事故推演建模技术研究

 在总结现有事故模型、复杂系统特性分析的基础上,提出基于系统学的事故模型——事故推演模型,该模型强调从分析系统各组成部分的耦合关系及系统涌现特性的角度揭示事故是如何发生的。针对目前尚缺乏成熟的方法来支持基于系统学的事故分析的现状,建立了与事故模型匹配的事故推演建模方法,层次化面向对象的Petri网（HOOPN）,给出HOOPN的形式化描述,分析了HOOPN对事故推演建模的支持能力,介绍了基于HOOPN的事故推演建模程序。最后利用HOOPN建立民用航空器盘旋进近过程的事故推演模型,并对模型进行定性分析,验证该方法的适用性。     

一种基于参数辨识的微小型无人直升机建模方法

 针对具有高度非线性、复杂动力学特性的微小型无人直升机，提出了一种基于参数辨识的建模方法。该方法结合了机理建模和系统辨识的优点，通过严格的机理推导建立了微小型无人直升机横纵向通道通用的参数化模型，建模过程着重考虑了主旋翼、平衡杆和机身的耦合对飞行动态特性的影响。利用基于偏相干分析法的频域辨识获得某型无人直升机的关键参数，进而确定模型。模型预测数据和飞行试验数据的比较表明，所建模型很好地反映了该型无人直升机在悬停状态下的动态特性，可以在该状态下以此模型进行自主飞行控制器设计。     

磁控形状记忆合金动态建模及仿真研究

磁控形状记忆合金是一种新型功能材料,准确实用的动态模型的建立必然会为其进一步的应用奠定基础.然而由于其变形机理的复杂性,难以从其物理特性出发建模.因此以实验数据为基础,用最小二乘支持向量机回归建立动态模型,可以把磁控形状记忆合金动态建模问题转换为一个非线性小样本函数回归估计问题,并与BP神经网络在估计精度和泛化能力两方面进行了性能对比分析.仿真结果表明,最小二乘支持向量机在精度和泛化功能方面做到了最好的折衷,是用于磁控形状记忆合金回归分析建立其动态模型的一种很有效的方法.     

航空二冲程汽油发动机均值模型的试验与仿真

采用机理建模和试验建模相结合的方法建立了航空二冲程汽油发动机平均值模型.二冲程汽油机平均值模型主要分为3个动态子模块:燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道与曲轴箱扫气子模块和动力输出子模块.建模中考虑了簧片阀的建模,同时考虑了扫气过程中的短路损失,进行了空燃比的计算.对发动机动力输出、转速和空燃比进行了Matlab/Simulink仿真,仿真结果和实验数据吻合,证明了该均值模型的正确性.      

软式加油过程中软管鞭打现象数值模拟研究

对空中加油过程中软管锥套系统产生的鞭打现象进行了数值模拟.流场计算中的空间离散采用Osher格式,紊流模型采用S-A一方程模型;运用“刚杆-球铰”模型离散方法对软管锥套系统建模,建立了软管多体系统模型并推导其运动控制方程;采用一类基于相邻单元搜索算法,通过搜寻软管节点所在加油机尾流场网格的宿主单元,建立软管微段气动力与流场的联系.运用方法对软管锥套系统的动态特性进行了仿真,结果与国内外飞行试验结果相吻合.     

一种小型无人直升机动力学模型参数辨识方法

针对具有复杂动力学特性的小型无人直升机系统,提出了一种系统动力学建模方法。该方法通过机理建模确定小型无人直升机角动态模型结构,采用线性调频Z变换加窗函数的方法对频谱分析频带进行细化和幅值谱修正,设计了一种基于不同宽度窗函数的组合窗算法,减小了飞行试验数据频谱分析时随机误差对频谱估计的影响,最终利用偏相干分析的频域辨识方法得到待辨识的动力学模型参数。将所建立的动力学模型与飞行试验数据进行时域交叉验证,验证结果表明,所建模型很好地反映了小型无人直升机的动态特性,具有较高的准确度和适应性。     

加力式双转子混合排气涡扇发动机全状态数学建模技术

根据部件法建立了加力式双转子混合排气涡扇发动机全包线稳态数学模型.基于该模型,利用容积动力学原理,建立了起动数学模型.将该原理扩展到慢车状态以上,建立了包括起动、加减速、开关加力、停车等完整过程的全状态动态数学模型.以此为基础,给出了加力式双转子混合排气涡扇发动机在飞行包线内的高度特性.根据加力式双转子混合排气涡扇发动机原理,设计了简单的起动调节规律、加减速调节规律、加力调节规律及停车调节规律;计算了海平面标准大气条件下的从起动、加减速、开关加力、停车的完整动态过程.理论分析与仿真结果表明:该建模方法能够正确完成加力式双转子混合排气涡扇发动机的全包线的稳态计算和全状态动态计算,准确反映了该发动机在整个飞行包线内的全部工作过程.      

