航母飛行作業(yè)空間安全布局研究

王曉云，趙廷弟（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

航母飛行作業(yè)空間安全布局研究

王曉云，趙廷弟
（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

研究針對(duì)航空母艦飛行作業(yè)空間安全問題而開展。研究首先根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)劃分航母作業(yè)區(qū)域，針對(duì)飛行作業(yè)分析構(gòu)成空間危害因素的來源，提出一套度量危險(xiǎn)因素的空間關(guān)聯(lián)安全水平指標(biāo)，以便對(duì)危險(xiǎn)因素的空間關(guān)系進(jìn)行量化；然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)2套不同起飛作業(yè)布局進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；最后，并圍繞航母飛行甲板作業(yè)空間安全的典型問題進(jìn)行分析和討論。

航空母艦；飛行作業(yè)；空間布局；安全

1　航母作業(yè)特點(diǎn)概述

“尼米茲” 級(jí)航空母艦作為一型最具代表性的現(xiàn)代航母，其主要任務(wù)是利用有限的空間實(shí)施高強(qiáng)度的起飛和回收作業(yè)，并完成航空機(jī)務(wù)和地面保障工作。經(jīng)過數(shù)十年的不斷優(yōu)化完善，“尼米茲” 級(jí)航空母艦的安全水平已比早期航母大幅度提高，但飛行甲板作業(yè)仍然存在大量的危險(xiǎn)因素，屬于典型的高殘余風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜作業(yè)過程（見圖1）［1］。

艦載航空兵的起降作業(yè)均在長(zhǎng)度不足 300 m、寬不足 70 m的狹小飛行甲板上進(jìn)行。對(duì)于現(xiàn)代重型噴氣式作戰(zhàn)艦載機(jī)來說，由于跑道本身的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到常規(guī)起降要求，必須依賴額外的特種輔助設(shè)備如彈射器、攔阻裝置等才能安全進(jìn)行起降作業(yè)；需要利用機(jī)庫(kù)和升降機(jī)對(duì)戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行高效地調(diào)度周轉(zhuǎn)管理；同時(shí)，作戰(zhàn)艦載機(jī)的航空勤務(wù)保障，包括航空彈藥的掛載和卸載、航空油料的加注和排放、供電供氧等移動(dòng)保障設(shè)備和車輛作業(yè)也將在這一空間中進(jìn)行。在起飛作業(yè)的高峰時(shí)段，每隔 30 s即放飛 1 架艦載機(jī)，降落最密集時(shí)每隔 5 min完成 1 架固定翼艦載機(jī)的降落回收，飛行甲板區(qū)域?qū)⑼７?30～40 架艦載機(jī)，容納近 400 名參與保障作業(yè)的空勤人員。上述信息長(zhǎng)期以來僅憑調(diào)度指揮人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷和決策。

由于航母飛行甲板長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸上機(jī)場(chǎng)跑道，其空間和容量存在物理約束，需要在狹小擁擠的飛行甲板進(jìn)行艦載機(jī)的起降、場(chǎng)面調(diào)度和機(jī)務(wù)勤務(wù)等活動(dòng)，使得飛行甲板成為最危險(xiǎn)的工作環(huán)境之一。在狹小的作業(yè)空間內(nèi)，各類飛機(jī)、航空保障設(shè)備、作業(yè)人員的位置、狀態(tài)、構(gòu)型，其中的風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)超出了人員的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知能力。Cozzani 認(rèn)為系統(tǒng)作業(yè)布局工作是此類復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)防性和保護(hù)性安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。恰當(dāng)合理的布局可減少危險(xiǎn)源和潛在危害對(duì)象之間的交互，從而保證系統(tǒng)作業(yè)盡可能在低風(fēng)險(xiǎn)水平運(yùn)行。

圖1　起飛作業(yè)方案AFig. 1　Launching operation layout plan A

本文基于 Muther 的系統(tǒng)布局規(guī)劃方法（System Layout Planning， SLP），將航母作業(yè)空間安全布局問題定量化程［3］，并通過防護(hù)屏障和安全距離等手段來實(shí)現(xiàn)布局優(yōu)化［4］。研究不僅有利于識(shí)別系統(tǒng)危險(xiǎn)改進(jìn)空間布局設(shè)計(jì)，還將有力支持開展智能化的作業(yè)安全監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2　航母起飛作業(yè)空間安全

針對(duì)空間布局問題的安全評(píng)價(jià)不僅僅需要考察單個(gè)因素的異常事件，也不能簡(jiǎn)單地歸咎于2個(gè)危險(xiǎn)因素因位置相鄰而導(dǎo)致事故，還需要將危險(xiǎn)因素、系統(tǒng)和環(huán)境作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，形成完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

