飞机IDG可靠性参数估计方法对比研究

　　摘要：准确估计飞机整体驱动发电机(IntegratedDriveGenerator,IDG)的可靠性分布参数，对掌握该部件的故障变化规律和制定维修策略起到关键性作用。针对飞机IDG故障数据为小样本的特点，以威布尔分布为例，采用最小二乘支持向量回归机(LSSVR)、支持向量回归机(SVR)和最小二乘法(LSR)对飞机IDG进行可靠性参数估计。结合实例与蒙特卡罗仿真，对比分析3种参数估计方法的精度、运行时间以及样本量变化时的稳定性。结果表明，在小样本情况下，LSSVR的参数估计精度最高，LSR的运行时间最短;随着样本量的减小，3种参数估计方法的精度均有所减小，但LSSVR的稳定性最好。

　　关键词：飞机IDG;参数估计;小样本;LSSVM;SVM;LSR;威布尔分布

　　2020年初新冠肺炎疫情的突然暴发，对全球航空运输业造成了极大的负面影响，与航空运输业密切相关的航空维修业也受到了前所未有的冲击和挑战[1]。为落实我国对当前民航“保安全运行、保应急运输、保风险可控、保精细施策”的要求以及为后续航空市场的恢复做准备，不少维修单位开始调整对整机和航空附部件的维修计划。其中准确获取航空附部件的可靠性参数对调整维修计划起关键性作用。

　　飞机论文范例：飞机发动机机匣成型过程中形变分析

　　整体驱动发电机(IDG)作为飞机电源系统的核心部件[2,3]，为机载用电设备提供恒频交流电，其可靠运行是飞机安全运行的重要保障。因此，结合飞机IDG的故障数据特点，寻找可更加客观准确估计飞机IDG可靠性参数的方法，对提高飞机IDG的使用可靠性和制定经济合理的维修计划具有重要意义。针对飞机IDG这类关键航空附部件产品，可靠性要求高而能获取的历史故障数据较少，属于小样本范畴(30)[4]。目前工程实际中普遍采用最小二乘法(Leastsquareregression，LSR)对具有小样本故障数据特征的部件进行可靠性分析。文献[5]对竞争失效可靠度模型中的参数采用最小二乘法进行估计。

　　文献[6]通过对比分析中位秩公式和平均秩次法的拟合效果，运用最小二乘法对航空装备进行参数估计分析;随着现代应用统计学和计算机科学的发展，出现了不少针对小样本数据进行可靠分析的方法，文献[7]针对某机械产品的故障数据小样本删失的特点，建立了分布识别和参数估计模型利用支持向量机训练样本进而对数据进行预测扩充，最后利用扩充后的样本进行可靠性参数估计。

　　文献[8]使用支持向量回归模型对小样本故障数据进行威布尔分布MTBF估计;文献[9]将支持向量回归应用到风电机组的可靠性参数估计中，并提出该方法更适用于小样本数据的情况;文献[10]提出一种支持向量机的改进算法—最小二乘支持向量机对服从威布尔分布的发动机系统进行参数估计;文献[11]通过模拟仿真得到滚动轴承的数据，采用最小二乘支持向量机进行回归预测其剩余使用寿命。

　　目前在航空维修可靠性分析方面，较少考虑到部件的故障数据为小样本时对可靠性参数估计的影响。因此，本文在现有研究基础上，以某航空公司B737800飞机IDG部件的故障数据(可靠性指标故障间隔时间)为研究对象。以威布尔分布为例，对比分析最小二乘支持向量回归机、支持向量回归机和最小二乘法种方法的可靠性参数估计结果，找到更加客观准确的飞机IDG可靠性参数估计方法，为实际应用提供理论指导。

　　1飞机IDG的可靠性参数估计

　　1.1飞机IDG可靠性分布模型

　　威布尔分布可以描述产品部件处于浴盆曲线各个阶段的分布规律的特征，比其他的分布模型的适用范围更广，尤其适用于机电类产品失效的分布规律描述。研究和实践结果表明，飞机机电、液压等系统及其子系统、零部件大都适用威布尔分布来拟合[3,1。

