我國空間站工程量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作探討

李 健，欒家輝，劉春雷

(中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京市豐臺(tái)區(qū)100071)

1 引言

神舟十號(hào)的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國載人航天工程又向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。隨著我國載人航天工程的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜程度逐步提高、任務(wù)剖面更為復(fù)雜、在軌工作時(shí)間更長、環(huán)境更為嚴(yán)酷、航天員參與的程度更高，工程的風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增大。在載人航天器的研制與在軌飛行過程中，全面收集產(chǎn)品的相關(guān)信息，分析、評(píng)估航天器的風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)于減少事故的發(fā)生和故障的出現(xiàn)、提高載人航天器的安全性與可靠性、改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)都發(fā)揮著重要的作用。

PRA方法是一項(xiàng)高度集成的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)技術(shù)［1-2］，通過運(yùn)用FMEA、危險(xiǎn)分析、主邏輯圖等風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法，同時(shí)采用事件樹、故障樹、動(dòng)態(tài)故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等成熟的建模手段，綜合利用歷史數(shù)據(jù)、相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、在軌飛行數(shù)據(jù)與專家判斷等信息，描述系統(tǒng)的不確定性，量化評(píng)價(jià)工程中存在的風(fēng)險(xiǎn)(包括安全性風(fēng)險(xiǎn)、任務(wù)成功風(fēng)險(xiǎn)等)，同時(shí)確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，輔助工程改進(jìn)與系統(tǒng)升級(jí)，以風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)工程決策。PRA在核電、化工等技術(shù)難度大、對(duì)安全性要求較高領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，NASA已成功運(yùn)用了此項(xiàng)技術(shù)，尤其在載人航天這一對(duì)可靠性安全性要求較高的領(lǐng)域，NASA將PRA作為評(píng)估安全性風(fēng)險(xiǎn)與任務(wù)成功風(fēng)險(xiǎn)的有效工具，取得了十分顯著的成效［3］。深入了解NASA載人航天PRA的實(shí)施情況，研究其管理與技術(shù)方法，對(duì)PRA方法在我國載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用具有十分重要的意義。

2 PRA在NASA載人航天項(xiàng)目中的應(yīng)用

PRA作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在NASA的多個(gè)載人航天項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，其中，最具代表性的是在航天飛機(jī)、國際空間站與載人登月三個(gè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，三個(gè)項(xiàng)目分別是在設(shè)計(jì)階段、建造階段與成熟階段開展的PRA工作［4-6］。雖然均采用了成熟的PRA方法，但是，每個(gè)項(xiàng)目的工作重點(diǎn)與實(shí)施細(xì)節(jié)各不相同，充分體現(xiàn)了PRA方法在進(jìn)行不同類型、不同階段項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中的靈活性。

2.1 設(shè)計(jì)過程中的乘員探索飛行器

NASA在2006年5月完成了對(duì)乘員探索飛行器(CEV)執(zhí)行載人登月任務(wù)過程中的PRA，得到了航天員傷亡(LOC)與登月任務(wù)失敗(LOM)的發(fā)生概率。

NASA對(duì)此項(xiàng)目開展的PRA工作，正處于CEV的設(shè)計(jì)階段，此階段產(chǎn)品信息和數(shù)據(jù)信息十分有限。按照NASA的計(jì)劃，在2006年春開展設(shè)計(jì)評(píng)審，與此項(xiàng)PRA工作相吻合［4］，由此可以看出，CEV的PRA工作是為了對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)其安全性風(fēng)險(xiǎn)與任務(wù)成功的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。

通過輸入單機(jī)產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)信息，計(jì)算得到LOC與LOM的均值與90%區(qū)間估計(jì)［4］，如表1所示。

表1 載人登月任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Table 1 The result of CEV mission risk assessment

2.2 飛行器在軌組建過程中的國際空間站

國際空間站(ISS)的PRA工作分為四個(gè)階段。其中，7A構(gòu)型的PRA最為典型。下面以該階段PRA為例，說明ISS的PRA工作。該階段PRA完成于2000年11月，采用的產(chǎn)品與數(shù)據(jù)信息截止到2000年9月份，而ISS的7A構(gòu)型完成于2001年。從時(shí)間上可以看出，此時(shí)ISS正處于7A組建過程中，產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)信息較為完整，但缺少在軌飛行數(shù)據(jù)。在該階段開展PRA工作，是對(duì)即將完成的7A構(gòu)型的在軌運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)(主要為安全性風(fēng)險(xiǎn))進(jìn)行評(píng)估［5］。