航母起飛作業(yè)空間安全分析將基于以下假設(shè)和前提：

1）討論基于航母作業(yè)空間二維平面空間開展；2）對(duì)危險(xiǎn)因素的方向特性不做考慮；

3）艦載設(shè)備的形狀一律作為圓形實(shí)體考慮；

4）除獨(dú)立承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)起飛控制任務(wù)的少數(shù)人員，將其他設(shè)備對(duì)應(yīng)的操作人員與設(shè)備作為一個(gè)整體考慮；

5）設(shè)備的位置不得超出給定的艙室或系統(tǒng)邊界；

應(yīng)用本研究提出的分析流程，對(duì)“尼米茲”級(jí)航母的飛行作業(yè)布局設(shè)計(jì)進(jìn)行空間安全性分析。

2.1作業(yè)空間的功能區(qū)域劃分

首先應(yīng)識(shí)別航母作業(yè)空間的系統(tǒng)物理邊界。在此基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)作業(yè)空間的劃分，圍繞同一作業(yè)、同一類危險(xiǎn)以及有形的物理隔離手段和邊界展開。根據(jù)作業(yè)要求，航母的航空保障作業(yè)主要包括以下區(qū)域：

1） 機(jī)庫(kù)：用于承擔(dān)艦載機(jī)存放和維護(hù)作業(yè)；

2） 飛行甲板：承擔(dān)起飛和降落回收功能，包括存在空間交叉的 4 條起飛跑道和 1 條降落跑道；

3） 舷側(cè)及尾部作業(yè)空間：作為人員通道、光電設(shè)備及防空系統(tǒng)的安裝平臺(tái)；

4） 艦橋：承擔(dān)飛行指揮、調(diào)度指揮、航行指揮功能。本案例的分析主要圍繞飛行甲板這一子區(qū)域開展。

2.2起飛作業(yè)對(duì)象清單及危險(xiǎn)因素識(shí)別

識(shí)別當(dāng)前區(qū)域中所有的對(duì)象和系統(tǒng)，給出區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)、設(shè)備的名稱和物理尺寸，建立清單。這里的系統(tǒng)包括參與作業(yè)的各類設(shè)備，以及留在現(xiàn)場(chǎng)但不參與作業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)。

通過傳統(tǒng)安全性分析方法，識(shí)別各個(gè)對(duì)象所包含的危險(xiǎn)因素。結(jié)合以往海軍航空兵事故的經(jīng)驗(yàn)［5］，本研究調(diào)研和開展了大量危險(xiǎn)性分析研究，可概括為如表1 所示的幾類危險(xiǎn)因素。

2.3空間安全分析

在起飛作業(yè)空間布局安全分析工作中，考慮到正在起飛戰(zhàn)機(jī)的危險(xiǎn)特性與待命、維護(hù)狀態(tài)的戰(zhàn)機(jī)存在差別，將預(yù)備起飛的戰(zhàn)機(jī)作為一個(gè)單獨(dú)對(duì)象，而待命的戰(zhàn)機(jī)群由于危險(xiǎn)性質(zhì)相似，則可以作為一個(gè)整體對(duì)象來討論。由此重新整理可得如下對(duì)象：H1為起飛線上的戰(zhàn)機(jī)，H2為待命機(jī)群，H3為航空油料站，H4為航空保障車輛；H5為作業(yè)人員；H6為軍械彈藥車；H7為警戒直升機(jī)。

表1　航空母艦的典型危險(xiǎn)因素類別Tab. 1　Hazards types on an aircraft carrier

危險(xiǎn)因素之間的最小安全距離可進(jìn)行量化，形成矩陣表格。按照系統(tǒng)對(duì)象的兩兩位置關(guān)系，將其可能的安全距離關(guān)系劃分為幾類，并定義其安全距離系數(shù)如表2所示。

對(duì)上述 7 類作業(yè)對(duì)象的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，得到對(duì)象兩兩之間的安全距離要求等級(jí)如表3 所示。

將它們轉(zhuǎn)化為安全距離系數(shù)矩陣 si，j，如表4 所示。

對(duì)上述各安全距離系數(shù)按照同一對(duì)象 Hi進(jìn)行綜合，得到每一種對(duì)象在作業(yè)空間中的綜合危險(xiǎn)指數(shù)，由此可獲知空間危險(xiǎn)關(guān)系的排序?yàn)椋篐1＞H2＞H3＞H4＞H5＞H6＞H7，即對(duì)航母起飛作業(yè)空間安全影響最大的因素為警戒直升機(jī)，其次為待命起飛的固定翼艦載機(jī)。