　　1.2最小二乘法

　　最小二乘法(eastquaresegression，LSR)通过最小化观测值和拟合值之间误差的平方和，来寻找数据的最佳函数匹配，该方法对观测样本量无特定要求[1。

　　1.3支持向量机回归机

　　支持向量回归机(Supportectoregression，SVR)是通过一个非线性函数变换，将低维空间映射到高维空间，在高维空间找到线性可分的超平面，使得拟合点到超平面中最远的样本点的“距离”最小。

　　2案例分析

　　2.1飞机IDG部件介绍

　　飞机整体驱动发电机(IDG)又称组合驱动发动机，是目前国内外一些大中型客机供电系统中普遍采用的主要电源，如B737系列，A320等。本文以B737800机型作为研究对象，其中每架B737800飞机配备两台飞机IDG，分别位于左、右发动机附件轮箱上。飞机IDG主要由恒速传动装置(ConstantSpeedDrive，CSD)和交流发电机两大部分组成，主要工作原理为：恒速传动装置将变化的发动机转速转变为恒定的转速，然后通过交流发电机产生115V/400HZ的恒频交流电，以保障机载用电设备的正常运行。

　　2.2故障数据预处理

　　本文统计的故障数据来源于国内某航空公司45架B737800飞机电源系统的故障数据电子记录，记录时间为2015年月到2018年月。通过对该组故障数据记录归类、筛选预处理，从中提取出飞机IDG部件的故障发生时间、故障描述、维修措施和飞行时间等故障数据信息。最终得到飞机IDG部件的故障数据即同一机号同一位置的IDG部件相邻两次故障间的飞行时间(可靠性指标故障间隔时间)，共计15条，部分飞机IDG故障数据记录如表所示。

　　3蒙特卡罗仿真验证

　　为进一步验证种可靠性参数估计方法对比分析结果的准确性，对服从两参数威布尔分布的飞机IDG部件进行蒙特卡罗仿真[19]。

　　4结论

　　本文针对飞机IDG可靠性高而故障数据为小样本的特点，分别采用LSSVR、SVR和LSR对飞机IDG进行可靠性参数估计。通过实际案例分析以及蒙特卡罗仿真验证，对比分析了种方法的可靠性参数估计结果。可得以下结论：在飞机IDG可靠性参数估计中，当获取的故障数据属于小样本(30)、寿命分布服从两参数威布尔分布时，LSSVR的参数估计精度最高，SVR次之，LSR最低;在运行时间方面，LSR由于无需进行模型内的参数寻优速度较快，LSSVR次之，SVR较差。当样本量变化时，随着样本量的减小，种参数估计方法的精度均呈现减小的趋势。但LSSVR的参数估计精度受样本量变化的影响最小，具有较高的稳定性。

　　可知，当飞机IDG的故障数据为小样本时，采用LSSVR可获得较为客观准确的可靠性参数估计结果。根据本文研究结果可为航空维修单位制定飞机IDG相关维修计划提供理论依据，以节约维修成本提高飞机的使用效率;此外，该小样本故障数据情况下的可靠性参数估计方法还可以为飞机其他系统、附部件以及其他领域的高可靠性装备提供参考依据。

　　[参考文献]

　　[1]刘晓庆新冠肺炎疫情对全球航空业影响深远[N].中国航空报,202004247).LiuXQ.Thenewcrownpneumoniaepidemichasaprofoundimpactontheglobalaviationindustry.JournalfChineseAeronautics,202004247).(inChinese)

　　[2]白龙孙楚周元钧航空机电作动器的混合整流全状态反馈控制[J].航空学报,2016,376):19401952.BaiL,SunC,ZhouYJ.FullstatefeedbackcontrolofanovelhybridrectifierappliedtoaircraftelectricactuatorLoad[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(6):19401952.(inChinese)

　　[3]孔祥芬张利寒蔡峻青.EM算法下飞机IDG删失数据的可靠性分析[J].机械科学与技术,2019,387):11381142.KongXF,ZhangLH,CaiJQ.ReliabilityAnalysisofaircraftIDGfailuredatacensoredrandomlybyEMalgorithm[J].MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineering,2019,387):11381142.(inChinese)

　　作者：孔祥芬，刘敬赟，王杰，唐淑珍