NASA對(duì)ISS的7A構(gòu)型開展的PRA工作是為了對(duì)該構(gòu)型的安全性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估［5，7］，同時(shí)考慮到關(guān)鍵系統(tǒng)損害與壓力艙損壞等情況，識(shí)別ISS的初因事件，并針對(duì)每一初因事件建立事件鏈模型，描述事件發(fā)展過程，并確定機(jī)毀人亡(LOS)、航天員傷亡(LOC)、航天員應(yīng)急撤離(EVAC)、壓力艙損壞(LOM)、分系統(tǒng)失效(LOSys)和碰撞(COL)六種不良后果狀態(tài)。

通過PRA工作，NASA得到了以下評(píng)估結(jié)論［5］:

1)人類活動(dòng)形成的太空垃圾和自然形成的微流星體與空間碎片(MOD)是導(dǎo)致機(jī)毀人亡(LOS)的最大威脅;

2)疾病成為導(dǎo)致航天員傷亡(LOC)和航天員應(yīng)急撤離(EVAC)的主要原因;

3)由于ISS采用了可靠性設(shè)計(jì)方法，如冗余設(shè)計(jì)，即使某產(chǎn)品失效也不會(huì)直接導(dǎo)致LOS、LOC和EVAC等嚴(yán)重的后果狀態(tài)，而只會(huì)造成系統(tǒng)失效(LOSys)和密封艙失效(LOM)等一般的后果狀態(tài)。

2.3 成熟飛行中的航天飛機(jī)

航天飛機(jī)在“挑戰(zhàn)者”號(hào)失事后，經(jīng)過反復(fù)考量，才決定開展PRA工作。隨后，在1995年完成了初次PRA工作，并隨著航天飛機(jī)的飛行時(shí)間不斷延長，更改風(fēng)險(xiǎn)模型，補(bǔ)充飛行數(shù)據(jù)，更新評(píng)估結(jié)果，尤其在“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)失事后對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了更新［6］。

作為經(jīng)過百余次飛行的航天飛機(jī)，雖然出現(xiàn)了兩次致命的事故，導(dǎo)致機(jī)毀人亡，但作為載人天地往返運(yùn)輸工具，其技術(shù)相對(duì)成熟，并在飛行過程中出現(xiàn)過嚴(yán)重的問題，產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)信息十分充足。開展PRA的主要目的是對(duì)航天飛機(jī)的安全性進(jìn)行復(fù)核，評(píng)估機(jī)毀人亡的發(fā)生概率，同時(shí)尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

通過輸入單機(jī)產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)信息［6］，包括產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際飛行數(shù)據(jù)等，對(duì)模型進(jìn)行量化，得到后果狀態(tài)LOCV的評(píng)估結(jié)果，以及導(dǎo)致LOCV最小割集事件的重要度排序，以確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，支持設(shè)計(jì)改進(jìn)。

在1995年對(duì)LOCV的評(píng)估結(jié)果分別為1/131，在航天飛機(jī)成功執(zhí)行三年任務(wù)后，在1998年，LOCV的評(píng)估結(jié)果更新為1/239，但在2003年2月，“哥倫比亞”號(hào)失事后，對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行重新評(píng)估，其評(píng)估結(jié)果為 1/76［6］。

2.4 對(duì)比分析

對(duì)NASA三個(gè)載人航天項(xiàng)目的PRA工作對(duì)比分析的結(jié)果如表2所示［4-6］。由于三個(gè)項(xiàng)目的任務(wù)特點(diǎn)不同，開展PRA工作的任務(wù)階段也各不相同，在進(jìn)行評(píng)估時(shí)，CEV處于設(shè)計(jì)階段;ISS處于建造階段;航天飛機(jī)處于成熟飛行階段，并在飛行任務(wù)中出現(xiàn)了嚴(yán)重的問題。由于開展PRA的階段不同，能夠獲得的產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)信息的信息量不同，例如，CEV只有設(shè)計(jì)方案，而沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù);ISS具有部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù);航天飛機(jī)具有充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛行數(shù)據(jù)。

表2 NASA三個(gè)載人航天項(xiàng)目PRA工作對(duì)比表Table 2 Comparison of PRA in NASA’s three manned space flight programs

3 我國空間站工程開展PRA工作的幾點(diǎn)思考

PRA在國外載人航天風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中有著廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的成效。對(duì)于我國空間站工程也可借鑒PRA方法，以進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估范圍