表2　安全距離系數(shù)定義Tab. 2　Definition of spatial safety metrics

表3　分系統(tǒng)之間的空間危險(xiǎn)關(guān)系Tab. 3　Hazards spatial interactions between sub-systems

表4　分系統(tǒng)之間的空間危險(xiǎn)關(guān)系系數(shù)Tab. 4　Spatial safety metrics between sub-systems

2.4評(píng)估備選的安全布局

在系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)作業(yè)安全的布局規(guī)劃中，存在若干約束和限制條件：1）系統(tǒng)的功能流程此時(shí)已經(jīng)基本設(shè)計(jì)完成，在布局規(guī)劃中基本無法更改系統(tǒng)所包含的對(duì)象類型和數(shù)量，能夠調(diào)整的只有對(duì)象自身位置和相鄰關(guān)系；2）系統(tǒng)中一部分設(shè)備的布局位置也有可能已經(jīng)確定，包括已經(jīng)固定安裝、成為作業(yè)場(chǎng)地一部分的航空輔助設(shè)備，如航空油料保障站位。這類設(shè)備會(huì)與作業(yè)場(chǎng)所形成固定的組合，因而成為其他設(shè)備的布局禁區(qū)；例如升降機(jī)在升起時(shí)成為飛行甲板的一部分，在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)禁止其他設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)的甲板區(qū)域；3）系統(tǒng)作業(yè)空間的邊界和形狀也是安全布局規(guī)劃必須考慮的約束。

初始的起飛作業(yè)布局如圖2 所示。這一布局方案的特點(diǎn)是一架固定翼艦載機(jī)在彈射器上預(yù)備起飛，起飛控制指揮人員位于艦載機(jī)前側(cè)方進(jìn)行起飛保障；待命戰(zhàn)機(jī)全部在起飛線后方待命，所有航空油料車輛、航空保障車輛和航空彈藥車輛伴隨待命戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行各類航空機(jī)務(wù)任務(wù)。警戒直升機(jī)在飛行甲板左舷值守，承擔(dān)事故搜救的功能。

圖2　起飛作業(yè)布局方案 BFig. 2　Launching operation layout plan B

對(duì)這一布局進(jìn)行分析，得到布局方案中對(duì)象之間的空間關(guān)系（在此表征為間距）如表5 所示。

表5　綜合危險(xiǎn)值Tab. 5　Hazard metrics of sub-systems

根據(jù)表6 起飛作業(yè)布局設(shè)計(jì)方案 A 的實(shí)際布局設(shè)計(jì)，參照表4 分系統(tǒng)之間的空間危險(xiǎn)關(guān)系系數(shù)，識(shí)別其中空間位置沖突的空間關(guān)系，統(tǒng)計(jì)該布局方案的總危險(xiǎn)值為：

表6　起飛作業(yè)布局設(shè)計(jì)方案A的空間關(guān)系Tab. 6　Spatial relations of launching operation layout plan A

其中，

可得到這一方案的空間危險(xiǎn)值為 S = 5.00，其中軍械彈藥保障車輛等屬于超限的沖突項(xiàng)。

為消除系統(tǒng)使用布局中的沖突，降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)水平，對(duì)起飛作業(yè)的甲板布局進(jìn)行調(diào)整，得到作業(yè)布局方案 B 的空間關(guān)系，如表7 所示。這一方案的特點(diǎn)是：待命機(jī)群位于起飛線的側(cè)前方；將航空保障車輛和軍械彈藥保障設(shè)備等布置于遠(yuǎn)離起飛線的艦島后方，不僅保證較遠(yuǎn)的距離，同時(shí)還利用艦島建筑為車輛提供起飛飛機(jī)高溫高速燃?xì)獾钠帘畏雷o(hù)。經(jīng)過評(píng)估發(fā)現(xiàn)這一方案的空間危險(xiǎn)分值明顯降低。

這一方案實(shí)際也是目前“尼米茲”級(jí)航母的作業(yè)空間布局。

表7　作業(yè)布局設(shè)計(jì)方案 B 的空間關(guān)系Tab. 7　Spatial relations of launching operation layout plan B

3　討　論

本研究通過建立量化的空間影響關(guān)系，識(shí)別航母起飛作業(yè)中對(duì)空間影響最大的危險(xiǎn)因素，并對(duì)不同的作業(yè)布局方案的安全性進(jìn)行了量化評(píng)估。通過分析結(jié)果可見，美國(guó)海軍“尼米茲”級(jí)航母的現(xiàn)有的甲板作業(yè)空間布局比較成熟，吸取了多年來各類事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，作戰(zhàn)飛機(jī)、保障戰(zhàn)位、保障車輛和人員的位置分隔合理，防護(hù)措施和距離能夠滿足正常作業(yè)和特情情況下的空間安全性要求。

