统和2套捷联航姿系统。
驾驶仪回路是一个具有独立功能的分系统，当接通自动驾驶仪时，驾驶仪计算机中的存储器将记忆飞机飞行的即时姿态，并把它作为基准值。由飞机上的传感器进行即时姿态的持续测量，再将所得数据传输至驾驶仪计算机中，并且和基准值进行对比，最终形成了控制指令。
导航回路通过飞机上的导航系统和驾驶仪回路来进行交联，主要的作用是实现对于飞行模态的自动控制。在已经接通了飞行模态之后，由计算机来接收交联系统与传感器的信号，再进行特定控制律计算，由此将会形成相关控制指令，并且向飞机驾驶仪计算机发送，最终实现了模态功能[14]。
2采用GO法分析某预警机AFCS可靠性
在运用GO法进行系统可靠性分析的过程中，首先需要根据系统结构和工作原理构建系统GO图；其次基于其操作符相关运算规则，遵循特定的信号流序列，对每个操作符逐步进行运算，来完成系统各状态的概率计算；最终，将可获得系统成功运行的精确概率[15]。
2.1 AFCS的GO图建模
在对AFCS主要组件功能进行分析之后，需结合17种操作符所具有的主要特点，转化系统原理图，得到图2所示的GO图[16]可靠性分析模型。在该图中，各个组件和GO法操作符之间所存在的对应关系和可靠性如表1所示。状态值0、1与2分别对应于组件的提前状态、成功状态及故障状态。
在图2中，通过第5类信号发生器操作符来代表指令信号与控制信号；此外，还通过第1类两状态单元操作符来代表执行机构、驾驶仪放大器、姿态传感器、模态传感器、机上交联系统、驾驶仪操纵台以及耦合器操纵台等，并且采用第3类触发发生器操作符表示飞控计算机和驾驶仪计算机。
2.2 AFCS的GO运算
图2中，一方面，信号5包含在信号12的输出表达式中；另一方面，信号12又反过来影响信号5的输出概率，这种现象即为信号反馈。本文采用直接将反馈断开，闭环变为开环，然后再沿信号流进行计算的方法。
根据表1所列的数据，本文采用了状态累积概率算法来开展GO运算[17]，那么关键信号流所对应的表达式具体为：
式中：PRj(i)为输出为i时信号流j的状态概率；PSj(i)为输入为i时信号流j的状态概率；Pcj(i)为操作符状态为i时信号流j的状态概率。
结合表1数据，计算得到
即飞机AFCS提前状态值为7.2×10-9；正常运行的概率为0.999 999 983 9。
3采用FTA法分析某预警机AFCS可靠性
作为重要的图形演绎法，故障树(FTA)法可被用来进行系统可靠性分析、风险评估及安全性分析等工作[13]。FTA法通过对系统的分析和建模，得到系统的FTA图，然后进行系统的可靠性分析，定量计算得出系统的可靠度。以某预警机AFCS故障为顶事件，建立飞机AFCS的故障树，如图3所示。
式中：λi为第i个事件发生概率；Pi为第i个事件不发生概率。
表2详细地列出了故障树当中各底事件的发生概率，通过故障树顶事件的计算方法可分别计算出飞机AFCS正常运行和失效的概率，即
4 GO法和FTA法的计算结构对比
GO法和FTA法都是有效的系统可靠性分析方法，二者都以图形的方式描述系统并进行建模，但对于不同的研究对象，适用性有一定差异。
(1)在建模过程中，GO法以成功为到导向，从GO图输入操作符的成功状态开始，假设系统各部件都处于正常状态，按照信号流序列，对每个操作符逐步进行运算，直至输出系统成功的状态概率；而FTA法是以故障为导向，以系统故障为顶事件，逐层分析故障原因，直至各底事件发生，并构建FTA图。
GO法更能清晰地反映系统各组件之间的逻辑关系，而FTA法更能清晰地描述系统故障的原因，方便故障维修排除。
(2)在定量分析时，GO法根据操作符的运算规则，按照信号流序列，采用状态组合算法或概率计算公式，可以直接分析计算出系统成功运行概率的精确值；而FTA法需先求出最小割集的概率，进而才能逐步计算出系统故障顶事件的近似概率值。
(3)由以上分析可知，GO法和FTA法分析的结果大体一致，但是仍有差异。究其原因：在GO法分析中，考虑了计算机在实际运行时可能会发生提前动作的情况，对应的系统产生动作的概率为7.2×10-9，而FTA法只能考虑部件的两种状态，即成功运行和故障，因此运用GO法分析系统的可靠性时更加全面。
5结束语
(1)预警机担负对海、对空目标的监视与搜索，并指挥己方飞机执行作战任务，由于其任务的特殊性和重要性，预警机对飞控系统的飞行控制精度、可靠性和安全性要求更高。
(2)分别采用GO法与FTA法定量计算了某预警机AFCS可靠性，同时还比较了它们各自的建模与计算过程，得出这两种系统可靠性分析方法所计算出的系统成功运行概率基本一致，最终全面地验证了GO法在该可靠性分析工作中具有良好的准确性与较高的可行性。
(3)飞机AFCS属于典型的多状态复杂系统，相比于FTA法只能描述两状态无时序系统，GO法不仅能很好地描述多种状态事件，同时还能应用于有先后顺序或时序要求的多状态复杂系统的可靠性分析，因此通过该方法来研究相关问题具有更好的科学合理性，更加贴近系统的实际工况。所以，GO法具有更高的精确性与真实度。
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