風(fēng)險(xiǎn)的范圍十分廣泛，涉及眾多領(lǐng)域。而NASA對(duì)其載人航天項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，主要是針對(duì)安全性風(fēng)險(xiǎn)與任務(wù)成功風(fēng)險(xiǎn)，僅涉及與航天員安全與任務(wù)成功的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估航天員傷亡與任務(wù)失敗的概率，而PRA評(píng)估中均未考慮進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)與其它風(fēng)險(xiǎn)因素。

借鑒NASA經(jīng)驗(yàn)，我國空間站工程若開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也應(yīng)嚴(yán)格控制其范圍，立足于安全性與可靠性問題，通過PRA這一有效的集成評(píng)估工具，對(duì)各系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，量化航天員傷亡的概率與任務(wù)失敗的概率，同時(shí)回答安全性與可靠性的定量指標(biāo)。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案

3.2.1 工作規(guī)劃與評(píng)估重點(diǎn)

我國空間站工程的開展具有明顯的階段性，具體可分為綜合論證階段、方案階段、初樣階段、正(試)樣階段、組建階段、運(yùn)營階段等。通過分析國外多個(gè)載人航天項(xiàng)目在不同階段開展PRA工作的目的與評(píng)估思路的不同，結(jié)合我國空間站當(dāng)前的發(fā)展階段，將我國空間站量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的工作分為:綜合論證與方案階段評(píng)估、研制生產(chǎn)階段評(píng)估、組建階段評(píng)估與運(yùn)營階段評(píng)估4個(gè)階段。在空間站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的不同階段，由于階段特點(diǎn)與信息量的不同，其評(píng)估目的與實(shí)施重點(diǎn)也有所不同。在進(jìn)行PRA時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同階段的特點(diǎn)，充分利用該階段的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)信息，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)該階段的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)工程決策［8］。

1)綜合論證與方案階段

綜合論證階段與方案階段為空間站任務(wù)的最初階段，該階段設(shè)計(jì)方案尚未最終確定，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也十分有限，因此，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次可不必太深，其重點(diǎn)是對(duì)空間站的總體設(shè)計(jì)方案的合理性、新技術(shù)的可行性與成熟技術(shù)的繼承性等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。分析過程中，應(yīng)根據(jù)方案的詳細(xì)程度與可獲得數(shù)據(jù)的情況，并有效結(jié)合專家判斷，逐級(jí)展開PRA，識(shí)別主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，利用PRA建模技術(shù)和方法，初步形成空間站方案的事件鏈，對(duì)空間站的方案進(jìn)行初步的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析確定空間站項(xiàng)目的頂層風(fēng)險(xiǎn)，并提出降低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，為研制生產(chǎn)者選擇安全可靠的產(chǎn)品提供支持。

2)研制生產(chǎn)階段

與方案論證階段相比，該階段空間站的組裝與運(yùn)營方案已基本確定，并已逐步開展關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證工作，各單機(jī)與分系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷豐富，可支持空間站系統(tǒng)PRA的深入分析。因此，本階段應(yīng)在方案論證階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，利用PRA的技術(shù)和方法，豐富事件鏈模型，并充分利用空間站各組成系統(tǒng)的研制生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息對(duì)空間站的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和安全性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

3)組裝建造階段

空間站進(jìn)入組建階段后，確認(rèn)其系統(tǒng)狀態(tài)與研制生產(chǎn)階段的差別，并將收集到的實(shí)際飛行數(shù)據(jù)加入到模型中，使PRA模型得到擴(kuò)展。本階段的PRA還可根據(jù)在軌工作數(shù)據(jù)，對(duì)空間站組裝過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，提出降低空間站組裝風(fēng)險(xiǎn)的措施。隨著新的信息的增加，可以進(jìn)一步增強(qiáng)PRA模型的準(zhǔn)確性，以支持工程決策。

4)運(yùn)營階段

隨著新的在軌工作數(shù)據(jù)的不斷增加，不斷改進(jìn)PRA模型、修正PRA評(píng)估結(jié)果，提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。本階段的工作重點(diǎn)包括:①利用運(yùn)營過程中的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算和自動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控;②評(píng)估常規(guī)或應(yīng)急的操作、維修活動(dòng)等對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)和任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的影響，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的操作或維修策略;③評(píng)估不同的技術(shù)升級(jí)方案的風(fēng)險(xiǎn)，提出風(fēng)險(xiǎn)最小、效益最高的技術(shù)升級(jí)方案;④為空間站延壽策略提供風(fēng)險(xiǎn)決策數(shù)據(jù)支持。

