工业级无人机可靠性测试规范

1工业级无人机可靠性测试规范本文件描述了工业级无人机（以下简称“无人机”）可靠性测试的总体要求、测试要求、测试方法以及测试数据采集与处理的方法。本文件适用于各类工业级无人机的可靠性测试，包括但不限于工业巡检、物流运输、测绘勘探、农业植保等应用场景下的无人机。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T35018GB/T38152GB/T4087民用无人驾驶航空器系统分类及分级无人驾驶航空器系统术语数据的统计处理和解释二项分布可靠度单侧置信下限3术语和定义GB/T35018和GB/T38152界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1可靠性测试reliabilitytest在工业级无人机预期的工业应用环境下，通过一定时长的运行测试，验证无人机及其零部件可靠且功能和性能正常的测试。3.2工业应用环境industrialapplicationenvironment工业级无人机开展作业所涉及的各类环境，包括但不限于复杂地形环境（山地、丘陵、水域等）、恶劣气象环境（高温、低温、高湿、大风、沙尘等）、电磁干扰环境等。4缩略语下列缩略语适用于本文件。MFHBF：平均故障间隔飞行小时（MeanFlightHourBetweenFailures）MTBCF：平均严重故障间隔时间（MeanTimeBetweenCriticalFailures）5总体要求5.1测试目的2可靠性测试目的应包括：a)验证工业级无人机在工业应用环境下的可靠性；b)发现无人机在工业应用场景中存在的问题和不足，为设计改进和优化提供依据，实现可靠性增长；c)为工业级无人机的选型、采购、使用和维护提供可靠性数据支持。5.2测试大纲应编制工业级无人机可靠性测试大纲并获批准，规范可靠性测试要求、方法及数据处理等。测试大纲应包含：——测试目的；——测试周期；——测试项目；——测试内容；——测试条件；——测试方法；——数据处理与评定准则；——测试中断处理；——安全保障。5.3测试对象被试工业级无人机的构型应符合产品技术要求和工业应用场景的相关规定。被试无人机应配备工业作业所需的专用设备和系统，并经过出厂检验合格。5.4测试人员5.4.1测试人员应包含无人机操作员、维护保障人员、测试改装人员、可靠性专业人员、工业应用技术人员等。5.4.2无人机操作员应满足工业级无人机驾驶操控资质的相关要求，熟悉工业应用场景的作业流程；其他参试人员应具备相应的上岗条件和专业技能。5.5测试数据应全面收集可靠性测试中产生的数据，包含工作数据、故障数据、运行时间数据、工业作业任务相关数据等。5.6测试条件5.6.1环境条件环境条件应模拟工业级无人机实际作业的各类环境，包括复杂地形、恶劣气象、电磁干扰等环境条件，具体要求应符合研制合同或产品规范的规定。5.6.2其他条件测试开始前，应满足以下条件：a)已完成测试所需的测试改装，确保测试设备与无人机的适配性和数据采集的准确性；b)已完成测试所需的特情处置预案，针对工业应用场景中可能出现的突发情况制定相应的应对措施；c)无人机已经过一定时间的工业场景试运行，基本排除早期故障，状态稳定；d)测试场地应符合工业级无人机作业的相关安全规定，具备相应的安全保障设施。5.7测试报告测试完成后应编制测试报告，报告内容应包含：——测试目的；——测试内容；——测试时间地点；——测试人员；——测试方法；——测试过程与结果；——测试结论；——问题与建议；——工业应用适应性分析等。6测试要求6.1通则6.1.1可靠性测试要求一般应包括：a)定量评估；b)定性评价；c)可靠性测试飞行。6.1.2针对不同类型、不同工业应用场景的无人机，可选取不同的测试项目。可参见附录B中B.1的6.2定量评估定量评估一般应包括：a)平均故障间隔飞行小时（MFHBF）；b)平均严重故障间隔时间（MTBCF）；c)任务可靠度；d)无维修待命时间；e)工业作业效率相关可靠性参数（根据具体工业应用场景确定，如作业覆盖面积故障率、作业精度保持可靠度等）。6.3定性评价定性评价一般应包括：a)故障统计与分析评价；b)可靠性变化趋势分析；c)工业应用环境适应性评价；d)维护保障性评价；e)其他要求。