研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于航母等空間狹窄的艦艇空間安全性設(shè)計(jì)問題，存在以下特點(diǎn)［6］：

1）航母作業(yè)空間中已有的危險(xiǎn)源，通常很難采用移除或替代設(shè)計(jì)。原因在于航空保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)為滿足具體功能需求，子系統(tǒng)、設(shè)備、材料等要素必須保留，工程上完全消除危險(xiǎn)源不具備可行性；

2）對(duì)航母空間進(jìn)行布局優(yōu)化是有效的危險(xiǎn)控制措施。雖然航母各個(gè)子系統(tǒng)和作業(yè)過程已經(jīng)設(shè)計(jì)固化，但可以通過對(duì)設(shè)備人員布局的調(diào)整優(yōu)化，降低可能的危險(xiǎn)水平。其中最典型的策略包括作業(yè)時(shí)序上的隔離以及空間上的隔離。

3）航母作業(yè)空間布局還可降低危險(xiǎn)的后果，通過建立物理屏蔽和安全距離，減少或消除危險(xiǎn)事件對(duì)作業(yè)人員和航空保障設(shè)備的損傷。

4）空間利用效率與安全性存在矛盾。2個(gè)布局方案中，A 方案提供的飛行甲板活動(dòng)空間更大，作業(yè)效率最佳，但安全性較差。

4　結(jié)　語(yǔ)

在工程實(shí)踐中，航母的空間作業(yè)安全面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，飛行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)通常優(yōu)先考慮出動(dòng)架次率等效率問題，要求相關(guān)的航空保障設(shè)備和人員等對(duì)象之間的移動(dòng)距離盡可能縮短；同時(shí)，由于起飛作業(yè)區(qū)域的甲板空間已經(jīng)相對(duì)確定，作業(yè)范圍和邊界存在物理約束，將對(duì)空間安全問題的解決帶來限制。此外，由于航母作戰(zhàn)任務(wù)需求的變化，需要利用有限的空間對(duì)飛行作業(yè)流程相關(guān)的裝備、系統(tǒng)和部件進(jìn)行重新布局，以便適應(yīng)不同的任務(wù)要求。布局的變化不僅可能導(dǎo)致飛行作業(yè)暫?；蛑兄梗易兏蟮目臻g布局會(huì)存在安全沖突的隱患。因此在下一步的研究中，還需要航母飛行作業(yè)管理系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的安全布局規(guī)劃能力。

［1］NATOPS landing signal officer manual： NAVAIR 00-80T-104［S］. Washington DC： Office of the Chief of Naval Operations， 2000.

［2］TUGNOLI A， KHAN F， AMYOTTE P， et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach： imple-menting inherent safety perspective： part 1-Guideword applicability and method description［J］. Journal of Hazardous Materials，2008， 160（1）： 100-109.

［3］MUTHER R. Systematic layout planning［M］. 2nd ed. Boston，MA： Cahners Books， 1973.

［4］JOHNSTON J， SWENSON E. A persistent monitoring system to reduce navy aircraft carrier flight deck mishaps［C］//Proceedings of AIAA Guidance， Navigation， and Control Conference. Chicago， Illinois： AIAA， 2009

［5］TUGNOLI A， KHAN F， AMYOTTE P， et al. Safety assessment in plant layout design using indexing approach： implementing inherent safety perspective： part 1-Guideword applicability and method description［J］. Journal of Hazardous Materials，2008， 160（1）： 100-109.

Aircraft carrier flight operation safety analysis based on spatial layout planning

WANG Xiao-yun， ZHAO Ting-di
（School of Reliability and System Engineering， Beihang University， Beijing 100191 China）

Aircraft carrier systems are suffered with risks arising from spatial interaction between aircraft， system components and aircrews. We proposed a safety assessment method for such spatial safety issues. First， the cause of spatial hazard was reviewed， the effects of abnormal event was analyzed. Then a metric for spatial hazard was set up to provide a qualitative measure for assessment and decision. On this basis， two layout safety assessment method was narrated with the example of aircraft carrier flight deck safety problem.

aircraft carrier；flight operation；spatial layout；safety

E926.392；E925.6

A

1672-7619（2016）05-0147-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.031

2015-11-23；

2015-12-01

王曉云（1975-），男，博士研究生，研究方向?yàn)榭煽啃耘c系統(tǒng)工程，安全性與健康管理技術(shù)。