通過運(yùn)營階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以提供空間站工作的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)，從而減小運(yùn)營階段風(fēng)險(xiǎn)，提高空間站工作的可靠性。

3.2.2 實(shí)施方案

由于各階段PRA的信息量不同，加之各系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)各異，導(dǎo)致PRA的分析與建模方法也有所不同。PRA的分析思路與建模方法歸納起來可分為以下兩類:

1)任務(wù)階段分析法

在明確評(píng)估目的與需求的基礎(chǔ)上，分析任務(wù)剖面，劃分任務(wù)階段，根據(jù)任務(wù)階段建立事件鏈模型，再將事件鏈中的每個(gè)階段通過故障樹、動(dòng)態(tài)故障或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法逐層展開，實(shí)現(xiàn)模型的量化。

2)關(guān)鍵事件識(shí)別法

在明確評(píng)估目的與需求的基礎(chǔ)上，采用FMEA、危險(xiǎn)分析、主邏輯圖等方法全面識(shí)別初因事件，并針對(duì)每一初因事件建立事件鏈模型，描述事件的發(fā)展過程。隨后根據(jù)事件鏈中的初因事件與中間事件，建立故障樹、動(dòng)態(tài)故障或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等模型，以實(shí)現(xiàn)模型的量化。

對(duì)于我國空間站工程，在安全性與可靠性方面，重點(diǎn)關(guān)注“單次乘組安全性”、“組建可靠性”與“運(yùn)營可用性”三個(gè)方面，而空間站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果應(yīng)能夠回答這三個(gè)指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)與工程決策。

參與空間站工程飛行任務(wù)的飛行產(chǎn)品包括空間站系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、載人飛船系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船系統(tǒng)等。在對(duì)空間站工程進(jìn)行分析的過程中，根據(jù)第2節(jié)國外三個(gè)典型載人航天項(xiàng)目的PRA可以看出，針對(duì)不同對(duì)象，PRA的最大不同在于事件鏈的建模方法，這是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。不同的事件鏈，體現(xiàn)著不同的評(píng)估思路。對(duì)于工程大系統(tǒng)，PRA可針對(duì)不同任務(wù)開展，根據(jù)具體任務(wù)，按照任務(wù)階段建立模型，例如:空間站三艙組裝建造任務(wù)、單次乘組任務(wù)、貨運(yùn)飛船補(bǔ)給任務(wù)等。而對(duì)工程各系統(tǒng)的PRA，則應(yīng)根據(jù)各自的任務(wù)特點(diǎn)，選擇合適的事件鏈建模方法。

對(duì)于工程大系統(tǒng)，“單次乘組安全性”和“組建可靠性”分別描述了航天員乘組飛行任務(wù)與空間站在軌組建任務(wù)，因此，PRA可根據(jù)具體任務(wù)，按照任務(wù)階段建立模型，采用任務(wù)階段分析法開展PRA工作;“運(yùn)營可用性”描述的是空間站的在軌運(yùn)營狀態(tài)，在運(yùn)營過程中，除了空間站系統(tǒng)需要正常工作外，還需要完成乘組輪換任務(wù)，以保證航天員能夠高效的完成在軌維修與實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以及貨運(yùn)飛船補(bǔ)給任務(wù)，以保證空間站的推進(jìn)劑、備品備件與其它貨物的補(bǔ)給，因此，“運(yùn)營可用性”由空間站系統(tǒng)在軌運(yùn)營、單次乘組任務(wù)、貨運(yùn)飛船補(bǔ)給任務(wù)共同保證，需要對(duì)其分別開展PRA，并綜合計(jì)算運(yùn)營可用性結(jié)果。

對(duì)于各系統(tǒng)的PRA，則應(yīng)根據(jù)各自的任務(wù)特點(diǎn)，選擇合適的PRA分析方法。其中，運(yùn)載火箭系統(tǒng)的任務(wù)是將航天器發(fā)射入軌;載人飛船系統(tǒng)的任務(wù)是執(zhí)行乘組輪換;貨運(yùn)飛船執(zhí)行物資補(bǔ)給任務(wù)，此三個(gè)系統(tǒng)的工作均具有明確的階段性，飛行時(shí)序相對(duì)固定，且均無法進(jìn)行在軌維修，因此，此三個(gè)系統(tǒng)可通過任務(wù)過程建立事件鏈模型，采用任務(wù)階段分析法開展PRA工作。對(duì)于空間站系統(tǒng)，在組建完成后，始終處于在軌運(yùn)營狀態(tài)，且能夠通過航天員在軌更換與維修活動(dòng)，保證其運(yùn)營的可用性，因此，對(duì)于空間站系統(tǒng)，可采用關(guān)鍵事件識(shí)別法開展PRA工作。