6.4可靠性测试飞行4可靠性测试飞行应包括：a)适应性测试飞行：验证无人机在各种工业预期使用环境条件下运行的适应性，包括不同地形、气象、电磁干扰等环境下的飞行适应性；b)功能性能测试飞行：依据无人机工业应用的功能和性能要求，在规定的典型工业任务剖面条件下开展可靠性测试飞行；c)工业作业任务可靠性测试飞行：模拟实际工业作业任务流程，开展全流程的可靠性测试飞行，验证无人机在完成工业作业任务过程中的可靠性。7测试方法7.1定量参数评估方法7.1.1平均故障间隔飞行小时（MFHBF）MFHBF应通过测试飞行统计数据进行验证。采集可靠性测试期间无人机工作时间、故障信息等数据，进行故障责任属性的判定与统计，按式（1）计算MFHBF：TMFHBF式中：TMFHBF——平均故障间隔飞行小时，单位为小时（h）；T1——累积飞行时间，单位为小时（h）；r——累积责任故障数；α——显著性水平，除另有规定外，一般取0.2。7.1.2平均严重故障间隔时间（MTBCF）MTBCF应通过测试飞行统计数据进行验证。采集可靠性测试期间无人机工作时间、严重故障信息等数据，进行故障责任属性的判定与统计，按式（2）计算MTBCF：TMTBCF式中：TMTBCF——平均严重故障间隔时间，单位为小时（h）；rc——累积严重故障次数。7.1.3任务可靠度任务可靠度应通过测试飞行统计数据进行验证。应根据不同情况，采用不同的方法进行计算。a)开展可靠性测试飞行，飞行剖面采用无人机典型工业任务剖面，应按GB/T4087中基于二项分布的任务可靠度单侧置信下限的方法进行验证；测试飞行样本量应根据给定的任务可靠度要求和置信度计算得出，计算方法如下：1)当任务失败架次数F=0时，按式（3）计算任务可靠度：Rl=1-Y.............................................................(3)式中：Rl——任务可靠度；n——累计飞行架次数；Y——置信度，除另有规定外，一般取0.8。2)当F>0时，按公式（4）计算任务可靠度：一x1一Rlx=1一Y..........................3)当F=n一1时，式（4）可简化为式（3）；4)当F=n时，按公式（5）计算任务可靠度：Rl=0 b)未开展可靠性测试飞行，飞行剖面不固定，应采用基于MTBCF转换的方法进行验证，转换计算方法按式（6）计算任务可靠度：Rl=e一..........................................................(6)式中：TMTBCF——平均严重故障间隔时间，单位为小时（h）；t——无人机典型工业任务的时间，单位为小时（h）。7.1.4无维修待命时间无维修待命时间应通过专项测试的方式进行验证，一般要求在工业应用场景中常见的恶劣环境条件下（如高温、低温、高湿等）开展，测试次数不少于3次。测试方法如下：a)按飞行前准备要求对无人机进行检查，确保无人机达到可飞行状态；b)按照无人机正常停放要求停放，停放环境模拟工业作业现场的存放条件；c)记录无人机停放日期及停放期间的气象条件、环境状况等；d)停放规定时间后进行飞行前检查，记录检查结果；e)经飞行前检查后能达到飞行状态，则视为本次测试成功；若发现有责任故障，则视为本次测试失败。若全部测试均成功，给出无维修待命时间满足要求的结论，否则给出无维修待命时间不满足要求的结论。7.1.5工业作业效率相关可靠性参数应根据具体工业应用场景确定相应的评估方法。以农业植保无人机为例，评估方法参见附录A。7.2定性要求评价方法7.2.1故障统计与分析评价7.2.1.1对可靠性测试期间产生的故障，按照系统划分、故障发生时机、故障模式、故障后果、多发故障、工业作业场景关联度等分类方式进行统计，分析影响可靠性水平的主要因素。7.2.1.2应分析故障原因，采取改进措施，并根据故障验证测试飞行或随机使用测试飞行，对其纠正措施有效性进行评价。7.2.2可靠性变化趋势分析宜采用直方图、折线图、故障率曲线图、表格等不同形式给出可靠性变化趋势分析结果，结合工业作业任务的开展情况，分析不同作业阶段的可靠性变化特点。7.2.3工业应用环境适应性评价根据无人机在不同工业应用环境条件下的测试表现，从飞行稳定性、功能实现程度、性能指标保持等方面进行评价，分析无人机对工业应用环境的适应能力及存在的短板。7.2.4维护保障性评价6从维护难度、维护周期、维护成本、备件供应便利性等方面对无人机的维护保障性进行评价，结合工业应用场景的维护需求，提出优化建议。7.3可靠性测试飞行方法7.3.1应根据典型工业任务剖面开展可靠性测试飞行，任务剖面一般包含高度、速度、重量、重心、构型、工业作业任务流程等要素。