多因素耦合诱发飞机功能危险建模仿真在系统安全性设计中的应用研究

Aircraft system safety design is the core content of the aircraft airworthiness requirements. In our nation, most of relative theory was learned from the United States civil aviation system and safety assessment methods and guidelines about equipment (SAE ARP 4761). These methods were based on reliability, but dynamic the analysis evolution process while the function hazard happening and the irreversible "chain reaction" in multi-factor coupled complex flight situation were not considered. Because of the severe difficulty of modeling and simulating, the research remains to be uncommon in aircraft safety design. This program integrated use method and theory such as modeling of system complex scenarios, reliability engineering, logic probability method, methods of extreme value theory, compromise the analysis techniques for dependability and safety dynamic simulation, then organic add the result to the procedure of aircraft system safety design. By research basic problem of modeling and simulation of the closed-loop aircraft-pilot-environment complex system under the situation of multiple factors, the key theoretic methods which include modeling of system complex scenarios, decoupling mechanism of multiple unfavorable factors and system safety integrated design new method will have key breakthrough, a series of methods centering on decoupling mechanism of multi-factor coupled induced flight accidents and on aircraft system safety design will be presented. The expected results can provide a theoretical support for enhancing the new aircraft airworthiness review and system safety design.

飞机系统安全性设计是航空器适航要求的核心内容。目前我国主要借鉴美国民用航空系统及装备安全性评估方法与指南（SAE ARP 4761），该方法主要是基于可靠性的理论与方法，没有考虑飞机发生功能危险时飞机的动态过程，以及多因素耦合复杂飞行情形下的"不可逆"的连锁反应特性。由于这部分建模仿真难度大，在飞机系统安全性设计中应用研究仍不多见。本项目综合应用复杂系统建模、可靠性工程、逻辑概率法和极值理论等理论方法，将可靠性分析和安全性动态仿真相融合，有机加入到飞机系统安全性设计流程中，通过基于多因素耦合情形下人-机-环复杂系统动力学特性与功能危险综合建模仿真基础问题研究，突破系统复杂情形建模、多因素耦合机制、系统安全性综合设计新方法等关键技术问题，探索一套多因素耦合诱发飞行事故的解耦机制和飞机系统安全性设计新方法。预期成果为提高我国新型飞机适航性审查与系统安全性设计提供理论支撑。

目前我国新型军、民用飞机的安全性系统设计的理论依据和技术路线主要借鉴欧美基于可靠性的飞机系统安全性设计方法（SAE ARP 4761），该方法未考虑飞机发生功能危险时的动态过程，以及多因素耦合复杂飞行情形下的“不可逆”的连锁反应特性。这严重制约着我国新型高端飞行器的研制及军用航空装备和航空技术的快速发展。.基于此，项目以多因素耦合诱发飞机功能危险的数学建模与仿真设计方法为研究对象，从人-机-环复杂系统的角度，将可靠性分析和安全性仿真相融合，有机加入到现有的飞机系统安全性设计流程中。完善了多因素耦合复杂飞行情形的人-机-环系统模型和不利因素模型。研究了复杂飞行情形下的驾驶员的操纵行为模型，建立了典型飞行安全关键系统的功能仿真模型。从耦合方式、发生概率和影响特性三个层面，建立了典型人因失误、装备故障和恶劣环境三类不利因素的数学模型。并综合应用软件平台和实物操纵杆舵，开发了一套多因素耦合情形下的虚拟试飞安全性分析系统，实现了人在环和不在环的多因素飞行情形系统安全性仿真。研究了多因素耦合的单个飞行情形风险评估方法，提出了一种随机自适应进化粒子群优化算法。考虑不利因素可修复性和出现次序性的缺陷，提出了修正的马尔科夫模型，并提出了一种适合于多因素耦合复杂飞行情形的风险定量评估的多因素风险情形树评估模型。在上述模型方法的基础上，探索了复杂飞行情形建模仿真与当前的飞机系统安全性设计相结合的综合系统安全性设计方法。.本项目的研究成果从理论上可为多因素耦合飞行事故发生机理及预测预防研究提供理论和方法；实践上可为新研制飞行器避免多因素耦合事故的系统安全性设计，以及飞行试验和飞行训练中的复杂情形安全保障提供客观分析和检验依据。