對(duì)于我國空間站的PRA思路如圖1所示。左邊第一列為工程的系統(tǒng)組成，列出了參與飛行任務(wù)的各系統(tǒng);第二列為各系統(tǒng)的任務(wù)與特點(diǎn)，對(duì)于工程大系統(tǒng)，需要完成空間站的組建任務(wù)，單次乘組任務(wù)與貨物補(bǔ)給任務(wù)，涉及空間站的13個(gè)系統(tǒng);第三列為每項(xiàng)任務(wù)或每個(gè)系統(tǒng)采用的PRA分析思路與方法;第四列為通過PRA能夠評(píng)估的安全性可靠性指標(biāo)。從圖中可以看出，“單次乘組安全性”與“運(yùn)營可用性”兩個(gè)總體指標(biāo)以及各系統(tǒng)的指標(biāo)，可通過對(duì)任務(wù)與系統(tǒng)的評(píng)估直接得到，而空間站的在軌“運(yùn)營可用性”的評(píng)估，需要空間站系統(tǒng)，以及單次乘組任務(wù)與貨物補(bǔ)給任務(wù)共同保證。

圖1 PRA工作思路Fig.1 Working consideration of PRA

3.3 案例分析

下面以“單次乘組任務(wù)”與“空間站系統(tǒng)”兩個(gè)不同的評(píng)估對(duì)象，分別說明“任務(wù)階段分析法”與“關(guān)鍵事件識(shí)別法”的分析思路與建模方法，以支持空間站工程的評(píng)估。

3.3.1 針對(duì)單次乘組任務(wù)的任務(wù)階段分析法

單次乘組任務(wù)是航天員乘組從地面發(fā)射到再入返回著陸的整個(gè)過程?？臻g站的安全性分析主要圍繞航天員的安全展開，空間站的組建與在軌運(yùn)營各項(xiàng)工作都是由航天員每班乘組往返飛行任務(wù)來完成的，而每次飛行任務(wù)中除了空間站系統(tǒng)本身可靠性在變化外(由于空間站系統(tǒng)在軌工作時(shí)間長，即使考慮維修，其可靠性也會(huì)隨時(shí)間增加而有所降低)，其他參與任務(wù)的系統(tǒng)在每次任務(wù)中都是相對(duì)獨(dú)立的。因此，對(duì)空間站工程中航天員安全性分析的出發(fā)點(diǎn)就是每班乘組飛行無論執(zhí)行的任務(wù)性質(zhì)(如在軌組裝、在軌維修、例行的乘組輪換、開展空間實(shí)驗(yàn)等)、任務(wù)持續(xù)時(shí)間長短(短期到訪或者長期在軌駐留)以及任務(wù)是否能夠完成，都要確保航天員能夠安全返回。

單次乘組任務(wù)可分為發(fā)射入軌、交會(huì)對(duì)接、在軌駐留、再入返回等過程，按照單次乘組任務(wù)過程，建立事件鏈模型如圖2所示。初因事件為任務(wù)啟動(dòng)，即火箭點(diǎn)火，每個(gè)任務(wù)過程作為事件鏈模型的中間事件，后果狀態(tài)初步定義為:LOC(航天員傷亡)、LOM(任務(wù)失敗)、OK(任務(wù)順利完成)。在風(fēng)險(xiǎn)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)初因事件與各中間事件進(jìn)行量化，獲得后果狀態(tài)的發(fā)生概率與其它風(fēng)險(xiǎn)信息。

3.3.2 針對(duì)空間站系統(tǒng)在軌運(yùn)營的關(guān)鍵事件識(shí)別法

對(duì)于空間站系統(tǒng)的PRA，采用關(guān)鍵事件識(shí)別法，通過初步構(gòu)建如圖3所示的主邏輯圖，將空間站的風(fēng)險(xiǎn)分為功能類風(fēng)險(xiǎn)、任務(wù)類風(fēng)險(xiǎn)、內(nèi)部災(zāi)害與外部事件、航天員受傷或喪失工作能力四類，并將每類事件逐層展開，直到識(shí)別出初因事件，再針對(duì)每個(gè)初因事件建立事件鏈模型。