可靠性测试飞行方法如下：a)按照无人机组成、功能及工业作业任务要求规划测试飞行科目，一般包括飞行控制系统、通信系统、电源系统、动力系统、液压系统、指示记录系统、导航系统、任务载荷、地面控制站、工业作业专用设备等科目测试飞行；b)采集测试飞行过程中产生的各类数据，包括飞行数据、作业数据、故障数据等；c)开展测试飞行出现问题的分析及归零验证；d)完成测试数据的处理分析及结果评定。a)除另有规定外，工业级无人机可靠性测试飞行时间规定参见附录B中B.2的内容。8数据采集与处理8.1数据采集可靠性测试数据采集内容一般包括：a)无人机飞行架次；b)无人机飞行时间；c)故障发生时间；d)故障件名称/型号；e)故障件累积工作时间；f)故障发现时机；g)故障现象；h)故障判明方法；i)故障原因；j)故障后果；k)故障责任属性；l)故障纠正措施及故障验证信息；m)作业面积；n)作业精度；o)作业效率；p)测试环境数据；q)其他数据。8.2故障判定与统计8.2.1责任故障判定准则如有以下情形之一的，则判定为责任故障：a)由于设计缺陷或制造工艺不良造成的故障；b)由于元器件潜在缺陷致使元器件失效而造成的故障；c)间歇故障；7d)系统性能输出正在降低、但仍然在规定的范围内，允许进行技术规范正常维护范围内的原位调整，如果调整超出技术规范正常维护范围或需离位进行，则为责任故障；e)所有非从属性故障原因引起的故障征兆（未超出性能极限）而导致的更换；f)机内检测装置的故障；g)无法证实原因的异常；h)软件缺陷引起的故障；i)由承制方提供的技术文件或设备不当引起的故障；j)工业作业专用设备设计或适配缺陷引起的故障。8.2.2非责任故障判定准则非责任故障判定准则如下：a)误操作引起的故障；b)测试设施及测试仪表故障引起的故障；c)超出设备工作极限的环境条件和工作条件引起的故障；d)修复过程中引入的故障；e)将有寿器件超期使用，使得该器件产生故障及其引发的从属故障；f)不可抗拒的自然灾害等外部突发因素引起的故障。8.2.3责任故障统计责任故障统计原则如下：a)当可证实多种故障模式由同一原因引起时，整个事件计为一次责任故障；b)已经报告过的由同一故障原因引起的故障，由于未能真正排除而再次出现时，与原来报告过的故障合计为一次责任故障；c)在故障检测和修理期间，若发现还存在其他故障而不能确定是由原有故障引起的，则将其视为单独的责任故障进行统计；d)设备的缺陷，若不丧失规定功能，并且能够按照维护规程通过飞行前或飞行后检查等予以原位修复的，不计入责任故障次数；e)当对故障采取了纠正措施，且累积足够的飞行小时表明纠正措施有效，经过使用方对故障纠正的认可并在同型无人机上得到落实后，则原计作的责任故障只保留一次。8.2.4严重故障判定准则严重故障是指影响无人机工业作业任务完成、飞行安全及造成重大损失的故障，如有以下情形之一的，则判定为严重故障：a)导致无人机发生坠毁或严重损伤的故障；b)引发地面财产损失和人员伤亡的故障；c)造成无人机失控、无法返航的故障；d)导致工业作业任务中断且无法在规定时间内恢复的故障；e)造成重大经济损失或不良社会影响的故障；f)其他可列入严重等级的故障。8（资料性）农业植保无人机作业效率相关可靠性参数评估方法A.1作业覆盖面积故障率按式（A.1）计算作业覆盖面积故障率：.................................................................(A.1)式中：λs——作业覆盖面积故障率，单位为次/公顷（次/hm2）；rs——测试期间累计作业覆盖面积相关故障次数；S——测试期间累计作业覆盖面积，单位为公顷（hm2）。A.2作业精度保持可靠度按式（A.2）计算作业精度保持可靠度：Rp................................................................(A.2)式中：Rp——作业精度保持可靠度；tp——测试周期内作业精度保持在合格范围内的累计时间，单位为小时（h）；T——总测试周期，单位为小时（h）。9（资料性）可靠性测试项目选取和测试飞行时间B.1可靠性测试项目选取工业级无人机可靠性测试项目选取见表B.1，结合主流工业应用场景的作业特性、环境复杂度及可靠性需求差异，明确各场景测试项目要求及核心参数评估指标。表B.1可靠性测试项目选取及工业作业效率相关可