强瞬变空气系统的模块化仿真建模

提出一种针对强瞬变空气系统的模块化建模方法,该方法将空气系统模型分解为由规范接口互联的4类基本元件,并考虑了空气系统强瞬变过程中容腔效应和气体惯性力的耦合影响.基于面向对象的技术开发了仿真程序,并使用公开的数据对模型进行验证.结果表明:该仿真模型能够正确模拟空气系统强瞬变过程中的局部逆流、压力波传导、多容腔耦合振荡等毫秒时间量级物理现象,不仅如此,其模块化的设计特征也为进一步耦合精细的空气系统元件和建立复杂空气系统网络奠定了基础,该模块化仿真方法在航空发动机空气系统的复杂动态响应特性和机理的研究中具有切实应用前景.      

高超声速超燃冲压发动机实时模型仿真研究

给出了一种高超声速超燃冲压发动机实时模型建立方法.发动机采用基于特性的部件级建模思想，考虑了燃烧室的容积效应，其中，在计算进气道参数时给出一种计算激波角的方法，该方法能够一次得到激波角，不需数值解法，在保证精度的同时简化了计算过程.该发动机动态模型通过数值积分来完成，避免了循环迭代，提高了模型计算速度与实时性.以某超燃冲压发动机建模为例, 通过闭环仿真实验得到在动态过程中响应时间在1s左右，超调量为0.5%.仿真结果表明:该建模方法满足提高实时性的要求，有助于对此类发动机动态过程进行控制研究.      

多孔推进剂装药的动态压缩过程的数值研究

对约束条件下的推进剂多孔床中的动态压缩进行了数值分析。用两组连续混合非平衡流的理论建立了描述动态压缩过程的数学模型。用MacCormack有限差分方法求解了控制方程。以活塞撞击HMX多孔床为例，将数值结果、实验结果以及稳态分析结果进行了比较，证明模型能很好的预测稳态压缩波特性。研究结果有助于弄清高能推进剂的冲击波起爆、燃烧转爆轰的机理。     

基于STAMP/STPA的机轮刹车系统安全性分析

把机轮刹车系统在飞机降落过程中的安全性问题当作系统控制问题,不采用基于故障概率模型的事故模型,而是采用基于系统理论的事故模型和过程(STAMP),构建机轮刹车系统在飞机降落过程中的STAMP控制关联模型和系统理论过程分析(STPA)反馈控制回路。根据系统运行的上下文信息识别机轮刹车系统在飞机降落过程中的不安全控制行为,分析产生不安全控制行为的关键原因。对机轮刹车系统在飞机降落过程中的不安全控制行为进行仿真研究,结果表明了STAMP/STPA的有效性和用仿真方法分析安全性问题的可行性。     

基于HFACS的飞行事故人为差错分析方法研究

人为差错是飞行事故最主要的致因因素,分析飞行事故中人为差错特点,进一步采取预防措施,对于飞行安全至关重要。分析HFACS模型,把HFACS模型分解为两部分,包括飞行事故差错模式和差错成因。基于HFACS模型,结合专家主观评分法和灰色系统理论构建了适用于航空飞行事故的人为差错致因分析的综合分析模型。利用专家主观评分法对飞行操纵中的人为差错致因进行分析,利用灰色理论对飞行操纵人为差错的影响要素进行量化排序,并通过实例验证了所提出的方法的有效性。     

基于STPA的飞机交流系统供电转换安全性分析方法研究

飞机交流发电系统是整机的主要电力来源,应对其进行完善的安全性分析。传统安全性分析方法对系统组件间非线性交互引起的安全问题关注较少,当研制型号支持数据不足时,存在分析遗漏风险。根据典型交流发电系统供电转换过程基本特点,基于STPA方法构建安全控制结构图,识别不安全控制行为（UCA）,引入相似系统的失效模式及影响分析（FMEA）结果,分析UCA致因因素和致因场景,使用时间自动机理论的形式化工具进行系统建模与验证;通过专家评判及事故对比来验证该方法的正确性。结果表明：在传统分析方法的基础上引入STPA方法,能够有效识别出不安全控制行为和事故发生的原因,该方法可以作为传统方法的有效补充。     

基于BOWA小脑模型的高精度稳定 电动加载系统

 随着电动加载系统的不断发展,对控制精度、动态特性和稳定性提出了更高的要求,常规的小脑模型(CMAC)和PD控制相结合的复合控制策略难以满足加载指标要求。针对无人机舵机电动加载系统的控制需求,提出了一种基于平衡学习、最优权值和自适应学习率的新型小脑模型(BOWA-CMAC)复合控制策略,它在保留小脑模型算法正常学习过程的同时,避免了算法的过学习现象,保证了系统的稳定,同时提高了跟踪精度和动态特性。仿真和实验结果表明,BOWA-CMAC复合控制策略具有很强的鲁棒性,抑制了加载系统的多余力矩,保证了系统的稳定性,有效提高了系统的跟踪精度和动态特性,非常适合于实时控制。     