圖2 單次乘組任務(wù)事件鏈模型Fig.2 The scenario of single crew rotation mission

下面以“內(nèi)部災(zāi)害與外部事件”中的核心艙遭受MOD撞擊后穿透為例，說明關(guān)鍵事件識(shí)別法的風(fēng)險(xiǎn)分析思路。初因事件為“核心艙穿透”，在核心艙穿透后，空間站會(huì)采取一系列措施，防止出現(xiàn)事故。定義后果狀態(tài)為:LOS(機(jī)毀人亡)、LOC(航天員傷亡)、EVAC(航天員撤離)與 OK(對(duì)空間站與航天員無影響)4種。建立事件鏈模型如圖4所示。在風(fēng)險(xiǎn)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)初因事件與各中間事件進(jìn)行量化，獲得后果狀態(tài)的發(fā)生概率與其它風(fēng)險(xiǎn)信息。

圖3 空間站系統(tǒng)PRA主邏輯圖(含頂層的四個(gè)層次)Fig.3 Top four levels of the space station PRA master logic diagram

圖4 空間站系統(tǒng)MOD穿透事件鏈模型Fig.4 The scenario of MOD penetration into the space station

以上兩個(gè)例子只是簡(jiǎn)要說明針對(duì)兩種不同類型的評(píng)估對(duì)象，采用的兩種不同的PRA思路。隨著研究的不斷深入，任務(wù)階段的不斷向前推進(jìn)，可用于PRA的產(chǎn)品信息與數(shù)據(jù)信息逐漸增多，對(duì)該模型可以不斷細(xì)化，使模型與任務(wù)的一致度不斷增加，使評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確、更為豐富。

3.4 工作建議

雖然PRA方法在核電、化工領(lǐng)域以及國外航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是，針對(duì)我國載人航天的發(fā)展特點(diǎn)，我國空間站要開展PRA工作，還存在著一定的困難，例如，數(shù)據(jù)信息不足、初因事件的識(shí)別缺少經(jīng)驗(yàn)積累等。因此，在現(xiàn)階段就應(yīng)采取相應(yīng)措施，加強(qiáng)信息的積累與經(jīng)驗(yàn)積累。

1)制定空間站風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)價(jià)規(guī)范與實(shí)施指南，統(tǒng)一工作思路;

2)根據(jù)載人航天發(fā)展經(jīng)驗(yàn)與空間站現(xiàn)有資料，識(shí)別空間站頂層故障模式，初步建立空間站系統(tǒng)初因事件列表;

3)針對(duì)頂層故障模式，明確風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略;

4)建立載人航天工程數(shù)據(jù)庫，積累載人航天用各類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)信息，包括飛行數(shù)據(jù)、地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)論

選取了NASA三個(gè)典型的載人航天項(xiàng)目所開展的PRA工作，對(duì)比分析了三個(gè)項(xiàng)目PRA開展的背景、實(shí)施的目的、方法與評(píng)估結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，分析我國空間站的特點(diǎn)，并針對(duì)安全性可靠性的指標(biāo)要求，提出我國空間站工程開展PRA工作的思路與分析方法，以評(píng)估空間站的安全性與可靠性，并支持設(shè)計(jì)改進(jìn)與工程決策。

［1］NPR 8705.5A TechnicalProbabilistic Risk Assessment(PRA)procedures for safety and mission success for NASA programs and projects［S］.Office of safety and mission assurance.2010

［2］劉金燕，鄭恒，鄭云青，等.基于概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的對(duì)接機(jī)構(gòu)可靠性評(píng)估［J］.載人航天，2012(3):41-45.

［3］NASA/SP-2011-3421 Probabilistic Risk Assessment procedures guide for NASA managers and practitioners［S］.NASA Headquarters Washington，DC.2011.

［4］Prassinos P G，Stamatelatos M G，Young J，et al.Constellation Probabilistic Risk Assessment(PRA):Design considerations for CEV［R］.OSMA-PRA-07-01，NASA Washington，DC.2006.

［5］O’Connor B，Smith C.International Space Station Probabilistic Risk Assessment［R］.NASA PRA workshop.2001.

［6］Fragola J R，F(xiàn)rank M V.Probabilistic Risk Assessment of the space shuttle，A study of the potential of losing the vehicle during nominal operation，final report［R］.NASA-CR-197808，science application international corporation.New York:Advanced technology division，1995.

［7］Fisher W F，Price C R.Space station freedom external maintenance task team final report［R］.Washington，DC:NASA Johnson Space Center，1990，7.

［8］ISO/WD 16193 Probabilistic Risk Assessment［S］.NASA Washington，DC.2004.