基于本体的空管系统防护分析研究与应用

由于空管工作任务的特殊性,对安全要求很高.为了提升空管系统防护水平,提出了一种基于本体的空管系统防护分析方法.基于防护性质的不同,将系统防护分为预防性防护、恢复性防护和事故减轻性防护,建立了空管系统防护模型.根据空管系统防护模型构建了空管系统防护本体,并自定义推理语句,实现空管系统防护分析的智能化.最后以乌伯林根空难为例详细说明了空管系统防护分析过程,并编写软件加以实现,验证了方法的有效性和可行性.     

基于贝叶斯网络的民航安全分析研究

安全在民用航空领域占有举足轻重的地位,直接影响民航企业的生存和发展。科学合理的安全分析便于及时发现民航领域存在的安全问题,预防航空事故诱发因素的萌生,提高民航安全管理的科学性和可操作性。根据民航安全的特点,建立了基于故障树的多态贝叶斯网络系统安全分析模型,综合运用诊断推理和因果推理形式,实现了定性与定量相结合的民航安全分析,通过航空灾难的实例验证了方法的有效性。在此基础上,提出采用区间型贝叶斯网络进行民航安全分析,克服了其他方法只能分析计算单点概率值的局限性,比传统的安全评估更客观,更有说服力。     

基于改进FRAM的民机系统安全性分析

民机安全性分析的重要内容之一是系统运行过程分析，现有的运营安全性分析模型大多没有综合考虑人、飞机、运行环境等各类影响安全性的因素。本文综合考虑系统安全性分析功能间的时间、控制、资源、前提等影响，更加细致地分析影响系统安全运行的因素，建立了全面且规范化定量化安全性分析模型。运用功能可变性描述规则（RFV）、层次分析法（AHP）对功能共振分析法（FRAM）进行改进，建立民机系统安全性综合分析模型。使用模型还原143号班机安全运行所需条件，分析得出应重点防范的耦合变异与功能失效，且扩展了原事故调查报告结论，表明了该模型的可行性，提出的理论模型可为航空公司在运营系统安全性方面提供理论参考和技术支持。     

Multiple hierarchy risk assessment with hybrid model for safety enhancing of unmanned subscale BWB demonstrator flight test

To explore the low-speed characteristics of the Blended-Wing-Body (BWB) configuration for future civil aircraft, a series of unmanned subscale demonstrators have been developed and tested by our research team. During this process, specific safety risks deriving from uncertain design features, system unreliability, and insufficient personnel experience caused continuous flight test mishaps and the risk mechanism was not clear. Local and trial-and-error learning driven safety improvements took few effects on mishap prevention, so our focus was turned to look for systematic safety strategies. This paper establishes a systems theory based hybrid model to integrate the physical system reliability analysis techniques with the system dynamics method for illustrating the multiple risk interactions of the demonstrator flight test involving organizational, human resource and technical system factors. Using the prior BB-5 demonstrator as a case, the hybrid model simulation represents its historical risk evolution process, which verifies the model rationality. Derived risk control strategies reduced the mishap rate of a new demonstrator called BB-6 Sprit. The paper also shows the extended hybrid model can be applied on safety management of unmanned aerial vehicles from the initial period of vehicle development.     

An integrated graphic–taxonomic–associative approach to analyze human factors in aviation accidents

Human factors are critical causes of modern aviation accidents. However, existing accident analysis methods encounter limitations in addressing aviation human factors, especially in complex accident scenarios. The existing graphic approaches are effective for describing accident mechanisms within various categories of human factors, but cannot simultaneously describe inadequate human–aircraft–environment interactions and organizational deficiencies effectively, and highly depend on analysts' skills and experiences. Moreover, the existing methods do not emphasize latent unsafe factors outside accidents. This paper focuses on the above three limitations and proposes an integrated graphic–taxonomic–associative approach. A new graphic model named accident tree(AcciTree), with a two-mode structure and a reaction-based concept, is developed for accident modeling and safety defense identification. The AcciTree model is then integrated with the well-established human factors analysis and classification system(HFACS) to enhance both reliability of the graphic part and logicality of the taxonomic part for improving completeness of analysis. An associative hazard analysis technique is further put forward to extend analysis to factors outside accidents, to form extended safety requirements for proactive accident prevention. Two crash examples, a research flight demonstrator by our team and an industrial unmanned aircraft, illustrate that the integrated approach is effective for identifying more unsafe factors and safety requirements.